CN108369193A - 移动传感器坐标检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于对工件执行操作的制造系统，其包括：一静止工件支撑件，其经建构以支撑一工件；部分地环绕所述工件支撑件的一硬质机械检测组件支撑件，其具有用于自所述工件的一第一侧执行一操作的一第一装置及用于自所述工件的一第二侧执行一操作的一第二装置；及耦接至所述检测组件支撑件的一运动系统，其中所述运动系统经建构以使所述检测组件支撑件在至少一个轴在线相对于所述工件支撑件移动。

Description

移动传感器坐标检测系统

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2015年12月8日申请的美国临时申请案第62/264,453号的权益，所述美国临时申请案以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

I.技术领域

本文中所论述的实施方式大体上关于用于对部件沿着多个轴线的多个侧的同时量测及/或检测的机器视觉检测系统。更具体而言，本文中所论述的实施方式允许对部件的多个侧的快速检测，且允许部件在安装于可移动桥状物或台架上的传感器相对于所述部件移动时置放于静止夹具上，从而去除在检测所述部件时施加压力至所述部件自身以保持其静止的需要。

II.背景技术的论述

为了视觉检测大于摄影机的视野的部件，或为了使用镭射、接触式探针或其他传感器来检测部件，习惯将部件(例如，使用夹具、老虎钳等)固定地紧固于在坐标量测机器的载台上的硬质巢状物或夹具中，且接着在一至五个运动轴在线相对于传感器(例如，摄影机、接触式探针、镭射等)移动载台。耦接至载台的编码器提供描述台且因此部件相对于传感器的位置的信息。在对一个位置处的部件进行读取(例如，藉由用接触式探针接触部件，藉由获取部件在摄影机的视野内的影像等)之后，将部件移动至新的位置且进行新的读取。重复进行读取及移动部件的程序(亦即，检测程序)，直至可判定部件的总体大小。

坐标量测机器通常利用桥状物(亦称为「台架」)设计以用于安装一或多个传感器的目的。为了增大桥状物的硬度以及确保传感器与部件相对于彼此保持稳定，习知桥状物设计以所谓的「环形桥状物」设计完全或部分地环绕固持部件的载台。藉由此种设计，将桥状物一般性地固定，且载台相对于安装在环式桥状物上的传感器移动。

有时，安装在台架或桥状物上的传感器能够沿着一个轴线有限运动，但用于移动部件的主要构件藉由移动具有固定至载台的待量测部件的载台而实现。举例而言，习知环形桥状物设计由环形桥状物构成，环形桥状物具有安装在Z轴运动轴在线、继而安装在桥状物上的单个触摸、摄影机或镭射传感器。

意欲用于安装用于印刷电路板应用的无屏蔽曝露系统的相关设计利用上部桥状物将一个传感器或曝露系统安装在部件上方，且接着将下部桥状物置放于部件下方，所述下部桥状物具有安装至其的额外传感器或曝露系统。在此设计中，上部桥状物与下部桥状物以机械方式彼此独立，且必须执行自动校准程序，以在使安装在一个载台上的传感器相对于安装在另一载台上的传感器移动的前将安装在上述桥状物上的传感器对准。

然而，通常，存在待检测的部件可能极薄且可挠的问题，且将该类部件紧固于硬质巢状物或夹具内可能使所述部件机械性地变形。举例而言，若需要量测薄的扁平对象的平坦度，则必须在所述对象上施加某一压力以将所述对象充分地紧固于载台上的巢状物或夹具内，以防止部件随着载台在检测程序期间移动而移位。然而，最终施加在部件上以将其紧固于巢状物或夹具内的压力典型地导致部件的机械变形。

发明内容

本发明的一实施方式可概括地特性化为一种用于对一工件执行一操作的制造系统，其中所述系统包括：一静止工件支撑件，其经建构以支撑一工件；部分地环绕所述工件支撑件的一硬质机械检测组件支撑件，其具有用于自所述工件的一第一侧执行一操作的一第一检测组件及用于自所述工件的一第二侧执行一操作的一第二检测组件；及耦接至所述检测组件支撑件的一运动系统，其中所述运动系统经建构以使所述检测组件支撑件在至少一个轴在线相对于所述工件支撑件移动。

