CN116448064A - 一种自校准零位的可持续检测水平仪装置及方法 - Google Patents

一种自校准零位的可持续检测水平仪装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自校准零位的可持续检测水平仪装置及方法，包括支撑架、水平旋转及下压机构，支撑架包括基板、安装板以及两立柱，两立柱对称设置于基板上，安装板固定连接于两立柱上，水平旋转及下压机构包括依次固定连接的水平旋转气缸、水平触碰板、下压气缸、水平下压板；水平旋转及下压机构通过安装板安装于支撑架内，支撑架内位于水平旋转及下压机构两侧还对称设有触碰感应件，水平旋转及下压机构可通过水平旋转气缸在支撑架内进行水平旋转，在水平旋转过程中水平触碰板可与触碰感应件接触，还可通过下压气缸在支撑架内进行上升或下压，以使水平下压板与基板分离或贴合。本发明提供了自校准且持续检测的水平仪装置，实现实时高精度测量。

Description

一种自校准零位的可持续检测水平仪装置及方法
技术领域
本发明属于自动检测领域，具体涉及为一种自校准零位的可持续检测水平仪装置及方法。
背景技术
直写光刻技术是利用数字光处理技术在工件上形成电路图形，其原理是根据计算机设计的图形，采用可编程的数字微镜装置进行光束调制，再将调制的图形光通过光学镜头投射到涂覆有感光材料的工件表面以形成所需的设计图形，图形的快速切换可以缩短加工周期，能够满足各行各业对芯片、半导体器件以及印刷电路板的高需求量和高精度要求。
为了保障直写光刻技术的设备的高精度要求，现有的LDI激光直写成像设备会在设备运行前通过传统的水平仪(如气泡水平仪、电子水平仪等)对设备进行水平度检测，并通过微调设备对设备进行调节，以保证设备的水平度。
虽然现有的设备能够通过传统的水平仪检测出设备在运行前的水平值，但是在设备运行的过程中，无法实时检测设备的水平度，进而无法连续判断设备的水平值，从而不能对正在设备中加工的材料的加工精度进行判断，同时，现有水平仪无法测量自身系统误差，进而无法保证设备的精准度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，解决了传统设备中水平仪检测繁琐，且无法持续检测设备水平值的问题，实现了对设备进行实时持续检测的功能。同时设置水平值的上下阈值，能够对设备检测的数值进行判断，当突破上下阈值时，会对设备自身进行实时调整，本发明的水平仪装置能自动校准归零，解决了零点误差的影响，提升了测量精度。
本发明是通过以下技术方案得以实现：
一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，包括支撑架、水平旋转及下压机构，支撑架包括基板、旋转板以及两立柱，两立柱对称设置于基板上，旋转板固定连接于两立柱上；水平旋转及下压机构包括依次固定连接的水平旋转气缸、水平触碰板、垂直下压气缸、水平下压板；水平旋转及下压机构通过旋转板安装于支撑架内，支撑架内位于水平旋转及下压机构两侧还对称设有两触碰感应件，水平旋转及下压机构可通过水平旋转气缸在支撑架内进行水平旋转，在水平旋转过程中所述水平触碰板可与触碰感应件接触，还可通过垂直下压气缸在支撑架内进行上升或下压，以使水平下压板与基板分离或贴合。
优选地，垂直下压气缸包括第一下压气缸、第二下压气缸，第一下压气缸和第二下压气缸对称固定连接于水平触碰板、水平下压板之间。
优选地，水平触碰板包括分别与水平旋转气缸、垂直下压气缸固定连接的旋转板，还包括与旋转板弹性转动连接的可使水平触碰板在旋转过程中能够触碰到触碰感应件且在触碰后能够通过触碰感应件的弹性触碰件。
优选地，基板与水平下压板贴合的表面设有若干凹槽，用于防止真空吸附。
优选地，垂直下压气缸上还设有用于检测垂直下压气缸下压到位的磁性开关，所述磁性开关与控制单元连接。
优选地，水平仪装置还包括控制及处理模块，所述控制及处理模块包括相连的控制单元、数据分析单元，所述控制单元分别与水平旋转气缸、垂直下压气缸、触碰感应件连接；数据分析单元与角度传感器连接。
优选地，控制及处理模块包括与数据分析单元连接的警报单元。
优选地，水平下压板上设有用于固定角度传感器信号线的马鞍座。
优选地，一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，包括步骤：
S1、获取水平旋转及下压机构旋转至第一次与触碰感应件触碰且水平下压板下压至与基板贴合时，所述角度传感器的第一检测角度；
