基于光電技術的小直徑刀具自動檢測研究

劉定昱王正強，王 星蔡小麗

(1.深圳市大族數控科技有限公司，廣東深圳 518057；2．中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057)

基于光電技術的小直徑刀具自動檢測研究

劉定昱1，王正強2，王 星1，蔡小麗1

(1.深圳市大族數控科技有限公司，廣東深圳 518057；2．中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057)

印制線路板鉆孔時采用的刀具直徑種類很多，主要依靠人工排刀，為了確保機器在鉆孔時自動抓取刀具的正確性，需要對6.35～0.1 mm直徑的刀具進行精確的測量。對PCB機械鉆孔機上傳統的刀具直徑測量方法進行了研究，指出了傳統刀具直徑檢測傳感器存在由于粉塵附著而引起的量取刀具直徑精度誤差的問題，并給出了有效可行的解決辦法。同時，分析了刀具直徑檢測傳感器輸出波形中的噪聲成分，給出了新的刀具直徑計算辦法。通過實驗驗證了優化后的方法比傳統方法檢測出的刀具直徑精度更高，錯誤報警率更低。

直徑檢測；小直徑刀具；PCB機械鉆孔機

Keywords:Diameter detection;Miniµ diameter tooling;PCB CNC drilling machine

PCB（Printed Circuit Board，印制線路板）機械鉆孔機是用于印制線路板精確的鉆孔加工。隨著電子產品向高密集、小尺寸方向發展，印制線路板上的孔徑越來越小，導致鉆孔加工使用的刀具直徑也越來越小[1，2]。印制線路板鉆孔時采用的刀具直徑種類很多，刀具排布采用人工排布，所以在鉆孔加工前，需要對刀具直徑進行檢測，防止排錯刀。鉆孔刀具直徑從0.1 mm到6.35 mm不等，其中兩種刀具直徑差異只有25μm，因此刀具直徑檢測精度要求很高，并且要求能檢測直徑小至0.1 mm[3]甚至更小直徑的刀具。

目前業內刀徑檢測主要采用點光源CCD檢測法和基于光電技術的小孔影像法。點光源CCD檢測法主要應用在日系機器上，方法是直接用CCD讀取影像[4，5]，檢測精度與被測對象的尺寸和位置及CCD檢測精度相關[6]。小孔影像法應用在歐系機器上，借用機器上的反饋裝置讀取影像，檢測精度與被測對象尺寸及反饋裝置精度相關，成本更低。

中國臺灣和大陸廠商多購買歐系刀檢裝置，這種刀檢裝置因為粉塵的影響，工作一定時間需要報廢。所以解決粉塵問題就成了刀徑檢測裝置的關鍵點。

本文分析了傳統的基于光電技術的小孔影像法，討論了解決粉塵問題及提升直徑檢測精度的方法。為類似微小尺寸物體的形狀檢測提供了方法，同時對類似具有排屑槽的刀具或者類似齒輪等外形尺寸的檢測提供了方法。

1 小孔影像法刀具直徑檢測原理及體系結構

1.1 小孔影像法刀具直徑檢測原理

小孔影像法采用非接觸式光電檢測法。光發射管和光電開關中間持續有光線通過，如圖1所示，直徑為D的刀具勻速穿過直徑為d的光柱，刀具遮斷光線的部分與刀具直徑相關，用該向反饋裝置計數，可以得到算式D=(N×Q)-d，其中N為光線遮斷期間反饋裝置信號脈沖個數，Q為反饋裝置信號分辨率[7]。如果調試光發射管光線強度，讓刀具遮斷一半光線時，光電開關翻轉，那么算式簡化成D=N×Q。反饋裝置通常是光柵尺、編碼器或者磁柵。

圖1 小孔影像法測量刀具直徑示意圖

通常光發射管選擇能量分布均勻的激光管，經過透鏡形成平行光[8，9]。由于光斑直徑d越小，檢測的刀具直徑越小，所以采用檔板將光發射管和光電開關的光線遮擋住，在檔板上只留兩只同心的小孔讓光線通過。因此，該方法稱為小孔影像法。

