CN1841008A - 激光量测机台扫描精度验证方法 - Google Patents

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徐韦
欣小波
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Abstract

本发明提供一种激光量测机台扫描精度验证方法。该方法包括如下步骤：制作一个有球面形状的3D标准治具；在该治具上定出基准，利用高精密接触式扫描测头按照该基准扫描该治具获得点云数据；将上述点云数据拟合成一理想曲面，将该理想曲面作为名义真值；激光量测机台按照上述相同基准扫描该治具，获取点云数据；计算上述基于同一基准的激光扫描点云与理想曲面的最大偏差作为评估准确度的参数；在相同扫描方式及扫描参数的条件下，重复量测多次，判断每次扫描点云与理想曲面的最大偏差之间的一致程度，以进行重复性评估。利用本发明可以验证激光扫描精度及量测各种工件的最适合扫描参数。

Description

激光量测机台扫描精度验证方法
【技术领域】
本发明涉及一种量测精度验证方法，尤指一种激光量测机台扫描精度验证方法。
【背景技术】
量测是生产过程中的重要环节，其与产品的品质息息相关。对于BGA(Ball Grid Array)球栅数组封装，三维曲面及透明件的量测，传统的做法是采用CCD(Charge Coupled Device)和接触式量测方式。随着激光技术在量测领域的应用，各种激光量测机台相继问世。其大大解决了接触式量测方式中存在的易损伤工件表面及存在一定测量力等问题，且激光量测机台具有量测效率高、量测准确等优点，倍受各生产型企业的信赖。在使用各种激光量测机台前，使用者须了解该机台的量测精度，不然无法相信其量测数据。虽然激光量测机台的制造厂商提供了该机台的扫描精度，但量测机台从制造工厂运输到目的地进行安装后，可能达不到制造厂商所提供的扫描精度标准，所以需要对其扫描精度进行验证(或者说是校正)，以决定是否需要对该量测机台进行调试。只有校正合格之后该量测机台的量测结果才可以被信赖。但量测机台的制造厂商不能提供激光扫描精度的验证方法和相应标准器。
查相关精度校正领域方面的资料，知存在许多技术和方法用于进行扫描精度的校正或者说是验证。如：
1994年7月21日申请的申请号为94115989.2，名称为“用于检测运动矢量到半象素精度的装置和方法”的中国发明专利；
1995年7月6号申请的申请号为95115011.1，名称为“由预定符号序列调制的脉冲串的频率误差精度检测”的中国发明专利；
2001年10月15号申请的申请号为01136399.1，名称为“面积型电容测微仪精度的自校正方法及测试装置”的中国专利申请案；
2003年4月10号申请的申请号为03110572.6，名称为“偏振计的高精度校正”的中国发明专利申请案。
然而上述专利申请案及专利没有涉及量测机台扫描精度验证(校正)方面的技术，因此有必要提供一种激光量测机台扫描精度验证方法，用以确定激光量测机台的扫描精度，提高量测的可靠性及信服力。
【发明内容】
本发明的较佳实施例提供一种激光量测机台扫描精度验证方法。该方法包括如下步骤：(a)根据激光量测机台适合量测的产品类型制作标准治具；(b)利用习知方法及仪器多次量测标准治具尺寸，确定每种治具被测尺寸的名义真值；(c)选取适合量测参数，利用激光量测机台扫描上述标准治具获取量测数据；(d)将上述激光机台量测数据与标准治具的名义真值进行对比，并进行准确性及重复性评估以验证该激光量测机台的扫描精度。
本发明较佳实施例所提供的激光量测机台扫描精度验证方法，可对该量测机台量测的球栅数组封装(BGA)、三维曲面形状及透明件的扫描精度进行验证。
其中验证激光量测机台的量测BGA的扫描精度的方法包括下列步骤：制作一个BGA标准治具；用分厘卡多次量测每个球的最高点高度，即Z坐标值，取得每个球最高点高度的平均值，作为最高点高度的名义真值；用电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)影像测头多次量测每个球中心的X，Y坐标值，取多次量测的平均值作为每个球球心的X，Y坐标值；采用三个高点组成一个包含BGA重心平面的方法的软件计算及确定该BGA标准治具的共面度的名义真值；激光量测机台选择螺旋形扫描方式多次量测该BGA标准治具上每个球的最高点，每次均获得每个球最高点的X，Y，Z坐标值，通过量测机台附带程序计算出该多个共面度值；对上述多次扫描量测所获取的每个球的最高点的X，Y，Z坐标值的量测结果进行重复性比较，确定坐标值的重复性；将各点的Z向坐标值保持不变，各点的X，Y坐标值分别变化，判断共面度值的变化；将上述各个球激光扫描多次得出的最高点的Z坐标值与名义真值相对比，得出每个点Z向偏差，根据偏差大小判断Z向坐标值的准确性；将上述多次量测所得的多个共面度值计算标准差，及该多个共面度值分别与名义真值相对比计算偏差，根据计算所得偏差及标准差大小对共面度准确性及扫描重复性进行评估，确定该量测设备量测BGA共面度的量测扫描精度。