S2、获取水平旋转及下压机构旋转至第二次与触碰感应件触碰且水平下压板下压至与基板贴合时，所述角度传感器的第二检测角度；
S3、基于第一检测角度、第二检测角度计算得到水平仪装置的自身倾斜角度；
S4、将水平仪装置放置待测面上，并将水平旋转及下压机构中的水平下压板下压至与基板贴合，并读取角度传感器的当前检测角度；
S5、基于自身倾斜角度、当前检测角度，得到待测面实际水平值数据。
优选地，步骤S3中还包括，当自身倾斜角度超过第一预设阈值时，进行警报；步骤S5还包括，当待测面实际水平值数据超过第二预设阈值时，进行警报。
所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置及方法与现有的技术相比具有如下的优点和显著的效果：
第一、本发明可持续检测设备的水平度，并实时输出数据；
第二、本发明可通过数据分析模块设置上下报警阀值，提高LDI激光直接成像设备的精度；
第三、本发明结构安装方便、设置有预留好空间和安装孔位，该水平仪装置能够灵活安装于其他加载设备。
第四、本发明水平仪装置能自动校准归零，解决了零点误差的影响，提升了测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种自校准零位的可持续检测水平仪装置的侧示图；
图2为本发明一种自校准零位的可持续检测水平仪装置结构的主示图；
图3为本发明一种自校准零位的可持续检测水平仪装置结构的A-A剖视图；
图4为本发明一种自校准零位的可持续检测水平仪装置结构的左视图。
图中的编码分别为：1-基板，2-立柱，3-角度传感器，4-触碰感应件，5-水平旋转及下压机构，6-旋转板，7-水平旋转气缸，8-水平触碰板，9-垂直下压气缸，10-磁性开关，11-压板，12-马鞍座，13-弹性触碰件，14-感应柱，15-防撞块。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
实施例一：
该水平仪装置包括支撑架、水平旋转及下压机构5，支撑架包括基板1、立柱2、旋转板。基板1是连接该水平仪装置和固定设备的中间连接板，两立柱2对称设置于基板1上，旋转板固定连接于两立柱2上安装在基板1上，用于支撑水平旋转及下压机构5。
本装置的水平旋转及下压机构5包括依次固定连接的水平旋转气缸7、水平触碰板8、两垂直下压气缸、水平下压板11、马鞍座12。水平旋转及下压机构5通过旋转板安装于支撑架内。旋转气缸是将缸体本身固定在旋转体上与旋转负载一起旋转,供气组件是固定不动的，旋转缸体与不旋转的供气阀之间采用轴承连接,就可使旋转气缸很灵活地旋转，水平旋转气缸7安装在旋转气缸旋转板6上，下方连接水平触碰板，水平触碰板也用于固定垂直下压气缸，作为下压气缸的固定板，该板下方装有两个垂直下压气缸，垂直下压气缸呈现180°均匀分布，两垂直下压气缸末端连接压板11，垂直下压气缸9抬起后，压板11与基板1的距离仅为2mm。
支撑架内位于水平旋转及下压机构两侧还对称设有两触碰感应件4，触碰感应件4是由感应柱14和防撞块15组成的，用于限定旋转机构0°初始位置和顺时针旋转至180°的极限位置。如图2、图3和图4所示，水平旋转及下压机构5可通过水平旋转气缸7在支撑架内进行水平旋转。水平触碰板8包括分别与水平旋转气缸7、垂直下压气缸9固定连接的旋转板6，还包括与旋转板6弹性转动连接的可使水平触碰板在旋转过程中能够触碰到触碰感应件且在触碰后能够通过触碰感应件的弹性触碰件13。
在水平旋转过程中所，水平触碰板8可与触碰感应件4接触，还可通过垂直下压气缸9在支撑架内进行上升或下压，以使水平下压板11与基板1分离或贴合。
垂直下压气缸上还设有用于检测垂直下压气缸下压到位的磁性开关10，磁性开关是利用磁场信号来控制的一种开关元件，无磁断开，可以用来检测电路或机械运动的状态，当这个磁铁靠近带有导线的开关时，发出开关信号，所以磁性开关与控制单元连接，用于检测水平旋转及下压机构5是否下压到位，确保水平下压板与基板达到贴合状态。
同时，在垂直下压气缸9动作过程中，会出现压板11与基板1压紧后不易分离，因此在基板上表面设有很多凹槽，用于防止压板11与基板之间产生真空吸合。压板11上还安装有若干个马鞍座12，用于固定传感器信号线，防止外部因素造成的信号干扰。
本装置还包括控制及处理模块，由上位机或者外接设备完成。所述控制及处理模块包括相连的控制单元、数据分析单元，所述控制单元分别与水平旋转气缸7、垂直下压气缸9、防撞块15连接；数据分析单元与角度传感器3无线连接。
