Методы измерения плоскостности в сравнении: плита, координатно-измерительная машина, машинное зрение, конфокальный датчик

Не существует отдельного прибора «для плоскостности». Плоскостность — производная величина, поэтому выбрать, как её измерять, на деле означает выбрать, как надёжно и эффективно получить это множество точек.

Маршруты существенно различаются по диапазону измерения, достижимой плотности точек, работе со сложными материалами и времени на деталь. Ошибка здесь стоит дороже денег. Обычный исход — измерения, которые нельзя использовать: плавающие числа, партии, которые нельзя сравнить, и разные люди, получающие разные результаты. Ниже — пять маршрутов и их границы.

Маршрут первый: поверочная плита с плоским щупом или индикатором

Деталь устанавливают на базовую плиту и либо протаскивают под ней плоские щупы, либо перемещают индикатор по поверхности и берут разницу между наибольшим и наименьшим показанием.

Преимущества реальны: минимальная стоимость, питание не требуется, работать можно прямо в цехе. Ограничения столь же реальны. Метод даёт максимальный зазор или разброс показаний, а не форму поверхности. Он сильно зависит от чувства и стабильности оператора. Он рискует деформировать податливые или тонкостенные детали. И он не даёт ничего, что можно проследить впоследствии. Используйте его для быстрого отсева, но не как единственное основание для решения о судьбе детали и тем более не как источник данных для улучшения процесса.

Маршрут второй: координатно-измерительная машина

Контактный щуп проходит по запланированной траектории, а ПО выполняет аппроксимацию результата. Это наиболее устоявшийся маршрут в традиционной метрологии.

Он даёт лучшее сочетание точности и прослеживаемости, хорошо работает как арбитражный метод и позволяет оценить широкий набор геометрических допусков в одной установке. Против него: получение точек по одной означает, что больше точек — больше времени; усилие щупа по-прежнему влияет на мягкие материалы; требования к температуре строгие; а капитальные затраты и расходы на обслуживание существенны. Оставьте его для оценки первой детали, арбитража в спорах и случаев, требующих формальной прослеживаемости.

Маршрут третий: машинное зрение и измерение по одному снимку

Плоскостная камера захватывает всё поле сразу, ПО извлекает большое число кромок и элементов, а автоматическое распознавание и автофокусировка выполняют множество элементов за один цикл.

Преимущество — эффективность получения данных: один снимок покрывает много элементов, что подходит для мелкосерийной работы с широкой номенклатурой и для повторных измерений. Метод бесконтактный, поэтому нет отжатия щупа, а формирование отчётности сильно автоматизировано. Ограничение в том, что двухмерная визуализация по своей природе не несёт информации о высоте, поэтому для плоскостности требуется дополнительное средство получения высоты или 3D-съёма; прозрачные и сильно отражающие поверхности тоже требуют продуманной схемы освещения. POMEAS позиционирует серию MX как многосенсорную платформу, которая восполняет это недостающее третье измерение.

Маршрут четвёртый: хроматическое конфокальное измерение перемещений

Широкополосный источник разлагается так, что каждая длина волны фокусируется на своём осевом расстоянии. Эффективно возвращается только та длина волны, которая сфокусирована точно на поверхности, и максимум возвращённого спектра кодирует расстояние.

Сильные стороны — высокое разрешение при очень малом пятне, допустимость прозрачных и сильно отражающих поверхностей, а также возможность раздельной фокусировки на верхнюю и нижнюю поверхности прозрачного материала, что и есть физическая основа измерения толщины прозрачных деталей. Ограничения таковы: метод работает в одной точке, поэтому покрытие больших площадей требует координатного стола или решётки головок, а малые базовые расстояния ограничивают конструирование оснастки.

Семейство POMEAS SFS показывает обычный компромисс между диапазоном и точностью. Задокументированные величины: SFS-D108 имеет диапазон +/- 0.05 mm при заявленной повторяемости 3 nm; SFS-D410 — +/- 0.2 mm при 12 nm; SFS-D606 — +/- 0.3 mm при 16 nm; SFS-D1220 — +/- 0.6 mm при 30 nm; SFS-D2615 — +/- 1.3 mm при 50 nm. Большие диапазоны, как правило, сопровождаются менее жёсткой заявленной повторяемостью, поэтому выбирайте исходя из той вариации высоты, которую реально нужно покрыть.

Маршрут пятый: интегрированное измерение высоты

Установка датчика высоты непосредственно в систему измерения по изображению объединяет 2D-размеры и данные о высоте в одном рабочем процессе. Ценность здесь не в рекорде одиночной точки, а во встраивании оценки плоскостности в уже существующий выборочный контроль размеров, что устраняет второе закрепление и второй проход.

Внимательно следите за границей применимости. Измерение высоты не является стандартным для всей серии. В семействе IMAGE 3 только модели MAX и MAX2 задокументированы как поддерживающие измерение высоты точечно-спектральным конфокальным методом 8055, при рабочем расстоянии 55 mm и диапазоне +/- 3 mm. Всегда подтверждайте конкретную модель и конфигурацию датчика, а не предполагайте, что всё семейство обладает одним набором возможностей.