验证激光量测机台的量测3D的扫描精度的方法包括下列步骤：制作一个有球面形状的3D标准治具；在该治具上定出基准，利用高精密接触式扫描测头按照该基准扫描该治具获得点云数据；将上述点云数据拟合成一理想曲面，将该理想曲面作为名义真值；激光量测机台按照上述相同基准扫描该治具，获取点云数据；计算上述基于同一基准的激光扫描点云与理想曲面的最大偏差作为评估准确度的参数；在相同扫描方式及扫描参数的条件下，重复量测多次，判断每次扫描点云与理想曲面的最大偏差之间的一致程度，以进行重复性评估。
验证激光量测机台的量测透明件的扫描精度的方法包括下列步骤：采用透明平晶作为透明件的标准件，该透明平晶的平面度作为准确度评定时的名义真值；激光量测机台利用各种扫描方式对该透明平晶进行多次扫描，得到每种扫描方式下每次扫描所得平面度，并计算每种方式多次扫描所得平面度的平均值、标准差、平均值与名义真值的偏差；根据标准差及平均值与名义真值的偏差，确认透明件的最适合激光扫描的方式；分别设定激光量测机台在上述扫描方式下各种参数的值，在每种参数的一个设定值对该透明平晶进行多次扫描，对该多次扫描所得平面度取平均值、标准差及平均值与名义真值的偏差，根据标准差及平均值与名义真值的偏差大小确认该激光量测机台扫描透明件时的扫描参数；在上述经过确认的适合扫描量测透明件的扫描方式和扫描参数下，多次扫描该透明平晶，获得每种扫描方式下的多个平面度，计算每种扫描方式下平面度值的平均值、标准差、平均值与名义真值的偏差，从标准差判断重复性，从平均值与名义真值的偏差判断准确性。
相较习知技术，本发明激光量测机台扫描精度验证方法，能够以扫描标准治具的方法验证激光量测机台的扫描精度，方法简单易操作且能够针对不同量测对象找到最适合量测参数。
【附图说明】
图1是本发明较佳实施例的激光量测机台扫描精度验证方法的作业流程图。
图2是本发明较佳实施例的BGA扫描精度验证流程图。
图3是本发明较佳实施例的3D形状扫描精度验证流程图。
图4是本发明较佳实施例的透明件扫描精度验证流程图。
【具体实施方式】
本发明实施例所指的激光量测机台为可量测BGA、三维曲面形状及透明件等的量测机台。所述激光量测机台配备有一用户端电脑，该用户端电脑安装有量测BGA、三维曲面及透明件及计算量测数据的量测软件。其中BGA(Ball Grid Array)即球栅数组封装。本发明的实施例分别以BGA、三维曲面形状(3D)及透明件的量测为例描述激光量测机台扫描精度验证方法。
参阅图1所示，是本发明较佳实施例的激光量测机台扫描精度验证方法的作业流程图。首先，根据激光量测机台适合量测的产品类型制作标准治具，如标准BGA治具、三维曲面治具及透明件标准件，针对不同量测对象具体制作标准不同(步骤S100)。利用习知方法及仪器多次量测标准治具尺寸，确定每种治具被测尺寸的名义真值(步骤S102)。选取适合量测参数，扫描上述标准治具获取量测数据(步骤S104)。将上述量测数据与标准治具的名义真值进行对比，并进行准确性及重复性评估以确定该激光量测机台的扫描精度(步骤S106)。针对不同标准治具的量测扫描精度验证，详见以下几图的描述。
参阅图2所示，是本发明较佳实施例的BGA扫描精度验证流程图。首先，根据治具要求制作一个BGA的标准治具，该治具要求参考如下：外形和大小要和BGA一致；相关平面的平面度达到2um、平行度、垂直度要达到3um；有三个较高的且可组成包含BGA质心的共面度平面(Seating-Plane)的球，以便计算共面度值(步骤S200)。用分厘卡多次量测每个球(如9个球)最高点的高度，以得到每个球最高点的Z坐标值，取得每个球最高点高度的平均值，作为最高点高度的名义真值(步骤S202)。