一种PCB钻孔快速检修设备的制作方法

本实用新型涉及PCB印刷电路板功能孔的检测与修补，特别涉及一种PCB钻孔快速检修设备。

背景技术：

印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）是电子产品不可缺少的核心支撑件，用于固定和连接电子元件，以形成电气回路，实现某种特定功能。过孔是PCB 上的重要组成元素，通孔贯穿整板，用于安装PCB 或固定电子元器件。PCB经过几十道复杂的工序加工而成，不管单面PCB还是多面PCB，钻孔都是PCB生产工艺中十分重要的工序。如果出现孔径偏差较大、孔壁粗糙、毛刺、孔未穿透、孔化结果不理想等不良状况，都会对后续诸如元器件插装、电气测试等工序造成影响。如果不及早的发现，将会严重影响产品的质量，大大增加企业的生产成本。若PCB成品板组装到仪器设备整机上或者投入市场后才发现故障，由此产生的返修、报废等损失费用，将比正常耗费高出几十甚至上百倍。因此对电路板的钻孔质量进行有效的检测极其重要。

随着电子工业技术的发展，市场对PCB的钻孔质量要求越来越高，孔密度越来越大（每板可高达3～5万个孔），孔径越来越小（小至Φ0.1～0.5 mm）。目前对PCB钻孔的检测手段主要有针规、人工目检、飞针测试以及AOI（自动光学检测）设备等。针规主要用于测量孔的尺寸、间距和深度，其主要缺点是工作量大和效率低。人工目检是指操作人员使用放大镜或显微镜，检查电路板是否合格，容易因疲劳出现漏检，无法对存在的缺陷进行识别，可重复性低。飞针测试是使用若干个能自由移动的、独立控制的探针对PCB进行电气性能的测试，以对短路、断路等质量缺陷进行检测。飞针测试方法操作简单，但耗时比较长，由于探针与焊盘及通孔有物理接触，极有可能损坏电路板。自动光学检测系统（AOI）通常采用工业相机采集PCB图像，将其转化为数字信号，通过计算机软硬件技术对图像数字信号进行处理，得到所需的图像特征值，输出被测物体的尺寸或形位误差等检测结果。系统的优点是精度高、速度快、非接触式的无损检测，极大提高了PCB产品出厂的合格率。随着电路板过孔的孔径越来越小，孔数越来越多，AOI已成为印刷电路板的生产制造过程中必不可少的检测手段。

但是，目前在PCB质量检测中几乎没有专用的测孔机。现有的AOI设备，普遍采用整板检测的方式，即通过扫描采集整块PCB板的图像，并对板上所有的通孔进行识别和计算。其价格昂贵，且检测和处理的冗余数据量大，耗时长。总而言之，目前的PCB钻孔检测，采用全板扫描，然后再对所有孔进行计算检测，计算量大，效率低，而且也容易由于PCB板表面不平整，影响成像，造成检测精度低，计算误差大。

复杂PCB板上不同直径的钻孔有的多达几十个，相应的，钻孔加工时也需要几十把钻削加工的刀具。这些刀具在大量加工后，可能会有磨损甚至断裂。刀具磨损会使得PCB加工出来的通孔孔径变小；刀具断裂则容易产生少孔（漏孔）。因而孔径失真与少孔是PCB钻孔工序中主要出现的缺陷。

技术实现要素：

针对上述不足，本实用新型的目的在于，提供一种PCB钻孔快速检修设备。实际生产经验表明，如果每一把刀具加工出来的最后一个小孔合格，那么板上其它的同类钻孔一般也是全部合格的，因此我们通过测量每一把刀具最后一个加工出的小孔，就可以判断板上其它同类孔的尺寸是否合格。

本实用新型采用的技术方案为：一种PCB钻孔快速检修设备，其特征在于，包括工作台，工作台一侧的边缘位置设置为初次检测工位，工作台的初次检测工位的下方设置有初次检测光源，该初次检测光源透过工作台由下往上打光，对应所述工作台，设置有多轴运动机构，该多轴移动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构，所述Z轴运动机构上设置有检测相机，所述检测相机位于工作台的上方，且该检测相机的周围设置有二次检测光源，该二次检测光源跟随检测相机并对应工作台由上往下打光。照明部分（初次检测光源）采用白色LED条形光源，通过背向照明方式（通孔处透光，不通孔处不透光），使图像亮度、暗度区分明显，并增大图像的对比度，获得目标图像（通孔）的关键特征，进一步改善图像处理的效果，并降低后续图像处理的软件开发难度。

