BERØRINGSLØS MÅLING MED SHORT-RANGE-AFSTANDSMÅLERE (DISPLACEMENT) TIL KVALITETSKONTROLLEN

Transkript

1 SICK AG HVIDBOG BERØRINGSLØS MÅLING MED SHORT-RANGE-AFSTANDSMÅLERE (DISPLACEMENT) TIL KVALITETSKONTROLLEN FORFATTERE Ramona Ackermann Produktchef short-range-afstandsmålere (displacement) hos SICK AG i Waldkirch / Tyskland Stephan Mächerlein Leder Applikation hos SICK AG i Waldkirch / Tyskland SAMMENDRAG For at sikre en ensartet høj kvalitet i produktionen af forskellige elementer og komponenter skal resultaterne kontrolleres regelmæssigt ved hjælp af målinger. Prøvningerne gennemføres på forskellige måder. Enten uden for den løbende proces ved regelmæssig udtagning af enkelte elementer og den efterfølgende kontrol ved hjælp af egnede mekaniske eller optiske målemidler. Eller ved hjælp af målestationer med mekaniske tastesystemer eller andre destruktionsfrie målemidler, der er integreret i processen. Det er netop her, de optisk målende sensorer spiller ind. Deres evne til at kunne måle berøringsfrit, præcist og hurtigt samt muligheden for at kunne integrere resultaterne af disse målinger direkte i produktionsprocessen giver større produktivitet. Resultatet er hurtigere produktionsprocesser ved samme høje kvalitet, uden at objektet berøres mekanisk eller endog beskadiges. De optiske sensorer sikrer meget præcise resultater ved måling af meget små objekter.

2 Indholdsfortegnelse Teknologier... 3 Interfaces... 5 Udfordringer... 6 Sammenligning af målemetodernes væsentlige fordele... 6 Typiske applikationer på forskellige områder

3 Teknologier Der anvendes forskellige teknologier i forbindelse med de præcist målende optiske sensorer. Lasertriangulationsprincippet Lasertriangulation betyder en- eller flerdimensional afstandsmåling ved hjælp af vinkelberegning. Sensoren projekterer laserlyset over på måleobjektet. Den stråling, der her reflekteres, vises via optik, afhængigt af afstanden til et bestemt sted på en positionsfølsom modtagerenhed. Afstanden til måleobjektet bestemmes på basis af trekantsrelationen mellem lyskilde, målepunktet på objektet og lysets afspejling på modtagerenheden. Der findes sensorer med lyspletter af forskellig størrelse. Små lyspletgeometrier er at foretrække, når der er tale om meget små objekter. Til ru overflader anbefales det at anvende en sensor med en større lysplet. Illustration 1: Lasertriangulationsprincip Illustration 2: Lyspletgeometri (re: stor, li: lille) Det samme funktionsprincip gælder også for sensorer, hvor der i stedet for en lysplet anvendes en laserlinje sammen med en CMOS-matriksmodtager. På den måde kan en profil registreres og analyseres, uden at objektet skal bevæges z x Illustration 3: Laserprofilsensor 3

4 Kromatisk-konfokalt og interferometrisk måleprincip: Ved kromatisk-konfokalt målende sensorer anvendes hvide lyskilder, hvis lysspektrum ledes samlet til målehovedet via lysledere. I forbindelse med displacementsensor OC Sharp fra SICK kan man vælge mellem to forskellige målemetoder. Lysleder Hvidt lys Lysbrydning Fokusering på overfladen Illustration 4: Kromatisk-konfokalt og interferometrisk måleprincip Kromatisk målemetode: Det linsesystem, der er integreret i målehovedet, er bygget op på en sådan måde, at de enkelte bølgelænger hver især er tilordnet en anden afstand. Her udnytter man effekten fra den sædvanligvis uønskede kromatiske aberration. På den måde fokuseres hver bølgelængde på en anden afstand, reflekteres af overfladen, og den reflekterede bølgelængde analyseres i et spektrometer. Der er også tilordnet en afstandsværdi til den fundne bølgelængde. Som hos mange sensorer, der arbejder efter lasertriangulationsprincippet, kan man også her analysere flere reflekterede bølgelængder. Dermed kan man bestemme den relative materialetykkelse af gennemsigtige objekter, uanset om de består et eller flere lag. Intensitet Intensitet λ min. λmin. λ1 λmaks. λ min. λmin. λ1 λ2 λmaks. Måleområde Måleområde 1 λ maks. λ maks. f.eks. glas, n > 1 Illustration 5: Afstandsmåling Illustration 6: Måling af gennemsigtige objekters tykkelse 4

