2020-12-28 17:00:17 0
視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備各配件怎么使用的
1.簡(jiǎn)介
位移傳感器的目的是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查（產(chǎn)品的形狀，厚度，高度等），并測(cè)量微米級(jí)的定位誤差。傳感器的使用提高了精確檢查和控制的水平，從而可以進(jìn)行高質(zhì)量的高質(zhì)量制造。迄今為止，通常使用三角測(cè)量型激光位移傳感器，但是由于在安裝過(guò)程中難以調(diào)節(jié)，因此在尖端制造現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，導(dǎo)致取決于所測(cè)量材料的誤差。為解決此類問(wèn)題，我們基于2012年的新原理，將同軸白光共焦位移傳感器（型號(hào)：ZW）商業(yè)化。該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，
最近，由于重量和尺寸的減小以及提供更高性能的更薄智能手機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)，精密零件和檢查項(xiàng)目的數(shù)量增加，因此需要以更高的速度進(jìn)行更準(zhǔn)確的檢查。
2.白光共焦測(cè)量原理
該產(chǎn)品是一種傳感器（白光共焦位移傳感器），可以通過(guò)將不同波長(zhǎng)的光聚焦在對(duì)象高度方向上并僅通過(guò)CMOS接收聚焦在該對(duì)象上的波長(zhǎng)的光來(lái)測(cè)量與被測(cè)對(duì)象的距離分光鏡的1）。
該系統(tǒng)由光源，分支耦合器，光纖，傳感器頭，光譜儀和CPU組成，如圖1所示。傳感器頭包含一個(gè)衍射透鏡和一個(gè)物鏡，而光譜儀包含一個(gè)衍射光柵和一個(gè)CMOS。
來(lái)自白光源的光通過(guò)分支耦合器和光纖進(jìn)入傳感器頭。光通過(guò)傳感器頭中的衍射透鏡在物體的高度方向上分離。由于傳感器頭是共焦光學(xué)系統(tǒng)，從物體反射的光會(huì)聚在光纖上，因此只有聚焦在對(duì)象上的特定波長(zhǎng)的光會(huì)聚在連接到傳感器頭的光纖上并進(jìn)入光譜儀。例如，在圖1的情況下，因?yàn)榫G光會(huì)聚在被測(cè)物體上，所以只有綠光進(jìn)入分光鏡。另一方面，紅色和藍(lán)色的光不會(huì)聚集在物體上，因此光不會(huì)聚集在光纖上，也不會(huì)進(jìn)入光譜儀。進(jìn)入光譜儀的光被衍射光柵分開(kāi)，
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該原理具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）白光共焦距離傳感器是同軸光學(xué)系統(tǒng)，因此與常規(guī)激光位移傳感器相比，即使在光滑表面上具有較陡的角度，也可以測(cè)量其形狀。圖2示出了測(cè)量透鏡形狀的結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)類型相比，可以進(jìn)行擴(kuò)展形狀測(cè)量范圍的測(cè)量。因此，即使對(duì)于平坦的物體，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的安裝來(lái)進(jìn)行測(cè)量。
圖2激光位移傳感器與白光共焦位移傳感器的角度特性比較
圖2激光位移傳感器與白光共焦位移傳感器的角度特性比較
（2）使用常規(guī)的激光位移傳感器，光接收波形根據(jù)材料而變化，并且由于物體上的束斑中的光強(qiáng)度分布直接投射在CMOS上而可能發(fā)生測(cè)量誤差。相反，對(duì)于白光共焦位移傳感器，在任何給定點(diǎn)的光強(qiáng)度分布都不是問(wèn)題，即使材料不同，也可以以相同的精度進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)榫嚯x是根據(jù)光源的波長(zhǎng)計(jì)算得出的反射光。
3.技術(shù)問(wèn)題
例如，在檢查智能手機(jī)的組裝狀態(tài)時(shí)，由于甚至比以前需要更高的組裝精度，并且由于重量和尺寸的減小，檢查點(diǎn)的數(shù)量增加，因此需要更高的速度和更高的精度。為了滿足客戶的需求，我們必須改進(jìn)白光共焦技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出速度更快，精度更高的位移傳感器。
3.1關(guān)于白光共聚焦技術(shù)中高精度測(cè)量的問(wèn)題
圖4示出了最大表面粗糙度為3.2μmRz的不銹鋼材料（稱為SUS）的掃描測(cè)量結(jié)果。問(wèn)題在于，當(dāng)被測(cè)物的表面粗糙度為3.2μm以上時(shí)，會(huì)發(fā)生測(cè)量誤差，并且在掃描時(shí)不能穩(wěn)定地進(jìn)行測(cè)量。在本文中，將實(shí)際表面粗糙度值或更高出現(xiàn)的測(cè)量
誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差的四倍（4σ）定義為掃描測(cè)量的色散。
3.2關(guān)于白光共聚焦技術(shù)中高速測(cè)量的問(wèn)題
由于在照射光的波長(zhǎng)元素中僅使用對(duì)應(yīng)于距離的特定波長(zhǎng)元素的原理，所以白光共聚焦法使用光的效率較低。例如，如果提高采樣速度以更高速度檢查物體的表面形狀，則存在不能確保測(cè)量所需的足夠量的接收光的問(wèn)題。對(duì)于被測(cè)物體的反射率為10％的情況，過(guò)去
需要500μsec來(lái)確保足夠的接收光量。因此，臨界移動(dòng)速度為20 mm / s，以10μm的間距進(jìn)行掃描測(cè)量。為了解決該問(wèn)題，可以考慮擴(kuò)大構(gòu)成導(dǎo)光單元的光纖的芯的方法。增大的纖芯允許傳播更多的光，但是根據(jù)白光共聚焦方法的原理，接收光波形的半值寬度變大。半值寬度越大，測(cè)量值的分散越大，因此，出現(xiàn)降低測(cè)量精度的缺點(diǎn)。
4.技術(shù)細(xì)節(jié)
在本節(jié)中，以下三個(gè)主題被認(rèn)為是提高準(zhǔn)確性以減少測(cè)量偏差的方法：
（1）景深
A的減小接收光波形的半值寬度的減小減小了測(cè)量誤差。（2）通過(guò)波形斜率算法
進(jìn)行誤差校正通過(guò)使用接收光波形的斜率校正測(cè)量誤差。（3）使用多根光纖2）
增加對(duì)象的測(cè)量范圍可以消除對(duì)象的不均勻性并減少任何測(cè)量誤差。
作為提高速度的方法，我們還考慮了多纖維的使用，光源亮度的提高以及來(lái)自光接收元件的噪聲的降低。技術(shù)細(xì)節(jié)如下所述。
4.1降低景深以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度
關(guān)于白光共焦位移傳感器，光投射束在被測(cè)量物體的高度方向上分離，因此，當(dāng)景深較小時(shí)，所接收的光的波長(zhǎng)寬度較小。因此，我們認(rèn)為接收光波形的半值寬度變薄，并且測(cè)量誤差減小了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，景深的增加擴(kuò)大了掃描測(cè)量的色，
根據(jù)上述公式，對(duì)于增加景深而言，希望減小衍射透鏡的NA并增大物鏡的NA。確定傳感器頭和物體之間的測(cè)量中心距離（對(duì)于測(cè)量范圍為19到21 mm的位移傳感器，將其表示為測(cè)量中心距離為20 mm的位移傳感器）后，確定物鏡，然后根據(jù)制造極限確定物鏡的NA。因此，確定外部尺寸，并且確定衍射透鏡的NA。
表1列出了在使用景深為20 mm的傳感頭的情況下將景深減小至0.27倍時(shí)的初步計(jì)算結(jié)果。
表1測(cè)量中心距離為20 mm的傳感器頭的景深
設(shè)計(jì)參數(shù) 與常規(guī)類型的比率
衍射透鏡的NA 0.65倍
物鏡不適用 1.54倍
景深 0.27倍
4.2高精度測(cè)量中校正波形斜率的算法
在第4.1節(jié)中，描述了光學(xué)系統(tǒng)精度的提高，并且還考慮了算法的使用。關(guān)于掃描測(cè)量的分散，如圖7所示，由于被檢體的不平整，來(lái)自被測(cè)<br/>體的反射光的波長(zhǎng)發(fā)生變化。因此，在接收光波形中產(chǎn)生失真，并且假定產(chǎn)生測(cè)量誤差。
因此，我們考慮如果可以量化接收光波形的失真，則可以校正并減少誤差。然后，我們根據(jù)接收光波形計(jì)算出波形斜率。具體地，如圖8所示，我們獲得了具有接收光波形的峰值功率的70％和30％的線的中心位置，然后將通過(guò)這些坐標(biāo)的直線的斜率定義為波形斜率。
我們發(fā)現(xiàn)接收光波形的斜率與測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差（掃描測(cè)量的色散）的四倍之間具有很高的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)：R = 0.94），如圖9所示。因此，我們發(fā)明了一種算法通過(guò)計(jì)算接收光波形的斜率，基于該斜率推定測(cè)量誤差，然后從測(cè)量值中減去計(jì)算值，以減小測(cè)量誤差。
圖7由于被測(cè)物的不平整引起的接收光波形失真
圖7由于被測(cè)物的不平整引起的接收光波形失真
圖8接收光波形和波形斜率
圖8接收光波形和波形斜率
圖9波形斜率與測(cè)量誤差的關(guān)系
圖9波形斜率與測(cè)量誤差的關(guān)系
4.3用于高速和高精度測(cè)量的多光纖
本節(jié)介紹多纖維，它具有高速和高精度的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)這種技術(shù)，我們認(rèn)為可以增加接收功率，可以平整被測(cè)物體的輕微不均勻性，并且可以通過(guò)使用多根保持纖芯的光纖來(lái)穩(wěn)定地進(jìn)行測(cè)量。圖10示出了該技術(shù)的系統(tǒng)配置。
