張錚, 薛波, 金子博, 邱達(dá)河

(湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院, 武漢 430068)

低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)是一種通過疊片和層壓陶瓷生片,將多層印刷線路圖形的立體拼接而形成的陶瓷電路基板,以集成電路技術(shù)為基礎(chǔ),迎合了電子元器件小型化、高頻化、集成化的發(fā)展潮流,具備廣闊的應(yīng)用市場[1-2]。由陶瓷生片作為基礎(chǔ)材料組成的陶瓷基板,作為產(chǎn)品其層壓前后的厚度數(shù)據(jù)可以直觀反映壓機的工作狀態(tài)和產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣,是一項重要的質(zhì)量指標(biāo)[3]。因此,研發(fā)一種高精度的在線無損檢測系統(tǒng),確保LTCC制作過程的高效率和最終產(chǎn)品的高成品率,是具有重要意義的。

目前,工業(yè)化厚度測量的方法和系統(tǒng)較多,比較常用的有機械式測量、超聲波測量和激光測量等,不同測量方式有各自的特點和適用場合。機械式測量方面,英國真尚有公司研制了一款CHY-C2A機械式測厚儀器,分辨率達(dá)到0.1 μm[4];中國中慧天誠科技有限公司研發(fā)了JS-QCHY-5機械測厚儀測量精度≤5 μm[5]。但由于是通過壓力進(jìn)行接觸式測量,不適合柔性材料。超聲波測量為非接觸測量,以聲壓反射系數(shù)譜為依據(jù),可以測量多種類薄層厚度。劉姝麟等[6]設(shè)計了一款超聲波涂層測厚系統(tǒng),能快速準(zhǔn)確測量厚度。Janez等[7]利用激光脈沖在試樣表面產(chǎn)生超聲波,可以精準(zhǔn)分析板的厚度和兩板表面的凹凸度。但測量多層材料時易受干擾,導(dǎo)致測量精度失準(zhǔn)甚至無法測量,且對使用環(huán)境要求嚴(yán)格。而激光測量作為非接觸測量中的主流之一,安全可靠,精度高,更加適合陶瓷基板無損檢測的需求。

激光測距技術(shù)高速發(fā)展,主要有脈沖法、相位法、三角反射法等。詹道樺等[8]提出了一種基于全相位傅里葉變換(all phasefast Fourier transform,apFFT)的相位式激光測距系統(tǒng),具有良好的穩(wěn)定性和抑制頻譜泄露能力,但此設(shè)備成本較高。許敏娟[9]基于三角反射法設(shè)計一種雙軌式鋼軌測距儀,具備測量數(shù)據(jù)全程記錄、回放、分析等功能,但對操作者的要求較高。針對目前市場測厚系統(tǒng)精度不高,測量數(shù)據(jù)易丟失等問題,基于激光相位測距的原理,設(shè)計一款雙激光同軸位移測厚系統(tǒng), 在對系統(tǒng)檢測精度、效率與可追溯性等方面改進(jìn)的同時,分析并消除產(chǎn)生的精度誤差,通過取證該系統(tǒng)性能優(yōu)于流行的激光測厚器。

1 LTCC激光測厚系統(tǒng)本原理

1.1 總體設(shè)計方案

LTCC激光測厚系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,本系統(tǒng)由定點采集部分和數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成,定點采集部分包括激光測量模組和機械定位模組,數(shù)據(jù)處理部分包括可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制模組和上位機。

圖1 LTCC激光測厚系統(tǒng)Fig.1 LTCC laser thickness measurement system

定點采集部分由激光測量模組和機械定位模組組成,激光測量模組包括激光傳感器和傳感器控制器;機械定位模組包括XY運動模塊和定位治具,XY運動模塊帶動定位治具在水平面的X軸方向與Y軸方向運動,X軸行程250 mm,Y軸行程250 mm。在測量過程中,將陶瓷基板放入定位治具中,經(jīng)由一側(cè)定位,另一側(cè)彈片固定,治具在XY運動模塊的帶動下,根據(jù)需要測量多個測量點;雙激光位移傳感器按序讀取定位點數(shù)據(jù),并傳輸?shù)絇LC控制模組,PLC控制模組同時將數(shù)據(jù)與位置信息上傳到上位機,在上位機中完成厚度數(shù)據(jù)的分析處理。