本发明的另一实施方式可更严密地特性化为包括具有安装在上臂及下臂上的传感器的一C形桥状物或台架，及一固定架，在检测程序期间，所述固定架在工件处于其上时不移动，但所述固定架可移动以加载及卸除工件。一旦检测程序开始，部件即保持静态，且接着传感器自上方、下方或上方及下方围绕所述工件移动。这些传感器可沿着x、y及z轴移动。这些传感器自身亦可关于其自有运动轴线旋转。极似先前技术，在比较传感器位置与编码器位置且进行总量测的情况下，编码器可进行读取。固持传感器的硬质结构呈部分环形桥状物(或「C」形桥状物)形式，使得硬质结构可处于固定架的上方及下方，从而留出出入口以供人加载及卸除所述架、以供所述架在可更换部件时移动以不挡道及回位或供机器人取放或其他自动化组件在就位时加载及卸除所述架。本文中描述的实施方式提供这些优点，因为工件置放所在的架在检测期间保持静止，所以不需要对工件施加压力以保持其静止。此允许检测及量测可能过薄、过于易碎或以其他方式经受扭曲的多种工件，从而允许有效使用其他坐标量测机器。

附图说明

这些及其他特征及优点将在结合随附图式考虑时经由参考以下详细描述变得更易于理解及了解，其中：

图1说明根据本发明的一个实施方式的检测机器的侧视平面图；

图2说明图1中所展示的检测机器的前视平面图。

具体实施方式

在本文中参考随附图式来描述实例实施方式。除非以其他方式明确地陈述，否则在图式中，组件、特征、组件等的大小、位置等以及其间的任何距离未必依据比例，但为清楚起见进行放大。在图式中，相同数字通篇指相同组件。因此，可能在参考其他图式时描述相同或类似数字，即使这些数字在对应图式中未提及亦未描述。又，即使未经参考数字指示的组件亦可参考其他图式加以描述。

本文中所使用的术语仅出于描述特定实例实施方式的目的，且并不意欲为限制性的。除非另外定义，否则本文中所使用的所有术语(包括技术及科学术语)具有一般熟习此项技术者通常所理解的相同意义。如本文中所使用，除非上下文另外清晰地指示，否则单数形式「一」及「所述」意欲亦包含多个形式。应认识到，术语「包含」在用于本说明书中时指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件及/或组件的存在，但并不排除一或多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、组件及/或其群组的存在或添加。除非另外指定，否则在叙述值范围时，值范围包括所述范围的上限及下限两者以及在其间的任何子范围。除非另外指示，否则诸如「第一」、「第二」等术语仅用于区别一个组件与另一组件。举例而言，一个节点可称为「第一节点」，且类似地，另一节点可称为「第二节点」，或反的亦然。

除非另外指示，否则术语「约」、「大约」等意谓量、大小、配方、参数及其他量及特性并非且不必为精确的，而视需要可为大致的及/或更大或更小，从而反映容限、转换因素、舍入、量测误差及其类似者，以及熟习此项技术者已知的其他因素。空间相对术语，诸如「下方」、「底下」、「下」、「上方」及「上」以及其类似者可在本文中为易于描述而用以描述一个组件或特征与另一组件或特征的关系，如图式中所说明。应认识到，上述空间相对术语意欲涵盖除图式中所描绘的定向的外的不同定向。举例而言，若将图式中的对象翻转，则描述为在其他组件或特征「下方」或「底下」的组件将定向为在其他组件或特征「上方」。因此，例示性术语「下方」可涵盖上方及下方两者的定向。对象可以其他方式定向(例如，旋转90度或处于其他定向)，且本文中所使用的空间相对描述词可相应地予以解释。

参看图1及图2，诸如检测系统100的检测系统安装于底座102上，且包括工件支撑件104、提升器106、运动系统108、检测组件支撑件110、第一检测组件112、第二检测组件114及系统支撑件116。底座102可提供为适当地大块且硬质的结构(例如，花岗石块等)，用于以振动方式将检测系统100的组件与外部环境隔离。虽然图1及图2说明检测系统100包括两个提升器106的实施方式，但应了解，可省去一个提升器106，或检测系统100可包含多于两个的提升器106。