进一步，还包括补刀机构，该补刀机构设置在Z轴运动机构，包括刀具固定座及刀具驱动装置。在此需要说明的是，Z轴运动机构的作用有二，一是方便检测相机上下调整对焦，二是设置补刀机构。因此，如果不采用补刀装置，该Z轴运动机构实质上可以取消。也即是说，当不采用补刀机构时（纯检测是否合格不进行补修），“多轴移动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构”与“多轴移动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构”是等同的，检测相机改为自动对焦相机即可。

进一步，对应工作台的初次检测工位，设置有销钉固定机构，该销钉固定机构包括第一定位销钉、第二定位销钉，该第一定位销钉、第二定位销钉分别位于初次检测工位的两侧。

进一步，所述工作台为透明或非透明工作台；所述工作台为非透明工作台时，所述工作台对应初次检测工位，设置有打光窗口，所述初次检测光源透过工作台的打光窗口由下往上打光。

本实用新型具有以下优点：在PCB印刷电路板一侧的边缘位置预设检测区域，并给每一把直径的刀具预留测量孔，通过对边缘一排测量孔的初次检测，实现PCB板通孔合格、不合格的二分类，显著提高了通孔检测效率，减少数据采集和处理量。二次检测中，根据钻孔加工文件中钻孔的位置与加工顺序，利用视觉检测对位点，逆向扫描图像上对应钻孔，实现目标孔的快速查找和定位，通过图像匹配和计算圆直径，精确判断通孔质量，降低了定位复杂度。通过初次分类检测和二次精密检测，系统软件记录和保存所有问题孔的位置。技术人员根据问题孔选用刀具，放置于补刀装置中。启动补刀程序，即可对不合格孔进行钻削修补。减少了PCB因钻孔产生的不合格品，降低了高成本PCB返修的工作量，并提高返修精准度。

下面结合附图说明与具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为PCB钻孔快速检修方法的检测流程示意图；

图2为PCB空板检测样板示意图一；

图3为PCB空板检测样板示意图二；

图4为检修设备的结构示意图；

图5为图4的局部结构示意图；

图6为销钉固定机构与工作台的配合结构示意图；

图7为初次检测光源、销钉固定机构与工作台的配合结构示意图一；

图8为初次检测光源、销钉固定机构与工作台的配合结构示意图二；

图9为补刀机构的结构示意图；

图中：功能孔1；测量孔2；工作台3；初次检测光源4；多轴运动机构5；检测相机6；二次检测光源7；第一定位销钉8；第二定位销钉9；支撑架10；基础平台11；显示器12；补刀机构13。

具体实施方式

参见图1至7，本实施例先叙述PCB钻孔快速检修方法，包括如下步骤：

1）预留测量孔：PCB印刷电路板一侧的边缘位置预设检测区域，在PCB印刷电路板进行钻孔加工时，每一把孔径的刀具加工完PCB印刷电路板上的功能孔1后，并在检测区域加工出一个测量孔2；当全部孔径的刀具钻削加工完功能孔与测量孔后，PCB印刷电路板的检测区域便会留下一排按加工次序排列的测量孔2；在PCB印刷电路板的检测区域的两侧，分别设置第一定位孔、第二定位孔；

2）设置检修设备：检修设备包括工作台3，将工作台3一侧的边缘位置预设为初次检测工位，在工作台3初次检测工位的下方设置有初次检测光源4，该初次检测光源4透过工作台3由下往上打光，对应所述工作台3，设置有多轴运动机构5，该多轴移动机构5包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构，所述Z轴运动机构上设置有检测相机6，所述检测相机6位于工作台3的上方，且该检测相机6的周围设置有二次检测光源7，该二次检测光源7跟随检测相机6并对应工作台3由上往下打光；设置补刀机构13，该补刀机构13设置在Z轴运动机构，包括刀具固定座及刀具驱动装置；对应工作台的初次检测工位，设置有销钉固定机构，该销钉固定机构包括第一定位销钉8、第二定位销钉9，该第一定位销钉8、第二定位销钉9分别位于初次检测工位的两侧；另外，第一定位销钉8、第二定位销钉9滑动设置，两者之间的距离可调节；