Сравнение маршрутов

Эта таблица качественная, и её задача — сузить поле выбора. Соответствует ли конкретная конфигурация конкретному допуску, нужно подтверждать измерением реальных образцов на этой конфигурации.

Три повторяющиеся ошибки при выборе

Первая — идти от заглавной цифры спецификации: увидеть повторяемость 3 nm и решить, что это решает всё, упустив, что диапазон равен +/- 0.05 mm. Сначала диапазон должен покрыть реальную вариацию высоты; точность становится осмысленной только после этого.

Вторая — оценивать прибор вместо схемы. Количество точек имеет значение, но не меньше значат то, какие точки взяты, и то, как они аппроксимированы. Одно и то же оборудование при разных соглашениях может вернуть существенно разные значения плоскостности.

Третья — игнорировать время цикла и контур данных. То, что прекрасно измеряет в лаборатории, может не успеть на линии или порождать числа, которые никто не сохраняет. Рабочая схема должна отвечать сразу на два вопроса: как часто появляется результат и куда он уходит.

Дополнительные материалы

Подробности на уровне принципа действия для каждого маршрута — в статьях о сравнении бесконтактных методов измерения перемещений, о конфокальном принципе и о том, как читать спецификацию точности мгновенного измерения. Прозрачные детали рассмотрены отдельно в другой части этой серии.

Связанные продукты и примечания по конфигурации

• POMEAS MX Автоматическая измерительная машина машинного зрения - Многосенсорная платформа, сочетающая оптическое измерение с опциональными измерительными модулями
• POMEAS IMAGE 3 Система мгновенного измерения машинным зрением - Модели MAX и MAX2 задокументированы для измерения высоты точечно-спектральным конфокальным методом при рабочем расстоянии 55 mm
• Хроматический конфокальный датчик SFS-D108 - Диапазон +/- 0.05 mm; заявленная повторяемость 3 nm — самый высокоточный уровень семейства
• Хроматический конфокальный датчик SFS-D1220 - Базовое расстояние 20 mm, диапазон +/- 0.6 mm, заявленная повторяемость 30 nm

Читайте также

• Контроль плоскостности прозрачной пластиковой детали: что на самом деле показывают два набора данных
• Две зоны плоскостности — два противоположных вердикта на одной детали
• Плоскостность вне допуска: путь поиска причин, который действительно работает
• Что на самом деле означает плоскостность и с чем её чаще всего путают
• Повторяемость — это не точность: как честно читать размах, сигму и Cpk
• Как выбрать оборудование для контроля плоскостности: метод пяти шагов наоборот
• Точечно-спектральный конфокальный метод для прозрачных пластиков: преимущества, ограничения и четыре ошибки
• Многоточечная или одиночная плоскостность: выбираем способ сбора точек
• Откуда берётся коробление литых деталей
• Превращение данных контроля в решения: четыре ступени обработки

Часто задаваемые вопросы

Может ли 2D-визуализация сама по себе измерить плоскостность?

Нет. Двухмерное изображение не несёт измерения по высоте, поэтому плоскостность нельзя оценить по нему напрямую. Чтобы выполнить задачу на одной платформе, нужно дополнительное получение высоты — точечно-спектральный конфокальный модуль, конфокальная головка белого света или иной метод 3D-съёма. Всегда уточняйте у поставщика, входит ли это в конкретную модель.

Контактный или бесконтактный метод — как выбрать?

Исходите из жёсткости и чувствительности поверхности. Мягкие, тонкостенные, легко оставляющие след поверхности и поверхности с высокой чистотой обработки склоняют к бесконтактному методу. Жёсткие детали, безразличные к умеренному усилию щупа, могут воспользоваться прослеживаемостью и малой неопределённостью одиночной точки, которую всё ещё даёт контакт. Остальное решают время цикла и бюджет.

Почему для прозрачных деталей рекомендуют конфокальный метод?

Потому что он определяет расстояние по максимуму спектра, а не по границе интенсивности на изображении, и потому что может раздельно фокусироваться на верхней и нижней поверхностях прозрачного материала, никогда не касаясь его. Это сочетание подходит для работы с высотой и толщиной прозрачных деталей. Подходит ли оно вашей конкретной детали — по-прежнему вопрос испытания образца.

Что означает базовое расстояние?

Это номинальный зазор от головки датчика до объекта, который следует поддерживать при установке. Он определяет пространство и ход, которые нужно заложить в конструкцию, и ограничивает то, какое расстояние остаётся в пределах диапазона измерения. Прежде чем выбирать модель, убедитесь, что линия способна надёжно выдерживать этот зазор.

Обязательно ли крупной детали нужно много датчиков?

Не обязательно. Одна головка с координатным столом и синхронизированная решётка датчиков — оба варианта рабочие. Первый дешевле и работает медленнее; второй быстрее, но дороже по оборудованию и синхронизации. Решают площадь, требуемая плотность точек и бюджет цикла. Многоканальные контроллеры поддерживают несколько головок одновременно, хотя скорость выборки на канал, как правило, падает по мере добавления каналов.

Что следует передать поставщику до подготовки предложения?

Реальные детали или чертежи, участки для оценки с их допусками, материал и состояние поверхности, целевое время цикла и форму, в которой вы хотите получить данные. Чем полнее задание, тем ближе к делу окажется первое предложение и тем меньше круговых пересылок образцов.