1.2 小孔影像法刀具直徑檢測體系結構

PCB機械鉆孔機采用多軸級聯方式，因此有多路刀具需要同時檢測。運動向為x、y、z三相。x、y向實現平面定位，z向帶動夾持刀具的主軸實現垂直運動進行鉆孔作業。

檢測裝置整體結構如圖2所示，由多個刀具直徑檢測傳感器和一個刀具直徑檢測控制卡完成。由于刀具具有鉆尖，檢測刀具直徑時需要避開刀尖，因此檢測刀徑前需要測量刀長。刀具直徑檢測傳感器檢測的刀長信號直接傳輸到上位機，由上位機通過多路z向（垂直向）反饋裝置作出刀長判斷。

2 刀具直徑檢測方案設計

2.1 刀具直徑檢測傳感器的設計

圖2 檢測體系結構框圖

刀具直徑檢測傳感器采用特殊的機械結構，將光發射管和光電開關中間的光路用兩只帶同心小孔的擋板隔開，只允許很細的光柱通過。由于鉆孔時產生的大量粉塵在靜電作用下吸附在小孔內，導致小孔變小甚至堵塞，引起光斑直徑d變小，測量的直徑偏大。常規的方法是由內向外吹高壓空氣防止小孔堵塞。然而這種辦法不能完全杜絕粉塵附著在小孔內，同時長期用高壓空氣吹小孔造成小孔風化變大，引起光斑直徑d變大，測量的直徑偏小。

本文采取小孔外放置窗口片的方式，窗口片采用硬度極高的融石英，耐摩擦，可以定期清潔。窗口片可以防止粉塵堵塞小孔，但不能解決粉塵附著在窗口片表面引起的測量誤差。圖3給出了一種補償方案，當窗口片附著部分粉塵時，光電開關接收到的光線變弱，采用增大光發射管亮度的方式對光發射管進行補償。

圖3 粉塵因素補償原理結構框圖

在補償方案中，常態下選通信號為狀態0，檢測光電開關接收到的電信號強度對光發射管發射的光線強度進行補償，工作時選通信號為狀態1，進行常規直徑檢測。窗口片附著的粉塵達到一定數量時，刀具直徑檢測傳感器報警以清潔窗口片。

2.2 刀具直徑檢測控制卡的設計

刀具直徑檢測控制卡接收多路刀具直徑檢測傳感器信號，用反饋裝置脈沖數計算0狀態的寬度，從而計算出刀具直徑。理想情況下刀具通過光線時遮擋光線，刀具直徑檢測傳感器輸出信號的電平變化為1-0-1，如圖4（a），但是實際輸出信號電平變化如圖4（b）所示，在波形的上升沿和下降沿都有噪聲。

圖4 理想和實際的輸出波形示意圖

通常從刀具直徑測量時采樣到的第一個下降沿開始計數反饋裝置信號，采樣到的最后一個上升沿停止計數反饋裝置信號。如果存在干擾信號，計數不準確，影響刀具直徑檢測精度。分析實際刀具直徑檢測傳感器輸出波形，發現噪聲成分含有用噪聲和無用噪聲兩個部分。

首先，采用金屬圓柱代替刀具進行直徑測量，發現即使沒有排屑槽，在信號翻轉的瞬間仍然有噪聲。盡管是激光管，其光線能量分布也不能做到100%的均勻[10]，在信號翻轉的瞬間出現抖動是正?，F象。為了消除無用噪聲，在電路上加以改進，采用圖5的方法，當比較器輸出信號翻轉后將比較器的輸出部分負反饋到基準電壓，降低基準電壓，讓比較器的輸出保持穩定。

圖5 消除無用噪聲的電路結構框圖

電路改進后，用金屬圓柱代替刀具進行直徑測量，用示波器觀察刀具直徑檢測傳感器輸出波形，波形如圖4(a)所示，信號翻轉瞬間沒有出現噪聲。說明電路改進后，有效改善了由于光發射管光線能量分布不均勻引起的無用噪聲。將金屬圓柱更換為鉆孔刀具進行刀具直徑測量時，噪聲成分仍然存在，噪聲的來源為鉆孔刀具的排屑槽。圖6顯示了鉆孔刀具的工作部分，鉆孔刀具工作部分具有排屑槽，可以看到不同的擺放角度，刀具的直徑不同。為了避免帶排屑槽的鉆孔刀具測量直徑不準確，業內普遍采用的辦法是將刀具旋轉起來測量。無論轉速多高，光線始終會透過排屑槽的縫隙被光電開關接收到，于是產生了有用噪聲，有用噪聲是刀具直徑的一部分。