工件支撑件104耦接至提升器106，提升器又配置于系统支撑件116上。工件支撑件104可提供为经建构以支撑一或多个工件的架、夹盘、板等。以101展示一例示性工件。在一个实施方式中，工件支撑件104经建构以支撑工件101，使得可自工件支撑件104上方(例如，藉由第一检测组件112)及自工件支撑件104下方(例如，藉由第二检测组件114)检测工件101。相应地，支撑工件101的工件支撑件104的至少一部分可由一波长的光可透射的材料形成，第二检测组件114对波长敏感(亦即，在第二检测组件114包括诸如线扫描摄影机、矩阵数组摄影机等光学传感器的情况下)。另外或替代地，工件支撑件104可包括曝露工件101以供第二检测组件114检测的一或多个开口。

视情况，一或多个夹具巢状物(每一者在本文中亦称为「夹具」)可与工件支撑件104一体地形成，或可拆卸地耦接至工件支撑件104。每一夹具巢状物可经建构以将工件101固持、保留或以其他方式维持于预定空间定向及/或检测系统100内的位置中。工件支撑件104可经建构以适应具有不同组态(例如用以固持具有不同实体组态、由不同材料制成的工件，或其类似者，或其任何组合)的多种夹具巢状物。因此，当可拆卸地耦接至工件支撑件104时，不同夹具巢状物可互换至检测系统100中，从而增强检测系统100的效用。对于夹具巢状物与工件支撑件104一体地形成或者暂时耦接至工件支撑件104的情况，夹具巢状物可被视为工件支撑件104的一部分。在一个实施方式中，夹具巢状物可由一波长的光可透射的材料形成，第二检测组件114对所述波长敏感(例如，如上文所论述)。在另一实施方式中，夹具巢状物可包括曝露工件101以供第二检测组件114检测的一或多个开口。

耦接至提升器106的工件支撑件104在检测系统100内静止(或至少实质上静止)(例如，相对于检测组件支撑件110)。由于工件支撑件104静止，因此由工件支撑件104或夹具巢状物支撑的任何工件在使用检测系统进行的检测程序期间并不移动(或不以显著方式移动)。相应地，若工件101仅仅停置于工件支撑件104上(或在夹具巢状物上或其内)，或若工件101以相对较轻的力在工件101上的相对较少位置、在工件101上的相对较小区域由工件支撑件104(或夹具巢状物)固持，或其类似者或其任何组合，则工件101在检测程序期间可保持适当地静止。

运动系统108可包括第一运动载台108a及第二运动载台108b，且配置于系统支撑件116上，在工件支撑件104下方。第二运动载台108b配置于系统支撑件116上，且可提供为Y轴载台(例如，能够赋予沿着Y轴的移动)。第一运动系统108a由第二运动系统108b承载，且可提供为X轴载台(例如，能够赋予沿着正交于Y轴的X轴的移动)。虽然图1及图2说明运动系统108包括两个运动载台的实施方式，但应了解，运动系统108可仅包括单个运动载台(例如，第一运动载台108a、第二运动载台108b或完全不同的载台)或多于两个的运动载台。虽然图1及图2说明运动系统108包括经建构以赋予沿着两个正交轴线的移动的运动载台的实施方式，但应了解，运动系统108可包括经建构以赋予沿着一共同轴线的移动的运动载台。此外，虽然运动系统108已描述为仅包括线性运动载台，但应了解，运动系统108可另外或替代地包括一或多个旋转载台(例如，经建构以赋予围绕平行于X轴、Y轴、正交于X轴及Y轴的Z轴的轴线或其类似者或其任何组合的移动)。

检测组件支撑件110耦接至运动系统108，且相对于工件支撑件104可移动。举例而言，在所说明实施方式中，检测组件支撑件110耦接至第一运动载台108a，且因此可沿着X轴及Y轴相对于工件支撑件104移动。在一个实施方式中，检测组件支撑件110提供为自运动系统108(例如，在工件支撑件104下方的位置)延伸且在位于工件支撑件104上方的末端处终止的部分环型桥状物或「C形桥状物」。如所例示性地说明，检测组件支撑件110部分地围绕工件支撑件104延伸，因此允许近接工件支撑件104、夹具巢状物等，从而促进使操作人员或者机器人(例如，取放机器)能够使用检测系统100加载及卸除待检测的工件。虽然所说明实施方式展示提供为具有固定形状的单个整体结构的检测组件支撑件110，但应了解，检测组件支撑件110可提供为铰接(例如，接合)结构，其具有相对于彼此可选择性地定向且随后以任何合适或所要方式锁定在适当位置(例如，在区段的接合部)的区段(例如，串联接合在一起)。