1.2 激光測量模組

為保障激光測量模組的測量精度,需兩個激光傳感器的光束同軸、數(shù)據(jù)同步。本系統(tǒng)采用厚度測量用調(diào)整夾具固定傳感器探頭,可以向三坐標(biāo)軸6個方向調(diào)整探頭的空間位置,具體如圖2所示。

圖2 厚度測量用調(diào)整夾具Fig.2 Adjustment jig for thickness measurement

同軸方面,調(diào)整激光傳感器探頭位置并保持裝置穩(wěn)定,在激光傳感器的測量點處上固定一標(biāo)準(zhǔn)量塊,采集其兩側(cè)表面的位置信息,通過最小二乘法處理數(shù)據(jù),計算出上、下兩條理想軸線;進(jìn)一步地,通過理想軸線調(diào)整傳感器自身的Z坐標(biāo)軸,達(dá)到大致的同軸狀態(tài);校準(zhǔn)完畢后,將標(biāo)準(zhǔn)量塊替換成陶瓷基板,采集兩側(cè)表面測量點的位置信息,將下坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)換算到上坐標(biāo)系中,通過數(shù)據(jù)分析計算出傳感器此時的理想軸線和公共基準(zhǔn)軸線,得出剩下的同軸度誤差。將得到的同軸度誤差將代入系統(tǒng)算法參數(shù)中,減小其引起的誤差[10]。

同軸度誤差具體計算步驟如下,假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)量塊上表面在上激光傳感器中的測量坐標(biāo)系中的方向向量為a(a1,a2,a3),選擇理想軸線上的一點為(x0,y0,z0);上坐標(biāo)系中Z軸的方向向量為b(b1,b2,b3),取其上的一點為(x1,y1,z1),可得

(1)

(2)

式中:α為上坐標(biāo)系原點固定后,Z坐標(biāo)軸向方向向量a旋轉(zhuǎn)的角度;d為上坐標(biāo)系中的Z坐標(biāo)軸在旋轉(zhuǎn)過程中過原點且垂直相交于理想軸線方向所移動的距離。

下側(cè)激光傳感器原理同式(1)、式(2),取下坐標(biāo)系的方向向量為c(c1,c2,c3),旋轉(zhuǎn)角度為β,移動距離為g。

將下坐標(biāo)系采集的位置數(shù)據(jù)取反,即通過下坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)其XOY平面至上坐標(biāo)系,與上坐標(biāo)系理想軸線的方向向量同向。假設(shè)下理想軸線在下坐標(biāo)系的方向向量為c(c1,c2,c3),下理想軸線在下坐標(biāo)軸中相反的方向向量為h(h1,h2,h3),計算出下側(cè)激光傳感器測量坐標(biāo)系需旋轉(zhuǎn)的角度θ為

(3)

通過對兩側(cè)采集到的陶瓷基板位置數(shù)據(jù)進(jìn)行平移與旋轉(zhuǎn),將上坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù)向方向向量a反向旋轉(zhuǎn)α角度,向過原點且垂直相交于理想軸線的相反方向平移距離d;下坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù)向方向向量c反向旋轉(zhuǎn)β,向過原點且垂直相交于理想軸線的相反方向平移距離g;進(jìn)一步的,通過對下坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù)取反,再繞下坐標(biāo)系的Z坐標(biāo)軸反相旋轉(zhuǎn)θ。至此,下坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至上坐標(biāo)系中,通過最小二乘法擬合出上、下兩條理想軸線,進(jìn)一步擬合出公共基準(zhǔn)軸線。通過計算上、下理想軸線兩端點到公共基準(zhǔn)軸線距離最大值的2倍,即可得到同軸度誤差值。

