CN103389045A

CN103389045A - 一种手动单测头薄板厚度接触式测量装置

Info

Publication number: CN103389045A
Application number: CN2013103459700A
Authority: CN
Inventors: 夏发平
Original assignee: Kunshan Yunco Precision Co Ltd
Current assignee: Kunshan Yunco Precision Co Ltd
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2013-11-13

Abstract

一种手动单测头薄板厚度接触式测量装置，包括调整垫脚；底座，所述的底座设在调整垫脚上；平台，所述的平台设在底座上；支撑座，所述的支撑座设在平台上；横梁，所述的横梁设在支撑座上；Z轴，所述的Z轴固定在横梁的中间；接触式测头，所述的接触式测头固定在Z轴动板上；真空吸附台，所述的真空吸附台设在平台上、接触式测头的正下方。本发明从设备的综合性价比出发，开发出手动测量平台，保留测量精度的同时，最大限度降低测量装置的复杂程度和制造成本，为精密薄板材厚度测量提供优化解决方法。

Description

一种手动单测头薄板厚度接触式测量装置

技术领域

本发明涉及测量设备领域，尤其涉及一种手动单测头薄板厚度接触式测量装置。

背景技术

在表面贴装技术（SMT）、太阳能、精密薄板材制造等领域，大量制造或使用薄板材。如表面贴装行业使用的网板基材，材料种类涉及不锈钢、镍、镍合金等，厚度一般在1mm内，且在其加工工艺过程中，需要经过电铸、电镀、抛光、蚀刻、激光切割等工序，中间产生的半成品及最终的成品，均需要进行厚度均匀性的测量，以确保最终的产品符合客户要求；太阳能行业中所使用的晶圆，全部为薄板类精密元件，通过激光划线等工艺在其上加工各种特征，最终形成太阳能电池板，这类板材一般由4层薄片材料构成，第1层为晶圆层、第2层为粘合剂、第3层为玻璃、第4层为胶带，各层之间通过压合工艺制作成晶圆成品，要保证最终成品厚度均匀性，就需要控制各层相互压合后的厚度均匀性；而精密薄板材制造方面，如大型钢材为表面贴装行业提供的各种不锈钢等提供的板材，以及铜箔、平面玻璃薄板的制造，这类板材均有共同特点，材料薄、对厚度均匀性有严格要求，否则会影响其后端产品的使用效果，随着市场对该行业产品性能提出越来越高的要求，这些基础材料的厚度等重要特征的质量控制越来越严格，以确保最终成品的性能和可靠性。

上述薄板材中，大部分板材表面的微观结构均呈锯齿状，这类板材如采用传统的非接触式即光学测量方法来进行厚度测量，通过激光位移传感器发出一束光，打在材料表面，以与入射光束呈一定角度反射，被激光位移传感器信号接收窗口接收，如果材料表面凸凹不平，则会直接反映到接收窗口，并通过内部标尺，实时测量所反馈光束因材料表面高低不平所产生的位移变化量，通过机器视觉和图像处理技术，即可计算出这个变化量的具体数值，最终计算出薄板材厚度。测量时，先将厚度为A的标准块放置在测量工位上、下测头之间的支撑平台上，测量标准块的厚度，以对测量系统进行校零操作，假定被测薄钢板厚度为δ，则实际被测物厚度为δ=A-（x-a）-（y-b），由于大部分薄板表面具有不同程度的锯齿状微观结构，这种微观结构尺寸往往在10um甚至更小范围内，其所产生的反光效应，足以对激光光束反射角度造成较大影响，直接导致测量精度下降，且不同材料间反光效应影响不同，即使对于同一批产品，所测量的结果也不尽相同，导致重复测量精度不高，如果材料具有透明特性，则测量时会有部分光穿透材料而未全部被信号接收器接收，造成测量精度急剧下降，另外，由于机器视觉和图像处理技术发展到今天，最小分辨率还只能到亚微米级，使得最终精密薄材的测量精度难有突破，而高端电子产品市场对产品性能越来越高，从而对用于电路基材的各类薄板材也提出了更高的质量要求，传统厚度测量方法难以满足高精度测量需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低测量装置的复杂程度和制造成本的手动单测头薄板厚度接触式测量装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种手动单测头薄板厚度接触式测量装置，包括调整垫脚；底座，所述的底座设在调整垫脚上；平台，所述的平台设在底座上；支撑座，所述的支撑座设在平台上；横梁，所述的横梁设在支撑座上；Z轴，所述的Z轴固定在横梁的中间；接触式测头，所述的接触式测头固定在Z轴动板上；真空吸附台，所述的真空吸附台设在平台上、接触式测头的正下方。

作为优选，所述的接触式测头包括探针、弹性装置、方形空气导轨、空气导轨进气座、激光位移传感器、顶板、光栅尺、空气导轨导芯供气接头、测头安装座、测头安装底板和底板，所述的方形空气导轨安装在测头安装底板上，探针连接方形空气导轨导芯的下端、贯穿底板，导芯下端与底板之间设有弹性装置，空气导轨进气座设在方形空气导轨的上方，激光位移传感器设在空气导轨进气座的上方，与传感器相连接的数据线贯穿顶板，光栅尺设置在激光位移传感器的左侧，空气导轨导芯供气接头设在空气导轨进气座的左侧、连接进气座，测头安装座设在测头安装底板的左侧。

