簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 林昇民
Sheng-Min Lin
論文名稱: 非接觸式精微量測中心機之開發與應用
Development and application of a non-contact micro measurement center
指導教授: 陳順同
Chen, Shun-Tong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 110
中文關鍵詞: 微細探針量測中心機微放電電容感測自動化光學檢測
英文關鍵詞: micro probe, measurement center, micro EDM, capacitance sensing, automatic optical inspection (AOI)
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:100下載:6
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本研究針對精微模具,開發一部非接觸式複合量測中心機。工件特徵尺度小於200 µm的精微模具,很難以現有的三次元接觸式量測機、雷射位移計或光學顯微鏡等傳統量測技術檢驗其精度,主要是量測面氧化層與深度打光問題難以克服之故。本研究突破傳統精微量測的微力接觸概念,自行研發一部精密三軸微型量測中心機,並以微放電技術進行線上微細探針製作。再利用機器視覺對量測部位進行影像快速擷取、二值化與辨識,所得圖像特徵用於導引微細探針,快速定位於圖像的特徵部位。藉由探針深入此特徵部位,如微細孔或窄縫中,透過電容式感測與頻譜訊號轉換,進行特徵部位的非接觸式幾何精度量測,由於探針保持非接觸狀態,故無量測力與氧化膜層問題,且線上製作微細探針,能針對工件的各種幾何形狀,迅速線上提供各種適用的探針,所以探針也無定位、夾持與校正所引發的精度問題。量測中心機之量測精度先以0級塊規校驗及比對,再對IC導線架精微模具上的陣列窄縫(100 µm),進行垂直精度的測試,所得精度值在量測系統的定位精度內,顯示本研究所開發的非接觸式精微量測技術,具有很高的量測精度與其可行性。

    Many side walls of micro holes and slots are not easily measured by current measuring instruments, such as: coordinate measuring machine, laser displacement meter, or high magnification toolmaker microscope. It is very difficult for overcoming the oxide layer on the workpiece and lighting in the deep hole of the workpiece. A non-contact micro measurement center combining automatic optical inspection (AOI), micro EDM with capacitance sensing is designed and developed to automatically, precisely measure the perpendicularity of micro slot-wall on the precision mould. The measurement center can on-machine makes various micro probes to rapidly provide for the needed stylus in measurement. The AOI acquires the image from the feature profile of workpiece by way of the developed machine vision and perform the image binary to determine the centric position for guiding the movement of the micro probe. Capacitance sensing, by which a signal with very low voltage and high frequency is employed, is used for precisely measuring the slot-wall. To ensure the measuring accuracy, a ‘four steps feed’ strategy of the probe is proposed. The measuring data are converted to digital data, and then transferred into frequency domain from time domain via fast Fourier transform (FFT) to regulate the feed of the probe and record the positions. Owing to non-contact measurement, the measurement will not be affected even if the oxide layer exists on the workpiece. The measuring accuracy which the probe is first calibrated via the gauge block of grade-0 can be maintained within the positional accuracy of the measurement center and the working time decreased. A geometrical accuracy of narrow slot on the IC lead frame is successfully measured which demonstrates the developed measurement center possesses very high feasibility. It is expected that the techniques of measurement center will significantly contribute to the precision machining industry.

    摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 III 圖目錄 VII 表目錄 XIV 符號表 XV 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2 研究動機 2 1-3 研究目的 3 1-4 研究方法 4 1-5 文獻回顧 5 1-5-1 微細孔徑量測文獻回顧 5 1-5-2 影像量測文獻回顧 14 1-6 論文架構 17 第二章 實驗原理之應用 18 2-1 放電加工基本原理 18 2-1-1 放電加工的材料去除機制 19 2-1-2 放電加工的優缺點 21 2-1-3 微放電加工原理 21 2-1-4 線式放電研削原理 22 2-2 視覺檢測系統原理 23 2-2-1 機器視覺原理 24 2-2-2 打光技術 25 2-2-3 光源 29 2-2-4 鏡頭選用 30 2-2-5 攝影機 31 2-3 影像辨識原理 32 2-3-1 影像視野中心校正原理 32 2-3-2 特徵影像匹配原理 34 2-3-3 特徵影像面積計算原理 36 2-4 電容感測原理 38 2-4-1 電容原理 38 2-4-2 電容感測之轉換元件 39 2-4-3 改變極板間距轉換元件 39 2-4-4 極板間的電容值計算 40 2-5 訊號處理演算方法 41 2-5-1 傅立葉變換定義 41 2-5-2 快速傅立葉演算原理 41 2-6 形狀公差演算法 43 2-6-1 最小平方法計算原理 43 第三章 實驗設備建構 46 3-1 精微量測中心機設計與建構 46 3-1-1 量測軸結構分析 47 3-1-2 微線切割放電加工機構設計 48 3-1-3 微模具影像槽體設計 49 3-1-4 擷取影像相機 50 3-1-5 擷取影像鏡頭 50 3-1-6 動態訊號擷取卡 51 3-2 量測介面設計 51 3-2-1 影像控制介面 51 3-2-2 感測控制介面 53 3-3 量測儀器設備 54 3-3-1 工具顯微鏡 54 3-3-2 掃描式電子顯微鏡 55 第四章 實驗方法 56 4-1 感應式微探針研製 57 4-1-1 微型探針設計製作與量測應用 58 4-1-2 微型探針成型修整 59 4-1-3 探針深度感測感測訊號強度比較 65 4-1-4 結果與討論 66 4-2 IC導線架模具影像擷取 66 4-2-1 拍攝相機校正 66 4-2-2 影像連續擷取與整合 68 4-2-3 影像特徵辨識與座標定義 69 4-2-4 結果與討論 72 4-3 感應式探針偵測 73 4-3-1 感測訊號建立 73 4-3-2 感測座標擷取方法 75 4-3-3 金屬氧化層對頻譜振幅大小的影響實驗 75 4-3-4 結果與討論 77 第五章 感應式量測實驗之驗證與結果 78 5-1 感應式最佳量測電壓之決定 78 5-1-1 感應式量測實驗 78 5-1-2 結果與討論 86 5-2 精微量測中心機之重現精度實驗 87 5-2-1 感應式最佳量測頻率之選定 88 5-2-2 結果與討論 94 5-3 實驗驗證 95 5-3-1 0級塊規垂直度校驗實驗 95 5-3-2 結果與討論 96 5-3-3 IC導線架模具窄縫量測驗證 96 5-3-4 結果與討論 100 第六章 結論 101 6-1 結果 101 6-2 未來展望 103 參考文獻 104 作者簡歷 110 圖目錄 圖1-1 研究方法流程 5 圖1-2 單探針振動式掃描法 6 圖1-3 雙探針振動式掃描法 6 圖1-4 雙探針共振頻率 7 圖1-5 雙探針接觸力與靜電力 7 圖1-6 電容感測之接觸式探頭 8 圖1-7 探頭受力所產生的位移量 8 圖1-8 探針製造流程 8 圖1-9 RVS微孔量測 8 圖1-10 雙面乾蝕刻探針製造流程 9 圖1-11 壓阻式量測系統控制架構 9 圖1-12 結合影像與探針系統 10 圖1-13 UMP130微探針架構 10 圖1-14 光纖探頭偏移 10 圖1-15 光纖探頭 10 圖1-16 光纖量測原理 11 圖1-17 量測架構 11 圖1-18 線上量測迴路 12 圖1-19 真圓度量測 12 圖1-20 電容感測探針實體 12 圖1-21 微型加工機線上量測 12 圖1-22 平行撓性鉸鍊探頭機構設計 13 圖1-23 電容感測架構 13 圖1-24 金屬孔電容感測 13 圖1-25 具視覺能力微放電加工機 14 圖1-26 量測電極影像控制介面 14 圖1-27 LCD檢測平台 15 圖1-28 影像定位控制介面 15 圖1-29 二值化後邊緣輪廓 16 圖1-30 虛假與真實邊緣 16 圖1-31 邊緣影像投影強度 16 圖2-1 放電加工示意圖 20 圖2-2 放電加工的材料去除機制 20 圖2-3 WEDG示意圖 23 圖2-4 影像處理流程 24 圖2-5 機器視覺原理 25 圖2-6 擴散式正向打光 26 圖2-7 方向性側向打光 27 圖2-8 背向打光 28 圖2-9 光源均勻化效果 29 圖2-10 使用LED光源與背光投影IC導線架模具 30 圖2-11 鏡頭基本參數 30 圖2-12 影像座標與機構座標系統方向示意圖 33 圖2-13 影像匹配原理示意圖 35 圖2-14 計算窄縫特徵面積示意圖 37 圖2-15 電容器原理 38 圖2-16 間隙變化電容示意圖 39 圖2-17 間隙變化與電容關係 39 圖2-18 面積變化電容示意圖 40 圖2-19 面積變化與電容關係 40 圖2-20 四點快速傅立葉變換處理流程(蝴蝶圖) 42 圖2-21 最小平方法計算流程 44 圖3-1 精微量測中心機設計圖 46 圖3-2 完成之精微量測中心機 46 圖3-3 邊界條件定義(機械原點) 47 圖3-4 自重之變形量分析(機械原點) 47 圖3-5 自重之應力分析(機械原點) 47 