微型鉆針芯厚快速光學自動化測量系統開發

尚姝鈺 王 鍵

(平頂山工業職業技術學院自動化與信息工程學院，河南 平頂山 467001)

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微型鉆針芯厚快速光學自動化測量系統開發

尚姝鈺 王 鍵

(平頂山工業職業技術學院自動化與信息工程學院，河南 平頂山 467001)

針對微型鉆針芯厚測量設備存在著準確性差、成本高、效率低等缺點，利用NI相關產品軟件及硬件的整合能力，針對運動控制、邏輯控制、機器視覺、圖像處理、數據采集與運算等功能進行系統整合，開發鉆針芯厚光學自動化測量系統。該微型鉆針芯厚測量系統通過實驗證明：測量單一鉆針截面所需的時間在30 s以內；芯厚測量重現性可達±1 μm的范圍以內；測量準確度可達±2 μm的范圍以內，該系統能有效提升鉆針芯厚測量的效率與可靠性。

微型鉆針;芯厚測量；光學測微計;運動平臺;LabVIEW

印制電路板生產過程中需要大量的鉆孔，并且高速電路板對微鉆孔的精度和密度要求更高。這樣在印制電路板制作中需要大量的微型鉆針(直徑在0.03～0.45 mm)，據統計全球每年需要鉆針10億支以上，足見鉆針的生產量與需求量有多大。芯厚及芯厚錐度的測量是鉆針制造商關切的重點品管檢測工作，同時微鉆頭在使用過程中也需要對鉆芯厚度、圓角、主切削刃、崩刃等檢測。由于受限于微型鉆針的幾何外形，其芯厚測量通常是采用人工破壞式為主，先將鉆針磨斷之后，再通過工具顯微鏡測量鉆針磨斷面的芯厚值，但這種測量缺乏自動化、準確性差且效率低。另一種微型鉆針的檢測采用機器視覺的自動化檢測方法[1]，但是測量設備成本高、速度慢。

針對以上微型鉆針芯厚測量存在的不足，本文欲開發快速的精密光學測量自動化系統，該系統將各個功能模塊置于LabVIEW的同一人機界面下進行整合與測試，從而實現芯厚測量的非破壞式及自動化的目的。

1 系統硬件架構

本研究所提出的自動化測量系統的核心硬件包含光學測微計、回轉運動平臺、線性運動平臺、回轉主軸夾具、機器視覺模塊等，系統結構如圖1所示。光學測微計為主要的測量裝置，其安裝在回轉運動平臺上。回轉運動平臺由一臺伺服電動機驅動，以自動地調整光學測微計的測量平面角度。線性運動平臺為滾珠螺桿驅動式平臺，由一臺步進電動機帶動滾珠螺桿，并配合光學尺進行定位。回轉主軸夾頭安裝于線性運動平臺上，并由另一臺伺服電動機驅動。回轉主軸夾頭用以夾持鉆針并由伺服電動機使鉆針旋轉并進行精密的角度定位，而線性運動平臺用以調整鉆針的軸向位置。機器視覺模塊主要包含攝影機、遠心鏡頭及背光源，其主要功能在于對待測鉆針的鉆尖進行取像，以通過圖像處理進行鉆針測量前的定位程序，以及相關幾何參數的測定與校正工作。

2 測量原理

本系統的關鍵性測量裝置是光學測微計，其基本核心構造與測量原理如圖2所示。光學測微計由發射端及接收端組成，發射端可產生一束平行光源，而接收端可接收并感測該平行光。發射端與接收端之間的平行光會構成一個測量平面，當有待測物(如微型鉆針的鉆部)置于發射端與接收端之間時會遮住部分的平行光線使其無法到達接收端，如此可測量出待測物的寬度值W以及待測物與測量平面的上邊界間距Gu或待測物與測量平面的下邊界間距Gl。當鉆針進行轉動時，光學測微計所測量到的寬度值W也會產生改變。圖2b與圖2c所示即為鉆針的橫截面進行測量時，最大寬度值Wmax以及最小寬度值Wmin的情況。

圖3所示鉆針的橫截面的幾何特征。比較圖2b與圖3可知，最大寬度值Wmax等于該橫截面的鉆針外徑值Db。因此，鉆針的橫截面外徑[2]為：

Db=Wmax

(1)

此外，由圖3可知，鉆針的橫截面芯厚值w等于外徑值Db與兩鉆槽深度值df1、df2的差異量，因此

w=Dt=Db-(df1+df2)

(2)