3）初次检测：将步骤1）中的PCB印刷电路板放置到检修设备的工作台3上，并通过第一定位销钉8、第二定位销钉9配合第一定位孔、第二定位孔对PCB印刷电路板进行定位固定，从而使PCB印刷电路板的检测区域对应工作台3的初次检测工位（除了定位孔定位，还可以采用边缘定位，利用平台上表面边缘的刻线，类似直尺刻度线，将PCB边缘对齐刻线，使得PCB放正）；初次检测光源4对PCB印刷电路板的检测区域进行打光，检测相机6在多轴运动机构5的带动下，在初次检测工位上方，配合初次检测光源4，按顺序拍摄扫描检测区域的测量孔，检测测量孔是否存在，并计算测量孔的直径，根据测量孔所对应的功能孔的标准值及允许公差判断该测量孔是否合格；

若初次检测，PCB印刷电路板的检测区域的所有测量孔均合格，则判断该PCB印刷电路板合格；

若初次检测，PCB印刷电路板的检测区域的某个测量孔不合格，则判断该PCB印刷电路板不合格，并判断该不合格的测量孔所存在的问题，若该不合格的测量孔的直径变小，且变小值超出其对应的功能孔的允许公差，则判断该不合格的测量孔由于刀具磨损而存在孔径失真问题，若该不合格的测量孔不存在，则判断该不合格的测量孔由于刀具折断而存在少孔问题；

二次检测：若步骤3）中的初次检测判断PCB印刷电路板不合格，则对该PCB印刷电路板进行二次检测；

若不合格的测量孔所对应的功能孔有n个，则第一个加工的功能孔为第1功能孔，最后一个加工的功能孔为第n功能孔；根据不合格的测量孔所对应的功能孔的加工顺序进行逆向回溯，检测相机6在多轴运动机构5的带动下，由第n功能孔开始按逆向顺序进行拍摄扫描，检测功能孔是否存在，并计算直径，根据功能孔的标准值及允许公差依次判断第n、第n-1、第n-2……第n-x功能孔是否合格，其中，x为小于n的正整数，此过程中，二次检测光源7跟随检测相机，进行打光；

若不合格的测量孔是由于刀具磨损而存在孔径失真问题，当二次检测到该不合格的测量孔所对应的第n-x功能孔的孔径合格时，为合格功能孔，则判断按加工顺序前面的第1、第2……第n-x功能孔为合格功能孔，按加工顺序后面的其余功能孔为问题功能孔；若不合格的测量孔是由于刀具折断而存在少孔问题，当二次检测到该不合格的测量孔所对应的第n-x功能孔存在且孔径合格时，为合格功能孔，则判断按加工顺序前面的第1、第2……第n-x功能孔为合格功能孔，按加工顺序后面的其余功能孔为问题功能孔；

5）问题功能孔返修：针对问题功能孔，在补刀机构装上对应的同类刀具，然后在多轴运动机构5的带动下，依次进行修补钻削，以修复不合格的PCB印刷电路板。

具体地，步骤3）中，具体包括如下步骤：

3.1）定位：将步骤1）中的PCB印刷电路板定位固定放置到检修设备的工作台上，并使PCB印刷电路板的检测区域对应工作台的初次检测工位；

3.2）记录对位点：工作台3下方初次检测光源由下往上背向照射PCB印刷电路板的检测区域进行打光，检测相机6在多轴运动机构5的带动下，在初次检测工位上方，进行图像采集，所采集的PCB图像的检测区域的测量孔呈现为圆形特征，且亮度与背景明显区分；此时，识别第一个测量孔在PCB图像所形成的第一个圆形，并记录下该第一个圆形的圆心坐标，作为对位点，进行视觉对位；

3.3）匹配检测：检测相机6在多轴运动机构5的带动下，从第一个测量孔开始，顺序地按照相邻测量孔之间距离（或根据相机的视域，按照一定的步距）依次检测其他测量孔，直到最后一个测量孔；

