视觉系统将以次微米公差检测 MEMS 的时间缩短了 90%
微机电系统 (MEMS) 需要固定在达到次微米公差的塑料外壳内，从而校准晶片上的机器元件并连接外壳上的元件。使用显微镜的传统人工检测要花超过 5 分钟的时间，并且无法在此应用中始终如一地保持所需的公差。位于美国俄勒冈州波特兰市的 DWFritz Automation 公司研发了一种 MEMS 零件检测工具，即使用两个康耐视 CDC-200 摄像头和一个康耐视MVS-8100 板卡对全部 9 个生产步骤进行 500 多次测试，每个步骤的周期不超过 30 秒。检测过程包括装载、卸载和移动零件。这种自动化的视觉检测系统可以保持所需的次微米公差，而系统的灵活性还可方便地满足设计变更和改进的需要。
富有挑战的检测需求
一家消费电子产品制造商最近引进了一款采用MEMS发挥独特性能的新型产品。在复杂生产过程的各个阶段，MEMS设备都需要极其精密的流程检测。MEMS通常采用人工检测，但由于这种应用的产量大，需要大约15名检测员共同操作。另外一项困难是检测员不可能稳定连贯地执行这种应用所需的精密测量。制造商担心采用人工检测会导致产品在使用中发生故障，从而影响产品的声誉。但是，这种应用要实现自动化操作非常复杂，因为塑料外壳的柔韧性使其很难反复固定。
这家消费电子产品制造商与DWFritz Automation合作开发出一款自动化精密检测系统，可以用比检测员高15倍的速度连贯执行重复检测。DWFritz擅长利用智能机器视觉、先进机器人和微米级精密技术，设计和建造精密的定制化“交钥匙”自动化系统。这些系统通常在生产操作之后执行检测，马上发现流程中出现的问题，避免在不符合规格要求的总成上浪费更多资源。
测量总成特征点
元件被手动加载到Primatics 0.02-微米X-Y台上安装的定制槽中。使用自定义计算机触摸屏和标准计算机键盘，操作员可选择一种方法并激活周期开始命令。在槽移动至检测区域后，会通过机载的条形码读取器自动捕捉零件识别信息。使用配备低分辨率镜头的康耐视CDC-200相机检测总成中特征点的位置。另一台配备高分辨率镜头的CDC-200相机可精密测量这些特征点。光幕可确保操作员的安全，如果在机器运行时任何物体穿破光幕，将立即停止所有机器。
康耐视CDC系列相机采用CMOS有源像素传感器技术将光能直接转换为数字图像数据。相机将图像数据转换为数字流，根据康耐视CogLink相机通信协议分割为数据包，然后将数字流通过CogLink高速串行总线发送至康耐视MVS-8100D板卡。MVS-8100D重新组合图像数据数据包，向在主机上运行的康耐视软件提供捕捉到的相机图像。CDC-200相机可在高达26 Hz的帧频下捕捉最高达1280x1024像素的图像并使用全域快门。
CDC-200相机设计用于康耐视MVS-8100D板卡。8100D配备经过考验的完整视觉软件工具库，包括行业领先的康耐视PatMax®技术，无论角度、比例或外观如何变化，均可准确定位物体。8100D可在单、双和三通道配置中使用，能实现最多三台相机的任意组合互换，从而无需为不同类型的相机购买多个板卡。异步采集支持功能可实现各相机分别独立地接受触发信号并采集图像。
一项难题是重复固定外壳由可变形塑料制成的零件。DWFritz采用六点运动限制固定技术和高重复性低摩擦夹持力技术研发出一种精密的机械设计。零件被置于真空床上，吸附在三个碳化物支撑球上，以保持平稳的平面。零件两侧的对位销可限制X轴的运动。然后，低摩擦滑动总成上的滑块与零件的凹槽啮合并施力，使零件抵住夹具的背面，以便在X轴固定零件。用力很小，防止塑料永久变形，并且力度可重复，避免了弹性变形导致的误差。零件可从夹具中取出、更换并可再次测量，重复精度达到惊人的0.2微米。
检验粘合剂
总成包含一个粘贴在陶瓷底物（安装在塑料外壳上）的方形芯片块。而外壳上也粘贴有一个柔性电路。在粘贴芯片块之前，下一项检测检验并测量了陶瓷上的粘合剂。由于不需要高精度测量，采用低分辨率相机对粘合剂进行检测。康耐视VisionPro® tool library配备的数百个寻线器和卡钳功能被用于测量底物上的粘合剂量，以确保符合规格要求。
无论图像背景中是否存在噪点，均采用VisionPro卡钳工具寻找边缘或边缘对。视觉检测仅需几秒钟就可完成。30秒周期中的剩余时间被用于加载、移动和卸载零件。
寻找芯片块基点
底物粘合剂通过检测后，将方形芯片块放到底物上。Primatics台将基点逐个移动到第二台高分辨率相机的图像中央。采用VisionPro PatMax工具，使用低分辨率相机在芯片块上找到基点。无论流程变化、反射表面、部分闭合、光线的非线性变化或成像不均匀而导致零件外观发生任何变化，PatMax均可非常精确地定位物体。
然后，高分辨率相机捕捉图像，用于确定基点偏差和旋转量的亚微米级公差（根据国家标准与技术协会（NIST）测得的金标）。由负责控制检测设备的软件对比偏差值和公差，以判断总成是否通过检测。按照夹具来校准视觉系统。Galil运动控制器操纵工作台，使视觉系统能看到所有基点。然后由激光移位传感器测量芯片块的高度。传感器具备0.01 微米的分辨率、±0.03%的精确度和50 kHz 的采样速度。
检测柔性电路的基点
生产流程的下一步是在底物上安装柔性电路。借助柔性电路，可以将电路板制成所需的形状，并使用用于刚性印刷电路板的相同元件来生产。柔性电路基点的检测方法与MEMS芯片块完全相同。柔性电路检测完成后，下一步是在柔性电路和MEMS芯片块之间连接导线。然后将导线束进行封装。然后，按照在第一个检测步骤中测量粘合剂的相同方式再次对总成进行检测，以测量封装情况。
精密检测设备可在九个不同的流程步骤中完成超过500次测量，速率可达每小时120个零件，仅需一名操作员即可完成全部检测。运动夹具可在拆卸和更换零件时保证高于0.2微米的重复精度。检测系统测量相同零件上的大、小特征点，并将高、低分辨率相机的测量结果关联起来。康耐视相机和板卡可提供所需的高分辨率，以确保交付给客户的所有设备均满足亚微米公差。
“如果制造商被迫采用人工检测方法，那么就没有理由将这种产品推向市场，”DWFritz营销与业务总监John Watt说。“精密夹具、高分辨率相机和强大视觉工具的组合使得迅速检测零件成为可能， 从而获得满足最高品质标准的成功产品。”