然而，由于兩鉆槽為凹狀輪廓(Πf)，則由圖2c可知，即使測量到最小寬度值Wmin，其值也大于橫截面芯厚值w。因此，使用光學測微計沿鉆針的橫截面進行測量時，無法直接測得橫截面芯厚值。

圖4與圖5所示鉆針分別旋轉至某兩角位置方向剖面視圖[3]。其中，A-A剖面為橫截面，B-B剖面為沿鉆槽螺旋角ψ的余角方向切剖所得的斜截面，而C-C剖面為沿鉆槽螺旋角ψ的方向切剖所得的斜截面。剖面線A-A、B-B、C-C與鉆針的軸心線會交于一點。圖4中，若A-A剖面的截面所處的角位置與圖2b所示一致，則當光學測微計的測量平面通過A-A剖面時，可以測得鉆針的橫截面外徑值Db。設A-A剖面截面輪廓的上邊界點與下邊界點分別為Pm1與Pm2，則在B-B剖面與C-C剖面截面上所對應的邊界點Pm1與Pm2也均為其截面輪廓的上邊界點與下邊界點；即若使光學測微計的測量平面通過B-B剖面或C-C剖面時，可以測得鉆針橫截面外徑值Db。圖5中，若A-A剖面的截面所處的角位置會位于圖2(c)所示的附近，此角位置下兩鉆槽輪廓的極點Pt1與Pt2所構成的連線會垂直于剖面線A-A。同時，對剖面圖B-B觀察可知，在其截面中的極點Pt2所對應的鉆槽輪廓為凸狀輪廓；而對剖面圖C-C觀察可知，其截面中的極點Pt1所對應的鉆槽輪廓也為凸狀輪廓。即極點Pt1與Pt2在幾何上為鞍點。

因此，若使光學測微計的測量平面通過C-C剖面時，當鉆針旋轉一圈之后可以測得兩個最大間距值Gu,max(1)與Gu,max(2)，兩最大間距可分別對應出極點Pt1相對于測量平面的上邊界的位置，以及極點Pt2旋轉180°之后相對于測量平面上邊界的位置。同理，當鉆針旋轉一圈之后可以測得兩個最小間距值Gu,min(1)與Gu,min(2)，兩最小間距可分別對應出邊界點Pm1于圖4中相對于測量平面的上邊界的位置，以及邊界點Pm2在圖4中的位置旋轉180°之后相對于測量平面的上邊界的位置。在測得Gu,max(1)、Gu,max(2)、Gu,min(1)與Gu,min(2)數值之后，就可以估算出在A-A剖面下的鉆槽深度值df1與df2分別為：

df1=Gu,max(1)-Gu,min(1)

(3)

df2=Gu,max(2)-Gu,min(2)

(4)

將所估算出的鉆槽深度值df1與df2以及已經測量出的外徑值Db代入式(2)即可得出截面芯厚值w。因此，本系統的自動化測量流程主要是由線性運動平臺、光學測微計與機器視覺模塊的搭配，以進行待測鉆針的定位程序與螺旋角測定程序，然后通過回轉運動平臺帶動光學測微計旋轉至其測量平面與鉆針的螺旋角方向一致，再通過回轉主軸夾頭帶動待測鉆針進行等速旋轉，并使光學測微計同步測量待測鉆針的截面寬度值與間距值，最后由光學測微計所測得的相關數據進行計算以獲得待測鉆針的截面芯厚值。

3 系統軟件設計

測量自動化系統軟件部分主要有鉆尖定位、螺旋角測定、芯厚值的數字信號、芯厚值的模擬信號等四個子程序，采用LabVIEW虛擬儀器軟件編程[4]實現。

3.1 鉆尖定位子程序

該子程序的流程如圖6所示。當線性運動平臺將鉆針移動至待定位位置后，攝影機會拾取鉆尖圖像并在圖像上標示出目標位置線如圖7所示，然后通過IMAQ Extract Contour V以由左至右測量出鉆尖上的多個輪廓點，并設定輪廓點數大于200點的門檻，以判斷鉆尖是否進入取像范圍。當鉆尖進入取像范圍后，再次通過IMAQ Extract Contour VI以由左至右測量出多個輪廓點及其坐標Xmin值，該數值即為鉆尖點的X方向坐標。然后，計算目標位置與鉆尖點的X方向差距Δx，并通過線性運動平臺使鉆尖移動Δx的距離以逼近目標位置，如圖8所示。同時給定|Δx|必須小于1 pixel的容許誤差，以將鉆尖不斷逼近到定位位置。

