点胶机及其视觉点胶系统

1 点胶机简介

点胶机是一种专门对胶液点滴、涂覆的自动化机器，常应用于电子、照明、汽车、工业电气等行业对集成电路、零件、玻璃进行封装，所以点胶机的主要功能是对零件、集成电路等部件进行胶液涂覆。点胶技术是随着 SMT 技术发展而发展的，它是将一定量的微量流体通过一种可控的方式按照预定轨迹点到指定位置，以实现元器件之间的封装连接的过程。点胶技术不仅应用在电子封装领域，在当今人们生活的各个方面也得到了广泛的应用，应用领域如图 1.所示

图1 点胶机的应用领域

流体点胶技术作为电子封装领域的关键技术之一，实质上就是通过特定的参数控制将事先装入注射器的胶体挤出从而实现连接与保护元器件的作用。点胶技术不仅在电子封装领域应用广泛，也广泛应用于通信/电子工业、LED 照明行业、供电行业、汽车工业、家电/五金/小商品工业、工业电气工业、太阳能光伏产业、建筑工程等领域。自动化点胶技术就是将流体学、过程控制学、机器视觉技术以及计算机图形学综合运用在点胶系统的研制开发过程中，以提高点胶机的自动化、智能化水平。

1.1接触式点胶

接触式点胶设备可在点胶系统的三个维度上运动，该点胶方式对于高粘度胶体，特别是胶滴质量小的情况容易挂胶和拖尾，这是一个至今悬而未决的问题。点胶设备因作用于胶体的压力方式的不同，常分为三种，简单示意图如图2所示

图2 接触式点胶的3种常见方式

a)时间-压力点胶技术的组成结构有稳压装置、控制装置和气路，点胶过程是先将出气阀链接针筒的底部，调节气体压力控制装置，开启运行系统，高压气体传送到针筒内，推动活塞使胶体流出针头，在这个过程中，根据设置气体压力大小和运行时间长短可以控制基板上出胶质量的大小。优点：易清洗，操作方便，灵活度高。缺点：温度和压力对胶体粘度影响较大。b)螺旋泵点胶技术采用全新设计的阿基米德计量管点胶头来提高点胶性能，该方式是通过螺杆旋转产生作用力推动胶液，使胶体沿着螺线运动，再从点胶头挤出，螺杆的作用力克服掉胶体内部及点胶头上的阻力可以进而控制点胶量的大小[13]。优点：可以软件编程决定点胶量，适用粘度较高的流体，控制灵活，精度较高。缺点：胶体由于受到剪切作用力从而降低粘度，同时也受温度、气压的影响。c)活塞泵点胶技术是由电机驱动活塞将气缸密闭并推动腔内的胶液从点胶头挤出。优点：该点胶方式的本质是靠气缸内流体体积点胶，并不需要考虑胶体自身的粘度，并且出胶量对环境温度和压力的变化不敏感，一致性良好。缺点：点胶效率低，对于带填料的胶体尤其不易清洗。 

1.2非接触式点胶

     非接触型点胶系统在工作时，喷嘴不与工作面相接触，不需要点胶头上下运动，在喷嘴尺寸不变的情况下,在同一位置连续喷涂多个点可达到调整胶料尺寸的目的，从而减少了点胶周期，提高了点胶效率。有三种非接触型点胶方式，简单示意图如图 3所示。

图3 非接触式点胶的常见形式

       a)喷射式点胶原理与喷墨打印机类似，胶体被恒压挤到喷嘴和活塞之间的空腔内，受活塞驱动喷射出胶体，优点是点胶迅速，但复杂的内部结构使其具有不易清洁，维护成本高等缺点。b) 压电陶瓷是具有双向作用的介质，通过电能转换成动能使压电陶瓷沿喷嘴轴向震动，挤出腔内的胶体。该点胶系统具有复杂的机械问题，不易拆卸清洗，因此，该点胶方式不适合具有大颗粒填料的胶体。

      目前，绝大多数的企业都在使用接触式点胶。随着点胶技术的发展，点胶方式正由接触式向非接触式发生转变，但目前非接触式点胶系统在国内还处于起始阶段，所占市场份额不足 15%，还有待进一步发展和提高，存在行业机会。