作为优选，所述的光栅尺平行安装于激光位移传感器。

作为优选，所述的弹性装置为精密弹簧。

作为优选，所述方形空气导轨的导芯内部为空芯结构，顶部连接方形导轨进气座。

作为优选，所述的方形导轨进气座侧面连接方形空气导轨供气接头。

作为优选，所述的真空吸附台中心部位设有吸附供气接头，中间部位凸出薄板支撑面，所述的薄板支撑面中间部位凸出吸附环槽，薄板支撑面的外圈设有绕X向绕度调节螺钉，真空吸附台的外圈设有绕Y向绕度调节螺钉，所述的吸附环槽表面设有若干个吸附孔。

作为优选，所述的平台下设有滚轮。

本发明提供了一种手动单测头薄板厚度接触式测量装置，采用测量力精确可控的高精度单接触式测头进行厚度测量，很好地解决了传统采取非接触式测量方法中存在的因不同材料表面反光效应、透明材料因穿透材料导致精度急剧下降、同类材料重复测量精度低及图像处理技术难以满足该行业高精度、高稳定性厚度测量需求的问题，并在此基础上，从设备的综合性价比出发，开发出手动测量平台，保留测量精度的同时，最大限度降低测量装置的复杂程度和制造成本，为精密薄板材厚度测量提供优化解决方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为接触式测头的结构示意图；

图3为接触式测头的结构示意图；

图4为方形空气导轨的结构示意图；

图5为真空吸附台的结构示意图；

图6为真空吸附台的结构示意图。

图中：1.滚轮；2.调整垫脚；3.钢架底座；4.花岗岩平台；5.花岗岩支撑座；6.花岗岩固定横梁；7.测头固定座；8.Z轴；9.接触式测头；10.薄板材；11.真空吸附台；12.探针；13.精密弹簧；14.方形空气导轨；15.空气导轨进气座；16.激光位移传感器；17.顶板；18.光栅尺；19.空气导轨导芯供气接头；20.测头安装座；21.测头安装底板；22.底板；23.空气导轨供气接头；24.导芯；25、数据线；26.吸附孔；27.吸附环槽；28.薄板材支撑面；29.绕Y向绕度调节螺钉；30.绕X向绕度调节螺钉；31.真空吸附平台固定螺钉；32.吸附供气接头。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参见图1至图6所示，一种手动单测头薄板厚度接触式测量装置，包括调整垫脚2；钢架底座3，所述的钢架底座3设在调整垫脚2上；花岗岩平台4，所述的花岗岩平台4设在钢架底座3上；滚轮1，所述的滚轮1设在花岗岩平台4下，正常使用时测量仪必须摆放平稳，此时通过调节调整垫脚2可使滚轮1离地，并可调节好花岗岩平台4的水平度，而需要挪动测量仪摆放位置时，仅需调节调整垫脚2，让滚轮1与地面接触，并对花岗岩平台4有效支撑后，手推动测量仪，则滚轮1可轻松地带动测量仪到制定摆放位置；花岗岩支撑座5，所述的花岗岩支撑座5设在平台上；花岗岩固定横梁6，所述的花岗岩固定横梁6设在花岗岩支撑座5上；Z轴8，所述的Z轴8固定在花岗岩固定横梁6的中间；接触式测头9，所述的接触式测头9固定在Z轴8的动板上；真空吸附台11，所述的真空吸附台11设在花岗岩平台4上、接触式测头9的正下方，真空吸附台11中心部位设有吸附供气接头32，中间部位凸出薄板支撑面28，所述的薄板支撑面28中间部位凸出吸附环槽27，薄板支撑面28的外圈设有绕X向绕度调节螺钉30，真空吸附台11的外圈设有绕Y向绕度调节螺钉29，所述的吸附环槽27表面设有若干个吸附孔26，该吸附台11通过真空吸附原理对测量区域中的薄板进行吸附，以使得测量区域的薄板完全贴合在真空吸附台的薄板支撑面28上，真空吸附台11可通过绕X向和Y向的绕度调节螺钉调节真空吸附台支撑面28相对测头9沿Z轴8上下运动方向的垂直度。

所述的接触式测头包括探针12、精密弹簧13、方形空气导轨14、空气导轨进气座15、激光位移传感器16、顶板17、光栅尺18、空气导轨导芯供气接头19、测头安装座20、测头安装底板21和底板22，所述的方形空气导轨14安装在测头安装底板21上，所述方形空气导轨14的导芯24内部为空芯结构，顶部连接方形导轨进气座15，方形导轨进气座15侧面连接方形空气导轨供气接头23，探针12连接方形空气导轨导芯24的下端、贯穿底板22，导芯24下端与底板22之间设有精密弹簧13，空气导轨进气座15设在方形空气导轨14的上方，激光位移传感器16设在空气导轨进气座15的上方，与传感器16相连接的数据线25贯穿顶板，光栅尺18平行安装于激光位移传感器16的左侧，空气导轨导芯供气接头19设在空气导轨进气座15的左侧、连接进气座15，测头安装座20设在测头安装底板21的左侧。