在该步骤中，为了确定该治具的稳定性，增加验证方法的可靠性，可以隔段时间，如隔一个月再对该治具的每个球进行多次最高点高度量测，取每个球多次量测的最高点高度的平均值，与先前每个球最高点高度的平均值进行对比，如果每个球的高度偏差很小，如0.001mm～0.002mm，则证明该治具是稳定的。用电荷耦合器件(ChargeCoupled Device，CCD)影像测头多次量测每个球心的X，Y坐标值，取每个球多次量测的平均值作为每个球球心的X，Y坐标值(步骤S204)。找出其中最高点较高的三个球最高点组成一个平面(Seating-Plane)。利用习知专门软件计算该BGA标准治具的共面度，作为的标准治具的共面度名义真值，其中该软件需从上述量测的9个点中选择三个相对较高的且包含BGA重心的点组成Seating-Plane；然后计算其它6个点到该Seating-Plane的距离，即计算点到面的距离，共6个值，选择最大的一个值作为该Seating-Plane的共面度名义真值(步骤S206)。然后用激光量测机台的Spiral(螺旋形)、Circle(圆形)、Zigzag(Z字形)、Area(限定一个长方形的扫描区域的方式)等扫描方式分别扫描该标准治具，根据量测点数多少及寻到最高点的机率的大小判断扫描该标准治具的最佳扫描方式，经判断得出螺旋形扫描方式量测点数最多、寻到最高点的机率最大，因此选择螺旋形扫描方式；然后再在该最佳扫描方式下，设定不同扫描参数对各点进行多次扫描，根据各扫描参数下Z向坐标值的最大偏差大小确定最佳扫描速度，经过对多次扫描量测结果的对比得知采用较小速度扫描量测该BGA标准治具，如扫描速度为3mm/s，可避免粗大量测误差的产生，因此在该最佳扫描方式及最佳扫描速度下多次(如5次)扫描该BGA标准治具上每个球(如9个球)，获得每个球最高点的X，Y，Z坐标值，同时通过量测机台附带程序得到该多次扫描所得到的多个共面度的值(步骤S208)。对上述在最佳扫描方式及最佳扫描参数下多次扫描量测所获取的每个球的最高点的X，Y，Z坐标值的量测结果进行重复性比较，确定坐标值的重复性(步骤S210)。再将各点的Z坐标值保持不变，各点的X，Y坐标值分别变化，判断共面度的变化，其有二种情况出现：其一为当该Seating-Plane仍由原来的三点构成，则X，Y坐标值的误差只能微小改变该共面度的值；其二为当该Seating-Plane不再由原来的三点构成，则X，Y坐标值的微小误差也能较大改变共面度的值(步骤S212)。将上述激光扫描多次得出的每个球最高点的Z坐标值与名义真值相对比，得出每个点Z向偏差，根据偏差大小判断Z向坐标值的准确性(步骤S214)。对上述在步骤S208中用激光量测机台所附程序计算得到的多个共面度值计算标准差，及将各个共面度与名义真值相对比计算偏差，根据所计算的标准差及偏差大小，判断共面度值的准确性及重复性，如共面度的重复性及准确性均小于2um(步骤S216)。其中所述多次量测为至少量测三次。
参阅图3所示，是本发明较佳实施例的3D形状扫描精度验证流程图。根据产品形状制作一个球面形状的标准治具，该治具要求如下：设计成球形的一部分，球径要大，如120mm左右；相关平面的平面度要达到2um、平行度及垂直度要达到3um；球面的表面粗糙度要小(抛光后小于0.1um)(步骤S300)。在该治具上建立扫描量测基准，通过高精密接触式扫描测头扫描该治具获得点云数据，该点云数据包括扫描点的X，Y，Z坐标值，上述扫描点形成点云图，再将上述点云数据拟合成一个理想曲面，计算拟合前的扫描点到该理想曲面的最大偏差，以验证该3D标准治具的精度是否满足要求，并将该理想曲面作为3D形状的名义真值(步骤S302)。在该3D标准治具抛光前，激光量测机台在上述基准下扫描该3D标准治具，获取点云数据，计算扫描点与上述理想曲面的最大偏差；在该3D标准治具抛光后，激光量测机台在上述基准下扫描该治具，获取点云数据，计算扫描点与上述理想曲面的最大偏差；将两种情况下的最大偏差对比，得知由于激光光束的直径只有1.5um，治具表面的粗糙程度会影响到量测结果(步骤S304)。将上述基于同一基准的激光扫描抛光后标准治具获得的点云与理想曲面都汇入到Metris软件中，计算所述点云与该理想曲面的最大偏差，将该最大偏差作为评估准确度的参数(步骤S306)。该步骤中所用到Metris软件，是一种可以将点云拟合成理想曲面及可以计算点云到理想曲面偏差的软件。然后再在相同扫描方式及扫描参数的条件下，重复扫描该3D标准治具多次(如三次)，分别与理想曲面作CAV比对，判断每次偏差之间的一致程度，即进行重复性评估(步骤S308)。所述扫描方式包括螺旋形(Spiral)、圆形(Circle)、Z字形(Zigzag)、区块形(Area，即限定一个长方形的扫描区域的方式)。所述扫描参数包括扫描速度、扫描精度。所述CAV(Computer Aided Verification)是电脑辅助验证，可在试模的第一时间能够即时且快速确认物件变形程度、并同步作为模具确认过程中(首件全尺寸检测)把关的必要性。