如图1所示，角度传感器3固定在基板1上，触碰感应件4也安装在基板1上。角度传感器3是一种采用MEMS技术、数字输出的双轴高精度角度传感器，能最大程度减小环境变化引起的误差，分辨力是0.0005度(即为0.008mm/M)其中，分辨力是指传感器在测量范围内能够检测和分辨出的被测量值的最小变化值。
具体工作流程如下：
(1)检测校准过程，具体如下：
0°和180°的两次测量结果通过加减运算可以解出水平仪装置的零位偏移量，即装置的系统误差。测量原理：基于水平尺旋转180°找平的校准方法，可得出零位偏移值α，α为水平仪零位偏移值，β为设备平台与水平面的夹角，OO′为中心法线，A为水平仪最左侧，B为水平仪最右侧。
S1、获取水平旋转及下压机构旋转至第一次与触碰感应件触碰且水平下压板下压至与基板贴合时，所述角度传感器的第一检测角度。该水平仪装置装在设备上，连接上位机软件，将垂直下压气缸9向下运动，直至压板11紧紧贴住基板1，待数值稳定后读取上位机显示的第一测算角度，第一测算角度＝α+β。
S2、获取水平旋转及下压机构旋转至第二次与触碰感应件触碰且水平下压板下压至与基板贴合时，所述角度传感器的第二检测角度。松开下压气缸9，旋转气缸7带动水平触碰板8进行180°旋转，下压气缸9、压板11及角度传感器3随之旋转180°，旋转气缸7运动至极限位置，与触碰感应件4中触碰感应件15接触，使其缓慢停止，将下压气缸9再次下压，将压板11紧紧贴住基板1，待数值稳定后读取上位机显示的第二检测角度，第二检测角度＝α-β。
S3、基于第一检测角度、第二检测角度计算得到水平仪装置的自身倾斜角度。由第一测算角度＝α+β、第二检测角度＝α-β可计算得出零位偏移值α，将计算出水平仪装置的自身倾斜角度，即传感器的零位偏移量α，补偿到水平传感器的绝对零点中，实现自动校准归零。
该水平仪装置已运用至高精密的LDI激光直接成像设备中，零位偏移量α补偿测试过程如下：
1、将机台移动到X轴的零点，将电子水平仪和传感器同时设置相对零位；
2、将机台移动到X轴坐标150的位置，分别记录电子水平仪和传感器的读数变化。实测电子水平仪的读数是0.006mm/M，传感器的读数是0.0005度，按照1度＝17.5mm/M换算，传感器读数是0.008mm/M，差值是0.002mm/M；
3、将机台移动到Y轴的零点，将电子水平仪和传感器同时设置相对零位；
4、将机台移动到Y轴坐标480的位置，分别记录电子水平仪和传感器的读数变化。电子水平仪的读数是0.066mm/M，传感器的读数是0.0037度，按照1度＝17.5mm/M换算，传感器读数是0.064mm/M，差值是0.002mm/M；
通过对比，差值0.002mm/M远小于传感器的最小分辨率0.0005(即0.008mm/M)相等，因此认为该水平仪装置的测量精度和电子水平仪的测量精度是同等级别，并能够满足高精度设备的使用要求。
当自身倾斜角度超过第一预设阈值时，进行警报；
S4、将水平仪装置放置待测面上，并将水平旋转及下压机构5中的水平下压板下压至与基板贴合，并读取角度传感器的当前检测角度。
将水平仪装置放置于待测面上，水平旋转气缸7旋转至0°，下压气缸9向下运动，直至压板11压紧基板1，待数值稳定后读取上位机显示的数据N1，松开下压气缸9，旋转气缸7带动水平触碰板8旋转至180°，将下压气缸9再次下压，将压板11紧紧贴住基板1，待数值稳定后读取上位机显示的数据N2。
(2)使用检测如下：
S5、基于自身倾斜角度、当前检测角度，得到待测面实际水平值数据。
通过控制及处理模块对N1和N2判断，如果N1>N2，则补偿过后的水平值为N1-α或N2+α；如果N1<N2，则补偿过后的水平值为N1+α或N2-α，并将数据实时显示在上位机界面上。控制及处理模块包括与数据分析单元连接的警报单元，设备上位机将该水平仪装置可以将(N1+N2)/2设定为基准值，同时设置第二预设阈值的上下报警阀值，在实时读取该水平仪的水平值数据时，持续检测设备水平度是否在阀值范围内，当数据分析单元判断出测量的实际数据超出阀值，设备将发出警报进行提示，工作人员可进行适时调整设备或者调整待测装备。
同时，使用过程中，也可以通过控制及处理模块对水平仪的测试时间进行设置，实现水平仪的测试时间设定。另外，本发明结构安装方便、设置有预留好空间和安装孔位，该水平仪装置能够灵活安装于其他加载设备，使用时，可以直接放置或者快速安装连接。