5 Interferometrisk målemetode: Den interferometriske målemetode benytter sig af den fysiske effekt fra interferensen på tynde lag. Denne effekt kender man bl.a. fra vandpytter, der glimter i mange farver på grund af en tynd oliehinde eller sæbebobler. På grund af de specifikke materialetykkelser slettes eller forstærkes lysets forskellige bølgelængder. Efterfølgende analyseres spektret af detekterede lag via en hurtig Fourier-transformation. I modsætning til den kromatisk-konfokale målemetode er det her ikke muligt at analysere en absolut afstand, men kun de eksisterende tykkelser i et lagdelt system. Intensitet λmin. λ1 λ2 λ3 λmaks. Folie Måleområde Lim λ1 = Tykkelse 1 (Folie) λ2 = Tykkelse 2 (Lim) λ3 = Tykkelse i alt Illustration 7: Interferometrisk målemetode til måling af lags og gennemsigtige objekters tykkelse Væsentlige fordele i forhold til lasertriangulationsprincippet: Typisk er der tilladt større vippevinkler Selv når lysvejen ligger i delvis skygge, opnår man alligevel et måleresultat Med lyspletdiametre fra og med 4 µm er det muligt at måle meget små områder eller endog huller (f.eks. kontinuerlige forbindelser mellem printplader/ics) Der kan detekteres endnu mindre lagtykkelser af gennemsigtige materialer (fra og med 3 µm) Måleprincippet for måling af overfladers ruhed er beskrevet i en norm (DIN EN ISO 25178, del 602) Målehovedet er et udelukkende passivt element og indeholder ingen elektriske komponenter Interfaces Mange sensorer kan arbejde med en analyseenhed, hvor der allerede er indstillet forskellige filtreringsfunktioner, eller hvor der kan gennemføres beregninger, uden at styringen på kundesiden belastes. Måleresultaterne kan enten transmitteres via de forskellige datagrænseflader, der er til stede (RS-232, RS-422, RS-485, 4 ma 20 ma, 10 V 10 V, 0 V V). Alternativt forespørges bare om gode/dårlige informationer via transistorudgangene. 5

6 Udfordringer Der findes mange grunde til at bruge optiske målemidler: Erstatning af mekaniske målemidler, der bliver udsat for slitage og derfor skal udskiftes regelmæssigt Beskadigelse af slutproduktet, f.eks. folier eller bløde overflader, skal undgås, hvis der bruges mekaniske målemidler Egenskaberne af det materiale, der skal måles, tillader generelt ingen mekanisk måling, f.eks. flydende, ikke-hærdede eller generelt bløde materialer, der - reversibelt eller irreversibelt - ville ændre deres dimensioner Den overflade, der skal måles, er ikke eller kun vanskeligt tilgængeligt for mekaniske målemidler Ved et skift til optiske målemidler står man til tider over for den udfordring, at der skal skabes sammenlignelighed med de resultater, man hidtil har opnået ad mekanisk vej. På grund af optiske og mekaniske målemidlers forskellige adfærdsmønstre skal der tages højde for følgende: Er det overhovedet muligt at måle objektet, eller påvirkes resultaterne markant af fysiske effekter, f.eks. halvgennemsigtige overflader eller tynde lag bestående af flere lag? Hvad gør man med aflejringer (f.eks. olie, støv, spåner) på overfladen? Er der brug for filtreringsmekanismer, fordi overfladen ikke påvirkes af et defineret tryk, som det er tilfældet, når man bruger mekaniske målemidler? Eftersom målepunktet ved mekaniske målemidler typisk er meget større end ved optiske målemidler, skal måleresultaterne bestemmes som et gennemsnit over et større areal, end når der bruges optiske målemidler Skiftet fra et mekanisk til et optisk målemiddel kan betyde, at der skal bruges en del ressourcer. Til gengæld kan der dog opnås langfristede fordele såsom omkostningsbesparelser, øget gennemløbsmængde, ingen mekanisk påvirkning af måleobjektet og bedre kvalitet i hver fase af processen. Sammenligning af målemetodernes væsentlige fordele Mekanisk Etableret, komplet beskrevet i normer Få påvirkninger af måleresultatet ved kontaminering Optisk Destruktionsfri Hurtig Inline Måling af små, vanskeligt tilgængelige objekter 2D-profiler, uden at objektet bevæges Illustration 8: Målemetoder: Sammenligning af mekaniske og optiske metoder 6

7 Typiske applikationer på forskellige områder Træindustri: Måling af forskellige materialers tykkelse og længde I træforarbejdningen anvendes optiske målemidler til at kontrollere tykkelse, længde og bredde af f.eks. køkkenbordplader. Her består udfordringerne primært i den store mangfoldighed af mulige plastoverflader, der er anbragt på spånpladen. Her har optisk målende sensorer en væsentlig fordel, fordi de ikke beskadiger de følsomme overflader. Illustration 9: Opmåling af barkkant ved hjælp af displacementsensor OD Mini fra SICK Metalforarbejdning: Registrering af dobbelte lag af plader under gennemløbet Ved forarbejdningen af plader i forskellige brancher er det - udover tykkelseskontrol af de enkelte plader - også relevant at kunne registrere dobbelte lag. Her anvendes typisk metoder, der er baseret på hvirvelstrøm, ultralyd eller mekanisk måling. Ved store transporthastigheder og små pladelængder viser de dog hurtigt deres begrænsninger. Selvom det på grund af pladernes overfladebeskaffenhed (ridser, oliedråber, grater m.m.) kan være vigtigt at aktivere yderligere filtre i sensoren, er optisk målende sensorer den egnede løsning på grund af den hurtige reaktionstid og de små lyspletter. Illustration 10: Berøringsløs registrering af dobbelte lag af plader med displacementsensor OD Precision 7

