非接触式计量学使用“白光”来测量从飞机到隐形眼镜的各种产品
TeleStar TTL 传感器的长工作距离允许测量其他类型传感器不易接触到的深凹特征。白光计量是一种非接触式使用熟悉、安全的光源——简单的白光的方法。简单性和准确性可能使白光系统成为许多应用中的首选系统。
结构化白光系统将 2-D 镜头的线条阴影投射到 3-D 表面上。阴影是由简单的叠加幻灯片或数字投影仪创建的。相机观察 3-D 物体上这些 2-D 线的变形，然后应用复杂的数学来提供表面上的点云。
其中一个系统是由 Gesellschaft für Optische 提供的高级地形测量传感器 (ATOS)米esstechnik（GOM；德国布伦瑞克）于 1995 年推出了第一套系统，并通过 30 家国际分销商网络在全球范围内交付了 2500 套系统。 “这种设备不是那么新，但对很多人来说都是新的，”来自 Capture3D（密歇根州诺维）的 Marc Demarest 解释说，该公司是 GOM 设备的北美分销商和集成商。 “GOM 的设备使用结构化白光和外差相移算法来提取 3-D 点。该传感器使用一个中央投光器，两侧是两个成像相机。这种立体布置有助于深度感知并保护过程和数据安全，”Demarest 指出。
ATOS 技术有五种配置，每次扫描能够收集 800K 点到 4M 点，能够扫描不到 1 秒。扫描量的调整会产生不同的点密度和精度。例如，最小扫描视野为 30 x 30 mm，生成的 point 密度为 0.015 mm。最大扫描视野为 2000 x 2000 毫米，点密度为 1.0 毫米。 “粗略地说，对于适合您手的物体，ATOS 提供的测量精度优于或低于 25 µm [1 sigma]。对于像车身这样大的物体，您可以预期精度约为 125 µm [1 sigma]，” Demarest 解释说。
对齐目标 - 粘在对象上的带有黑点的白色圆圈。有助于更有效地提取数据并将多个视图组合到一个数据集中。 “随着 ATOS 软件的最新发展，目标不再是收集数据的必要条件。我们的系统软件也可以使用形状数据。” Capture3D 还提供带有对准目标的夹具框架，零件位于内部，无需将对准目标粘贴在物体上。
与激光扫描等其他扫描计量系统一样，Demarest 指出复杂或平滑变化的物体，例如涡轮叶片，车身、许多飞机部件或医疗设备——甚至玩具——都非常适合这项技术。他说，典型应用包括首件检测、CAD 比较、根本原因分析、逆向工程和冲压模具指纹识别等。虽然这些都是扫描计量型技术的典型用途，但他将结构化白光与激光扫描仪进行了对比。 “来自结构化白光的数据往往是平滑的，没有噪音或纹理，而且通常扫描速度更快。有时，当人们看到这些数据时，他们会将其误认为是 [原始创作的] CAD 数据。”
根据所有报告，结构化白光系统用于质量控制和生产环境。像许多光学扫描系统一样，由于视线限制，它们很难进入很深的裂缝和口袋。为了解决这个问题，GOM 为其系统提供了带有对齐目标的手持式接触式探针附件。
Breuckmann GmbH（德国梅尔斯堡）是另一家结构化白光系统供应商，该系统使用微型投影技术 (MPT) 将“斑马条纹”图案转换为 3D 计量数据。他们的北美经销商 Exact Metrology（俄亥俄州辛辛那提）使用这些系统作为众多工具中的一种。 “我们在 Exact Metrology 使用了 11 种不同的计量技术，包括便携式 CMM 臂、激光扫描仪和光学跟踪器，以及 Breuckmann 结构化白光系统，”Exact Metrology 服务部门总经理 Matt Cappel 说。