第一检测组件112可耦接至检测组件支撑件110的终端，在工件支撑件104上方。通常，检测组件支撑件110经建构以使第一检测组件112以充足距离悬置于工件支撑件104上方，使得当工件101由工件支撑件104支撑时，第一检测组件112可在无不当损害或移动工件101的情况下相对于工件101移动。检测组件支撑件110提供为适当硬质结构，使得若检测组件支撑件110相对于工件支撑件104移动，则第一检测组件112将至少相对于检测组件支撑件110、第一运动载台108a、第二检测组件114或其类似者或其任何组合保持静止(或至少实质上静止)。虽然图1及图2说明其中仅一个传感器(亦即，第一检测组件112)耦接至检测组件支撑件110的终端，但应了解，多个传感器可耦接至检测组件支撑件110的终端。

在所说明实施方式中，第二检测组件114耦接至运动系统108(例如，在第一运动载台108a处)且与第一检测组件112对准(例如，沿着Z轴)。然而，在另一实施方式中，第二检测组件114沿着Z轴自第一检测组件112偏移。在又一实施方式中，第二检测组件114耦接至检测组件支撑件110。在第二检测组件114耦接至检测组件支撑件112的情况下，检测组件支撑件110可视情况在工件支撑件104下方进一步延伸，使得第二检测组件114可与第一检测组件112对准(例如，沿着Z轴)。虽然图1及图2说明其中仅一个传感器(亦即，第二检测组件112)耦接至运动系统108，但应了解，多个传感器可耦接至运动系统108(例如，在第一运动载台108a处)、耦接至检测组件支撑件110，或其类似者或其任何组合。

在一个实施方式中，诸如第一检测组件112及第二检测组件114的检测组件相对于所述等检测组件所耦接至的结构不可移动(或至少实质上不可移动)。举例而言，第一检测组件112至少相对于检测组件支撑件110实质上不可移动。同样，第二检测组件114可至少相对于第一运动载台108a实质上不可移动。然而，在另一实施方式中，检测组件可以可移动方式耦接至检测组件支撑件110或至耦接第一运动载台108a。举例而言，检测系统100可包括耦接于检测组件支撑件110与第一检测组件112之间的运动载台(例如，经建构以赋予沿着Z轴的移动的Z轴载台)。在另一实例中，检测系统100可包括耦接于第一运动载台108a与第二检测组件114之间的运动载台(例如，Z轴载台)。包括如上文所论述的一或多个Z轴载台可促进用以检测工件101的检测系统100的微调，促进检测组件相对于工件101的最佳置放，促进诸如摄影机或其类似者或其任何组合的检测组件的聚焦。

本文中所提及的检测组件中的任一者(例如，包括第一检测组件112及第二检测组件114)可提供为摄影机、照射光源、近接传感器、距离传感器、共焦显微镜，或其类似者或其任何组合。摄影机的实例包括数字摄影机(其具有由像素传感器矩阵数组形成的影像传感器数组，具有由像素传感器线数组形成的影像传感器数组)、红外摄影机、高光谱摄影机、全光摄影机，或其类似者或其任何组合。照射光源的实例包括红外光源、可见光光源、发光二极管(LED)、结构化光源，或其类似者或其任何组合。近接传感器或距离传感器的实例包括红外近接传感器、超音波或近接或距离传感器、镭射测距仪、三角量测镭射、触摸式探针，或其类似者或其任何组合。在一个实施方式中，配置于工件支撑件104上方及下方的检测组件是相同的。在另一实施方式中，配置于工件支撑件104上方的至少一个检测组件不同于配置于工件支撑件104下方的至少一个检测组件。若第一检测组件112及第二检测组件114提供为诸如三角量测镭射的距离传感器，且若第一检测组件112与第二检测组件114在Z轴上相对于彼此对准，则工件101的厚度(亦即，如沿着Z轴所量测)可得以量测。在一个实施方式中，第一检测组件112或第二检测组件114中的一者提供为摄影机，且第二检测组件114或第一检测组件112中的另一者提供为照射光源。