2 胶体流变特性

      在整体的点胶应用领域中，企业常用的点胶系统为时间-压力型点胶系统，因为该系统对环境的适应性强，操作程序简单，易于清洁和维护，成为了现代最为普遍的点胶方式之一。但是时间-压力型点胶系统适用的胶的粘度范围不广，不适合点高粘度的胶体，也是企业更偏爱低粘度胶体的原因，而且有利于提高点胶效率。因此，针对目前大部分企业而言，对时间-压力型点胶系统的研究有着十分重要的意义。

       点胶效果很大程度上依赖胶体的特性。胶体的流变特性决定其粘度不是常数， 粘度与温度、剪切、应变、时间等因素有关。若要对点胶过程进行控制，必须得先对胶体流变性进行重点分析。自然界中能流动的物质就能称为流体。根据剪切力和剪切速率在剪切作用下的比例关系,可将流体分为两类:牛顿流体和非牛顿流体。当牛顿流体受力时,剪切应力与剪切速率之比是常数，即粘性不随剪切速率的变化而变化，不具备这种流动特性的其他流体称作“非牛顿流体”。作为导热介质的流体绝大多数为非牛顿流体，胶体的流变特性对流速有很大影响。对流体的分类如图4表示。

图4 流体分类

       非牛顿流体的粘度不为常数，与诸多流动条件诸如剪切速率、剪切应变、应力持续时间有关。非牛顿流体可分为：时间独立流体；非时间独立流体；粘弹性流体。虽然它通常是两个或三个流体特性的组合,但主要的非牛顿流体可以用这种方式加以区分，给实际应用提供理论依据。

3 点胶过程控制与点胶控制器

      点胶过程的主要影响方式为，1点胶量的大小，2. 点胶压力(背压)，4. 针头与目标面间的距离，5. 胶水温度，6. 胶水的粘度，7. 固化温度曲线，8. 气泡。比如采用螺旋泵供给点胶针头胶管采取一个压力来保证足够胶水供给螺旋泵。背压压力太大易造成胶溢出、胶量过多;压力太小则会出现点胶断续现象，漏点，从而造成缺陷。应根据同品质的胶水、工作环境温度来选择压力。环境温度高则会使胶水粘度变小、流动性变好，这时需调低背压就可保证胶水的供给，反之亦然。一般环氧树脂胶水应保存在0--50C的冰箱中，使用时应提前1/2小时拿出，使胶水充分与工作温度相符合。胶水的使用温度应为230C--250C;环境温度对胶水的粘度影响很大，温度过低则会胶点变小，出现拉丝现象。环境温度相差50C，会造成50%点胶量变化。因而对于环境温度应加以控制。同时环境的温度也应该给予保证，湿度小胶点易变干，影响粘结力。胶的粘度直接影响点胶的质量。粘度大，则胶点会变小，甚至拉丝;粘度小，胶点会变大，进而可能渗染焊盘。点胶过程中，应对不同粘度的胶水，选取合理的背压和点胶速度。对于胶水的固化，一般生产厂家已给出温度曲线。在实际应尽可能采用较高温度来固化，使胶水固化后有足够强度。胶水一定不能有气泡。一个小小气就会造成许多焊盘没有胶水;每次中途更换胶管时应排空连接处的空气，防止出现空打现象。

       常规点胶控制器设置确定的开阀持续时间，将确定压力的压缩空气从气压输出口输出，挤压胶桶内置的胶液，胶液受压后从胶桶末端的针头流出。随着点胶作业的进行，胶桶内胶液液面从满胶位逐渐下降，直至胶桶底部。胶液液面的变化导致胶桶内部的空腔容积逐渐变大，需要更多的压缩空气涌入胶桶方可保证设定的工作压力作用于胶桶内置胶液，从而实现胶液的排出。由于现有的控制方法采用同样的设定压力及开阀持续时间，因此，从胶桶末端针头流出的胶液量波动大且不可预测。尤其对于出胶量要求比较精确的技术领域，这种控制方法的出胶精度是十分不理想的。一般情况下，点胶控制精度会随着胶桶内胶液液面的下降而产生波动的不足，出胶量与胶液下移速度间并非线性关系，难以实现真正的点胶定量控制。

       点胶控制器的出现就是为了解决点胶过程控制的工艺问题，每个厂家的性能和价格也相差甚远，点胶控制器，阀体等，都是影响点胶过程控制的关键因素。

4 点胶机运动控制与视觉识别定位系统

4.1 点位运动控制

      点胶机的点位控制主要包括上下料部分的执行，胶枪的快速移动和回原点，以及手动微调操作的设置。点位控制运动的特点是在移动机构移动过程中不进行加工动作，只要求达到最快的速度准确定位从一点移动到另外一点，其移动的轨迹（路径与方向）并无严格要求，各坐标轴之间的运动并不相关，要求坐标位置具有较高的定位精度。在点胶机控制系统中，点位运动主要用于预备、辅助与进出目标点胶物料，为了提高生产效率，采用伺服设定的较高进给速度进行定位运动，在初始启动和接近定位点时进行加速和降速，从而减少运动部件的惯性过冲所引起的磨损和定位误差。

