3D線激光傳感器在智能制造中的檢測應用
文:深圳市正控科技有限公司滕國興2019年第三期
3D是three-dimensional的縮寫,所謂3D檢測,就是三維(x、y、z)檢測,通過傳感器等設備采集被測物的全部坐標數據(長、寬、高),然后通過一系列的算法、程序等對采集數據進行分析,輸出檢測結果。
智能制造領域的3D檢測對象主要是工業制造品為主,行業分類例如手機、汽車、新能源等行業,具體檢測對象例如手機殼、發動機、鋰電池……
主要特點:
1、精度要求高,精度要求在0.003~0.1mm之間。
2、在線全檢,穩定性要求高,適宜于在線實時檢測,取代離線抽檢。
例如:手機殼3D掃描,3D線激光傳感器與檢測品相對運動,輸出點云數據或對應圖。
工業檢測的歷史比較久遠,檢測的方法也比較多,比如游標卡尺、高度計、面型相機、投影儀、2D輪廓測量儀……
為什么需要3D在線檢測?
1、市場層面:客戶要求越來越高,高度是非常重要的檢測變量和判斷依據,原有的1D或2D檢測向3D檢測轉換;3D的檢測需求量逐漸上升,特別要求在線對每個產品進行實時檢測以及人員成本的不斷提高。
2、技術層面:3D檢測可以代替1D和2D檢測,并且完成之前做不到的檢測,3D檢測是大勢所趨。
一、3D線激光傳感器基本原理圖
3D線激光傳感器是采用三角法原理進行數據采集和分析,線激光照在檢測品上,由CMOS芯片接收并處理,輸出千兆以太網信號。
二、如何正確選擇3D線激光傳感器
1、3D線激光傳感器基本物理參數
首先根據應用檢測品的尺寸,選擇傳感器的激光線長度FOV(對應檢測品的最大寬度)和檢測范圍MR(對應檢測品的最大高度),并根據應用留有足夠的余量。
2、3D線激光傳感器基本性能參數
其次,根據應用需求和客戶要求實現的目標,選擇X(寬度方向)和Z(高度方向)的分辨率以及檢測頻率或掃描速度,重點注意以下事項:
X(寬度方向):激光線輪廓點數與傳感器內部的CMOS芯片像素有根本關系,例如30萬像素CMOS芯片標準是640*480,寬度方向是640點,假設激光線長度FOV是30mm,X(寬度方向)分辨率是0.047(30/640)mm,如果進行軟件插補到1920點,X(寬度方向)分辨率是0.016(30/1920)mm,從數值上提高很多,但在實際測量過程中是虛假數據,嚴重影響測量精度,硬件是數據可靠的基礎。
Z(高度方向):Z的分辨率廠家標注都很高,如何在實際過程中有意義?Z的分辨率可以分為理論分辨率和實際分辨率,理論分辨率對實際應用沒有任何意義,只是宣傳的噱頭,實際分辨率才有應用意義。檢測方法也很簡單,采用一個硬質平板,激光線照在靜止的平板上,在軟件界面上看每點跳動量,跳動量的平均值就是實際Z分辨率。
3、實際樣品測試以及現場驗證
無論采取什么措施,實際樣品驗證是最關鍵,特別對掃描速度的影響。最高掃描速度都是在特定實驗條件下取得的,實際情況下是不可能滿足該條件,對于項目實施一定要以實際測試為準,而且建議采用標準樣塊進行精度驗證。
三、手機行業檢測應用
手機在生產過程中,需要部件的檢測、裝配以及每個工序質量的檢驗,才能實現高質量產品,其中電池異物的檢測;手機蓋內螺絲有無、高度以及平面度檢測;點膠前的軌跡引導以及點膠后膠體質量的檢測;攝像模組的檢測等等都需要對每個部件在線測量和分析,指導生產,否則不合適裝配尺寸都會影響手機外觀和性能質量。
涂膠檢測:在手機四周邊緣上進行涂膠可以分為二大應用。
點膠引導:由于殼體四周邊緣位置寬度很小,點膠寬度小于0.5mm,高度小于0.5mm,因此在點膠前必須保證殼體位置準確,而且放置高度均勻一致,才能避免點膠機點膠超出殼體邊緣。點膠引導由于機械的不同,主要有二種方式:
點膠機攜帶3D激光傳感器沿著殼體四種運動,輸出引導軌跡。優點是軟件相對簡單,缺點是機械運動復雜。
點膠機平行移動,軟件進行拼接,輸出引導軌跡。優點是機械相對簡單,缺點是拼接軟件復雜。
2)點膠后膠的質量檢測:
通過測量膠寬、膠高和膠面積,推算膠量,判斷斷膠、溢膠、少膠和膠偏等缺陷。在早期,采用2D檢測,沒有高度數據,只有寬度數據,很難準確衡量點膠質量,采用3D傳感器可有效解決這些問題,并快速用于生產。
但在實際過程中,膠有各種型號和顏色,例如白色、黑色等,也有透明和非透明之分。這需要根據客戶要求進行選擇,如果只是定性判斷點膠質量以及缺陷,相對簡單;如果定量判斷,需要根據精度、膠的特性以及透明程度進行總體衡量,總之以客戶需求為準則,選擇合適3D產品。
電池倉異物檢測:
電池倉異物包括金屬物體、生產過程塑料件以及較大的灰塵顆粒等等,這些嚴重影響裝配質量,特別是金屬物體會造成電池短路,影響廠家聲譽。我們以技術要求:最小顆粒尺寸0.5*0.5*0.3mm為例,說明如何正確選擇3D線激光傳感器。X(寬度方向)最小尺寸0.5mm,以2倍為原則,X分辨率是0.25mm;Z(高度方向)最小尺寸0.5mm,以5-10倍為原則,Z分辨率是0.1-0.05mm;殼體最大寬度80-100mm,對照正控產品選擇型號LV100,其他參數均滿足LV100參數,經過實際現場測試和驗證,確定采用LV100線激光傳感器。
總體來說,3D線激光傳感器為了滿足現場在線實時采集要求,正朝著高速、滿足復雜物體表面特性發展,設備商集成各種傳感器,萬物互聯是大勢所趨。
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