同步方面,傳感器控制器最多可以聯(lián)機8個激光傳感器,采用與電子計算機(computer of processing,PC)、PLC的無協(xié)議指令通信,可進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的輸出及控制的輸入輸出,保證雙激光傳感器的同步性,保障測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

激光測量模組采用差分測厚法獲得厚度數(shù)據(jù)[11]。雙激光差分測厚原理如圖3所示,將兩組激光傳感器同軸固定安裝,兩激光測頭間的距離為D,再測量出兩個激光傳感器各自到被測表面的距離分別為X1和X2,即可計算出被測物體的厚度dth,其計算公式為

圖3 雙激光差分測厚原理Fig.3 Principle of double laser differential thickness measurement

dth=D-(X1+X2)

(4)

激光傳感器作為整個測厚系統(tǒng)核心的功能部件,擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)采集的作用,系統(tǒng)精度與其測量精度息息相關(guān)[12]。選取的基恩士彩色激光(color laser,CL)系列激光同軸位移計,其內(nèi)置彩色光源,可進(jìn)行大范圍高精度的距離測量,對應(yīng)陶瓷材質(zhì)也具備較高的測量精度和穩(wěn)定性,基于激光相位測距原理,可以快速精準(zhǔn)地測量出到被測表面的距離。

相位激光傳感器的測距原理如圖4所示,通過對光束進(jìn)行調(diào)制,對被測目標(biāo)發(fā)射激光束,采集測量工件反射回來光的波長,解析出測量相位差,進(jìn)而得到測量時間,計算出測量點到被測目標(biāo)的距離[13]。

Δφ為不足整數(shù)周期的余數(shù)相位值圖4 激光相位測距原理Fig.4 Principle of laser phase ranging

設(shè)調(diào)制頻率為fV,激光往返一次的時間為ti可以通過調(diào)制波的周期數(shù)來表達(dá),即

(5)

式(5)中:fV為調(diào)制頻率,Hz;N為光波往返一次的整數(shù)周期個數(shù);Δφ為不足整數(shù)周期的余數(shù)相位值。

得到時間ti后即可通過光速c計算出被測物的距離,即

(6)

式(6)中:Xi為測量點到被測目標(biāo)的距離。

1.3 機械定位模組

機械定位模組負(fù)責(zé)移動定位治具上的定位點到傳感器測量點。定位治具中心處安置有定制的不銹鋼鏤空掃描架,其鏤空處對應(yīng)陶瓷基板的測量點。將陶瓷基板放入定位治具中后,在四角可安置L型定位塊,避免陶瓷基板在鏤空掃描架運動過程中發(fā)生輕微位移,造成精度誤差。

提供動力的XY運動模塊藉由兩組單軸定位平臺堆疊組合,構(gòu)成龍門架構(gòu)定位平臺,XY模組的行程都是250 mm,依靠滾珠絲杠在導(dǎo)軌內(nèi)滑動,可以通過X、Y方向運動模組實現(xiàn)陶瓷生片任意點的測量,機械定位模組結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機械定位模組結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural drawing of mechanical positioning module

2 現(xiàn)場實驗與誤差分析

陶瓷基板的測量厚度在0.6～12 mm,要求測量精度≤ 5 μm,單日測量250片×2次,基于上述要求進(jìn)行現(xiàn)場測試實驗,在實際測試中發(fā)現(xiàn)有以下問題:①儀器存在線性誤差,測量不同厚度的同材質(zhì)目標(biāo),誤差有明顯波動;②儀器的穩(wěn)定性差,隨著時間推移,對于同一目標(biāo)的測量結(jié)果也隨之變化,誤差會逐漸變大。為實現(xiàn)精度要求,針對這些問題,通過數(shù)據(jù)分析對不同來源的誤差進(jìn)行補償是常見方法之一。