 4.2 轮廓轨迹控制

轮廓控制是能够对两个或两个以上的运动轴的位移和速度同时进行连续相关控制，使胶枪与工件间的相对运动符合点胶轨迹要求，在工件平面进行各种轨迹的点胶。在这类控制方式中，要求点胶机运动控制器具有插补运算的功，即根据加工程序输入的基本数据（如直线的终点坐标、圆弧的终点坐标和原系坐标或半径），通过插补运算器把直线或曲线形状的相关坐标点计算出来，并在计算的同时根据计算结果控制两个或两个以上的坐标轴协调运动。

由于点胶轨迹的多样性，需要控制软件具备编辑轨迹的能力，或者导入相关图档，再在此基础上进行轨迹数据的提取能力。通常情况下，图形软件模块给出的图形数据不能直接反应点胶连续轨迹的控制要求，在连续轨迹的控制过程中，往往为了满足特定点胶工艺要求，会进行插入、打散、提前开胶，提前关胶等控制命令插入操作。

4.3 图像识别定位

在点胶控制系统中引入图像，主要目的是为了定位工件，增加设备的柔性，减少甚至无需夹具的使用，少了系统中加入图像进行点胶后效果检测。点胶控制系统的图像定位常见的方式如图5所示。

图5 流体分类

      采用1点图像定位，示教图像学习一个Mark点模板，工作时候来料搜索该点，计算得到图像偏差，进而换算成点胶坐标数据来定位工件，该方法只能定位平移，不能得到旋转偏差。为此大部分引用采用2点定位的方式，识别两个点，计算得到平移和旋转偏差。有时候，产品本身会有变形，如果要更精确，则可以选择定位3个Mark点位置。

     另外也有采用粗定位+精定位的图像定位方式进行点胶定位，如图6所示

图6 粗精定位方式

5 精驰软件的典型视觉点胶机系统

     东莞市精驰软件有限公司的视觉点胶系统在IC器件封装、LED灌胶和LCD显示屏等行业取得了显著应用。以LCD显示屏的涂胶控制为例说明本公司的点胶控制系统产品。LCD显示屏的实物如图7所示。

图7 点胶目标LCD屏

     基于强大自主研发工业智能控制的底层软件架构， 精驰软件的智能点胶系统由工控机、运动控制器、工业相机、光源控制、点胶控制器等组成，具备LCD的面胶、银胶和线胶点胶能力，相比同行的特点，我们的优势是大屏幕多组点胶编辑器，编辑图形具有多边形、提前、延时开胶、图像对点定位等能力，操作简单，同时12组以上的点胶规划毫无压力，具备高精度轨迹规划、图形坐标映射、影像智能定位、复制轨迹、将轨迹入库存档管理等功能。点胶规划的界面如图8所示。

图8 点胶CAD轨迹规划模块

6.精驰软件

      东莞市精驰软件有限公司，是一家专注于智能控制系统领域的工业软件与自动化技术研发及销售的高新软件企业。企业创始人来自华南理工大学等国内知名工科院校和行业龙头企业的核心骨干，有着行业内精湛的高技术水平。目前主推基于自主研发的工控机的软件型PLC运动控制和机器视觉架构的控制系统解决方案，基于此核心技术的智能贴标控制系统，全自动贴合贴膜控制系统，全自动液晶屏包边控制系统、全自动高速高精半导体固晶机系统、智能化的口罩生产线控制系统、全自动轨迹化的点胶机控制系统等都能大程度上让客户获得具成本效益的方案及生产设备，为客户赢得产品市场。

    公司目前主营产品有：全自动贴合贴膜控制系统、全自动液晶屏包边控制系统、全自动高速高精半导体固晶机系统、智能化的口罩生产线控制系统、全自动点胶机控制系统等基于通用软件架构的运动控制与机器视觉控制系统，可提供贴敷、组装、点胶、分拣、固晶和机器人控制等各种不同的控制系统解决方案。

     公司官网 http://www.hphssoft.com 了解更多