点胶机运动误差的测量与补偿方法_庞克俭.pdf

（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期：2023-03-23点胶机运动误差的测量与补偿方法庞克俭(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)摘要：针对影响点胶机点胶精度的主要因素机械运动误差，介绍了目前应用最广的测量方法是激光干涉仪测量；给出了这种运动误差的补偿方法，即采用激光干涉仪测出若干个目标位置和实际位置的对应关系，再用线性插值法得出行程范围内任意点的对应关系，从而得出任意点的补偿值；经过实际验证，该方法可大幅提高运动精度。关键词：点胶；定位精度；激光干涉测量；误差补偿中图分类号：TN307文献标志码：A文章编号：1004-4507(2023)03-0046-04Measuring and Compensating the Motion Error ofPrecision DispenserPANG Kejian(The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)Abstract:In view of the mechanical motion error which is the main factor affecting the dispensingaccuracy of dispensing machine.Currently，introduoes that the most widely used measurement methodfor this error is laser interferometer measurement.A compensation method for motion error is presented，which uses a laser interferometer to measure the corresponding relationship between several targetpositions and actual positions，and then uses linear interpolation to obtain the corresponding relationshipof any point within the stroke range，thereby obtaining the compensation value for any point.Afterpractical verification，this method can indeed significantly improve the motion accuracy.Key words:Dispensing；Positioning accuracy；Laser interferometer measurement；Error compensation点胶机也叫涂胶机，主要应用于集成电路、印刷板、电子元器件、汽车部件、包装盒等产品的制作。在电子封装行业中，点胶机是一款必备的封装设备，可将胶水、油漆及其它液体精确地点、注、涂、滴到精确位置，也可实现打点、画线、画圆以及绘制其他不规则线条等操作。随着点胶工艺在工业生产中的应用越来越广泛，它在功能方面的要求也越来越高，点胶方式由最初的传统手工转为半自动或全自动，控制方式也在快速发展，由单片机控制逐渐发展为 PLC+测试测量技术与设备46（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023触摸屏控制1，又发展到 PC+运动控制器控制2；由于视觉技术和模糊控制技术日趋成熟，现在更是发展到了视觉型点胶机，智能化程度越来越高，如图 1 所示。同时由于整机便携化和系统小型化的发展需要，电子部件要求基板与芯片的尺寸越来越小、组装密度与精度越来越高3，以业内常用的品牌武藏点胶机为例，其定位精度达到了 10 m，重复定位精度达到了 5 m。1影响点胶定位精度的主要因素影响点胶定位精度的因素很多，如运动误差（几何误差）、热误差、力误差和随机误差等，其中运动误差对点胶精度的影响最大，达到 40%以上4。点胶机的运动精度取决于机械精度和电气控制精度两大部分，而电气控制的精度水平由于伺服电机、直线电机和高精度运动控制器的引入，已经远超我们所需的精度，所以由电气控制引起的精度误差基本可以忽略。如果软件控制系统具备补偿功能，则可以消除部分机械精度偏差，所以整机的运动精度主要取决于机械精度水平和软件的补偿能力5。点胶机的机械精度主要与以下因素有关：（1）来自三轴运动模组本身的制造精度误差，包括线性度、直线度等；（2）运输安装过程中产生的误差，特别是安装过程，安装基座不平整，固定孔位置有偏差，安装时的调节不当，都可能引起线性度和直线度误差；（3）内、外部热源引起的热变形误差；（4）更换点胶针管或针头引起的重复定位误差；（5）外界振动、湿度和气流变化等产生的环境误差。由 3 个直线模组构成的三轴运动模组的精度是影响点胶精度的重要因素之一，体现为单轴的直线度、定位精度和重复定位精度，3 个轴彼此之间的垂直度等。本文以定位精度为例，说明一种改善点胶机运动精度的软件补偿方法。2定位精度误差的检测误差补偿的前提条件是误差高精度检测与辨识，传统的机械误差检测工具包括直角尺、千分表、水平仪、成组量块等。而近年来出现的误差检测技术及装备包括激光干涉仪、球杆仪、平面光栅、R-test(Radial test)、机器视觉测量等6，其中，激光干涉仪由于检测精度高、速度快、无接触等特点，正逐渐成为公认的适合进行高精度三维平台精度检定的仪器7。图 2 为干涉仪线性测量时的光路图，图 3 为点胶机线性测量实际现场图。利用激光干涉仪，很容易得到 3 个轴的定位误差数据，关于激光干涉仪的具体安装和测量过程，相关说明书和文献描述已比较详细8，不再赘述。