本發(fā)明涉及信息，尤其涉及基于機器視覺與控制的芯片焊接方法。

背景技術(shù)：

1、在微納級電子元器件制造中引入機器人自動化技術(shù)，面臨著精度與成本的核心矛盾。以微型芯片與基板的精密焊接為例，芯片尺寸僅幾百微米，焊盤間距也在微米級，對定位精度和工藝穩(wěn)定性提出了極高要求。

2、首先，芯片和基板對溫度極為敏感，微小的溫度波動就可能導(dǎo)致尺寸發(fā)生數(shù)微米級變化，直接影響焊接精度，但目前缺乏微觀區(qū)域的精準控溫技術(shù)。

3、其次，機械臂在抓取、放置和焊接時的微小振動會成為顯著的誤差源，納米級的振動幅度就足以導(dǎo)致芯片與焊盤錯位，但現(xiàn)有機器人難以實現(xiàn)亞納米級的振動控制。

4、這些問題體現(xiàn)出微納制造對設(shè)備性能的苛刻要求，是阻礙自動化技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)障礙，需要從工藝細節(jié)出發(fā)，開發(fā)全新的精密控制技術(shù)，才能推動自動化裝配在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，主要包括：

2、獲取芯片與基板的三維模型，得到芯片焊點和基板焊盤的初始相對位置，生成機械臂初始運動指令；拍攝芯片與基板圖像，通過圖像配準計算位姿偏差，若偏差超出閾值，生成補償指令與初始指令融合，調(diào)整機械臂軌跡對準焊盤；構(gòu)建溫度傳感器陣列監(jiān)測焊接區(qū)域溫度，計算平均溫度，若平均溫度與理想焊接溫度區(qū)間存在差值，通過比例積分微分算法調(diào)節(jié)加熱器功率；利用壓電傳感器獲取機械臂關(guān)節(jié)振動信號，通過快速傅里葉變換提取主導(dǎo)振動頻率和振幅，通過壓電致動器產(chǎn)生反相驅(qū)動信號抵消振動；建立熱-機械耦合模型，以焊接工藝參數(shù)集為輸入，輸出焊接質(zhì)量評價指標，采用高斯過程回歸算法提取關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，根據(jù)實時數(shù)據(jù)，利用梯度下降法優(yōu)化參數(shù)，生成優(yōu)化的工藝參數(shù)。?進一步的，所述獲取芯片與基板的三維模型，得到芯片焊點和基板焊盤的初始相對位置，包括：獲取芯片與基板外邊界的離散坐標點集合，采用b樣條曲面擬合算法得到連續(xù)曲面模型，構(gòu)建三維網(wǎng)格模型，提取焊點和焊盤的坐標信息，模擬理想焊接狀態(tài)，計算焊點目標坐標和機械臂末端執(zhí)行器目標位姿矩陣，根據(jù)機械臂的d-h參數(shù)建立機械臂正向運動學(xué)模型，通過機械臂逆運動學(xué)求解算法獲得關(guān)節(jié)角度數(shù)值解。?進一步的，所述拍攝芯片與基板圖像，通過圖像配準計算位姿偏差，包括：通過高精度視覺傳感器獲取芯片與基板的圖像并進行預(yù)處理，從圖像中提取特征點集合，得到芯片圖像和基板圖像上特征點位置，采用抗差估計穩(wěn)健方法計算單應(yīng)性矩陣得到空間位姿偏差矩陣參數(shù)，利用機械臂運動學(xué)逆解算法生成關(guān)節(jié)角度補償值，將關(guān)節(jié)角度補償值與機械臂的初始運動控制指令進行加權(quán)融合得到調(diào)整后的運動控制指令，通過視覺引導(dǎo)芯片焊盤與基板焊盤對準。?進一步的，所述構(gòu)建溫度傳感器陣列監(jiān)測焊接區(qū)域溫度，計算平均溫度，包括：將焊接區(qū)域劃分為子區(qū)域，在每個子區(qū)域中心部署微型溫度傳感器構(gòu)成陣列，獲取陣列中每個傳感器的實時溫度值，將所有溫度傳感器的測量值進行求和并計算得到焊接區(qū)域平均溫度值，采用遍歷尋優(yōu)法得到最優(yōu)焊接溫度閾值，計算實際溫度與理想溫度范圍中點的偏差，將焊接工藝參數(shù)集作為有限元模型的輸入條件。進一步的，所述利用壓電傳感器獲取機械臂關(guān)節(jié)振動信號，通過快速傅里葉變換提取主導(dǎo)振動頻率和振幅，包括：根據(jù)壓電傳感器測量得到機械臂各關(guān)節(jié)振動信號，利用快速傅里葉變換計算得到各關(guān)節(jié)振動信號的頻譜，提取每個關(guān)節(jié)頻譜中幅值最大的頻率作為主導(dǎo)振動頻率，將所有幅值進行累加得到該主導(dǎo)振動頻率對應(yīng)的振幅，根據(jù)提取到的主導(dǎo)振動頻率和振幅構(gòu)建反相驅(qū)動信號。?進一步的，所述通過壓電致動器產(chǎn)生反相驅(qū)動信號抵消振動，包括：實時監(jiān)測機械臂關(guān)節(jié)處的振動信號，判斷振動幅度是否超出閾值，若振動幅度超出閾值，重新獲取振動信號并生成新的驅(qū)動信號，根據(jù)壓電傳感器和壓電致動器的反饋信號采用自適應(yīng)控制算法不斷優(yōu)化驅(qū)動信號的參數(shù)，實時調(diào)節(jié)加熱功率使焊接溫度穩(wěn)定在理想范圍內(nèi)，將控制指令下發(fā)給加熱器的電源控制模塊。?進一步的，所述建立熱-機械耦合模型，以焊接工藝參數(shù)集為輸入，輸出焊接質(zhì)量評價指標，包括：根據(jù)芯片和基板的材料屬性和幾何尺寸建立三維有限元模型，模擬得到不同參數(shù)組合下的溫度場、應(yīng)力場和變形場分布，根據(jù)模擬結(jié)果提取焊點區(qū)域的最高溫度、溫度梯度、冷卻速率、等效塑性應(yīng)變特征參數(shù)，采用基于數(shù)據(jù)一致性收斂的有限元模型計算方法獲得熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射關(guān)鍵參數(shù)。?進一步的，所述采用高斯過程回歸算法提取關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，根據(jù)實時數(shù)據(jù)，利用梯度下降法優(yōu)化參數(shù)，包括：采用高斯過程回歸算法，以焊接工藝參數(shù)為自變量，以空洞率和界面結(jié)合強度為因變量，訓(xùn)練關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)模型得到各工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響權(quán)重和敏感度，通過交叉驗證和網(wǎng)格搜索等方法優(yōu)化高斯過程回歸模型的核函數(shù)類型和超參數(shù)，將預(yù)測的焊接質(zhì)量與實際測量的焊接質(zhì)量進行比較得到兩者之間的均方誤差作為模型優(yōu)化的目標函數(shù)。

