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研究生: 蔡宜珊
Yi-Shan Tsai
論文名稱: 微型鑽針芯厚光學檢測系統之研究
The Study of an Optical Inspection System for the Web Thickness of Micro-Drills
指導教授: 唐永新
Yeong-Shin Tarng
鄧昭瑞
Geo-ry Tang
口試委員: 修芳仲
Fang-jung Shiou
蔡明忠
Ming-jong Tsai
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: 微型鑽針光機電整合量測系統影像處理
外文關鍵詞: Micro-Drills, Web Thickness, Opto-mechatronic Technology, Measurement System, Image Processing
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微型鑽針常用於印刷電路板微細孔的加工。鑽孔品質的優劣很大的部分取決於鑽針幾何特徵的精密程度。鑽針製造商為確保產品的品質,芯厚特徵的量測為品管檢驗的要項。本研究開發完成一套微型鑽針芯厚影像量測系統。此系統包含砂輪模組、運動平台、定位視覺模組及芯厚檢測視覺模組等部分,並透過電路控制整合各模組的動作流程。檢測的過程是先透過運動平台帶動鑽針到達工作位置,再利用定位視覺模組進行鑽針截面的定位。接著利用芯厚檢測視覺模組得到芯厚部位的影像,最後運用影像處理技術分析該截面的芯厚值。經由實驗得知本系統芯厚值量測誤差在3μm以內,而每根鑽針研磨四個斷面並量測芯厚值約僅耗時八分鐘。上述的結果驗證本研究成功的完成自動化檢測機台的開發。


Micro-drills are often used to produce the micro holes on printed circuit boards. The quality of the holes deeply depends on the variation of the geometric profile of the drills. In order to ensure the quality of products, the manufacturers of micro-drills usually define a high level inspection standard for the measurement of the web thickness. This work has developed an optical inspection system to measure the web thickness of micro drills. The system includes grinding wheel module, motion platform, optical positioning module and optical web thickness measurement module. The motors of those modules are integrated by an electrical control unit. The operation of this system starts from driving the motion platform into the workspace. The optical positioning module then drives the drill so that a pre-determined section of the drill is located at a specific position. Next, an image of the drill’s cross section was taken by the optical web thickness measurement module. Finally, the web thickness can be determined by a series of image processing techniques. The experimental data shows that the measurement error of the inspection system is less than 3μm, and the process to inspect four sections of a drill takes less than 8 minutes. The result demonstrates the success of the proposed optical inspection system.