当向方形空气导轨14供气时，则压缩空气会通过气流孔传递到方形导轨14“口”字形的各内导向面，这些导向面上分布有导气槽，通过导气槽将具有一定气压的压缩空气供应到导芯24与方形导轨14“口”字形的各内导向面之间，形成具有一定压力的气膜层，从而形成空气导轨，导芯24仅能在方形导轨14中上下精确运动，导芯24内部为空芯结构，顶部连接着方形导轨进气座15，该进气座15侧方安装有供气接头23，顶部安装有光栅尺18，通过与光栅尺18平行安装的激光位移传感器16来测定探针12随工件表面形貌变化而导致导芯24上下垂直运动的位移量，从激光位移传感器16读到的位移量值通过数据线25实时传输到测量系统，并及时在测量软件中显示测量结果。

本发明所述的测量装置针对薄板进行厚度测量的测量步骤如下：

1）先在测量平台4对应的测头9正下方放置一块具有标准高度的标准块，其高度值为X0。

2）安装有测头9的Z轴8带动测头9在垂直方向上的起始位Z0开始向下运动，此时导芯24上的探针12在力的综合作用下，在垂直方向上处于力学平衡状态，在探针12端部的红宝石球未接触到标准块前，探针12一直处于最下方不动，此时小型激光位移传感器16对应的读数值为H0。

3）当探针12端部碰到标准块后，向上的反作用增大，探针12会向上运动到H1，此时Z轴8下降到Z1位置，将此时H1设置为测量零点，对应的是标准块厚度为X0，控制系统记下该数值。

4）将Z轴8从Z1运动回Z0位置，将标准块移开，放置上X1厚度的被测物，让Z轴8重新从Z0位置带动测头9向下运动，直到探针12接触到被测物表面，并让测头12中的激光位移传感器16读数正好处于H1位置时，则Z轴8立即停止运动，此时Z轴8向下运动到Z2位置。

5）通过上述数据，则可计算得出标准块厚度和被测物厚度之间的高度差

△Z=︱Z2-Z1︱，而被测物厚度L=︱X0-△Z︱；

当被测物厚度比标准块高度X0大时，则Z2<Z1；当被测物厚度比标准块高度X0小时，则Z2>Z1。

测量前，通过具有标准厚度的标准块对测量系统进行校准，校准后，将标准块移开，放置上薄板材，即可进行测量，测量时，人工将薄板材放置在测量平台上，并始通过手动拖动薄板以使测量点始终处于测头正下方真空吸附平台支撑面工作的测量区域中，读取完一个点值，则手动拖拽薄板至下一个测量点；各测量点的厚度测量数据会被传递到测量系统，与该批次薄板材厚度质量控制线进行对比，一旦发现该值不在事先设置的薄板材厚度质量指标控制线内，则系统会自动报警，该薄板材将被作为不合格品处理，在其进入出料工位时则被移出测量系统，而如果合格则将其作为合格品处理，放置在合格品区，再进行下一张薄板材的测量，循环往复。

Claims

1.一种手动单测头薄板厚度接触式测量装置，其特征在于，包括：

调整垫脚；

底座，所述的底座设在调整垫脚上；

平台，所述的平台设在底座上；

支撑座，所述的支撑座设在平台上；

横梁，所述的横梁设在支撑座上；

Z轴，所述的Z轴固定在横梁的中间；

接触式测头，所述的接触式测头固定在Z轴动板上；

真空吸附台，所述的真空吸附台设在平台上、接触式测头的正下方。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的接触式测头包括探针、弹性装置、方形空气导轨、空气导轨进气座、激光位移传感器、顶板、光栅尺、空气导轨导芯供气接头、测头安装座、测头安装底板和底板，所述的方形空气导轨安装在测头安装底板上，探针连接方形空气导轨导芯的下端、贯穿底板，导芯下端与底板之间设有弹性装置，空气导轨进气座设在方形空气导轨的上方，激光位移传感器设在空气导轨进气座的上方，与传感器相连接的数据线贯穿顶板，光栅尺设置在激光位移传感器的左侧，空气导轨导芯供气接头设在空气导轨进气座的左侧、连接进气座，测头安装座设在测头安装底板的左侧。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述的光栅尺平行安装于激光位移传感器。

4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述的弹性装置为精密弹簧。

5. 根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述方形空气导轨的导芯内部为空芯结构，顶部连接方形导轨进气座。

6.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述的方形导轨进气座侧面连接方形空气导轨供气接头。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的真空吸附台中心部位设有吸附供气接头，中间部位凸出薄板材支撑面，所述的薄板材支撑面中间部位凸出吸附环槽，薄板支撑面的外圈设有绕X向绕度调节螺钉，真空吸附台的外圈设有绕Y向绕度调节螺钉，所述的吸附环槽表面设有若干个吸附孔。

8.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述的平台下设有滚轮。