圖3-6 自重之應變分析(機械原點) 47 圖3-7 邊界條件定義(量測點) 48 圖3-8 自重之變形量分析(量測點) 48 圖3-9 自重之應力分析(機械原點) 48 圖3-10 自重之應變分析(機械原點) 48 圖3-11 微線放電切割機構槽體設計 49 圖3-12 完成製作微放電機構槽實體 49 圖3-13 影像檢測槽體設計 49 圖3-14 影像檢測槽體實體 49 圖3-15 CMOS相機 50 圖3-16 固定焦距鏡頭 50 圖3-17 動態訊號擷取卡 51 圖3-18 精微模具影像控制介面 52 圖3-19 感應式量測控制介面 53 圖3-20 工具顯微鏡 55 圖3-21 掃描式電子顯微鏡 55 圖4-1 實驗流程圖 56 圖4-2 感應式探針組裝及製造 57 圖4-3 微探針設計 58 圖4-4 量測探針應用範圍 59 圖4-5 線放電研削(WEDG)法 61 圖4-6 微探針外觀輪廓 61 圖4-7 各式微探針SEM 62 圖4-8 超音清洗槽 63 圖4-9 探針碳化鎢基材表面絕緣處理 64 圖4-10 完成之感應式微探針 64 圖4-11 微探針光顯微鏡拍攝 65 圖4-12 未絕緣與絕緣探針深度感測訊號強度比較 65 圖4-13 影像校正流程 67 圖4-14 視野中心十字線校正 67 圖4-14 視野中心十字線校正 68 圖4-15 精密模具影像擷取 69 圖4-16 特徵辨識與座標定義 70 圖4-17 特徵影像缺陷 71 圖4-18 特徵定位座標點 71 圖4-19 量測電壓擷取示意圖 73 圖4-20 感測電路圖 74 圖4-21 訊號線架設 74 圖4-22 感測訊號產生與擷取 74 圖4-23 探針步進偵測 75 圖4-24 微探針氧化層感應實驗 76 圖4-25 導電金屬有無氧化層 76 圖4-26 氧化金屬層頻譜感測 76 圖4-27 未氧化金屬層頻譜感測 76 圖5-1 量測電壓0.01 V (非接觸) 79 圖5-2 量測電壓0.01 V (臨界接觸) 79 圖5-3 量測電壓0.01 V (接觸) 80 圖5-4 量測電壓0.1 V (非接觸) 80 圖5-5 量測電壓0.1 V (臨界接觸) 80 圖5-6 量測電壓0.1 V (接觸) 81 圖5-7 量測電壓0.3 V (非接觸) 81 圖5-8 量測電壓0.3 V (臨界接觸) 81 圖5-9 量測電壓0.3 V (接觸) 82 圖5-10 量測電壓0.5 V (非接觸) 82 圖5-11 量測電壓0.5 V (臨界接觸) 82 圖5-12 量測電壓0.5 V (接觸) 83 圖5-13 量測電壓1.0 V (非接觸) 83 圖5-14 量測電壓1.0 V (臨界接觸) 83 圖5-15 量測電壓1.0 V (接觸) 84 圖5-16 量測電壓1.5 V (非接觸) 84 圖5-17 量測電壓1.5 V (臨界接觸) 84 圖5-18 量測電壓1.5 V (接觸) 85 圖5-19 量測電壓2.0 V (非接觸) 85 圖5-20 量測電壓2.0 V (臨界接觸) 85 圖5-21 量測電壓2.0 V (接觸) 86 圖5-22 量測電壓與最短感測距離關係 87 圖5-23 量測電壓與最短距離之感測頻譜強度關係 87 圖5-24 感應式最佳量測頻率之選定 88 圖5-25 量測中心機之重現性量測實驗50次(10 kHZ) 89 圖5-26 量測中心機之重現性量測實驗50次(20 kHZ) 89 圖5-27 量測中心機之重現性量測實驗50次(30 kHZ) 90 圖5-28 量測中心機之重現性量測實驗50次(40 kHZ) 91 圖5-29 量測中心機之重現性量測實驗50次(50 kHZ) 91 圖5-30 量測中心機之重現性量測實驗50次(60 kHZ) 92 圖5-31 量測中心機之重現性量測實驗50次(70 kHZ) 93 圖5-32 量測中心機之重現性量測實驗50次(80 kHZ) 93 圖5-33 量測中心機之重現性量測實驗50次(90 kHZ) 94 圖5-34 塊規(0級)之垂直精度校驗實驗 95 圖5-35 垂直度量測點資料 96 圖5-36 IC導線架窄縫量測 97 圖5-37 窄縫槽(100 µm)之垂直精度量測驗證 97 圖5-38 IC導線架模具垂直度量測結果 98 表目錄 表2-1 微細放電加工與一般雕模放電加工之特性比較 22 表2-2 擴散式正向打光優缺點比較及其應用 26 表2-3 方向性正向打光優缺點比較及其應用 27 表2-4 同軸打光優缺點比較及其應用 27 表2-5 背向打光優缺點比較及其應用 28 表2-6 結構打光優缺點比較及其應用 29 表2-7 CCD與CMOS感光元件比較 32 表3-1 CMOS相機規格表 50 表3-2 鏡頭規格表 50 表3-3 動態訊號分析卡規格表 51 表3-4 工具顯微鏡設備規格表 55 表4-1 碳化鎢機械性質 60 表4-2 微探針放電能量加工參數 60 表4-3 微探針絕緣處理參數(超音波振動下) 63 表4-4 微放電切割修整參數 65 表4-5 影像特徵定位座標 (IC導線架模具) 72 表5-1 感應式量測實驗參數與結果 79 表5-2 IC導線架模具窄縫垂直壁 98

    [1] Yamamoto M., Kanno I., Aoki S., “Profile measurement of high aspect ratio micro structures using a tungsten carbide micro cantilever coated with PZT thin films,” Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 2000, pp. 217~222
