CN110160456A - 一种实现微小装配间隙快速测量的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现微小装配间隙快速测量的设备，包含：底座，设有网格线和刻度值；若干个支座，用于固定支撑待测部件，并依照刻度值对待测部件进行定位放置；水平四轴协作机器人，末端通过连接板安装工业相机和激光位移传感器；工控电脑，执行以下操作：控制水平四轴协作机器人将工业相机移到待测部件上方，并控制工业相机获取待测部件的图像；生成供用户确认图像上定位点的界面并记录定位点；控制水平四轴协作机器人将激光位移传感器移到定位点，并控制激光位移传感器测量数据；根据测量数据计算出间隙高度。本发明的提供的设备精度高，操作简单，操作人员简单学习即可上手，同时能够满足多品种小批量产品的生产要求。

Description

一种实现微小装配间隙快速测量的设备

技术领域

本发明涉及产品装配生产制造领域，特别涉及一种电子产品芯片导热垫粘贴过程中微小间隙自动测量的设备。

背景技术

随着电子设备不断将更强大的功能集成到更小的组件中，温度的升高会导致设备运行速度减慢、器件工作中途出故障、尺寸空间限制等其他很多性能方面的问题。为有效控制器件温度，在电子电器产品中广泛应用一种导热填充材料，即导热硅胶垫，简称导热垫。导热垫具有一定的柔韧性、优良的绝缘性、压缩性和表面天然的粘性，其通过填充器件和产品金属壳体之间的简写，完成发热部位和散热部位之间的热传递，同时还能起到绝缘、减震等作用，能够满足设备小型化及超薄化的设计要求。

作为填充缝隙的导热材料，导热垫厚度从0.5-10mm不等，以适应不同间隙。而在产品设计时，往往会进行导热间隙的初步设计，提供导热垫厚度参考值。但在产品生产过程中，导热间隙的真实值与设计值之间存在误差，采用参考导热垫厚度往往不能符合生产要求。导热垫厚度过薄，无法完全填充缝隙，难以满足导热效果，导热垫厚度过厚，则容易导致器件受到压力，带来更多的产品质量问题。因此，在生产过程中，特别是小批量多品种生产过程中，导热间隙的精确测量是非常重要的。

如图4所示为导热间隙示意图，导热间隙的测量公式为：d＝ΔX-ΔY，其中：

d：导热间隙

ΔX：导热凸台上表面与导热板安装面的高度差；

ΔY：芯片上表面与PCBA板安装面的高度差；

传统的导热间隙测量方法是采用游标卡尺测量高度差。虽然数显式游标卡尺可有效提升检测人员的效率，但这种方法仍存在如下问题：(1)测量过程复杂，每一个尺寸都要反复比测；(2)自动化程度低，在需要尺寸计算时，检测人员要手动计算，容易出错；(3)检测人员的熟练度、手法均可能影响测量结果；(4)接触式测量方法是有损测量方法，可能会对产品造成划痕、磕碰等损伤，尤其是在电装组件测量过程中。总之，传统测量方法存在精度差、效率低、易出错、可能损伤器件等多种问题，给生产带来很大困扰。

目前在批量较大的电子产品生产行业，广泛采用一种先进的非接触式测量方法，采用激光、相机等采集设备采集产品表面特征，进行自动比对计算，能够排除人为干扰，可实现复杂结构的测量，同时采集速度极快，也能避免对组件的损伤，但这种测量设备其测量方法和测量原理对专业知识要求较高，比如图像处理、坐标变换、特征拟合等，软件操作复杂，工人现场应用困难，难以适用小批量多品种类产品的生产过程。

发明内容

针对上述情况，本发明的发明目的在于提出了一种实现微小装配间隙快速测量的设备。该设备针对导热间隙测量现状，提出了一种非接触式自动化测量方案，应用激光位移传感器实现快速、高精度测量；应用人机协作SCARA机器人结合工业相机和智能算法，简单示教即可实现自动化测量。该设备精度高，操作简单，操作人员简单学习即可上手，同时能够满足多品种小批量产品的生产要求。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种实现微小装配间隙快速测量的设备，包含：