3、本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

4、1、該方法首先構(gòu)建芯片和基板的三維數(shù)字模型，利用有限元分析計算理想焊接狀態(tài)下的相對位置關(guān)系，生成機械臂初始運動控制指令。通過視覺傳感器實時檢測芯片與基板的位置偏差，動態(tài)調(diào)整機械臂運動軌跡以實現(xiàn)精準對準。在焊接過程中，采用溫度傳感器陣列監(jiān)測焊接區(qū)域溫度分布，并通過pid算法實時調(diào)節(jié)加熱器功率，確保焊接溫度處于理想?yún)^(qū)間。

5、2、同時，利用壓電傳感器和致動器抑制機械臂振動，提高焊接穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明還建立了熱-機械耦合模型，結(jié)合高斯過程回歸算法提取關(guān)鍵工藝參數(shù)，并通過梯度下降法不斷優(yōu)化焊接工藝參數(shù)模型，實現(xiàn)焊接質(zhì)量的持續(xù)改進。該方法可顯著提高芯片與基板焊接的精度、穩(wěn)定性和質(zhì)量一致性，適用于高端電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，獲取芯片與基板的三維模型，得到芯片焊點和基板焊盤的初始相對位置，生成機械臂初始運動指令；?拍攝芯片與基板圖像，通過圖像配準計算位姿偏差，若偏差超出閾值，生成補償指令與初始指令融合，調(diào)整機械臂軌跡對準焊盤；?構(gòu)建溫度傳感器陣列監(jiān)測焊接區(qū)域溫度，計算平均溫度，若平均溫度與理想焊接溫度區(qū)間存在差值，通過比例積分微分算法調(diào)節(jié)加熱器功率；?利用壓電傳感器獲取機械臂關(guān)節(jié)振動信號，通過快速傅里葉變換提取主導(dǎo)振動頻率和振幅，通過壓電致動器產(chǎn)生反相驅(qū)動信號抵消振動；?建立熱-機械耦合模型，以焊接工藝參數(shù)集為輸入，輸出焊接質(zhì)量評價指標，采用高斯過程回歸算法提取關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，根據(jù)實時數(shù)據(jù)，利用梯度下降法優(yōu)化參數(shù)，生成優(yōu)化的工藝參數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述獲取芯片與基板的三維模型，得到芯片焊點和基板焊盤的初始相對位置，包括：?獲取芯片與基板外邊界的離散坐標點集合，采用b樣條曲面擬合算法得到連續(xù)曲面模型，構(gòu)建三維網(wǎng)格模型，提取焊點和焊盤的坐標信息，模擬理想焊接狀態(tài)，計算焊點目標坐標和機械臂末端執(zhí)行器目標位姿矩陣，根據(jù)機械臂的d-h參數(shù)建立機械臂正向運動學(xué)模型，通過機械臂逆運動學(xué)求解算法獲得關(guān)節(jié)角度數(shù)值解。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述獲取芯片和基板外邊界的離散坐標點集合，采用b樣條曲面擬合算法得到連續(xù)曲面模型，構(gòu)建三維網(wǎng)格模型，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述拍攝芯片與基板圖像，通過圖像配準計算位姿偏差，包括：?通過高精度視覺傳感器獲取芯片與基板的圖像并進行預(yù)處理，從圖像中提取特征點集合，得到芯片圖像和基板圖像上特征點位置，采用抗差估計穩(wěn)健方法計算單應(yīng)性矩陣得到空間位姿偏差矩陣參數(shù)，利用機械臂運動學(xué)逆解算法生成關(guān)節(jié)角度補償值，將關(guān)節(jié)角度補償值與機械臂的初始運動控制指令進行加權(quán)融合得到調(diào)整后的運動控制指令，通過視覺引導(dǎo)芯片焊盤與基板焊盤對準。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述構(gòu)建溫度傳感器陣列監(jiān)測焊接區(qū)域溫度，計算平均溫度，包括：?將焊接區(qū)域劃分為子區(qū)域，在每個子區(qū)域中心部署微型溫度傳感器構(gòu)成陣列，獲取陣列中每個傳感器的實時溫度值，將所有溫度傳感器的測量值進行求和并計算得到焊接區(qū)域平均溫度值，采用遍歷尋優(yōu)法得到最優(yōu)焊接溫度閾值，計算實際溫度與理想溫度范圍中點的偏差，將焊接工藝參數(shù)集作為有限元模型的輸入條件。