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        視覺檢測設備各項配件的使用方法

        2020-06-02 15:55:14 0

        視覺檢測設備各配件怎么使用的

        1.簡介
        位移傳感器的目的是在生產現場進行檢查(產品的形狀,厚度,高度等),并測量微米級的定位誤差。傳感器的使用提高了精確檢查和控制的水平,從而可以進行高質量的高質量制造。迄今為止,通常使用三角測量型激光位移傳感器,但是由于在安裝過程中難以調節,因此在尖端制造現場出現了一些問題,導致取決于所測量材料的誤差。為解決此類問題,我們基于2012年的新原理,將同軸白光共焦位移傳感器(型號:ZW)商業化。該傳感器結構緊湊,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產品設計的改進,精密零件和檢查項目的數量增加,因此需要以更高的速度進行更準確的檢查。

        2.白光共焦測量原理
        該產品是一種傳感器(白光共焦位移傳感器),可以通過將不同波長的光聚焦在對象高度方向上并僅通過CMOS接收聚焦在該對象上的波長的光來測量與被測對象的距離分光鏡的1)。
        該系統由光源,分支耦合器,光纖,傳感器頭,光譜儀和CPU組成,如圖1所示。傳感器頭包含一個衍射透鏡和一個物鏡,而光譜儀包含一個衍射光柵和一個CMOS。


        來自白光源的光通過分支耦合器和光纖進入傳感器頭。光通過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系統,從物體反射的光會聚在光纖上,因此只有聚焦在對象上的特定波長的光會聚在連接到傳感器頭的光纖上并進入光譜儀。例如,在圖1的情況下,因為綠光會聚在被測物體上,所以只有綠光進入分光鏡。另一方面,紅色和藍色的光不會聚集在物體上,因此光不會聚集在光纖上,也不會進入光譜儀。進入光譜儀的光被衍射光柵分開,
        與傳統技術相比,該原理具有以下優點:

        (1)白光共焦距離傳感器是同軸光學系統,因此與常規激光位移傳感器相比,即使在光滑表面上具有較陡的角度,也可以測量其形狀。圖2示出了測量透鏡形狀的結果。我們發現,與常規類型相比,可以進行擴展形狀測量范圍的測量。因此,即使對于平坦的物體,也可以通過簡單的安裝來進行測量。
        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)使用常規的激光位移傳感器,光接收波形根據材料而變化,并且由于物體上的束斑中的光強度分布直接投射在CMOS上而可能發生測量誤差。相反,對于白光共焦位移傳感器,在任何給定點的光強度分布都不是問題,即使材料不同,也可以以相同的精度進行測量,因為距離是根據光源的波長計算得出的反射光。



        3.技術問題
        例如,在檢查智能手機的組裝狀態時,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,檢查點的數量增加,因此需要更高的速度和更高的精度。為了滿足客戶的需求,我們必須改進白光共焦技術,并開發出速度更快,精度更高的位移傳感器。

        3.1關于白光共聚焦技術中高精度測量的問題
        圖4示出了最大表面粗糙度為3.2μmRz的不銹鋼材料(稱為SUS)的掃描測量結果。問題在于,當被測物的表面粗糙度為3.2μm以上時,會發生測量誤差,并且在掃描時不能穩定地進行測量。在本文中,將實際表面粗糙度值或更高出現的測量

        誤差的標準偏差的四倍(4σ)定義為掃描測量的色散。




        3.2關于白光共聚焦技術中高速測量的問題
        由于在照射光的波長元素中僅使用對應于距離的特定波長元素的原理,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,則存在不能確保測量所需的足夠量的接收光的問題。對于被測物體的反射率為10%的情況,過去

        需要500μsec來確保足夠的接收光量。因此,臨界移動速度為20 mm / s,以10μm的間距進行掃描測量。為了解決該問題,可以考慮擴大構成導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,測量值的分散越大,因此,出現降低測量精度的缺點。

        4.技術細節
        在本節中,以下三個主題被認為是提高準確性以減少測量偏差的方法:

        (1)景深
        A的減小接收光波形的半值寬度的減小減小了測量誤差。(2)通過波形斜率算法
        進行誤差校正通過使用接收光波形的斜率校正測量誤差。(3)使用多根光纖2)
        增加對象的測量范圍可以消除對象的不均勻性并減少任何測量誤差。
        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自光接收元件的噪聲的降低。技術細節如下所述。
        4.1降低景深以實現更高的測量精度
        關于白光共焦位移傳感器,光投射束在被測量物體的高度方向上分離,因此,當景深較小時,所接收的光的波長寬度較小。因此,我們認為接收光波形的半值寬度變薄,并且測量誤差減小了。實驗結果表明,景深的增加擴大了掃描測量的色,




        根據上述公式,對于增加景深而言,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量中心距離(對于測量范圍為19到21 mm的位移傳感器,將其表示為測量中心距離為20 mm的位移傳感器)后,確定物鏡,然后根據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倍時的初步計算結果。