以某次测量点胶机的 Y 轴误差为例，Y 轴运图1视觉型点胶机主要部件图2线性测量光路图图3点胶机线性测量实际场景角锥反射镜 A角锥反射镜 B运动轴分光镜测试测量技术与设备47（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023动行程共 280 mm，每 5 mm 测量一次，得出数据如表 1 所示。3运动误差的补偿用纵轴表示机器给出的指令位置（即想要达到的位置），横轴表示干涉仪测出的实际位置，将上节测出的数据在坐标系中标示出，再用折线将这些点连起来，得到折线图，如图 4 所示。把组成折线的各个线段分别定义为 L1，L2，L3Ln。根据 L1两个端点的坐标（即指令位置和实际位置的对应关系，从表格中获得），利用线性插值法，很容易得出 L1的表达式：L1：y1=f1(x)=k1 x+b1(1)同理可以依次得出：L2：y2=f2(x)=k2 x+b2(2)L3：y3=f3(x)=k3 x+b3(3)Ln：yn=fn(x)=kn x+bn(n)这样，根据这些函数，对于每个需要到达的实际位置（即目标位置）x，都有了对应的软件指令位置 y，从而比较精确的达到指定位置。实际软件操作中，先判断实际目标位置 x 位于哪条线段（Ln）内，再用相应线段的函数表达式 yn=fn(x)，算出对应的指令位置值，输出指令位置即可，实现此算法的 C#代码比较简单，不再详细阐述。补偿验证实例：继续以 Y 轴为例，Y 轴总行程为 280 mm，首先利用激光干涉仪对 Y 轴进行 5 次测量，以尽量降低随机误差，未补偿前控制器发指令，每次间距为 5 mm，测得误差趋势如图 5 所示。将误差表格数据导入补偿算法子函数中，补偿后，再次测量，得到误差趋势如图 6 所示。通过补偿前后的比较可以看出，在 280 mm的行程范围内，补偿前最大误差值为 180 m，补偿后最大误差值变为 16 m，补偿后定位精度误差有明显改善。4结束语由 Y 轴定位精度的补偿结果来看，该方法切表1 Y轴定位误差测量数据序号指令位置/mm实际位置/mm误差/m155.00232.321010.00242.456280280.1702170.2图4位置对应关系图图5补偿前误差趋势图6补偿后误差趋势指令位置/mm2001000实际位置/mm100200L1L2L3Ln偏差/m1801501209060300-300306090120150180210240270位置/mm反向正向误差/m9630-3-6-9-120306090120150180210240270位置/mm反向正向（下转第54页）测试测量技术与设备48（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023表 4 的数据表明焊盘、导带表面的金属浆料均能承受 5 g 以上的键合力，满足金丝键合拉力测试的合格范围。故能证明运用该方法填充孔的饱满度满足使用要求。3结束语通过对填孔刮刀的改良，将刮刀与网版的接触棱边进行倒角，刮刀在填孔过程中受到挤压产生变形，由原来锯齿状的尖角改良成平滑的圆角进行填孔，发现其饱满度满足使用要求，没有出现凹陷形成漏孔导致基板开路。同样也未过于饱满填孔，影响基板的平整度，造成凸起，金丝键合强度也满足使用要求。同时，无需 2 次填充，1 次填充即可满足使用要求，此改良措施既改善了填孔质量，又提高了工作效率。参考文献：1吕琴红，李俊.低温共烧陶瓷（LTCC）工艺的研究J.电子工业专用设备，2009，38(10)：22-25.2国家标准局.微电子器件试验方法和程序S.GJB548B-2005.北京：总装出版发行部.2005.作者简介：张英英（1981），女，山西洪洞人，本科，工程师，主要从事印刷、填孔、整平等微电子封装专用设备研究。实可行。采用同样的方法，也可以对 XYZ 3 个轴进行定位精度、直线度以及垂直度的补偿；但由于线性插值本身的局限性，它需要比较多的检测点来获取更好的补偿精度。若需要获取更高的补偿精度，可采用曲线平滑拟合的方式。参考文献：1艾 妮.基于 PLC 的自动点胶机控制系统的研究与设计J.轻工科技，2017(8)：91-92.2漆志亮.基于机器视觉的点胶机工件定位研究D.南昌：南昌大学，2018.3侯一雪，王 雁，曹国斌，等.一种应用于芯片高精度拾放的视觉定位方法J.电子工业专用设备，2014，43(2)：28-32.4赵小松.四轴联动加工中心误差补偿技术研究D.天津：天津大学，2000.5Zhao Y X.Integrated Modeling of a Time-Pressure FluidDispensing SystemforElectronicsManufacturingJ.IEEETransactions on Manufacturing，2007，7(6)：86-98.6张伟，陈鹏，潘爱金，等.数控机床误差检测及补偿技术研究进展J.机床与液压，2019，47(17)：198-2057迟关心，郝昕宇，张昆，等.数控机床定位精度的检测及补偿J.航天制造技术，2010(3)：51-54.8段密克，徐迎春.基于激光干涉仪的定位误差补偿实验研究J.计量与测试技术，2022，49(4)：36-40.作者简介：庞克俭（1971），男，河北省沙河市人，高级工程师，主要从事半导体专用非标设备的研制开发与生产，曾主持开发了等离子清洗机、等离子去胶机、气态氟化氢（VHF）释放系统、微波探针台、视觉型点胶机等专用设备。锦州：辽宁工业大学，2019.4廖佳涛.基于交流伺服电机的纤维缠绕张力控制系统研究D.武汉：武汉理工大学，2011.5任剑，靳建鼎.薄膜卷制过程中张力控制系统的应用J.电子工艺技术，2010，31(3)：172-176.6薛烨豪，潘丰.虚拟主轴同步控制策略在张力控制中的应用J.制造业自动化，2020，42(8)：58-62.7于水.基于力矩电机的铺丝机构张力测控技术研究D.南京：南京航空航天大学，2009.作者简介：李国林（1985），男，山东潍坊人，硕士，高级工程师，主要从事印刷机、填孔机、叠压机等电子专用设备的研发工作。（上接第40页）（上接第48页）电子专用设备研究54