Точечно-спектральный конфокальный метод для прозрачных пластиков: преимущества, ограничения и четыре ошибки

Прозрачный пластик не поддаётся измерению по простой причине: быть видимым — не то же самое, что быть измеримым. Обычное построение изображения решает, где находится кромка, сравнивая интенсивности пикселей, а прозрачный материал позволяет тому, что находится за деталью, вносить вклад в эти интенсивности. Система теряет опору.

Точечно-спектральный конфокальный метод предлагает иную предпосылку. Он не ищет кромку, он измеряет расстояние. Этот сдвиг как раз хорошо совпадает с рядом специфических трудностей, которые представляют прозрачные детали.

Принцип: почему прозрачность перестаёт быть проблемой

Метод использует дисперсию. В оптической системе разные длины волн фокусируются на разных осевых положениях. Когда широкополосный свет достигает поверхности, эффективно возвращается только та длина волны, которая фокусируется точно на ней; остальные расфокусированы.

Анализ максимума возвращённого спектра даёт осевое положение поверхности. Ничто в этом не зависит от границы интенсивности на изображении, поэтому метод допускает прозрачные, полупрозрачные и блестящие поверхности. Кроме того, на прозрачном материале верхняя и нижняя поверхности дают каждая своё идентифицируемое отражение — что и есть физическая основа измерения толщины прозрачных деталей.

Четыре параметра, которые важнее цифр

Эти четыре возникают в каждом выборе, и понять их важнее, чем запомнить значения.

Рядом с ними стоят заявленные повторяемость и погрешность линейности. Чтобы было ясно, что они означают: повторяемость описывает согласованность повторных показаний, а линейность — отклонение от идеальной прямой. Ни одна из них не равнозначна той неопределённости измерения, которую вы получите на практике: она зависит также от среды, оснастки, характера поверхности объекта и метода оценки.

Сравнение моделей и чем расплачиваться

В этой конфигурации возможности оборудования имеют определённый предел: для применённой здесь интегрированной установки мгновенного измерения точечно-спектральным конфокальным методом точность измерения достигает 2 μm. Важно в выборе не то, кто заявляет наибольшую точность, а то, совпадают ли диапазон, базовое расстояние, размер пятна и метод выборки с вашей деталью.

Возьмём в качестве разобранного примера семейство POMEAS SFS: компромисс между диапазоном и точностью здесь прослеживается необычно ясно.

Все приведённые выше величины — опубликованные значения со страниц соответствующих изделий. Ни одна из этих моделей не является универсально лучшей: выбор следует из вариации высоты, которую нужно покрыть, и зазора, который вы способны выдерживать. Температурная характеристика заявлена ниже 0.03 процента от полной шкалы на ℃, степень защиты IP40 по всему семейству, с оглядкой на страницу конкретной модели.

Логика прямая: больший диапазон, как правило, означает менее жёсткую заявленную повторяемость. Поэтому сначала установите минимальный диапазон по фактической вариации детали, а затем берите наибольшую повторяемость, доступную в этом уровне, вместо того чтобы начинать с модели с лучшей заглавной цифрой.

Четыре ошибки

Считать, что бесконтактный метод сам по себе берёт прозрачные детали

Бесконтактность необходима, но недостаточна. Лазерная триангуляция тоже бесконтактна, однако свет, входящий в прозрачный материал, преломляется и рассеивается внутри, поэтому возвращённое положение может соответствовать чему-то внутри материала, а не его поверхности. Какой бы одиночный метод вы ни выбрали, подтвердите его поведение на вашем конкретном материале — желательно на образцах.

Верить, что меньшее пятно всегда лучше

Малое пятно проникает в узкие элементы и разрешает мелкие детали, но оно же становится чувствительным к локальным дефектам, текстуре и загрязнениям, поэтому показания могут перестать представлять поверхность. При характеристике участка размер пятна должен соответствовать масштабу, на котором вы оцениваете, а не просто быть минимально доступным.

Игнорировать наклон

Каждая модель публикует допустимый измерительный угол, за пределами которого показания ухудшаются или просто прекращаются. Криволинейные поверхности, наклонные грани и участки, деформирующиеся после сборки, требуют сначала проверить угол между нормалью к поверхности и осью датчика.

