AOI机台精度检测与调校-AOIEA自动光学检测设备联盟.PDF

AOI 機台精度檢測與調校 范光照 王志雄 溫光浦 台大機械系 台大機械系 德律科技 fan@.tw .tw kuangpuw@.tw 摘要 精密機械的精度與其結構設計、零組件加工、以及機台的組裝有關。長期以來 ，雖然精密設計與製造 技術一直在改進中，但組裝技術仍沿用傳統的簡易量規與量具的方式 ，如果無法確保每一階段的組裝 精度，完成後的機台必定會有無法掌控的定位誤差。本報告針對常用的橋架式AOI 機台依據精密機械 原理，利用自製光學量測儀器，可量測AOI 機台的各個組裝誤差，並提出一套直線度、平行度、垂直 度的檢測方法 ，可大幅改善機台組裝後的精度。其中本研究提出的直線度感測器之精度，與市售 HP 雷射干涉儀進行比對，在60 cm 量測範圍內，其比對誤差在+/-1.5 μm 內。經過本研究提出之誤差檢驗 方法與AOI 機台組裝檢驗的標準流程，調校過後的機台定位誤差，可由 100 μm 進步到在20 μm 內。 關鍵字 ：機台組裝 ，精度檢測，幾何誤差，阿貝原理，布萊恩原理。 壹、前言 常見的精密機械以直角座標(或稱Cartesian 座標)為基準 ，均由三軸、或兩軸半、或兩軸的運動機台所 組成 ，再配置不同的功能模組，如工具機、量測儀器、曝光機、雷射加工機等等。雙軸運動平台是自 動化光學檢測設備中基本模組之一，其目的在提供定位點的檢測。一般的雙軸移動平台均為兩個線性 運動軸搭配而成，各軸在獨立運動時都會有不可避免的六自由度誤差(圖一) ，包括三個線性誤差和三 個偏角誤差。兩軸運動共有 12 項誤差，再加上兩軸垂直度裝配誤差，故共計 13 項誤差 ，通稱為機台 的幾何誤差(Geometrical errors) [1] 。這些誤差都會造成正確定位點的偏移，其中偏角誤差及垂直度誤 差更會因阿貝原理而放大[2] ，是誤差來源中主要的成因。在移動平台上由各個誤差源所分佈組成的空 間稱做的面誤差(Surface Errors) ，如圖二所示。 圖一: AOI 機台每軸的六自由度誤差 圖二: 雙軸AOI 機台的面定位誤差 欲提高機台的精度則必須減少各軸的幾何誤差，這是可以在機台組裝時以精密儀器檢測並調校來達到 的。機台組裝及調校主要有: (1)各線性導軌的直線度，(2)兩線性導軌間的平行度，及(3) 兩正交導軌 間的直線度等三種，現有的組裝調校方法都以ISO230-1 規範的工具機幾何精度檢測法實施[3] ，最常 用的直線精度檢測及調校是採用直規(straightedge)與量錶(dial indicator)方式、平行度檢測則用平行規 與量錶方式、垂直度檢測則用直角規與量錶方式，雖然操作簡單但違反布萊恩原理[4] ，即使調校合 格，機台的面誤差仍然很大，無法和國外的設備相比。 1 本研究因此提出一套符合布萊恩原理的幾何誤差檢測方法，針對常用的橋架式 AOI 機台，利用自製 光學量測儀器，可量測AOI 機台的各個組裝誤差 。本研究發現 ，橋架的yaw 角度為面誤差的主要成 因，且常用的直線度與平行度調校法無法改進yaw 誤差量，因此提出一套以調校yaw 誤差的直線度、 平行度、垂直度檢測方法 ，可大幅改善機台組裝後的精度。 貳、AOI 機台的定位誤差成因 自動光學檢測(AOI)設備之機台最常見的是如圖三(a)所示的龍門型(Gantry type) ，由雙導軌支撐移動橋 架(moving bridge) ，CCD 固定在Z 主軸上，光學尺(黃色帶)裝置於一側的基準軌上以感測縱向(Y)軸的 位移。由於兩導軌的不平行度誤差使得橋架在移動中會有偏擺(yaw)角度產生(圖三(b)) ，使得在遠離基 準軌處的Y 軸定位誤差經常會大於靠近基準軌處的定位誤差，此即所謂的阿貝誤差(Abbé error) ，其公 式可表達為:  (y ) X  (y ) y z (1) 欲製作一高精度的 AOI 機台，此