什么是2D/3D激光輪廓儀?
scanCONTROL系列2D/3D激光輪廓儀,用于記錄,測量和評估不同質(zhì)地被測表面的外輪廓。可以提供從輪廓儀探頭到復(fù)雜測量系統(tǒng)的整體解決方案。
測量原理
激光輪廓儀,也可被稱為外輪廓傳感器。采用激光三角反射式原理,采集不同材質(zhì)表面的二維輪廓信息。通過特殊的透鏡組,激光束被放大形成一條靜態(tài)激光線投射到被測物體表面上。激光線在被測物體表面形成漫反射,反射光透過高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng),被投射到敏感感光矩陣上。除了傳感器到被測表面的距離信息(Z軸),控制器還可以通過圖像信息計算得出沿著激光線的位置信息(X軸)。以傳感器為原心的二維坐標(biāo)系內(nèi),輪廓儀測量輸出一組二維坐標(biāo)值。移動被測物體或輪廓儀探頭,就可以得到一組三維測量值。
二維激光掃描傳感器還有很多其他名稱,如2D激光傳感器、2D激光掃描傳感器、線激光傳感器等等。二維激光掃描傳感器以其廣泛的環(huán)境適應(yīng)性,超高的檢測頻率和精度,被廣泛應(yīng)用于手機(jī)檢測,機(jī)械加工,輪胎檢測,汽車制造,精密儀器,點膠機(jī),鐵路鐵軌檢測以及科研教學(xué)等領(lǐng)域。
激光輪廓掃描儀使用激光三角測量原理,對不同被測物體表面進(jìn)行二維輪廓掃描。激光束被一組特定透鏡放大用以形成一條靜態(tài)激光線,投射到被測物表面上。高品質(zhì)的光學(xué)系統(tǒng)將該激光線的漫反射光,投射到高度敏感的傳感器感光矩陣上。除了傳感器到被測物體的距離信息(Z軸),控制器還可以通過這組圖像來計算沿激光線(x軸)上的位置。傳感器最終輸出一組二維坐標(biāo)值,坐標(biāo)系的原點與傳感器本身相對固定。通過移動被測物體或傳感器,便可得出三維測量結(jié)果。
使用激光二極管發(fā)出的激光,在被測物體表面可以形成點狀光斑。采用特殊透鏡組使激光點擴(kuò)散到一條線上。傳統(tǒng)分光型激光傳感器采用圓柱型透鏡折射激光。這種傳統(tǒng)方法最大的問題是沿著激光線的高斯光強(qiáng)分布所導(dǎo)致的非常弱的邊沿照度。德國米銥提供的scanCONTROL型二維激光掃描傳感器采用的是精密楔形透鏡,可以排除激光線邊沿光強(qiáng)減弱的問題。
反射光
測量時,高度敏感的感光元件CMOS矩陣可以接收從被測物體反射回來的光線,形成高精度輪廓影像。任何輪廓改變都會改變投射到被測物體表面的激光線的形狀,從而改變感光器件矩陣上的影像結(jié)果。如果移動探頭或者被測物體,可以得到若干掃描線輪廓,將這些輪廓合成就可以行成3D影像結(jié)果。這個影像也被稱作“點云”,因為影像由數(shù)千個獨立測量點所組成。
全面考慮
增加的一個測量維度,使輪廓掃描儀傳感器比其他類型位移傳感器更加復(fù)雜。基本上講,不可以簡單判斷一個被測物體是否可以被輪廓掃描儀傳感器測量。成功的測量往往取決于要取得哪個測量值以及在什么環(huán)境下進(jìn)行測量。因此測量是否可行需要從頭評估每一件被測物品。舉例來講,測量是否成功取決于有多長時間可以用于測量。被測物體通過探頭光束的速度越慢,越多時間可以被用于測量。因此,不能簡單的認(rèn)為一個靜態(tài)測量可行,就一定意味著動態(tài)測量也是可行的。測量的結(jié)果也取決于被測物體表面的反光特性。也就是說被測物體表面的反光性或吸光性的強(qiáng)弱,會決定是否可以測得有效信號。被測材料本身也會影響測量結(jié)果。舉例來講,如果半透明被測物體的透明度過高,測量信號可能完全失真了。最后一個應(yīng)該考慮的因素是被測物體的輪廓缺陷,可能產(chǎn)生陰影的輪廓以及多次反射的表面影響。以上這些基本因素都可能明顯影響測量信號質(zhì)量以及測量結(jié)果。