    [2] Masuzawa T., Fujino M. and Kobayashi K.,” Wire-electro discharge grinding Method”, Annual CIRP , Vol.34, 1985, pp. 431~434
    [3] Kim B., Masuzawa T., Bourouina T.,” The vibroscanning method for the measurement of micro-hole profiles,” Measurement Science and Technology, Vol.10, 1999, pp.697~705
    [4] Kim B., Sawamoto Y., Masuzawa T., Fujino M., “Advanced vibroscanning method for microhole measurement - height speed and stability improvement of measurement technique ,”International Journal of Electrical Machining, No. 1, 1996, pp. 41~44
    [5] Masuzawa, T., Hamasaki, Y., Fujino, M., “Vibroscanning Method for Nondestructive Measurement of Small Holes,” Annual CIRP, Vol.42, 1993,pp. 589~592
    [6] Masuzawa T., Kim B., Bergaud C., Fujino M. , “Twin-probe vibroscanning method for dimensional measurement of micro holes,” Annals of the CIRP,Vol. 46/1, 1997,pp. 437~440
    [7] Kim B., Masuzawa T. , Fujita H., Tominaga A., “Dimensional measurement of micro holes with silicon-based micro twin probes,” Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 1998, pp. 334~339
    [8] Yang S., Li S., Kaiser M., Kwun F., “A probe for the measurement of diameter and form errors of small holes,” Measurement Science and Technology, Vol. 9, No. 9, 1998, pp. 1365~1368
    [9] Yamamoto M., Takeuchi H., Aoki S., “Dimensional measurement of high aspect ratio micro structures with a resonating micro cantilever probe,”Microsystem Technologies, Vol. 6, No. 5, 2000, pp. 179~183
    [10] Lebrasseur E., Pourciel J., Bourouina T., Masuzawa T., Fujita H., “A new characterization tool for vertical profile measurement of high-aspect-ratio microstructures,” Journal of Micromechanics and Micro Engineering,
    Vol. 12, No. 3, 2002, pp. 280~285
    [11] Pourciel J.B.., Jalabert L., Masuzawa T., “SDAPPLIN, a method for 2D profiling on high aspect ratio microstructures. Improvement for 3D surfacing,” Proceedings of the 30th SEIKEN Symposium on Micro/Nano
    Mechatronics, Japan, March 25~26, 2002, pp.136~138
    [12] Pourciel J.B., Jalabert L., Masuzawa T., “Profile and surface measurement tool for high aspect-ratio microstructures,” JSME International Journal, Series C: Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing, Vol.46, No. 3, 2003, pp. 916~922
    [13] Mitutoyo Vision & Optical System Group, The UMAP Vision System, http://www.mitutoyo.co.jp/eng/news/newsfile/02data/02_13.html as it is in 10/2003
    [14] Oiwa T., Nishitani H., “Three-dimensional touch probe using three fiber optic displacement sensors,” Measurement Science and Technology , Vol.15, 2004, pp. 84~90