從功能上分析,系統(tǒng)是由激光測量模組和機械定位模組相互配合,共同完成被測物體的厚度數(shù)據(jù)采集,因此對雙激光測頭的性能和機械結(jié)構(gòu)的運動參數(shù)進(jìn)行測試分析,找出誤差的主要來源。

2.1 激光測量模組誤差分析

2.1.1 靜態(tài)線性度誤差分析

激光測量模組的非線性度是精度誤差的主要來源之一,通過開發(fā)的系統(tǒng)對激光雙測頭進(jìn)行線性度檢測。將激光雙測頭安裝在厚度測量用調(diào)整夾具上,在測量點固定厚度為1 mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊,調(diào)整兩個測頭到量塊的距離相等,調(diào)整兩側(cè)的激光測頭向量塊等間距移動,分別記錄下每次移動采集到的數(shù)據(jù)。在推薦測量范圍(70±10) mm內(nèi),激光雙測頭的測量值如圖6所示。

圖6 雙激光測頭輸出特性曲線Fig.6 Output characteristic curve of dual laser probe

通過最小二乘法擬合得出上、下測頭的輸出特性曲線分別為

y1=1.000 1x-70.002

(7)

y2=1.000 2x-70.003

(8)

式中:x為激光測頭到測量表面的距離;y1、y2為各自的測量誤差,其非線性誤差曲線如圖7所示。

圖7 雙激光測頭非線性誤差曲線Fig.7 Nonlinear error curve of dual laser probe

從圖7中可以看出,在測量距離70 mm附近的測量誤差最小,考慮到測量精度要求,盡量使傳感器探頭到測量面的距離控制在(70±3) mm的最佳測量范圍內(nèi)。因此,在測量不同型號不同厚度的陶瓷基板之前,先通過厚度測量用調(diào)整夾具調(diào)整探頭,配合系統(tǒng)測量數(shù)值,保證傳感器探頭到測量面的距離X1和X2盡量相等且在最佳測量范圍內(nèi)。

2.1.2 靜態(tài)重復(fù)性誤差分析

系統(tǒng)自身需在工作前進(jìn)行標(biāo)定設(shè)置,具體步驟為測量兩個不同的標(biāo)準(zhǔn)量塊厚度,將標(biāo)準(zhǔn)量塊的數(shù)值設(shè)置為初始標(biāo)定值,與實際測量值對比,擬合成兩條特性曲線?；谶@兩條特性曲線,將測量到的厚度數(shù)據(jù)做非線性優(yōu)化,消除實測值與顯示值之間的差值,即傳感器自身的偏移量,如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)置圖Fig.8 System calibration setup diagram

通過現(xiàn)場進(jìn)行重復(fù)性實驗,在鏤空掃描架上固定1.4 mm和1.8 mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊,設(shè)置一個點連續(xù)測量600次,做兩組,其測量結(jié)果如圖9所示。

圖9 重復(fù)性實驗誤差曲線Fig.9 Repetitive experimental error curve

從圖9中可以看出,在激光傳感器穩(wěn)定的靜態(tài)測量過程中,對同一個點的測量數(shù)據(jù),其重復(fù)性發(fā)生變化,隨著時間變化其誤差逐漸增大,重復(fù)性精度較差。經(jīng)過程序與數(shù)據(jù)解析可知:在規(guī)定的范圍內(nèi),當(dāng)測量值增加和減少時,輸出中出現(xiàn)的最大差值,即為滯后值。在長時間的測量過程中,傳感器測量的顯示值受到溫度、光照、暗電流等因素的影響,不斷變化,導(dǎo)致滯后值開始變大,進(jìn)一步致使偏移量逐漸增加,導(dǎo)致系統(tǒng)優(yōu)化后的結(jié)果逐漸偏離實際值,這是構(gòu)成重復(fù)性誤差的主要原因[14]。

