Ein 4-Achs-Lasermesssystem wurde zwar speziell für die Kontrolle in der Leiterplattenbestückung entwickelt, lässt sich aber auch für ähnliche Messungen in anderen Situationen einsetzen: Es eignet sich beispielsweise für Werkzeugmaschinen, wenn hohe Präzision erforderlich ist.
Der Autor Dr. ir. Henny A.M. Spaan ist Geschäftsführer der IBS Precision Engineering BV, NL-Best
Eine absolut korrekt positionierte Leiterplatte ist in der Bestückungsphase die Voraussetzung für eine erfolgreiche Montage. Deshalb hat das Ingenieurbüro IBS im Auftrag der Philips-Tochter Assembléon das System Elsa (EMT Laser-Scale-System-Analyser) für die dynamische Präzi-sionsmessung in der Leiterplattenbestückung entwickelt. Es misst die Position der sich bewegenden Leiterplatte mit einer Sampling-Frequenz von 1 kHz und liest sie aus. Zudem kann das System gleichzeitig über vier Achsen Messungen ausführen: Nicken, Gieren, Geradheit und Position. Außerdem berücksichtigt es Verschiebungen beim Transport der Leiterplatte und erreicht eine örtliche Auflösung von 0,1 µm bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s.
Elsa beinhaltet das Messsystem und die Analysesoftware. Die Leiterplatte wird beim Transport durch die Maschine von zwei Laser-Scale-Systemen von Reni-shaw erfasst. Jedes besteht aus zwei 2-achsigen Lasereinheiten, welche per Glasfaserkabel mit den Detektorköpfen verbunden sind und Position, Geradheit und Rotation messen.
Das System basiert auf linearer Messung per Laserinterferometer: Ein Laserstrahl passiert den Reflektor-Strahlteiler. Ein Teil des Lichts wird reflektiert, während der andere auf das Messobjekt fällt und zurückgeworfen wird. Die zwei reflektierten Strahlen werden zur Interferenz gebracht, aus dessen Muster sich der Abstand zwischen Strahlteiler und Objekt bestimmen lässt.
Geradheit und Winkelabweichung
Zum Messen der Geradheit passiert der Laserstrahl ein bewegliches Wollaston-Prisma. Der geteilte Strahl wird auf einen Geradheitsreflektor gelenkt und zur Laserquelle reflektiert. Bei Geradheitsabweichungen ist der zurückgelegte Weg des geteilten Strahls unterschiedlich – es bildet sich ein Interferenzmuster. Da sich genau so auch eine Winkelabweichung feststellen lässt, erhält der Anwender mit einem Gerät Informationen über verschiedene Abweichungsarten.
Strahl-Aufweiter sorgen dafür, dass der Durchmesser des Laserstrahls auf 3 mm verdoppelt wird, um laterale Abweichungen der Leiterplatte bis ±1 mm festzustellen. Das entspricht der Forderung, dass der Laserstrahl der Optik über den gesamten Transportweg der Leiterplatte folgt.
Optik für die Leiterplatten
Die Optik der Leiterplatten besteht aus zwei Reflektoren und einem Wollaston-Prisma. Zwei der drei ausgesandten Strahlen werden nach Verbreiterung von den Reflektoren zurückgeworfen, einer wird vom Geradheitsreflektor gespiegelt.
IBS hat zwei Optikmodule entworfen, die zwei oder drei Kanäle aufweisen. Das erste eignet sich für Leiterplatten mit einer minimalen Breite von 74 mm, das zweite lässt sich für Breiten ab 50 mm verwenden.
Das Verhalten beim Transport lässt sich auf zwei Arten messen: Beim statischen Messen wird die Leiterplatte an verschiedene Positionen verfahren. Pro Position werden die Messresultate erfasst und gespeichert. Beim dynamischen Messen werden alle Resultate kontinuierlich registriert. In beiden Fällen erstellt die Software Analysegrafiken.
Ausrichtung und Dispersion
Zum Ausrichten wurden zwei positionsempfindliche Sensoren eingesetzt. Diese messen die Position dort, wo der Laserstrahl in zwei Richtungen eintritt. Der Laser wird nun schnell mit Justierungsschrauben eingestellt. Dabei müssen die Umgebungseinflüsse beachtet werden, denn bereits kleine Änderungen können die Messresultate stark beeinflussen: Die Wellenlänge des Lasers hängt vom Brechungsindex der Luft ab. Ein Temperaturanstieg von 1 °C führt beispielsweise zu einer Erhöhung der Laserwellenlänge von fast 0,0001 %. Erhöhter Luftdruck reduziert die Wellenlänge und umgekehrt. Eine Renishaw-Einheit kompensiert durch Änderung der Pulszahl diese Einflussfaktoren für jeden Messwert.
Weitere Informationen
Lasermesssystem Elsa
KEM 455
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