Считать головки и забыть про контроллер

В многоточечных схемах контроллер определяет, сколько головок подключается, с какой скоростью может работать каждый канал и возможна ли синхронизация с энкодером или сигналом линии. POMEAS публикует конфигурации 4, 8, 12 или 16 головок для многоканального блока, при этом скорость выборки падает с 20 kHz на одном канале до 4 kHz, когда вместе работают шестнадцать. Планируйте пропускную способность с учётом параллельности с самого начала, а не после покупки.

Начинайте с образцов

Как бы хорошо ни выглядела таблица, всё возвращается к деталям. Предоставьте несколько реальных изделий, включая заведомо годные, пограничные и заведомо дефектные; зоны и допуски для оценки; и целевое время цикла. Испытание должно отвечать на конкретные вопросы: держатся ли показания стабильно на каждой зоне, покрывает ли диапазон вариацию высоты каждого образца и удаётся ли получать данные в целевом темпе.

Этот этап выявляет и всё, чего таблица параметров показать не может: перекрытие каким-то элементом, необычное отражение от особой отделки или дрейф, вызванный тем, как детали хранят. Обнаружение этого на ранней стадии стоит на порядок дешевле, чем позже.

Дополнительные материалы

Общее сравнение маршрутов доступно отдельно, как и общая процедура выбора, а компромиссам между многоточечным и одиночным методом посвящена отдельная статья.

Связанные продукты и примечания по конфигурации

• Хроматический конфокальный датчик SFS-D108 - Диапазон +/- 0.05 mm, заявленная повторяемость 3 nm — самый точный уровень семейства
• Хроматический конфокальный датчик SFS-D1220 - Базовое расстояние 20 mm, диапазон +/- 0.6 mm; документирован для измерения толщины прозрачных материалов и задач, связанных с короблением
• Компактный хроматический конфокальный датчик SFS-D606 - Корпус 20 mm на 110 mm массой около 73 g для стеснённых по месту решёток
• Многоканальный конфокальный контроллер 20 kHz - Конфигурация 4 / 8 / 12 / 16 головок с поддержкой энкодера и внешнего запуска

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
• Методы измерения плоскостности в сравнении: плита, координатно-измерительная машина, машинное зрение, конфокальный датчик
• Повторяемость — это не точность: как честно читать размах, сигму и Cpk
• Как выбрать оборудование для контроля плоскостности: метод пяти шагов наоборот
• 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 спектральный конфокальный метод измерить толщину прозрачного материала?

Да. В принципе верхняя и нижняя поверхности дают каждая своё отражение, из которого следует толщина. POMEAS публикует минимальную измеряемую толщину 5 процентов от полной шкалы для семейства SFS. Удовлетворяет ли это конкретному требованию, нужно подтверждать на реальных образцах.

Как он справляется с глянцевыми поверхностями?

Поскольку расстояние определяется по положению максимума спектра, а не по границе интенсивности на изображении, зеркальные и полированные поверхности, которые насыщали бы систему визуализации, в целом поддаются. Материалы с очень низким отражением или сильно поглощающие всё же требуют проверки.

Как связаны базовое расстояние и диапазон?

Базовое расстояние — номинальный монтажный зазор; диапазон — полезный интервал по обе стороны от него. Устанавливайте так, чтобы обычная поверхность детали находилась около центра диапазона, оставляя запас в обе стороны на вариацию размеров входных заготовок.

Сколько головок может вести один контроллер?

Это зависит от контроллера. POMEAS публикует конфигурации на 4, 8, 12 и 16 каналов для своего многоканального блока. Учтите, что скорость выборки падает по мере роста числа одновременно работающих каналов, поэтому рассчитывайте время цикла под то количество, которое вы действительно будете использовать.

Важны ли температура и вибрация?

Важны обе. Публикуемые параметры включают температурную характеристику — ниже 0.03 процента от полной шкалы на ℃ для семейства SFS, — а вибрация проявляется как стабильность оснастки и сходимость показаний и относится к этапу конструирования оснастки. Подтвердите вибрационную обстановку на площадке во время выбора.

Одна головка или несколько?

Это следует из площади и времени цикла. Малые площади при свободном графике склоняют к одной головке на координатном столе. Большие площади или короткие циклы — к параллельным головкам, при более высокой стоимости контроллера и калибровки. Для любой конкретной детали оценивайте оба варианта по совокупной стоимости, а не выбирайте по привычке.