圖6 鉆孔刀具工作部分示意圖

將有用噪聲部分放大，發現噪聲出現的頻率剛好是轉速乘以排屑槽數量。將無用噪聲去除后，利用有用噪聲頻率與量取刀具直徑時的刀具轉速和排屑槽數量相關來區分干擾信號與有用噪聲。本文用滑動窗口的方法捕捉第一個下降沿及最后一個上升沿，其程序流程圖如圖7和圖8所示。圖7顯示，從上位機獲取當前所測量刀具轉速及排屑槽數量計算有用噪聲周期記為ΔT。順序捕捉三個下降沿，計算相鄰兩個下降沿時間間隔是否為小于ΔT±10%，以判定3個下降沿是否是有用噪聲，否則拋棄第一個下降沿。直到找到三個連續的下降沿，相鄰兩個下降沿時間間隔在范圍ΔT±10%內，認為此3個連續下降沿中第一個下降沿即為刀具直徑檢測時所產生的有用噪聲中的第一個下降沿。

滑動窗繼續移動，如圖8所示，直到相鄰兩個下降沿捕獲時間差超過3倍ΔT，說明滑動窗口已經移出第一段有用噪聲，此時將觸發方式變更為上升沿觸發，滑動窗繼續捕捉兩個相鄰上升沿，記錄相鄰的兩個上升沿所間隔時間，如果等待下一個上升沿間隔時間大于3倍ΔT。說明前一個上升沿為測量刀具直徑時有用噪聲的最后一個上升沿。

圖7 捕捉第一個下降沿算法流程圖

圖8 捕捉最后一個上升沿算法流程圖

反饋裝置脈沖計數器記錄有用噪聲的第一個下降沿和最后一個上升沿之間采樣的反饋裝置脈沖數，通過公式D=N×Q計算出所測量刀具直徑。

3 優化前后的刀具直徑檢測裝置對比實驗

選用直徑為0.1 mm、0.3 mm、1.0 mm、2.0 mm、3.175 mm、5.9 mm、6.35 mm 7種經過計量部門鑒定過直徑的鉆孔刀具進行檢測。每種刀具測量3 000次，對比優化前后的檢測精度及錯誤報警率，見表1。

表1 優化前后刀具直徑測試結果

測試結果，優化前對于小直徑刀具檢測出現6次錯誤報警，優化后沒有發現錯誤報警。說明刀具直徑檢測裝置優化后直徑檢測精度有明顯提高。

4 結束語

經多次試驗，采用經過優化后的刀具直徑檢測裝置檢測精度比優化前有明顯提高，并且在實際應用中獲得了良好效果。

轉速越高刀具直徑檢測的精度越好，但是記錄噪聲的存儲空間越大，根據實際測量刀具精度要求，采用合適的量刀轉速。對于刀具直徑精度要求更高的情況下，除了增加量刀轉速外，可以逐個記錄有用噪聲中上升沿以及下降沿產生的時間和產生時反饋裝置的脈沖計數器記錄的位置數據，便于復原波形并有利于數據反查。這些數據同時可發給上位機，交與上位機校核。這種辦法對內存資源的要求更高，但是測量精度也更高。

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An Automatic Detection Method for Miniµ Diameter Drill Tooling Based on Electro-optical Technology

LIU Dingyu1，WANG Zhengqiang2，WANG Xing1，CAI Xiaoli1

(1.HANS CNC Science&Technology Co.，Ltd，Shenzhen 518057，China；2.Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation，Shenzhen 518057，China)

Currently multiple kinds of different diameter drill tooling used in PCB manufacturing and mainly dependent on manual assembling drill tooling，in order to guarantee drilling machine pick up the tooling correctly，it's needed to measure the tooling diameter precisely in a wide range from 0.1～6.35 mm.In this paper，traditional tooling measurement methods are discussed and conclude that due to dust adherence it will bring precision error using traditional tooling diameter measurement methods，as a result，an improved tooling diameter calculation method is proposed to solve the precision error，this methods is based on the analysis of the noise component output by tooling diameter detection sensor.Lab test showed that improved method is effective and presented more precision than traditional methods with less error warnings ratio.

TN605

：B

：1004-4507(2015)08-0042-05

劉定昱（1975-），女，四川綿陽人，深圳市大族數控科技有限公司，中級職稱，工程碩士，主要從事PCB數控機械鉆銑設備研制工作。

2015-05-28