    [15] Oiwa T., Tanaka T., “Miniaturized three-dimensional touch trigger probe using optical fiber bundle,” Measurement Science and Technology, Vol.16, 2005,
    pp. 1574~1581
    [15] Oiwa T., Tanaka T., “Miniaturized three-dimensional touch trigger probe using optical fiber bundle,” Measurement Science and Technology, Vol.16, 2005,
    pp. 1574~1581
    [16] Muralikrishnan B., Stone J. A., Stoup J. R., “Fiber deflection probe for small hole metrology,” Precision Engineering, 2005
    [17] 陳順同,微CNC綜合加工機研發與微元件製造研究,博士論文,國立台灣大學機械工程學研究所,2005
    [18] 吳秉翰,微元件內部垂直輪廓量測系統之研究, 碩士論文,國立台灣大學機械工程學研究所,2005
    [19] Meli F., Kueng A., Thalmann R., “Ultra precision micro-CMM using a low force 3D touch probe, Proceedings of SPIE,” Conf. on Recent Developments in Traceable Dimensional Measurements III, Vol. 5879, 2005, pp. 240~247
    [20] Neville K. S. Lee, Jacky K. H. Chow, Albert C. K. Chan, “Design of precision measurement system for metallic hole,” International Journal Of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 44, 2009, pp. 539~547
    [21] 黃洽士,閉迴路自動化微電極加工系統之研究,碩士論文,國立雲林科技大學,機械工程研究所,2000
    [22] 游國清,LCD組裝製程之影像定位系統研究,碩士論文,國立逢甲大學,自動控制工程研究所,2002
    [23] Sotiris M., Michael G. S., ”Stereo vision system for precision dimensional inspection of 3D holes,” Machine Vision and Applications, Vol. 15, 2003, pp. 101~113
    [24] 廖運炫,「放電加工之發展趨勢與研究現況」,機械月刊,Vol. 301,2000,pp. 374~387
    [25] Reference manual, Charmilles technologies robfil 300, 1993, p1.1.4~p1.1.5
    [26] Bilbao, SPAIN, Proceedings of the 13th International Symposium for electro-machining isem XIII, May 9th-11th, 2001, page 4
    [27] 機械技術雜誌編輯部,二十一世紀的顯學微機電系統(四)-微放電精密加工,機械技術雜誌,2000,pp.220~222
    [28] Y. S. Liao, S. T. Chen and C. S. Lin, “Development of A Multi-function High Precision Tabletop CNC Machine for Making Micro Parts,” Proceedings of the LEM 21, International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century Oct. 19-22, Nagoya, Japan, 2005, pp. 485~490 (LEM21 The Best Paper Award)
    [29] 葉昭蘭,「機械視覺技術回顧與展望」,機械工業雜誌,第二一一期, 民國89年10月,第160~185頁
    [30] Moganti M., Ercal F., ”Automatic PCB inspection system,” Potentials, IEEE, Vol. 14, NO. 3, 1995, pp. 6~10
    [31] Moganti M., Ercal F., ”Automatic PCB inspection Algorithms: A Survey,” Computer Vision and Image Understanding, Vol. 63, NO. 2, 1996, pp. 287~313