因此,編寫量值溯源調(diào)整程序,在系統(tǒng)測量完成一個循環(huán)后,根據(jù)初始標(biāo)定值重新開始優(yōu)化,消除已累計的誤差。通過改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行同一實驗進(jìn)行數(shù)據(jù)對比,圖10為改進(jìn)后結(jié)果,可以看出,誤差的變動趨于平穩(wěn),系統(tǒng)重復(fù)性顯著提高。

圖10 改進(jìn)后重復(fù)性誤差曲線Fig.10 Modified repeatability error curve

2.1.3 靜態(tài)傾角誤差分析

理想情況下,雙激光測頭的激光束應(yīng)與被測表面相互垂直,但實際測量中,系統(tǒng)自身的機械結(jié)構(gòu)存在加工誤差,機械定位模組并非水平,且陶瓷基板為柔性材料,導(dǎo)致傳感器的光軸與被測件的測量表面處于非垂直狀態(tài),對測量精度造成嚴(yán)重影響。

假設(shè)待測件表面的傾角為θ,標(biāo)準(zhǔn)厚度為ds,實際測量的厚度為s,測量示意圖如圖11所示。

圖11 傾角測量示意圖Fig.11 Diagram of inclination measurement

由圖11可得

(9)

傾角θ越大,實際測量的厚度數(shù)值s就越大,進(jìn)行傾角實驗探究不同傾角引發(fā)的測量誤差。首先在鏤空掃描架上固定1 mm厚度的標(biāo)準(zhǔn)量塊作為待測對象,然后通過正弦規(guī)分別將測量傾角θ調(diào)整為1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°和8°,最后記錄下激光測量系統(tǒng)采集到的厚度值,分析結(jié)果如表1所示。

表1 傾角誤差分析Table 1 Inclination error analysis

由表1可知,被測面傾角對厚度測量具有影響,誤差隨傾角的增加而增大,當(dāng)傾角為7°時測量誤差為2.3 μm,綜合其他因素的誤差影響,已接近系統(tǒng)的精度指標(biāo)。為了減少傾角帶來的影響,進(jìn)一步改進(jìn)定位塊的結(jié)構(gòu),在定位的同時將陶瓷生片四角拉伸壓緊,將傾角控制在7°以內(nèi)。

2.2 機械定位模組誤差分析

在程序中設(shè)置所需測量點的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo),通過機械定位模組將定位點的厚度數(shù)據(jù)采集。在檢測多組測量點的過程中,機械運動引起的振動、變形等,都會對測量精度造成一定的影響。經(jīng)過運動分析,影響測量精度的機械結(jié)構(gòu)相關(guān)因素有運動模塊的定位精度和機械運動產(chǎn)生的振動。

2.2.1 動態(tài)重復(fù)性誤差分析

運動模塊的X、Y兩方向單軸定位平臺在往復(fù)運動中存在定位偏差,工作臺所在地面的不平整,自身機械運動及地面存在的振動,都會產(chǎn)生一定的影響,可能導(dǎo)致循環(huán)測量時光束的光點逐漸偏離原定點,從而影響測量結(jié)果的精度。

通過重復(fù)性實驗進(jìn)行分析,固定一塊陶瓷基板在定位治具上,設(shè)置一個測量點,運動模塊在該點和原點之間往復(fù)運動,設(shè)置循環(huán)測量600次,數(shù)據(jù)分析如圖12所示。

圖12 單點循環(huán)測量結(jié)果Fig.12 Single point cycle measurement results

從圖12中可以看出,在600次測量中,厚度波動明顯,重復(fù)性較差。針對這種情況,在機械結(jié)構(gòu)方面,對于XY運動模塊,通過細(xì)化設(shè)計基準(zhǔn),保障較高的重復(fù)精度和定位精度;運動模塊直接安裝于底座上,自身振動影響較大,在底座與運動模塊之間增設(shè)一個自水平隔振平臺,其防振效果明顯,能夠保證系統(tǒng)在機械運動過程中的平穩(wěn)性。在數(shù)據(jù)處理方面,采取“變異點濾波法”,如果某一個點和相鄰兩點的數(shù)值超過閾值,即為變異點,給予消除。改進(jìn)后重復(fù)實驗,數(shù)據(jù)分析如圖13所示,可以看出,厚度數(shù)值無較大變化,在1 μm的范圍內(nèi)波動,系統(tǒng)的動態(tài)重復(fù)精度顯著提高。