所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置及方法与现有的技术相比具有如下的优点和显著的效果：
第一、本发明提供了更智能、更精准水平仪装置，为用户提供可持续检测设备的水平度检测，并实时输出数据；
第二、本发明所述的方法适用于该水平仪装置，可设置上下报警阀值，提高LDI激光直接成像设备的精度；
第三、本发明该水平仪装置能自动校准归零，解决了零点误差的影响，提升了测量精度；第四、本发明系统的装置结构预留好空间和安装孔位，该水平仪装置能够灵活安装在各个设备上，操作方便，实用性强。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，包括支撑架、水平旋转及下压机构，所述支撑架包括基板、安装板以及两立柱，所述两立柱对称设置于基板上，安装板固定连接于两立柱上，水平旋转及下压机构包括依次固定连接的水平旋转气缸、水平触碰板、垂直下压气缸、水平下压板；水平旋转及下压机构通过安装板安装于支撑架内，支撑架内位于水平旋转及下压机构两侧还对称设有两触碰感应件，水平旋转及下压机构可通过水平旋转气缸在支撑架内进行水平旋转，在水平旋转过程中所述水平触碰板可与触碰感应件接触，还可通过垂直下压气缸在支撑架内进行上升或下压，以使水平下压板与基板分离或贴合。
2.根据权利要求1所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，所述垂直下压气缸包括第一下压气缸、第二下压气缸，所述第一下压气缸、第二下压气缸对称固定连接于水平触碰板、水平下压板之间。
3.根据权利要求1所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，水平触碰板包括分别与水平旋转气缸、垂直下压气缸固定连接的旋转板，还包括与旋转板弹性转动连接的可使水平触碰板在旋转过程中能够触碰到触碰感应件且在触碰后能够通过触碰感应件的弹性触碰件。
4.根据权利要求1所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，所述基板与水平下压板贴合的表面设有若干凹槽。
5.根据权利要求1所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，所述垂直下压气缸上还设有用于检测垂直下压气缸下压到位的磁性开关，所述磁性开关与控制单元连接。
6.根据权利要求1所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，还包括控制及处理模块，所述控制及处理模块包括相连的控制单元、数据分析单元，所述控制单元分别与水平旋转气缸、垂直下压气缸、触碰感应件连接；数据分析单元与角度传感器连接。
7.根据权利要求6所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，所述控制及处理模块包括与数据分析单元连接的警报单元。
8.根据权利要求1所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，所述水平下压板上设有用于固定角度传感器信号线的马鞍座。
9.一种自校准零位的可持续检测水平度的方法，基于权利要求1-8任一项所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，包括步骤：
S1、获取水平旋转及下压机构旋转至第一次与触碰感应件触碰且水平下压板下压至与基板贴合时，所述角度传感器的第一检测角度；
S2、获取水平旋转及下压机构旋转至第二次与触碰感应件触碰且水平下压板下压至与基板贴合时，所述角度传感器的第二检测角度；
S3、基于第一检测角度、第二检测角度计算得到水平仪装置的自身倾斜角度；
S4、将水平仪装置放置待测面上，并将水平旋转及下压机构中的水平下压板下压至与基板贴合，并读取角度传感器的当前检测角度；
S5、基于自身倾斜角度、当前检测角度，得到待测面实际水平值数据。
10.根据权利要求9所述的一种自校准零位的可持续检测水平仪装置，其特征在于，
步骤S3中还包括，当自身倾斜角度超过第一预设阈值时，进行警报；
步骤S5还包括，当待测面实际水平值数据超过第二预设阈值时，进行警报。
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