        表1測量中心距離為20 mm的傳感器頭的景深
        設計參數    與常規類型的比率
        衍射透鏡的NA    0.65倍
        物鏡不適用    1.54倍
        景深    0.27倍
        4.2高精度測量中校正波形斜率的算法
        在第4.1節中,描述了光學系統精度的提高,并且還考慮了算法的使用。關于掃描測量的分散,如圖7所示,由于被檢體的不平整,來自被測<br/>體的反射光的波長發生變化。因此,在接收光波形中產生失真,并且假定產生測量誤差。
        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,我們根據接收光波形計算出波形斜率。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,然后將通過這些坐標的直線的斜率定義為波形斜率。
        我們發現接收光波形的斜率與測量誤差的標準偏差(掃描測量的色散)的四倍之間具有很高的相關性(相關系數:R = 0.94),如圖9所示。因此,我們發明了一種算法通過計算接收光波形的斜率,基于該斜率推定測量誤差,然后從測量值中減去計算值,以減小測量誤差。

        圖7由于被測物的不平整引起的接收光波形失真
        圖7由于被測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波形斜率與測量誤差的關系
        圖9波形斜率與測量誤差的關系
        4.3用于高速和高精度測量的多光纖
        本節介紹多纖維,它具有高速和高精度的優點。通過這種技術,我們認為可以增加接收功率,可以平整被測物體的輕微不均勻性,并且可以通過使用多根保持纖芯的光纖來穩定地進行測量。圖10示出了該技術的系統配置。


        換句話說,我們可以預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量的色散提高兩倍。

        4.4增強亮度并降低噪聲以進行高速測量
        除了使用多纖維接收到的四倍的光量外,我們還考慮了增強亮度并減少了來自白色LED /光接收元件的噪聲,從而進一步增加了接收到的光量。通過選擇能夠進行高速成像的接收光元件設備并在整個測量過程中使用現場可編程門陣列(FPGA),可以實現最大20μsec的高速測量,因為增加單獨接收的光量可以無法實現高速測量。圖11示出了傳統傳感器和新傳感器的LED亮度。最多5。

        圖12示出了將來自傳統傳感器的噪聲與來自將要使用的光接收元件(新傳感器)的噪聲進行比較的結果。與傳統傳感器相比,來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通過使用多纖維和降低景深來實現高精度的效果
        圖13顯示了使用具有單芯光纖的傳統傳感器和具有四芯多光纖的傳感器頭減小了景深的標準粗糙度為3.2μmRz的標準粗糙度件的掃描測量結果的掃描測量結果的分散情況。 。掃描測量的色散提高了約5.7倍,這是因為4σ的掃描測量值的色散在傳統傳感器中為18.1μm,在新傳感器中為3.1μm。此外,新傳感器的結果與標準件的3.2μmRZ值幾乎相同,這使我們相信形狀已正確測量。

        圖13常規傳感器和新型傳感器的掃描測量結果分散
        圖13常規傳感器和新型傳感器的掃描測量結果分散
        5.2通過校正波形斜率的算法進行高精度增強的結果
        圖14示出了在對3.2μm的Rz的標準粗糙度片進行掃描測量并且根據接收光波形的斜率確定校正值之后的測量值校正的結果。我們確認掃描測量值的偏差在校正之前的最大值和最小值之間大約為9μm,而在校正之后變為3μm,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量結果的色散比較結果
        圖14校正波形斜率前后掃描測量結果的色散比較結果
        5.3速度提高的結果
        表2顯示了速度提高的結果,該結果由每個設備接收的光量表示。結果達到了總數的11.7倍。表3列出了接收到的光量以及測量反射鏡最快的采樣時間。接收到的光量是常規量的12.5倍,幾乎與每個設備接收到的光量相同,并且該值的測量時間為20微秒,這是最快的采樣時間。對于反射率被測量為10%的物體,僅需要20微秒即可接收測量所需的光量。因此,即使以500mm / s的移動速度進行掃描測量,也可以以10μm的間距測量被測物體。

        表2速度增加的結果
        項目    接收到的光量
        白光LED發光    與傳統型號相比,是5.1倍
        多纖維    是傳統型號的4倍
        低噪聲CMOS    是傳統型號的2.3倍
        傳感器頭的透射率    0.25倍于傳統型號
        總    是傳統型號的11.7倍
        表3用反射鏡測量的光量結果
        接收功率/微秒    最快的采樣時間
        常規傳感器    48    500微秒
        新傳感器    600    20微秒
        六,結論
        與傳統模型相比,我們實現了5.7倍或更高的高精度測量,采樣速度高達20微秒,這比傳統模型快25倍,如第5節所示。通過引入多芯光纖和一種減小視場深度并校正波形斜率的算法作為同軸白光共焦技術,然后我們將基于ZW-7000系列的位