虽然未展示，但检测系统100可包括以通信方式耦接(例如，经由一或多个有线或无线通信链接)至运动系统108、第一检测组件112及第二检测系统114中的一或多者的控制器。通常，所述控制器包括经建构以在执行指令后即产生前述控制信号的一或多个处理器。处理器可提供为经建构以执行指令的可程序化处理器(例如，包括一或多个通用计算机处理器、微处理器、数字信号处理器，或其类似者或其任何组合)。可由处理器执行的指令可实施为软件、固件等，或为任何适合形式的电路，包括可程序化逻辑设备(programmablelogic device；PLD)、场可程序化门阵列(field-programmable gate array；FPGA)、场可程序化对象数组(field-programmable object array；FPOA)、特殊应用集成电路(application-specific integrated circuit；ASIC)(包括数字、模拟及混合模拟/数字电路)，或其类似者或其任何组合。指令的执行可在一个处理器上执行、分配在多个处理器中、跨一装置内的处理器或跨装置的网络并行地进行，或其类似者或其任何组合。在一个实施方式中，控制器包括诸如计算机内存的有形媒体，其可藉由处理器存取(例如，经由一或多个有线或无线通信连结)。如本文中所使用，「计算机内存」包括磁性媒体(例如，磁带、硬盘机等)、光盘、挥发性或非挥发性半导体内存(例如，RAM、ROM、反及型闪存、反或型闪存、SONOS内存等)等，且可本端、远程(例如，跨网络)或以其组合方式存取。通常，指令可储存为计算机软件(例如，可执行码、档案、指令等，链接库档案等)，其可易于由业内人士制作(根据本文中所提供的描述)，例如以C、C++、Visual Basic、Java、Python、Tel、Perl、Scheme、Ruby等编写。计算机软件通常储存于藉由计算机内存输送的一或多个数据结构中。

虽然未展示，但一或多个驱动器(例如，RF驱动器、伺服驱动器、线驱动器、电源等)可以通信方式耦接至诸如第一运动载台108a及第二运动载台108b的一或多个组件的输入端。在一个实施方式中，每一驱动器典型地包括控制器以通信方式耦接至的输入，且控制器因此可操作以产生一或多个控制信号，控制信号可传输至与第一运动载台108a及第二运动载台108b相关联的一或多个驱动器的输入端。

在一个实施方式中，检测工作程序(例如，描述待由运动系统108的一或多个运动载台赋予的移动、待由检测组件中的一或多者执行的操作，或其类似者或其任何组合的指令)可储存于控制器处(例如，在计算机内存内等)。在一个实施方式中，检测系统可经操作以收集工件101上的特征位置或瑕疵位置，且接着提供关于工件101的质量的报告，且指令工作程序可包括逻辑操作，使得某些操作(例如，运动、检测等)基于先前执行的操作的结果、基于收集的特征位置的结果、基于收集的瑕疵位置的结果或其类似者或其任何组合而执行。举例而言，若摄影机(例如，提供为耦接至检测组件支撑件110的终端的检测组件)以光学方式侦测可能的瑕疵，则检测工作程序的逻辑分支可能命令检测系统100以致使三角量测镭射(例如，亦提供为耦接至检测组件支撑件110的末端的额外检测组件)与可能瑕疵相对于彼此移动(例如，藉由驱动第一运动载台108a及第二运动载台108b中的一或多者)以判定可能瑕疵的高度。合格/不合格准则可基于镭射量测，但可能瑕疵的所有区域可使用摄影机来识别。有可能，工件101的一个侧上的操作的结果可需要工件101的另一侧上的操作(例如，驱动运动系统108以使检测组件相对于工件101移动至可疑位置，等)。

在一个实施方式中，一或多个校准人工制品可置放于工件支撑件或夹具巢状物中或上。一或多个校准人工制品(诸如厚度标准物、测试图案的标线、梯度规、规块、长度量棒、球板、孔板、测试件，或其类似者或其任何组合)可用于校准第一检测组件112、第二检测组件114或其任何组合。若诸如测试图案的校准人工制品清楚且相对较薄，则来自架的上方及下方两者的摄影机可使用同一人工制品获得两个摄影机之间的同心对准。使人工制品始终可供使用以再校准传感器的优点在于，若系统用于温度变化可能以其他方式干扰量测的区域中，则系统可将频繁「自检」校准作为检测工作程序的部分。