正確設(shè)置
除去上面提到的這些影響因素,一個清晰可識別的輪廓表面反射的持續(xù)信號仍然可能是難以使用的缺損信號。如果想避免這種情況,輪廓儀的每一個獨立參數(shù)都必須正確設(shè)置并適合被測物體。使用正確的濾波器以及曝光時間的設(shè)定,往往能夠改善不良信號,經(jīng)過不斷嘗試最終可以完成測試。舉例來講,測量一個快速移動的黑色橡膠被測物體,較短的曝光時間和被測物體的高吸光性都會更容易導(dǎo)致一個不良的測量結(jié)果。而與之相反,如果黑色被測物體不移動或較慢移動,較長的曝光時間可能更有助于獲得完整的輪廓信息。
那么如何選擇合適的二維激光掃描傳感器呢?我們建議大家注意一下三點:
1)注意被測物結(jié)構(gòu)和材料,通常二維激光掃描傳感器測量需要完整的三角光路。被測物如果有深槽或復(fù)雜表面,可能會導(dǎo)致三角光路被遮擋,從而無法測量。還有一些吸光材料,如黑色橡膠等材料,大部分光強(qiáng)會被吸收,這時需要合理調(diào)節(jié)曝光時間以獲得足夠測量信號。另外反光很強(qiáng),或鏡面反射被測物,可能會導(dǎo)致光線垂直返回而沒有形成漫反射,也會導(dǎo)致測量效果不佳。所以使用二維激光掃描傳感器時,一定要先與廠家充分溝通,不要想當(dāng)然人為可以測,結(jié)果卻不好。目前國際上的主流二維激光掃描傳感器品牌,如德國米銥和日本基恩士,都會要求客戶在選用二維激光掃描傳感器時,預(yù)先告知被測物表面結(jié)構(gòu)和反光特性。如果是特殊被測材料,如玻璃,橡膠和表面有暗紋的情況,可能就需要用戶提供樣片進(jìn)行試測,確保達(dá)到測量要求后才會訂貨。另外,采用二維激光掃描傳感器掃描復(fù)雜結(jié)構(gòu)時,可能會因為復(fù)雜表面反復(fù)反光,在尖銳的棱角或深槽處,形成雜光,建議選擇傳感器之前,給廠家樣片進(jìn)行試測,廠家一般擁有豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗,懂得如何采用合理的參數(shù),包括曝光時間,光強(qiáng),測量頻率等可調(diào)參數(shù),達(dá)到最佳的測量效果。
2)參數(shù)選擇,很多廠家都提供多個級別的二維激光掃描傳感器供客戶選擇。常用于選擇二維激光掃描傳感器的指標(biāo)包括傳感器的精度,該參數(shù)也有其他稱呼,如線性度、絕對誤差等。指的是傳感器的測量值偏離理論真實值的偏差程度。這個參數(shù)直接反應(yīng)測得準(zhǔn)不準(zhǔn)。第二個就是分辨率,這個參數(shù)指傳感器做出示數(shù)變化所需要的最小位移變化量,通常分辨率參數(shù)值要小于精度。第三個是測量速度,以德國米銥scanCONTROL系列為例,其測量速度可以達(dá)到4kHz,測量速度直接決定測量是否可以跟得上被測物的變化速度,能否完整反應(yīng)位移變化的全過程。掃描頻率對要求快速掃描的應(yīng)用領(lǐng)域,如手機(jī)部件檢測至關(guān)重要,直接決定測量cycletime.這里特別要注意的,不要單純比較說明書中的測量頻率,某些日系品牌的標(biāo)出的測量頻率值驚人的高,其實不能長時間使用,因此不具備實際意義,切勿在不同的基準(zhǔn)上進(jìn)行比較。第四是智能輸出功能,許多二維激光傳感器需要搭配自動追蹤機(jī)構(gòu)使用,如焊接機(jī)或點膠機(jī),需要通過二維激光掃描傳感器指引焊槍或點膠頭追蹤某些特征尺寸,如縫隙最低點或膠珠最高點。以德國米銥二維激光掃描傳感器為例,可以直接輸出諸如形狀最高點,縫隙寬度,縫隙深度,縫隙最低點等特征信息,無需客戶自行處理點云數(shù)據(jù)。當(dāng)然,如果客戶需要自行分析被測工件上的特征尺寸,如某些孔的直徑,臺階高度,平面度等信息,傳感器能夠給出完整的點云信息,也是至關(guān)重要的。許多日系品牌是不能提供原始點云信息的,這點需要特別注意。