換句話說(shuō)，我們可以預(yù)期使用四根光纖將接收到的光量增加三倍，并且使四根光纖拉平的效果可以將掃描測(cè)量的色散提高兩倍。
4.4增強(qiáng)亮度并降低噪聲以進(jìn)行高速測(cè)量
除了使用多纖維接收到的四倍的光量外，我們還考慮了增強(qiáng)亮度并減少了來(lái)自白色LED /光接收元件的噪聲，從而進(jìn)一步增加了接收到的光量。通過(guò)選擇能夠進(jìn)行高速成像的接收光元件設(shè)備并在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），可以實(shí)現(xiàn)最大20μsec的高速測(cè)量，因?yàn)樵黾訂为?dú)接收的光量可以無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量。圖11示出了傳統(tǒng)傳感器和新傳感器的LED亮度。最多5。
圖12示出了將來(lái)自傳統(tǒng)傳感器的噪聲與來(lái)自將要使用的光接收元件（新傳感器）的噪聲進(jìn)行比較的結(jié)果。與傳統(tǒng)傳感器相比，來(lái)自光接收元件的噪聲降低了約0.66倍，因此，信噪比提高了1.5倍。另外，接收到的光量與信噪比的平方成正比，并且以接收到的光量表示，可獲得約2.3倍的效果。
5.效果
5.1通過(guò)使用多纖維和降低景深來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的效果
圖13顯示了使用具有單芯光纖的傳統(tǒng)傳感器和具有四芯多光纖的傳感器頭減小了景深的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度為3.2μmRz的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度件的掃描測(cè)量結(jié)果的掃描測(cè)量結(jié)果的分散情況。 。掃描測(cè)量的色散提高了約5.7倍，這是因?yàn)?σ的掃描測(cè)量值的色散在傳統(tǒng)傳感器中為18.1μm，在新傳感器中為3.1μm。此外，新傳感器的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)件的3.2μmRZ值幾乎相同，這使我們相信形狀已正確測(cè)量。
圖13常規(guī)傳感器和新型傳感器的掃描測(cè)量結(jié)果分散
圖13常規(guī)傳感器和新型傳感器的掃描測(cè)量結(jié)果分散
5.2通過(guò)校正波形斜率的算法進(jìn)行高精度增強(qiáng)的結(jié)果
圖14示出了在對(duì)3.2μm的Rz的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度片進(jìn)行掃描測(cè)量并且根據(jù)接收光波形的斜率確定校正值之后的測(cè)量值校正的結(jié)果。我們確認(rèn)掃描測(cè)量值的偏差在校正之前的最大值和最小值之間大約為9μm，而在校正之后變?yōu)?μm，這意味著精度提高了大約三倍。
圖14校正波形斜率前后掃描測(cè)量結(jié)果的色散比較結(jié)果
圖14校正波形斜率前后掃描測(cè)量結(jié)果的色散比較結(jié)果
5.3速度提高的結(jié)果
表2顯示了速度提高的結(jié)果，該結(jié)果由每個(gè)設(shè)備接收的光量表示。結(jié)果達(dá)到了總數(shù)的11.7倍。表3列出了接收到的光量以及測(cè)量反射鏡最快的采樣時(shí)間。接收到的光量是常規(guī)量的12.5倍，幾乎與每個(gè)設(shè)備接收到的光量相同，并且該值的測(cè)量時(shí)間為20微秒，這是最快的采樣時(shí)間。對(duì)于反射率被測(cè)量為10％的物體，僅需要20微秒即可接收測(cè)量所需的光量。因此，即使以500mm / s的移動(dòng)速度進(jìn)行掃描測(cè)量，也可以以10μm的間距測(cè)量被測(cè)物體。
表2速度增加的結(jié)果
項(xiàng)目 接收到的光量
白光LED發(fā)光 與傳統(tǒng)型號(hào)相比，是5.1倍
多纖維 是傳統(tǒng)型號(hào)的4倍
低噪聲CMOS 是傳統(tǒng)型號(hào)的2.3倍
傳感器頭的透射率 0.25倍于傳統(tǒng)型號(hào)
總 是傳統(tǒng)型號(hào)的11.7倍
表3用反射鏡測(cè)量的光量結(jié)果
接收功率/微秒 最快的采樣時(shí)間
常規(guī)傳感器 48 500微秒
新傳感器 600 20微秒
六，結(jié)論
與傳統(tǒng)模型相比，我們實(shí)現(xiàn)了5.7倍或更高的高精度測(cè)量，采樣速度高達(dá)20微秒，這比傳統(tǒng)模型快25倍，如第5節(jié)所示。通過(guò)引入多芯光纖和一種減小視場(chǎng)深度并校正波形斜率的算法作為同軸白光共焦技術(shù)，然后我們將基于ZW-7000系列的位