底座，设有网格线和刻度值；

若干个支座，用于固定支撑待测部件，并依照刻度值对待测部件进行定位放置；

水平四轴协作机器人，末端通过连接板安装工业相机和激光位移传感器；

工控电脑，执行以下操作：

控制水平四轴协作机器人将工业相机移到待测部件上方，并控制工业相机获取待测部件的图像；

生成供用户确认图像上定位点的界面并记录定位点；

控制水平四轴协作机器人将激光位移传感器移到定位点，并控制激光位移传感器测量数据；

根据测量数据计算出间隙高度。

优选地，底座为不锈钢板材质，表面打磨平整，网格线由相互垂直的长方形凹槽组成，根据凹槽位置标记刻度值。

优选地，支座底部设有磁性装置，磁性装置用于吸附在底座上；支座的顶部设有台阶，台阶用于支撑和固定待测零部件。

优选地，测量数据包含定位点处的电路板的安装平面点的高度y1、电路板上芯片平面点的高度y2、导热板的安装平面点的高度x1和导热板上凸台平面点的高度x，计算芯片的高度ΔY＝y1-y2，凸台的高度＝x2-x1，最后计算出定位点处的间隙高度d＝ΔX-ΔY。

本发明的有益效果在于：

1)不同规格待测部件的快速放置；

2)根据部件图像自动定位待测部件；

3)高精度实现厚度尺寸的数字化测量；

4)示教过程记录，批量完成自动化测量。

附图说明

图1为一种实现微小装配间隙快速测量的设备的结构示意图。

图2为水平四轴协作机器人的结构示意图。

图3为待测部件与底座、支座的关系示意图。

图4为导热间隙示意图。

标号说明：

1—底座2—支座3—水平四轴协作机器人4—激光位移传感器5—工业相机6—连接板7—待测零部件8—工控电脑

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例所示的一种实现微小装配间隙快速测量的设备，参见图1所示，主要包含：底座1、支座2水平四轴协作机器人3和工控电脑8。

底座1用于安装水平四轴协作机器人3和待测零部件7。其特点包括：采用不锈钢板和减重设计，表面打磨平整，设置相互垂直的长方形凹槽形成网格线，根据凹槽位置标记刻度值。

支座2有3-6个，放置在底座上。支座底部设计磁性装置，可吸附在底座上，并根据需要可人工移动到不同位置。支座顶部有2mm的台阶，台阶用于支撑和固定待测零部件。根据不同的待测部件尺寸，多个支座移动到部件边沿位置即可实现部件的稳定支撑。

参见图1、图2所示，水平四轴协作机器人3采用四轴SCARA水平工业机器人，该机器人特点包括：1)由三个旋转运动轴和一个垂直运动轴组成；2)具有人机协作功能，可由操作人员直接拖动各运动轴运动；3)重复定位精度小于±0.03mm。水平四轴协作机器人3以螺钉紧固连接在底座1上；连接板6与水平四轴协作机器人3的标准连接盘以螺钉紧固连接；工业相机5和激光位移传感器4通过螺钉与连接板6连接；工业相机5和激光位移传感器4垂直向下正对底座1，工业相机的焦点在初始状态时对应网格线的中心；工业相机5、激光位移传感器4、水平四轴协作机器人3与工控电脑8连接，并接受工控电脑8的集中控制。

本实例中采用激光位移传感器测量芯片和导热凸台与安装面之间的高度差。激光位移传感器采用激光三角测量法原理，适用于高精度、短距离的测量，可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。激光位移传感器测量精度可达0.01mm以内，量程200mm，能够满足电子产品导热间隙测量要求。

本实例中采用工业相机采集待测零部件7的图像信息，并采用相机标定技术，将图像坐标与工件坐标进行转换，实现自动引导工业机器人进行相应位置测量。工业相机具有图像稳定性、高传输能力、高抗干扰能力等。

实现微小装配间隙快速测量的设备的测量方法包括手动测量、参考测量两种测量模式，具体适用范围及操作方法如下：

1、针对首件产品的选用手动测量模式，其操作步骤为：

1)取待测零部件7为电路板，手动放置在底座1上进行尺寸比对，保证尺寸中心与刻度线的中心基本对应。参见图3所示，待测零部件7以底座1的刻度线方向为准水平放置，其部件尺寸中心与刻度线的中心基本对应；

