运动控制构建半导体，第二部分：组装

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一旦制造了集成电路并切割和包装硅晶片，建筑实体电子设备的工作就才刚刚开始。对于那些有用的芯片，必须在电路板上组装，并通过称为拾取和放置的自动化过程来组装。

拾取和放置操作可分为三个任务：将零件送入机器，定向这些部件并在电路板上安装它们。诸如IC的小部件通常在胶带和卷筒馈送器上馈送到拾取和放置的装配机，该送料器一次呈现零件，以定向方式卡在带上。具有重要三维轮廓的较大部件从托盘拾取或通过振动碗馈线供给。振动碗馈线由一个大碗组成，螺旋斜坡侧面。作为碗摇晃，零件单独工作，在那里，它们由执行挑点的手臂收集。

接下来，必须将部件移动到正确的安装方向中。胶带和卷筒馈线可以呈现已经取向的部件，但是托盘装载物品的情况较少或由振动碗供给的盒子。这是机器视觉可以帮助的地方。

视觉和运动
“这些组件在这些卷轴上或这些托盘上，但在该XY空间内没有精确登记他们的位置，”Aerotech Inc.的产品营销，激光和医疗集团，宾夕法尼亚州匹兹堡（宾夕法尼亚州匹兹堡）主任Ron Rekowski。“您使用相机获取部分的图像，以确定其取向是什么，然后进行调整。”

这不仅仅是在不同方向上转动部件的问题，但甚至调整到不同的位置。“你有一个视觉传感器，拍摄你正在拾起的图片，你得到一个命令来移动到一些你认为部分的理想位置。当执行器在那里移动时，您可以获得零件实际的地方，然后在飞行中修改动作命令的端点，“他说。一种复杂的方法可以将一些手在组件中取出，例如托盘，这些托盘通常从部件袋手动装载。

该公司总裁布莱恩•卡莱尔表示:“将传感与运动控制结合起来，可以使系统不必依赖固定装置来定位所有东西，也不必依赖托盘来给部件喂食。精确的自动化公司。(加州摩根山)。“他们可以一天做一种产品，一天做另一种产品。”

例如，在零件馈送方面，机器视觉可以极大地简化转换。振动碗给料机必须为每个应用定制设计，所以从组装板A转换到组装板B可以意味着更换一个6英寸的给料机。到直径3英尺，储存它，并安装一个新的。在一个灵活性成为制造业口号的时代，我们需要一种替代方案。

“我认为重要的是一个灵活的零件馈线的想法，它将使用机器视觉和运动控制的组合来分离出一个可能在一个袋子里的三维部分，”卡莱尔说。他称之为Visual Serving。“你可以将一袋零件丢到一个旋转并将它们分开的循环输送机中，使用机器愿景来定位它们并确定它们的方向，然后使用机器人拾取它们。”一个可启用视觉的送纸器可以容纳各种不同的部件，使从电路板A的开关在几秒钟内而不是几分钟或数小时。

视觉伺服还可以帮助组装，系统地引导两个部件对准或协助更复杂的过程，如激光焊接。卡莱尔说:“这样做的好处是，你不需要一台超精确的机器，你只需要一台分辨率相当高的机器。”他建议，不需要花岗岩桌子和空气轴承。如果你有一个合适的视觉系统，一个低成本的设计可以完成这项工作。

当然，前提是相机要有足够的景深来保持对焦。物镜畸变和视差会影响离轴成像，因此光学设计是关键。适当的照明是绝对必要的——没有一致的照明，清晰、一致的成像是不可能的。

另一个不太明显的陷阱是通信。如果一个高吞吐量系统正在引导部件到位，那么您需要足够快的通信来支持它。卡莱尔说:“如果人们在实施视觉系统时没有理解或考虑到这一点，(交流延迟)就会产生问题，尤其是当他们试图快速前进时。”“以太网堆栈、个人电脑和plc的工作方式，在信息处理中存在这些提示和延迟。最终会出现100到200毫秒的延迟，如果你只是试图定位某个部件，这是可以接受的，但如果你试图进行实时导航，就不是这样了。”

特别是多供应商系统，在没有仔细注意设计的情况下可能会导致延迟。意识到不同的味道以太网对最佳结果很重要。

把它放在一起
一旦零件被拿起和定位，它们需要被运送到板上的指定位置，迅速，准确，没有超调或振铃。高端的拾取和放置机器倾向于使用直接驱动的直线电机，这消除了一些机械执行器可能产生的间隙和误差。新的智能元件，如智能驱动也扮演着重要的角色。

“它是为了良好的劳动分工，”Rekowski说。“如果您在智能驱动器上每轴具有处理器，则处理器仅关注与操作一个轴相关的开销。当您从一个轴系统到双轴或三轴系统时，您不会获得系统性能的劣化，而不是集中控制系统。“

分布式方法不一定排除集中控制器，当然是轴之间的高级协调。在这样的方案中，低级轨迹命令在驱动器上进行，而路径规划和程序执行等任务发生在单独的处理器上。这里，通信再次成为密钥。

“这些类型的设备中最常见的反馈形式通常是20-UM紧张光学编码器，”Rekowski说。“显然，20UM不足以适用于拾取应用程序，因此您必须获取将反馈转换为控制器外部的微米或亚微米级分辨率的设备，或者您必须采取标志和辅助模拟反馈并插入控制器内的0.1 um或10nm的技术分辨率。“

这些处理要求意味着设备的数据速率很重要。“If you're going to position at 1 m/s or 1.5 m/s with 0.1-um resolution and you are using external interpolation electronics, you’re going to need to be able to support 10-15 MHz data rates in your control system,” he adds.

定位要求随着组件的尺寸而变化。较大的组件比准确度更多的吞吐量。非常小的组件施加严格的精度和可重复性要求。最终，这一切都归结为机器的吞吐量。

“你必须设计足够的伺服带宽，以便能够快速关闭循环，以便从机械执行器中获得最大性能，”Rekowski说。“您也必须从完整的系统级性能看它 - 您必须设计一个控制系统，可以充分补偿机械师的缺点或充分利用您设计的机械结构的所有能力。。“

控制
部分优化过程涉及开发一种控制系统，实现快速移动和解决时间。从设计角度来看，这意味着在驱动器中确保足够的CPU资源或足够的DSP肌肉，然后使用从前馈算法到的复杂技术观察者控制。

给定系统中的互连质量或惯性产生共振。“当你看待安顿的时间时，你通常受你的机器共振的限制，”Rekowski说。“你将看到一些振荡，因为这件事已经与系统的僵化一起解决。”这种行为需要一种控制方法，可以混合算法和反馈 - 观察者控制或自适应学习，因为Retkowski表征它。“我们运行此加速度，无论它可能是什么。我们观察系统响应，看看它的位置以及它如何解决，然后使用该信息稍微修改加速度或速度曲线。“

这是一个迭代过程，可以大大尽量减少过冲和振铃。最终，命令过程变得定制到特定机器的特性。

市场对电子工业的速度和处理能力的要求不断增加。制造和装配变得越来越具有挑战性，但随着运动控制的不断进步，制造商有工具来跟上步伐。

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