當(dāng)然除此以外,還有很多參數(shù)可以決定傳感器的性能,包括能夠承受環(huán)境溫度指標(biāo),能夠承受的振動和沖擊指標(biāo)等等。為什么要選擇合適的指標(biāo)呢?因為越高的技術(shù)參數(shù)一定意味著制造工藝的復(fù)雜和難度提升,也必然價格昂貴。所以各位制定測量要求時,一定不要憑空想象,提一個超高的測量要求。我見過有的傳感器使用單位,動輒要幾個微米,甚至納米級別的測量精度,測量速度還超高,問其真的有必要提這么高的要求嗎?回答卻往往是不必要,或者要求高余量大。但是大家要記住,沒有無代價的指標(biāo)提升,每一個高指標(biāo)背后都是真金白銀的付出。另外選擇二維激光掃描傳感器時,要特別注意一點,各家廠商對參數(shù)的標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。如德國品牌,通常標(biāo)注的是真實參數(shù),甚至是保守參數(shù)。而日系品牌,在標(biāo)注時,會以平均后的結(jié)果為準(zhǔn)??磪?shù)表時,要仔細(xì)看看下面的小字,日系品牌超高的參數(shù)往往源自多次平均后的結(jié)果。光學(xué)測量會產(chǎn)生一些毛刺,通過平均的方法可以大大平滑測量結(jié)果。
3)品牌的選擇,在諸多測量原理的位移傳感器中,二維激光掃描傳感器市場最為混亂,品牌最為參差不齊。甚至有商家明明只是代理國外某個品牌,卻聲稱自己是原廠生產(chǎn),等出了問題以后,由于前期技術(shù)方案已經(jīng)定型,就只能硬著頭皮采用,而這樣又往往會帶來后續(xù)更大的問題。辨別一個品牌是否為原廠產(chǎn)品,除了常見的原廠證明外(這個也可以假冒),最直接就是看其中文網(wǎng)址,國外品牌通常會把自己品牌名稱作為網(wǎng)址,如果你看到某個牌子的網(wǎng)址是中文加英文的混合體,就不太可能是正規(guī)廠家了。另外正規(guī)進(jìn)口品牌的中文網(wǎng)址,一定可以在其國外母機(jī)構(gòu)網(wǎng)頁中找到,找不到的一定不是子機(jī)構(gòu)。當(dāng)然壓根沒有國外母機(jī)構(gòu)的所謂進(jìn)口品牌,也是存在的。品牌的選擇特別關(guān)鍵,因為理論上講,二維激光掃描傳感器結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,國內(nèi)的小廠也能做出來,但是精度和重復(fù)性與大牌子比較起來,就有天壤之別了。除此以外,使用壽命,溫度漂移等,也會大大影響客戶的使用效果。我見過有的使用廠家,為了幾百塊差價,從進(jìn)口品牌換成國內(nèi)品牌,結(jié)果過去3年都不會壞一個的傳感器,一年內(nèi)壞了4次,算下來更貴不算,還大大影響了使用環(huán)節(jié),生產(chǎn)線停一次,可不是幾百塊的成本節(jié)省可以補(bǔ)償?shù)摹?/div>
以上是我憑借個人經(jīng)驗,總結(jié)出的一些選擇二維激光掃描傳感器的辦法,希望對大家在眾多品牌中能夠選擇出合適的產(chǎn)品,既省錢又能達(dá)到測量要求。
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