圖13 改進(jìn)后單點循環(huán)測量結(jié)果Fig.13 Improved single point cycle measurement results

2.2.2 動態(tài)機械振動誤差實驗

靜態(tài)測量的情況下,兩個激光測頭的間距D是保存不變的,測量點處的輕微位移不會影響測量結(jié)果,這從原理上消除了機械運動帶來的一些誤差影響。但機械運動會導(dǎo)致兩個激光測頭的間距D變化,是引發(fā)測量誤差的可能因素。在半封閉的工作環(huán)境中,機械結(jié)構(gòu)的變形很大程度上來源于機械運動,因此需要對系統(tǒng)采集到的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,消除機械振動帶來的影響。

XY運動模塊通過滾珠絲杠連續(xù)滑動運行,機械振動的頻譜的連續(xù)且相似的。在相同的工作條件下,采集不同陶瓷基板的頻譜數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換,設(shè)置起始頻率為fa,終止頻率為fb,通過余弦相似度公式進(jìn)行計算,得出所選頻譜的余弦相似度C,其計算公式為

(10)

式(10)中:Ai、Bi為兩組頻譜區(qū)間的采樣點;n為帶寬,

n=fa-fb

(11)

將所選頻譜向右擴展L的距離,起始頻率仍是fa,終止頻率值變?yōu)閒b+L,通過上述余弦相似度公式計算擴展后頻譜的余弦相似度C1;重復(fù)上述步驟m次,比較多次計算結(jié)果,選擇其中的最大值Cmax,針對Cmax所在的相似區(qū)間,設(shè)置濾波器對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理[15]。

為了驗證濾波處理后數(shù)據(jù)的有效性,采用同一批生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行靜態(tài)間隔測量和動態(tài)連續(xù)測量,采集定位點的厚度數(shù)據(jù),并用千分尺對比測量數(shù)據(jù),測量數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 靜態(tài)間隔測量結(jié)果Table 2 Static interval measurement results

表3 動態(tài)連續(xù)測量結(jié)果Table 3 Dynamic continuous measurement results

系統(tǒng)測量值與千分尺測量值的偏差值如上述表格所示,靜態(tài)間隔測量和動態(tài)連續(xù)測量的偏差值整體較為平穩(wěn),系統(tǒng)的靜態(tài)測量精度誤差范圍與動態(tài)測量精度誤差范圍為±5 μm,兩種方式的測量精度大抵相同。實驗證明濾波有效去除了機械振動的影響,較好地保留了真實的厚度值,提高了系統(tǒng)的精度。

2.3 結(jié)果分析

以一批厚度3.5 mm的LTCC為例,通過精度補償后的系統(tǒng)測量LTCC,與之前處理過的厚度數(shù)據(jù)相對比,測量數(shù)據(jù)的波動明顯減小,穩(wěn)定性明顯提高。借助千分尺測量定位點數(shù)據(jù),對比結(jié)果顯示,最大誤差為5 μm,平均誤差為3 μm,滿足測量精度要求。

3 結(jié)論

針對LTCC傳統(tǒng)測量方式精度不高的問題,設(shè)計一種LTCC激光測厚系統(tǒng)。結(jié)合產(chǎn)品測量需求,通過現(xiàn)場試驗,分析系統(tǒng)的主要誤差來源,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、標(biāo)定循環(huán)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、濾波處理等方法,克服了線性度誤差、傳感器數(shù)值誤差、機械結(jié)構(gòu)振動誤差等因素帶來的影響,對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改良。結(jié)果表明,LTCC激光測厚系統(tǒng)精度誤差≤5 μm,達(dá)到需求指標(biāo),在LTCC的生產(chǎn)領(lǐng)域和薄板測厚領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。