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述獲取陣列中每個傳感器的實時溫度值，將所有溫度傳感器的測量值進行求和并計算得到焊接區(qū)域平均溫度值，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述利用壓電傳感器獲取機械臂關(guān)節(jié)振動信號，通過快速傅里葉變換提取主導(dǎo)振動頻率和振幅，包括：?根據(jù)壓電傳感器測量得到機械臂各關(guān)節(jié)振動信號，利用快速傅里葉變換計算得到各關(guān)節(jié)振動信號的頻譜，提取每個關(guān)節(jié)頻譜中幅值最大的頻率作為主導(dǎo)振動頻率，將所有幅值進行累加得到該主導(dǎo)振動頻率對應(yīng)的振幅，根據(jù)提取到的主導(dǎo)振動頻率和振幅構(gòu)建反相驅(qū)動信號。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述通過壓電致動器產(chǎn)生反相驅(qū)動信號抵消振動，包括：?實時監(jiān)測機械臂關(guān)節(jié)處的振動信號，判斷振動幅度是否超出閾值，若振動幅度超出閾值，重新獲取振動信號并生成新的驅(qū)動信號，根據(jù)壓電傳感器和壓電致動器的反饋信號采用自適應(yīng)控制算法不斷優(yōu)化驅(qū)動信號的參數(shù)，實時調(diào)節(jié)加熱功率使焊接溫度穩(wěn)定在理想范圍內(nèi)，將控制指令下發(fā)給加熱器的電源控制模塊。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述建立熱-機械耦合模型，以焊接工藝參數(shù)集為輸入，輸出焊接質(zhì)量評價指標，包括：?根據(jù)芯片和基板的材料屬性和幾何尺寸建立三維有限元模型，模擬得到不同參數(shù)組合下的溫度場、應(yīng)力場和變形場分布，根據(jù)模擬結(jié)果提取焊點區(qū)域的最高溫度、溫度梯度、冷卻速率、等效塑性應(yīng)變特征參數(shù)，采用基于數(shù)據(jù)一致性收斂的有限元模型計算方法獲得熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射關(guān)鍵參數(shù)。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，其特征在于，所述采用高斯過程回歸算法提取關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，根據(jù)實時數(shù)據(jù)，利用梯度下降法優(yōu)化參數(shù)，包括：?采用高斯過程回歸算法，以焊接工藝參數(shù)為自變量，以空洞率和界面結(jié)合強度為因變量，訓(xùn)練關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)模型得到各工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響權(quán)重和敏感度，通過交叉驗證和網(wǎng)格搜索等方法優(yōu)化高斯過程回歸模型的核函數(shù)類型和超參數(shù)，將預(yù)測的焊接質(zhì)量與實際測量的焊接質(zhì)量進行比較得到兩者之間的均方誤差作為模型優(yōu)化的目標函數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
本申請?zhí)峁┮环N基于機器視覺與控制的芯片焊接方法，包括：獲取芯片與基板的三維模型，得到芯片焊點和基板焊盤的初始相對位置，生成機械臂初始運動指令；拍攝芯片與基板圖像，通過圖像配準計算位姿偏差，若偏差超出閾值，生成補償指令與初始指令融合，調(diào)整機械臂軌跡對準焊盤；構(gòu)建溫度傳感器陣列監(jiān)測焊接區(qū)域溫度，計算平均溫度，若平均溫度與理想焊接溫度區(qū)間存在差值，通過比例積分微分算法調(diào)節(jié)加熱器功率；利用壓電傳感器獲取機械臂關(guān)節(jié)振動信號，通過快速傅里葉變換提取主導(dǎo)振動頻率和振幅，通過壓電致動器產(chǎn)生反相驅(qū)動信號抵消振動。

技術(shù)研發(fā)人員：李彬
受保護的技術(shù)使用者：無錫睿升精密科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28