8 Metalforarbejdning: Afstandskontrol ved skærehoved og svejsehoved For at opnå rene snit og svejsesømme er det vigtigt, at skære- eller svejsehovedet har den rigtige afstand til det materiale, der skal bearbejdes. De omgivelser, som målingen skal foretages i, er til tider stærkt belastet af røg og elektromekaniske forstyrrelser. Derfor kan det være nødvendigt yderligere at beskytte de sensorer, der anvendes til målingen. Alligevel er de optisk målende sensorers fordele størst, fordi de måler meget tæt på bearbejdningshovedet og ikke beskadiger materialets overflade under målingen. Illustration 11: Afstandskontrol ved skærehovedet med displacementsensor OD Max Automobilindustri: Måling af bremseskiver og aksial excentricitet Under fremstillingen af bremseskiver skal bremseskivernes størrelsestolerancer og den maksimalt tilladte aksiale excentricitet kontrolleres. Eftersom selv de mindste deformationer kan have store konsekvenser for funktionen, anvender man her præcise, berøringsløse målemetoder. Illustration 12: Måling af aksial excentricitet på bremseskiver 8

9 Elektronik: Kontrol af elementers højde og position Under bestykningen af printplader skal det på et tidligt tidspunkt i processen kontrolleres, om alle elementer er positioneret korrekt, eller er de er forbundet forkert, f.eks. om de løfter sig op i den ene side. Også her er en løsning med optiske målemidler det bedste valg. Årsagerne hertil er den præcise positionering af lyspletten, især på meget små elementer, og den direkte profilmåling med en sensor med laserlinje. Illustration 13: Kontrol af elementers højde og længde med displacementsensor Med tre sensorhoveder er det muligt at måle, om de positionerede elementer vipper ved de forskellige akser. Denne måling er bl.a. uundværlig, når man bruger smartphone-displays. Illustration 14: Måling af den korrekte position med flere målehoveder af displacementsensortypen OD Precision 9

10 Elektronik- og solcelleindustri: Kontrol af coatinger En optisk målesensor, der arbejder efter den interferometriske målemetode, kan registrere lagtykkelser fra og med ca. 3 µm præcist og destruktionsfrit. Derved vurderes processens kvalitet direkte og uden udslusning af waferen. Illustration 15: Måling af lagtykkelser af halvlederwafere med displacementsensor OC Sharp Glasindustri: Måling af tykkelsen af og afstanden mellem glas For at sikre, at en glasoverflade har den korrekte afstand til en griber, skal der foretages en afstandsmåling. Til det formål er både nogle af de laserbaserede sensorer og kromatisk-konfokale sensorer og ultralydssensorer egnede. Til at foretage en tykkelsesmåling fra kun en enkelt side er der dog behov for optisk målende sensorer. Dermed kan man sikre, at det korrekte glas placeres på det rigtige sted. De tykkelser af gennemsigtige objekter, som man typisk kan måle, ligger i området fra ca. 3 µm til 20 mm. Illustration 16: Måling af glastykkelse med et enkelt OD Precision short-range-afstandsmålerhoved 10

11 Plastindustri: Måling af folietykkelse Førsteklasses folier er kendetegnet ved ensartede folietykkelser. Blæste foliers tykkelse kan registreres destruktionsfrit og præcist ved hjælp af optiske målemidler og efterjusteres direkte under produktionsprocessen, så man opnår den bedst mulige kvalitet. Illustration 17: Måling af gennemsigtige foliers tykkelse med displacementsensor OC Sharp Påføring: Limpunktkontrol Profilen af det endnu ikke hærdede påføringsmateriale (f.eks. et limpunkt) kan kun registreres af berøringsløse målemidler, fordi enhver form for mekanisk kontakt omgående ville ændre det påførte materiales profil. Den ideelle måde at gennemføre kvalitetskontrollen på er at bruge en linjebaseret sensor, der føres frem sammen med dispenseren og kontrollerer det påførte materiales profil tættest muligt på materialeudløbet. Illustration 18: Berøringsløs limpunktkontrol med displacementsensor Profiler 2 under den løbende proces Præcisionsteknik: Måling af små elementer og komponenter til ure Lige netop meget små elementer, der skal måles, er ofte placeret sådan, at de er vanskeligt tilgængelige for målingen. I disse tilfælde må man regne med meget små flader, der kræver tilsvarende små og præcise lyspletter. Det er muligt med kromatisk-konfokale sensorer. I modsætning til en laser forventes der på grund af det anvendte hvide lys heller ingen randstråler eller pleteffekter. Udfordringen ved denne applikation er nærmere at kunne positionere sensoren præcist. Til det formål er der behov for mekaniske komponenter. Illustration 19: Præcis måling af de mindste komponenter til ure med displacementsensor 11

12 /8M_CS/ITL ( ) VIDEREFØRENDE LINK Yderligere informationer om short-range-afstandsmålere (displacement): - SICK AG Waldkirch Tyskland