2)将支座2放置在待测部件7边沿对应的刻度位置，将待测部件7放置在支座台阶上，调整支座2直到待测部件7稳定放置，其中两个支座与刻度线平齐；

3)水平四轴协作机器人3返回零点位置；

4)工控电脑8控制工业相机对待测零部件7进行拍照获取图像；

5)工控电脑8生成供用户确认图像上定位点的界面；

6)人工从界面中选择电路板的安装平面点，工控电脑8控制水平四轴协作机器人3自动运动到相应位置将激光位移传感器4的测量点打到相应安装平面点，并进行测量，记录测量结果y1；

7)人工从界面中选择电路板上某个芯片平面点，工控电脑8控制水平四轴协作机器人3自动运动到相应位置将激光位移传感器4的测量点打到相应芯片平面点，并进行测量，记录测量结果y2，则该芯片的高度ΔY＝y1-y2；

8)重复第7)步操作直到完成所有器件的高度测量；

9)更换待测部件7为导热板，重复上述步骤1)至步骤5)；

10)人工从界面中选择导热板的安装平面点，工控电脑8控制水平四轴协作机器人3自动运动到相应位置将激光位移传感器4的测量点打到相应的安装平面点，并进行测量，记录测量结果x1；

11)人工从界面中选择导热板的某个对应凸台平面点，工控电脑8控制水平四轴协作机器人3自动运动到相应位置将激光位移传感器4的测量点打到相应凸台平面点，并进行测量，记录测量结果x2，则该凸台的ΔX＝x2-x1；

12)重复第11)步操作直到完成所有凸台的高度测量；

13)凸台对应的导热间隙计算公式：d＝ΔX-ΔY，可根据计算结果选择相应的导热垫片厚度。

14)数据库记录相机图像和测量结果，并记录测量过程工业机器人测量点的位置坐标，生成测量报告。

2、针对非首件产品，选择参考测量模式，其操作步骤为：

1)根据首件产品的测量图像和底座刻度位置精准放置待测部件7；

2)工控电脑8调取首件产品的电路板测量过程记录的测量点位置程序，控制水平四轴协作机器人3自动完成电路板各芯片高度的测量；

3)工控电脑8调取首件产品的导热板测量过程记录的测量点位置程序，控制水平四轴协作机器人3自动完成导热板各凸台高度的测量；

4)生成测量报告，完成测量过程。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种实现微小装配间隙快速测量的设备，其特征在于包含：

底座，设有网格线和刻度值；

若干个支座，用于固定支撑待测部件，并依照刻度值对待测部件进行定位放置；

水平四轴协作机器人，末端通过连接板安装工业相机和激光位移传感器；

工控电脑，执行以下操作：

控制水平四轴协作机器人将工业相机移到待测部件上方，并控制工业相机获取待测部件的图像；

生成供用户确认图像上定位点的界面并记录定位点；

控制水平四轴协作机器人将激光位移传感器移到定位点，并控制激光位移传感器测量数据；

根据测量数据计算出间隙高度。

2.根据权利要求1所述的一种实现微小装配间隙快速测量的设备，其特征在于所述底座为不锈钢板材质，表面打磨平整，网格线由相互垂直的长方形凹槽组成，根据凹槽位置标记刻度值。

3.根据权利要求1所述的一种实现微小装配间隙快速测量的设备，其特征在于所述支座底部设有磁性装置，磁性装置用于吸附在底座上；支座的顶部设有台阶，台阶用于支撑和固定待测零部件。

4.根据权利要求1所述的一种实现微小装配间隙快速测量的设备，其特征在于测量数据包含定位点处的电路板的安装平面点的高度y1、电路板上芯片平面点的高度y2、导热板的安装平面点的高度x1和导热板上凸台平面点的高度x，计算芯片的高度ΔY＝y1-y2，凸台的高度＝x2-x1，最后计算出定位点处的间隙高度d＝ΔX-ΔY。