3.2 螺旋角測定子程序

該子程序的流程如圖9所示。鉆針到達定位位置后，線性運動平臺將鉆針往前移動1.5 mm，而攝影機會拾取鉆部圖像，并將鉆部圖像進行二值化與形態學處理[5]以突顯較完整的鉆部所在區域。然后，通過IMAQ Extract Contour VI以由上至下測得鉆部上的多個輪廓點，以得出最高點與最低點的Y方向坐標Ymax與Ymin。最后，通過Peak Detector VI搜尋介于Ymin與Ymin+0.25(Ymax-Ymin)之間的所有波谷點坐標。當設定波谷點數目大于或等于2個點的必要條件滿足后，經搜尋到兩相鄰波谷點的X方向距離ΔL，可估計出鉆針螺旋槽的導程為2ΔL，并可由鉆針的公稱外徑Dn與導程|2ΔL|之間的幾何關系計算出螺旋角ψ的數值[6]。

3.3 芯厚值的數字信號子程序

該子程序的流程如圖10所示。當線性運動平臺將鉆針移動到待測截面后，回轉主軸夾頭會帶動鉆針旋轉1.5圈，并通過NI-VISA使用RS232獲取光學測微計所輸出的數字信號以取得原始測量數據(寬度值與上間距值)。然后通過TSA Moving Average VI將原始數據進行慮波，并舍去前后各1/4圈的數據后，獲取余下數據的最大寬度值Wmax、前半圈數據的最大上間距值Gu,max(1)、最小上間距值Gu,min(1)以及后半圈數據的最大上間距值Gu,max(2)、最小上間距值Gu,min(2)，最后再通過公式(1)～(4)計算出芯厚值。

3.4 芯厚值的模擬信號子程序

當線性運動平臺將鉆針移動到待測截面后，回轉主軸夾頭會帶動鉆針旋轉1.5圈，同時通過DAQ Assistant以使數據采集卡的模擬信號輸入界面獲取光學測微計所輸出的電壓信號，并將電壓值轉換為原始測量數據。

4 系統軟硬件整合架構

本系統整合架構主要是由NI PXIe-8820嵌入式控制器、NI PXI-7340四軸運動控制卡、NI PXIe-6341數據采集卡的NI PXIe-1071儀控平臺與硬件機臺連接，且使用NI LabVIEW 2014軟件進行運動控制、邏輯控制、機器視覺、圖像處理、數據采集與數學運算等功能的軟件編程與系統整合測試，并以此開發人機界面。其中，人機界面以分頁[7]的方式呈現測量參數設定、鉆尖定位、螺旋角測定、芯厚測量、測量結果確認等動作單元。

本系統可通過NI-Motion及PXI-7340操控回轉運動平臺、線性運動平臺及回轉主軸夾頭中的伺服電動機與步進電動機進行運動控制，并通過NI-Vision及NI-IMAQ以操控機器視覺模塊并獲取圖像進行處理，再通過NI-VISA、NI-DAQmx PXIe-6341獲取光學測微計輸出數字信號及模擬信號并經由轉換及運算得到測量數據。機器視覺模塊中的攝影機則通過USB連接至儀控平臺，以獲取圖像。

5 系統自動化測量流程

微型鉆針芯厚的自動化測量流程[8]概括如下：

Step1:主程序開始，將待測鉆針夾持于回轉主軸夾頭上；

Step2:輸入待測量的截面數N1與單截面重復測量次數N2；

Step3:將線性運動平臺與回轉運動平臺進行原點復位；

Step4:通過線性運動平臺與機器視覺模塊進行待測鉆針的鉆尖定位程序；

Step5:通過線性運動平臺與機器視覺模塊進行待測鉆針的螺旋角測定程序；

Step6:通過回轉運動平臺將光學測微計旋轉至其測量平面與鉆針的螺旋角方向一致的測量角度位置，并設i1=1；

Step7:通過線性運動平臺將待測鉆針移動到第i1個待測量截面位置；

Step8:通過回轉主軸夾頭帶動鉆針旋轉，同時通過光學測微計測量該截面的厚度值與上間距值，并經由數據傳輸界面輸出數字信號與模擬信號，此步驟自動重復執行N2次；

Step9:將輸出的數字信號與模擬信號經過計算后得到該截面的芯厚值，并令i1=i1+1；

Step10:確認是否有后續的待測截面，若有則重復進行步驟Step7，若無則進行下一步驟；

Step11:將所有測量結果儲存，線性運動平臺與回轉運動平臺進行原點復位；

Step12:將待測鉆針從回轉主軸夾頭取出，主程序結束。

6 系統測試

在測量重現性與準確度驗證實驗的部分，是以某品牌的UC型鉆針(外徑為0.25 mm、鉆槽長度lf為3.9 mm)樣本以進行其特定截面的芯厚測量。鉆針樣本先使用本系統將lc=0.25lf的截面位置下以4 r/min的轉速重復測量12次，每次測量后必須關閉設備重新啟動系統以重新執行一次完整測量程序。然后，再將該鉆針樣本人工研磨至待測截面位置，并用工具顯微鏡(配合測量軟件，準確度為±3 μm)，對該研磨截面重覆進行12次芯厚測量，人工測量與本系統的測量結果進行比較。