3.4）初次检测结果判定：检测测量孔是否存在，并计算测量孔的直径，根据测量孔所对应的功能孔的标准值及允许公差判断该测量孔是否合格；若测量孔存在，且与其所对应的功能孔的标准值相比，偏差值在公差范围内，则判定该测量孔所对应的功能孔合格；若测量孔不存在，或者与其所对应的功能孔的标准值相比，偏差值超出公差范围，则判定该测量孔所对应的功能孔不合格；

若初次检测，PCB印刷电路板的检测区域的所有测量孔均合格，则判断该PCB印刷电路板合格；

若初次检测，PCB印刷电路板的检测区域的某个测量孔不合格，则判断该PCB印刷电路板不合格，并判断该不合格的测量孔所存在的问题，若该不合格的测量孔的直径变小，且变小值超出其对应的功能孔的允许公差，则判断该不合格的测量孔由于刀具磨损而存在孔径失真问题，若该不合格的测量孔不存在，则判断该不合格的测量孔由于刀具折断而存在少孔问题。

具体地，步骤4）中，具体包括如下步骤：

4.1）导入PCB印刷电路板的钻孔设计文件，并从文件中提出不合格的测量孔所对应的同类功能孔的孔位、孔径、加工顺序信息；若不合格的测量孔所对应的功能孔有n个，则第一个加工的功能孔为第1功能孔，最后一个加工的功能孔为第n功能孔；

4.2）逆向查找问题功能孔；根据不合格的测量孔所对应的功能孔的加工顺序进行逆向回溯，检测相机6在多轴运动机构5的带动下，由第n功能孔开始按逆向顺序进行拍摄扫描，检测功能孔是否存在，并计算直径，根据功能孔的标准值及允许公差依次判断第n、第n-1、第n-2……第n-x功能孔是否合格，其中，x为小于n的正整数，此过程中，二次检测光源7跟随检测相机6，进行打光；

若不合格的测量孔是由于刀具磨损而存在孔径失真问题，当二次检测到该不合格的测量孔所对应的第n-x功能孔的孔径合格时，为合格功能孔，则判断按加工顺序前面的第1、第2……第n-x功能孔为合格功能孔，按加工顺序后面的其余功能孔为问题功能孔；若不合格的测量孔是由于刀具折断而存在少孔问题，当二次检测到该不合格的测量孔所对应的第n-x功能孔存在且孔径合格时，为合格功能孔，则判断按加工顺序前面的第1、第2……第n-x功能孔为合格功能孔，按加工顺序后面的其余功能孔为问题功能孔；

4.3）定位标记问题功能孔，记录保存所有问题功能孔的孔位、孔径、加工顺序信息，并生成返修设计文件。

举例如：孔1～13为使用同一把刀具按加工次序（1→2→…→13）逐一钻削出来的同类孔，孔1~12为功能孔，孔13为该把刀具最后加工的孔，用作测量孔。如孔13在初次测量中判定为不合格孔，则启动二次测量程序，相机采用逆向扫描方式（13→12→…→1）或（12→…→1）从同类孔中查找和确定缺陷孔直至不存在缺陷孔。

其中，初次测量结果判定，图像采集信息传送至计算机的图像采集卡，系统软件对图像进行处理，通过灰度变换、阈值处理、连通域处理，提取出目标圆区域，计算出圆直径、圆度等参数，并与设定的标准值、允许公差做对比。如果所有钻孔的偏差值在公差范围内，则判定PCB钻孔合格；如果有测量孔的偏差值超过公差范围，则判定PCB钻孔不合格。二次检测，例如初次检测PCB出现测量孔不合格（如孔13），则系统导入钻孔文件的孔位、孔径与钻孔路径等信息。在准确对位后，驱动图像采集机构，按照图中虚线所示路径，逆向运动并采集PCB板上的同类孔（同一把刀具加工出来的孔）的图像。通过模式匹配，圆检测和参数计算，做出钻孔合格与否的判断。若钻孔不合格，系统一一保存和标知缺陷孔的位置、孔径、缺陷类型等关键信息。在此需要说明的是，对于图像的采集、处理、计算、对比，属于视觉检测领域的常规技术，在此不做赘述。