参阅图4所示，是本发明较佳实施例的透明件扫描精度验证流程图。首先采用透明平晶作为透明件的标准件，该透明平晶的相关参数如下：直径Φ45mm，平面度0.057um作为准确度评定时的平面度的名义真值(步骤S400)。激光量测机台利用各种扫描方式如：螺旋形(Spiral)、圆形(Circle)、Z字形(Zigzag)、区块形(Area)对该透明平晶进行多次扫描，得到每种扫描方式下扫描量测所得平面度，并计算每种方式多次扫描所得平面度的平均值、标准差、平均值与名义真值的偏差(步骤S402)。根据标准差的大小及平均值与平面度名义真值的偏差，确认透明件的激光扫描较适合方式为螺旋形(Spiral)和圆形(Circle)两种(步骤S404)。再分别设定激光量测机台在上述两种扫描方式下各种参数的值，每次变化一个参数对该透明平晶进行多次扫描，并对该多次扫描所得平面度计算平均值、标准差及比较平均值与名义真值的偏差，根据标准差及平均值与名义真值的偏差大小寻找该激光量测机台扫描透明件时的最适合扫描参数，所述扫描参数包括单位时间的取点数(即取点率)、运动速度、扫描速度、滤波等参数(步骤S406)。如在确认取点率参时，分别在取点率在低(如取点数为7388)、中(如取点数为37873)、高(如取点数为196091)时各扫描量测该透明平晶5次，计算每种取点率下的平面度的平均值、标准差、平均值与名义真值的偏差，然后对比各种取点率下的标准差及与真值的偏差，判断取点率是否影响量测结果，判断结论是取点率的大小不影响量测结果。再如，在确认扫描速度参数时，分别在扫描速度设定为50mm/sec、30mm/sec、10mm/sec、3mm/sec时各量测5次，根据每种速度下的量测数据计算平面度值，再计算每种扫描速度下的5个平面度值的平均值、标准差、平均值与名义真值的偏差，根据每种速度下标准差及与名义真值偏差的大小确认适合透明件的扫描速度，判断结论是当扫描速度小于30mm/sec时较合适。在上述经过确认的适合扫描量测透明件的扫描方式和扫描参数下，多次扫描该透明平晶，获得两种扫描方式下的多个平面度，计算两种扫描方式下平面度值的平均值、标准差、平均值与名义真值的偏差，从标准差判断重复性，从平均值与名义真值的偏差判断准确性(步骤S408)。

Claims (4)

1.一种激光量测机台扫描精度验证方法，用于验证激光量测机台的量测三维曲面(3D)形状的扫描精度，其特征在于，该方法包括步骤：
根据激光量测机台适用量测的产品类型制作一个有球面形状的标准治具；
在该治具上定出基准，利用高精密接触式扫描测头按照该基准扫描该治具获得点云数据；
将上述点云数据拟合成一理想曲面，将该理想曲面作为名义真值；
激光量测机台按照上述相同基准扫描该治具，获取点云数据；
计算上述基于同一基准的激光扫描点云与理想曲面的最大偏差作为评估准确度的参数；及
在相同扫描方式及扫描参数的条件下，重复量测多次，判断每次扫描点云与理想曲面的最大偏差之间的一致程度，以进行重复性评估。
2.如权利要求1所述的激光量测机台扫描精度验证方法，其特征在于，其中该点云数据包括扫描点的X，Y，Z坐标值，所述扫描点形成点云图。
3.如权利要求1所述的激光量测机台扫描精度验证方法，其特征在于，其中该拟合点云数据成一理想曲面的步骤还包括：
计算拟合前的扫描点到该理想曲面的最大偏差，以验证该标准治具的精度是否满足要求。
4.如权利要求1所述的激光量测机台扫描精度验证方法，其特征在于，其中该激光量测机台按照相同基准扫描该治具获得点云数据的步骤还包括：
在该标准治具抛光前，激光量测机台在相同基准下扫描该标准治具，获取点云数据，计算扫描点与上述理想曲面的最大偏差；
在该标准治具抛光后，激光量测机台在上述基准下扫描该标准治具，获取点云数据，计算扫描点与上述理想曲面的最大偏差；及
将两种情况下的最大偏差对比，判断标准治具表面的粗糙程度是否会影响到量测结果。
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