表1所示為測量重現性與準確度實驗結果。RS232與DAQ的芯厚測量數據的重現性(測量數據在三倍標準差的范圍)分別在±0.912 μm與±0.684 μm的范圍以內；此外，這兩種模式與工具顯微鏡測量值的最大相對差異量分別為1.72 μm 與1.41 μm。因此，由本研究的鉆針芯厚測量方法與系統，測量重現性可達±1 μm的范圍以內，而其測量準確度(相較于工具顯微鏡)可達±2 μm的范圍以內。

仿照業界標準程序的芯厚測量實驗：以某廠牌的ST型鉆針(外徑為0.3 mm、鉆槽長度lf為5.5 mm)與UC型鉆針(外徑為0.25 mm、鉆槽長度lf為3.9 mm)樣本各一支進行五個截面的芯厚測量。每一支鉆針樣本分別研磨至lc=0.15lf、0.3lf、0.45lf、0.6lf及0.75lf的截面位置。表2及圖11所示為兩支鉆針樣本的各截面的芯厚測量結果(平均值)。實驗結果顯示芯厚值隨著測量截面位置呈現線性遞增的趨勢，此現象與前述的芯厚錐度設計相吻合。

表1 測量重現性與準確度測試結果

測量次數RS232測量數據/μmDAQ測量數據/μm工具顯微鏡測量數據/μm1126.10125.83126.862125.58125.85126.413126.10125.45126.554125.71125.84126.225125.76125.94125.836125.33125.50126.857125.69125.99125.658125.67125.61125.329126.05125.85125.9010125.14126.04125.2611125.78126.26125.9812126.05125.81126.44平均值125.75125.83126.11

表2 仿照業界標準程序的芯厚測量試驗結果(平均值)

截面位置lc/lfST型鉆針樣本RS232測量數據/μmDAQ測量數據/μmUC型鉆針樣本RS232測量數據/μmDAQ測量數據/μm0.15123.82124.02117.69117.830.30149.46149.27127.48126.890.45174.47174.57142.79142.650.60196.60196.82156.59156.900.75214.40214.51170.93172.35

7 結語

本文利用NI相關產品軟件及硬件的整合能力開發鉆針芯厚光學自動化測量系統，能夠有效地降低系統開發時的時間及經濟成本。本研究針對運動控制、

邏輯控制、機器視覺、圖像處理、數據采集與運算等功能進行系統整合與測試。由實驗測試結果證實本系統具有：操作時間在30 s以內；重現性可達±1 μm的范圍以內；準確度達到±2 μm的范圍以內。本系統可實現鉆針芯厚的快速的自動化測量，從而提升鉆針芯厚測量過程的效率與可靠性。

[1]翟青霞，杜明星．PCB用微型鉆針及其檢測技術的發展解析[J].印制電路信息,2013，21(7):14-17.

[2]左熹.PCB數控鉆床的鉆針質量檢測研究與開發[D].重慶：重慶大學,2009.

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Development of micro drill core thickness fast optical automated measurement system

SHANG Shuyu, WANG Jian

(Department of Automation and Information Engineering, Pingdingshan Industrial College of Technology,Pingdingshan 467001, CHN)

To solve the problems of poor accuracy, high cost, low efficiency in micro drill core thickness measurement device, using integration of related NI software and hardware products, integrating the functions of motion control, logic control, machine vision, image processing, data acquisition and computing, etc.So that develop a drill core thickness optical automated measurement system.Experiments show that the micro drill core thickness measurement system has the following features: the time needed for measuring single cross section of drill hole is within 30 seconds; core thickness measurement reproducibility is within a range of ± 1μm; the measurement accuracy is up to within ± 2μm range, the system can effectively enhance the efficiency and reliability of the drill core thickness measurement.

micro drill; core thickness measurement; optical micrometer; motion platform; LabVIEW

TP206.1

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.002

尚姝鈺，女，1981年生，講師，碩士，主要研究方向為機械電子。

(編輯 汪 藝)

2016-02-02)

161109