本实施例紧接着再叙述一种PCB钻孔快速检修设备，包括工作台3，工作台3一侧的边缘位置设置为初次检测工位，工作台3的初次检测工位的下方设置有初次检测光源4，该初次检测光源4透过工作台3由下往上打光，对应所述工作台3，设置有多轴运动机构5，该多轴移动机构5包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构，所述Z轴运动机构上设置有检测相机6，所述检测相机6位于工作台3的上方，且该检测相机6的周围设置有二次检测光源7，该二次检测光源7跟随检测相机6并对应工作台3由上往下打光。照明部分（初次检测光源采用白色LED条形光源，通过背向照明方式（通孔处透光，不通孔处不透光），使图像亮度、暗度区分明显，并增大图像的对比度，获得目标图像（通孔）的关键特征，进一步改善图像处理的效果，并降低后续图像处理的软件开发难度。

具体地，还包括补刀机构13，该补刀机构13设置在Z轴运动机构，包括刀具固定座及刀具驱动装置。

具体地，对应工作台的初次检测工位，设置有销钉固定机构，该销钉固定机构包括第一定位销钉8、第二定位销钉9，该第一定位销钉8、第二定位销钉9分别位于初次检测工位的两侧。另外，第一定位销钉8、第二定位销钉9滑动设置，两者之间的距离可调节。滑动设置的机构具体可以包括定位销钉滑座、滑槽，定位销钉设置在滑座上，滑座设置在滑槽上，如此，便可以实现第一定位销钉8、第二定位销钉9之间的相对滑动，调节两定位销钉之间的距离。

具体地，所述工作台3为透明或非透明工作台；所述工作台3为非透明工作台时，所述工作台对应初次检测工位，设置有打光窗口，所述初次检测光源透过工作台的打光窗口由下往上打光。所述工作台3为非透明工作台是，则初次检测工位位于工作台3一侧的边缘外部，以使得工作台3不会挡住打光。

底部LED白色条形光源，背光照明方式，提高图像目标与背景的对比度。工作台3四边边缘均刻有直线，便于PCB初次检测时的边缘定位。LED光源上方的平台边缘，设置了销钉定位机构，以固定PCB初次检测时的位置，使PCB边缘测量孔处于图像采集的有效区域，便于同批次物料的重复检测。CCD工业相机、前向照明光源均安装在X轴运动机构上，由伺服电机带动精密丝杆运动，可完成PCB边缘测量孔的图像采集。工业相机可自动调焦，获得最佳图像质量，测量孔图像采集后呈现为圆特征。

工作台3通过支撑架10安装在基础平台11上，基础平台11为大理石平台，可以吸收电机运动时的冲击和振动。补刀机构安装在Z轴运动机构上，用于装夹刀具，并由电动机带动刀具，实现PCB板的钻削加工。Y轴运动机构通过伺服电机带动精密丝杆运动，精密丝杆固定在大理石基础平台的反面。X轴运动机构安装于Y轴运动机构上，X、Y两轴联动，可实现工作平台上的平面运动。二次检测，照明光源采用三色多角度照明光源，可根据物料的类型，凸显感兴趣区域的特征。另外，如附图4与附图5所示，工作台3均匀设置负压吸附孔，可避免置于平台上的PCB因振动等干扰因素而发生移位。

补刀机构安装于Z轴上，连接X轴运动机构，用于刀具装夹和钻削。Z轴上下运动，可改变钻孔深度。上部通过电动机传动，使刀具完成钻削加工。

另外，PCB钻孔快速检修设备还包括控制部分（如计算机、显示器12、软件系统）；计算机通过运动控制卡、伺服驱动器和闭环电机，精确控制X、Y、Z三轴运动机构的运动速度和位置。X、Y、Z三轴运动机构包括伺服电机、精密丝杆和滑动导轨，伺服电机驱动三轴精密丝杆沿三个方向运动。X轴运动机构的两侧通过 Y 轴滑块安装在 Y 轴导轨上， X 轴移动机构的中部通过丝杆螺母与 Y 轴丝杆连接。Y 轴导轨安装在大理石基础平台的背面，以减缓运动冲击。

在此需要说明的是，附图中检修设备设计一与设计二，在支撑架、基础平台以及工作台等部分有所差异，但基本构造与原理相似。

最后需要说明的是，本实施例如有未能详尽之处，本领技术人员根据本实施例的记载结合附图及本领域常规技术能够实现。

本实用新型并不限于上述实施方式，采用与本实用新型上述实施例相同或近似的技术特征，而得到的其他一种PCB钻孔快速检修设备，均在本实用新型的保护范围之内。