根据这一经验，他同意结构化白光最适合他所描述的“有机”部件。这包括涡轮叶片或整形外科医疗设备——其中需要许多点才能准确定义复杂的形状。 “对于具有锐利直线或轮廓分明的切口和凹槽的棱柱形零件，接触式测头 CMM 通常更好更快。扫描激光和白光等方法通常在处理尖锐的棱镜边缘时遇到一些困难。”
实际上，光亮的表面或具有交替颜色的物体也会对结构化白光造成一些问题。 “通常，当物体表面涂有灰色或白色时，任何结构化白光系统都是最好的，”Cappel 说。他继续指出，Breuckmann 提供立体扫描 3D HE 设备，专为商店照明设计，并可适应扫描物体的颜色。 Cappel 还指出，对准目标也是 Breuckmann 设备的一个选项。
Exact Metrology 通常提供包括美国国家标准与技术研究院 (NIST) 认证工件的系统，用于频繁的现场校准。 “有了结构化的白光系统，”Cappel 解释说，“如果我愿意，我可以校准每一次移动，甚至是每一次镜头更换。使用其他系统，例如激光，您可以确定 s传感器没问题，但是，如果它超出校准范围，他们必须返回制造商进行调整。”他报告说，在全量具 R&R 研究中测量时，Breuckmann 5.0 立体扫描仪提供的精度约为 775 x 775 mm 至 50.8 µm 至 3 sigma。对于约 42 mm x 42 mm 的 FOV，它提供 12.7 µm 精度（3 西格玛）。“Breuckmann [高端系统] 每次扫描可以收集多达 660 万个点，通常需要大约 10 秒，具体取决于应用和系统。”
Bolton Works（康涅狄格州东哈特福德）的 Mark Bliek 是另一家结构化白光扫描系统制造商 Steinbichler（德国新博伊恩）的经销商，他说：“结构化白光-光设备通常倾向于满足高分辨率和高精度要求。”他指出，结构化白光扫描仪通常比激光扫描仪更准确，因为白光扫描仪在测量时是静止的进入。 “在使用激光扫描仪采集数据期间，您需要跟踪传感器相对于工件的位置”，这会导致精度有所下降。手持式激光扫描仪的优势在于它们通常更灵活、速度更快。
Breuckmann stereo SCAN3D—HE提供大视野范围，覆盖60-950mm的六个测量视野。不算Bliek 说。 “CMM 仍然是几何质量控制的主力军，”他解释道。 “CMM 的校准可以追溯到 NIST 标准，因此业界对使用 CMM 进行的测量感到满意。 CMM 的测量不确定性通常低于扫描仪。关于扫描设备，有更多变量会影响测量——操作员、光照环境、表面反射性、扫描表面的角度等。”他接着说，虽然这一观察结果可能会引起警示，但使用白光扫描设备的优势在于，光明的未来就在眼前——尤其是在价格下降的时候。操作员无需了解关键维度即可收集有用数据。扫描仪收集的大量点不仅可以提取维度；当尺寸超出公差时，它还有助于查明原因，因为可以查看周围区域。
干涉测量法是使用白光代替激光的另一个实例。例如，Zygo Corp.（米德尔菲尔德，康涅狄格州）提供其 NewView 700 和 NewView 7000 系列表面轮廓仪，其围绕扫描白光干涉测量法 (SWLI) 构建。 “SWLI 是在引入激光干涉测量法之后开发的，”Zygo 的主管 John Roth 说。 “对于粗糙表面，事实证明激光干涉仪y 容易崩溃。 SWLI 非常适合小型、精密制造的零件，而激光干涉测量法适用于光滑且名义上平坦的表面，例如玻璃。”他们的机器使用的视野范围从小于 3.5 到 25 毫米，精度达到亚纳米级。他们测量的典型机械零件包括精密汽车零件，例如燃油喷射器。