对于需要沿着边缘检测的工件101(例如，具有朝向连接件的边缘的印刷电路板，等)，安装于夹具巢状物上或架上的45度镜可用以允许检测组件检测工件101的边缘。镭射束及透镜的光学路径皆可以此方式转向九十度。对于需要检测、并非自工件101直接朝上或直接朝外的特征，检测组件中的一或多者可安装于旋转轴上(例如，以调整检测组件的攻角以适应工件特征)。

在一个实施方式中，一或多个制造装置可耦接至检测组件支撑件110、耦接至运动系统108等(例如，方式为前述检测组件耦接至检测组件支撑件110、耦接至运动系统108，等)。可使用的制造装置的实例包括镭射系统(例如，用以对工件101进行标记、钻孔、切割、焊接或以其他方式进行机器加工)、机械加工系统(例如，机械钻机、刳刨机等)、施配系统，或其类似者或其任何组合。前文说明本发明的实施方式及实例，且不应解释为对其的限制。虽然已参看图式描述几个特定实施方式及实例，熟习此项技术者将易于了解，对所揭示实施方式及实例以及其他实施方式的诸多修改在不显著背离本发明的新颖教示及优点的情况下为可能的。相应地，所有这些修改意欲包括于如申请专利范围中所界定的本发明的范围内。举例而言，熟习此项技术者将了解，任何句子、段落、实例或实施方式的目标物可与其他句子、段落、实例或实施方式的一些或全部的目标物组合，除非这些组合彼此互斥。本发明的范围因此应由以下申请专利范围判定，且所述技术方案的等效物包括于本发明的范围中。

Claims (13)

1.一种用于对工件执行操作的制造系统，所述系统包含：

一静止工件支撑件，其经建构以支撑一工件；

一硬质机械检测组件支撑件，其部分地环绕所述工件支撑件，且具有用于自所述工件的一第一侧执行一操作的一第一检测组件及用于自所述工件的一第二侧执行一操作的一第二检测组件；及

一运动系统，其耦接至所述硬质机械检测组件支撑件，其中所述运动系统经建构以使所述硬质机械检测组件支撑件在至少一个轴在线相对于所述工件支撑件移动。

2.如权利要求1所述的系统，其中选自由所述第一检测组件及所述第二检测组件组成的群组的至少一者为经建构以执行所述工件的一质量评估的一传感器。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述传感器为经建构以使所述工件成像的一数字摄影机。

4.如权利要求2所述的系统，其中选自由所述第一装置及所述第二装置组成的群组的至少一者为经建构以侦测所述工件上的一特定位置处的至少一个高度量测的一高度传感器。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一装置及所述第二装置中的每一者为一高度传感器，且其中所述第一装置配置于所述第二装置上方且与所述第二装置对准。

6.如权利要求2所述的系统，其进一步包含可拆卸地耦接至所述工件支撑件的一夹具，其中所述夹具经建构以固持所述工件。

7.如权利要求6所述的系统，其进一步包含固定地安装至所述夹具的一校准人工制品。

8.如权利要求2所述的系统，其进一步包含固定地安装至所述工件支撑件的一校准人工制品。

9.如权利要求2所述的系统，其中在工作过程控制下的一个所述传感器的定位由执行一先前检测的一不同的所述传感器的结果规定。

10.如权利要求2所述的系统，其中在工作过程控制下的一个所述传感器的检测方法的组态由执行一先前检测的一不同的所述传感器的结果决定。

11.如权利要求2所述的系统，其进一步包含经配置且经建构以将所述传感器的一视野重新引导朝向受检测的所述工件的边缘的一镜。

12.如权利要求2所述的系统，其中所述架含有至少一个镜以将所述传感器的所述视野重新引导朝向受检测的所述工件的所述边缘。

13.如权利要求2所述的系统，其中所述等传感器中的至少一者安装于一旋转载台上以允许所述传感器以任何角度检视受检测的所述工件的一特征。