目錄 摘要I AbstractII 誌謝III 目錄IV 圖索引VII 表索引XI 第一章緒論1 1.1 研究動機與目的2 1.2 文獻回顧3 1.2.1 微細開孔技術3 1.2.2 機器視覺檢測之應用5 1.2.3 微型鑽針量測技術6 1.3 論文架構6 第二章 微型鑽針與芯厚特徵8 2.1 微型鑽針8 2.1.1 微型鑽針的幾何特徵8 2.1.2 微型鑽針製程9 2.1.3 微型鑽針種類及特性11 2.2 芯厚特徵12 2.2.1 芯厚變化幾何特徵12 2.2.2 芯厚錐度13 2.2.3 傳統芯厚量測方法14 第三章 鑽針芯厚之量測16 3.1 取像系統16 3.1.1 光源與照明16 3.1.2 影像感測器18 3.1.3 鏡頭19 3.2影像處理22 3.2.1 數位影像22 3.2.2 影像參數24 3.2.3 二值化處理26 3.2.4 形態處理26 3.2.5 測邊遮罩28 3.2.6 邊緣偵測29 3.2.7 箝制31 3.3 芯厚量測程序31 3.3.1 鑽針截面之定位32 3.3.2 截面芯厚值33 3.3.3 影像對焦36 3.3.4 影像校正37 第四章 量測系統40 4.1 系統組成41 4.2 鑽針運動定位模組42 4.2.1 鑽針夾持座42 4.2.2 縱向進給平台43 4.2.3 橫向定位平台51 4.3 砂輪研磨模組56 4.3.1 研磨砂輪56 4.3.2 感應馬達58 4.4定位視覺模組59 4.5 芯厚量測視覺模組59 4.6 平台定位控制61 第五章 系統整合與實驗結果63 5.1 系統整合63 5.2 程式操作流程66 5.3 實驗結果71 5.3.1 截面定位校正實驗71 5.3.2 芯厚量測重現性實驗73 5.3.3 各截面芯厚值量測75 第六章 結論與未來展望78 參考文獻80 附錄A 步進馬達驅動器接線圖83 附錄B 光學尺讀頭腳位圖84 附錄C 不同擺放角度的芯厚量測程式執行畫面85 作者簡介86 圖索引 圖1.1 小孔徑鑽削的缺陷情形5 圖1.2 铣刀影像量測系統6 圖2.1 鑽針幾何形狀示意圖9 圖2.2 鑽針製造流程圖10 圖2.3 ST系列鑽針幾何形狀12 圖2.4 鑽針芯厚示意圖12 圖2.5 芯厚增量示意圖13 圖2.6 傳統芯厚檢測機14 圖2.7 傳統人工芯厚檢測流程15 圖3.1 平行背光照明示意圖17 圖3.2 一般背光源與平行背光照明之比較17 圖3.3 平行背光照明設備17 圖3.4 光纖環形照明設備18 圖3.5 常用晶片尺寸表19 圖3.6 鏡頭成像示意圖19 圖3.7 搭配鏡組20 圖3.8 影像視野範圍示意圖21 圖3.9 光圈示意圖21 圖3.10 灰階值分布情形22 圖3.11 灰階影像示意圖23 圖3.12 直方圖示意圖24 圖3.13 調整BCG值之比較圖25 圖3.14 調整BCG值影像與二值化影像之比較圖26 圖3.15 芯厚影像邊界去除前後之比較圖27 圖3.16 芯厚影像雜點去除前後之比較圖27 圖3.17 芯厚影像空洞填補前後之比較圖28 圖3.18 Roberts測邊遮罩29 圖3.19 一維測邊參數示意圖29 圖3.20 耙狀測邊搜尋示意圖30 圖3.21 輪輻之示意圖30 圖3.22 水平方向最小距離之箝制31 圖3.23 影像處理架構32 圖3.24 鑽針截面位置式意圖33 圖3.25 進給深度示意圖33 圖3.26 芯厚影像處理流程34 圖3.27 計算形心與邊點距離示意圖34 圖3.28 判斷邊點位置示意圖35 圖3.29 芯厚計算示意圖35 圖3.30 影像對焦方法示意圖36 圖3.31 截面定位影像之校正流程38 圖3.32 影像校正圖39 圖4.1 系統設計流程40 圖4.2 整體模組示意圖41 圖4.3 防震平台示意圖41 圖4.4 運動定位模組機構示意圖42 圖4.5 鑽針夾持座實體圖43 圖4.6 鑽針實際夾持及受力情形43 圖4.7 縱向進給平台之滾珠導螺桿規格46 圖4.8 步進馬達系統46 圖4.9 五相步進馬達內部構造47 圖4.10 步進馬達驅動器47 圖4.11 光學尺運作原理50 圖4.12 光學尺實體圖50 圖4.13 橫向定位平台之滾珠導螺桿規格53 圖4.14 砂輪研磨模組56 圖4.15 砂輪結構示意圖57 圖4.16 研磨砂輪58 圖4.17 感應馬達構造58 圖4.18 定位視覺模組59 圖4.19 芯厚量測視覺模組60 圖4.20 光罩示意圖60 圖4.21 平台控制架構61 圖5.1 微型鑽針芯厚影像量測系統之核心技術63 圖5.2 微型鑽針芯厚影像量測系統機構實體圖64 圖5.3 馬達及光學尺配線64 圖5.4 微型鑽針芯厚影像量測系統之人機介面65 圖5.5 微型鑽針芯厚影像量測系統示意圖65 圖5.6 微型鑽針芯厚影像量測系統程式流程圖66 圖5.7 影像校正之程式執行畫面67 圖5.8 鑽尖定位之程式執行畫面68 圖5.9 研磨截面之程式執行畫面69 圖5.10 拍攝芯厚之程式執行畫面70 圖5.11 量測芯厚之程式執行畫面71 圖5.12 未開槽鑽針移動前及移動後之影像比較72 圖5.13 Mitutoyo工具顯微鏡73 圖5.14 不同擺放位置的芯厚截面影像74 圖5.15 編號一鑽針各截面芯厚量測結果76 圖5.16 編號二鑽針各截面芯厚量測結果76 圖5.17 編號三鑽針各截面芯厚量測結果77 表索引 表1.1 人眼檢測與光學檢測之比較1 表1.2 機械鑽孔與雷射鑽孔特性之比較2 表1.3 小孔徑的區分和孔徑尺寸4 表2.1 芯厚設計差異之比較13 表2.2 芯厚增量設計差異之比較14 表3.1 使用不同遮罩之測邊結果28 表4.1 各等級導螺桿精度44 表4.2 縱向進給平台之步進馬達規格49 表4.3 光學尺規格表51 表4.4 橫向定位平台之步進馬達規格55 表4.5 砂輪規格57 表4.6 感應馬達規格58 表4.7 運動控制卡規格62 表5.1 未磨截面鑽針的校正結果72 表5.2 磨截面鑽針的校正結果73 表5.3 工具顯微鏡量測結果74 表5.4 重複放置量測實驗結果74 表5.5 重複定位量測實驗結果75

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