结构化白光扫描仪将阴影投射到工件上，并使用数码相机精确确定计量数据。使用 GOM ATOS 扫描仪扫描了这个涡轮叶片。“在全球范围内，我们精密加工业务的很大一部分是汽车，包括用于柴油发动机或汽油密封表面的超精加工零件，”高级应用工程师 Mike Schmidt 评论道，并指出Zygo 开发了一种光学分流器，可以在深孔或入口内进行测量，尤其是高压孔。此外，还提供了组合机器视觉的选项，以利用来自 SWLI 的 3-D 数据来提供准确的尺寸数据。 “在某些应用中，SWLI 提供了比机器视觉更好的尺寸测量，因为我们使用了高度信息。”他看到了当前的趋势，即交付在一台仪器上进行更多测量的系统。 “客户根据具体情况对单一设置进行评估。我们的系统就像带有多个物镜的瑞士军刀，可在单一设置中测量粗糙度、波纹度或平面度。”
在白光干涉测量法的转折中，光学量具产品（OGP； Rochester NY) 开发了他们的计量产品经理 Tom Groff 所说的准白光干涉仪。 “Telestar TTL 传感器并不是真正的激光，因为它使用并利用多个波长，”他解释道。它使用干涉测量法来确定距离，同时作为公司基于视频的多传感器测量系统的透镜激光器。根据 Groff 的说法，它的优势包括比具有类似精度的其他非接触式传感器更长的工作距离。用于测量透明表面并利用反射镜反射的光到达凹槽和内部特征，该系统的工作距离范围为 19 至 200 毫米，精度范围为 2.5 至 4 µm。 Groff 评论道：“您不能轻易地使用具有真正激光或其他白光技术的反射镜，因为这些反射镜的变形会影响它们的测量结果。”他将这项技术描述为特别适用于处理复杂的棱柱形零件，例如测量铸件中的 O 形环槽。其 2.4–10 µm 的小光斑尺寸适用于测量使用其他探头和传感器时无法到达的小而深的孔。
白光的另一个用途是使用色差原理。这种技术通过充当棱镜的透镜发出白光，将光分成颜色。每种颜色将聚焦在距表面不同的距离处。检测器确定颜色以测量距离。这些传感器通常作为多传感器系统的一部分提供。
白光传感器在具有故意色差的系统中使用颜色来确定高度——只有一个波长完美聚焦。“我们提供多种型号的 Rainbow 探头，” OGP 的 Groff 说。 “我们的 Rainbow CL3 提供 0.025 µm 的轴向 [高度] 分辨率和 0.2µm [3 sigma] 的最佳精度。”他很快指出的权衡之一包括考虑测量范围——Z 距离，在该距离内可以进行良好的测量可以制作——这是焦点的函数唱距离或焦距范围。另一个考虑因素是工作距离，即从接收镜头到被测部件的距离。例如，对于 Rainbow CL3，工作距离为 12.7 毫米时的测量范围为 1.1 毫米。工作距离和测量范围较大的探头提供较低的分辨率和较低的精度——CL6 在其 20 mm 的测量范围内的精度为 3 µm。 “Rainbow Probes 适用于专门的应用程序。它们检测透明表面，例如玻璃和薄膜。由于它们同时检测此类表面的顶部和底部，因此它们可以在没有台阶高度的情况下测量薄膜厚度。”
Hexagon（伊利诺伊州埃尔金）的 Optiv 品牌还提供基于色差原理，用于其 Optiv 多传感器计量系统。 Hexagon 的视觉专家 Buck Burgraff 指出了此类传感器的其他优势。 “与激光相比，我们的 WLS 提供您在扫描时更加灵活。例如，它比单点激光扫描速度更快，扫描更陡峭的表面倾斜度，扫描空隙，不仅可以检测透明表面，该设备在光亮表面或哑光黑色上也优于激光。” WLS 提供从 300 µm/4.5 mm 到 10 mm/75 mm 不等的测量范围/工作距离，分辨率高达 0.01 µm。 “我们主要将 WLS 用于骨科植入物和一些汽车应用。我们有一位客户使用它对接骨螺钉进行逆向工程。”
本文首次发表于 2010 年 7 月版的《制造工程》杂志。