    [32] Coletti G., Tool J. C. and Geerligs J. L., ”Mechanical Strength of Silicon Wafer and its Modeling,” in 15th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells and Modules Materials and Processes, Colorado, USA, Aug. 7-10, 2005, pp. 117~120
    [33] Park K. Y., Wagener C. M., Stoddard N., Bennett M. and Rozgonyi A. G., “Correlation Between Wafer Fracture and Saw Damage Introduced During Cast Silicon Cutting,” In : 15th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells and Modules : Materials and Processes, Colorado, USA, Aug. 7-10, 2005, pp. 178~181
    [34] Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods, Digital image processing,Third Edition , 2008, pp. 36~37
    [35] Nello Zuech., Applying Machine Vision , Wiley New York, 1988, pp.45-66
    [36] 王瑞陽,「機器視覺系統的光源與照明」,機械工業雜誌,第66期,民國77年9月,第185~200頁
    [37] Bancroft K. 原著,吳佳鎮譯,鏡頭淺談,台北市,眾文圖書公司,民國74年,第20~70頁
    [38] Bigas M., Cabruja E., Forest J.,and Salvi J., “Review of CMOS image sensors,” Microelectronics Journal, Vol.37, 2006, pp. 433~451
    [39] Nian Y. C., Chuang F. S.,and Tarng S. Y., “A new algorithm for a three-axis auto-alignment system using vision inspection,” JMPT, 2006
    [40] Lewis J. P., ”Fast normalized cross-correlation, ”Vision Interface, 1995, pp. 120~123
    [41] Friemel B. H., Bohs L. N., and Trahey G. E., ”Relative performance of two-dimensional speckle-tracking techniques: normalized correlation, non-normalized correlation and sum-absolute-difference,” Proc. of IEEE Ultrasonics Symposium, Vol. 2, 1995, pp. 1481~1484
    [42] Briechle K., Hanebeck U. D., ”Self-localization of a mobile robot using normalized cross correlation,” Proc. of IEEE International SMC Conference, Vol. 4, 1999, pp. 720~725
    [43] Zhang J. W., D. Li, Ye F. and Sun. H. ,”Automatic optical defect inspection and dimension measurement of drill bit,” ICMA 2006-IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2006, pp. 95~100
    [44] 維基百科全書網站,電容器原理,http://zh.wikipedia.org/
    [45] 蒙文舜、楊運經、劉雲鵬,電容傳感器的原理與應用,2003
    [46] Baxter L. K., Capacitive sensors - design and application, IEEE Press, 1997, pp. 38~212
    [47] 佐藤幸男、雨宮好文,圖解訊號處理入門,建興文化事業有限公司,2007,第145~177頁
    [48] 范光照、張郭益,精密量測,高立圖書有限公司,2004,第189-191頁
    [49] Davis, J. R., ASM Specialty Handbook, Tool Materials, ASM International, Materials Park, OH 440730002, 1995,
    pp. 88
    [50] Jian-hai H., Shu-shang Z., Wei-Robotics S., " Research on Sub-pixel Detecting on-line System Based on Machine Vision for Inner Diameter of Bearings ," IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, Dec. 15-18, 2007, pp. 2049 ~2052

    下載圖示
    QR CODE