为什么光学计量在发展

最近，光学计量与自动化相结合的力量得到了认可。是什么让自动化计量操作如此重要？

将计量转移到过程中，而不是仅仅将其保留在质量实验室中，将提高整体质量，并使制造本身的自动化更加高效，”卡尔蔡司工业计量有限责任公司（密歇根州布莱顿）的罗伯特·瓦西勒斯基说。 “计量优化制造 [MOM] 绝对是我们看到的趋势。”他小心翼翼地指出，计量学并不能促进制造——它现在运作良好——但会对其进行优化以更好地运作。

据他介绍，各种形式的光学计量通常是提高自动化程度的最佳方法，因为与其他方法相比，它的速度更快。光学方法的其他优点包括它们能够在不标记或变形精细表面的情况下进行测量，例如车身钣金、复合材料部件或精细的外科植入物。另一个例子是使用计量设备精确移动机器人，将其定位精度从几毫米提高到 100 微米或更好。

Wasilesky 说，扩大 MOM 意味着扩大客户教育。今天的制造工程师可能不知道他们的车间可以优化多少。

“我认为，通过计量优化制造，有可能提高制造效率，特别是在汽车领域，实现比较突飞猛进，”他说。这个概念一定会影响到制造商，Wasilesky 指出，计量市场的自动化方面正以每年接近 20% 的速度增长，而其他与质量相关的市场则以大约 6% 的速度增长。他说，这在很大程度上是由于客户对光学计量方法的接受程度高于接触式探头，这是其他人在许多对话中所共有的观点。技术变得更好，有更多的光学方法可供选择，并且托管在越来越快的计算平台上的处理软件得到了显着改善。 “虽然原理相同，但它变得更加强大，”他说。

蔡司 AIMax 云光学 3D 传感器就是更快光学、更好算法和强大计算融合的一个很好的例子。被归类为结构光系统，它仅依赖于一台投影仪和一个传感器。这使得传感头更紧凑，但也许更重要的是系统被编程为快速测量特征，通常在不到 0.5 秒内——想想孔、槽、铆钉或 T 形销——从点云而不是提供点云作为最终结果。这使得系统非常适合在线检测，尤其是汽车钣金和 BIW（白车身）组件。 Wasilesky 表示，该系统，包括传感器和机器人运动，可以提供 300 μm 或更高的测量精度，达到 6 Sigma。

蔡司还提供用于近线测量的解决方案，以及在车间为 CMM 提供更快的光学替代品，以便在生产点附近进行离线测量。 AIBox 是一个完整的系统，旨在获得 CMM 级别的准确性，而无需前往质量室。 AIBox 能够使用带有标准摄影测量设备的数字边缘投影系统，根据 VDI 2634 标准测量小于 40 μm 的球面误差。适用于尺寸达 2000 毫米、重量达 1000 公斤的大型零件。

自动化和零件

用于嵌入自动化系统的更有用的光学计量设备之一是精密运动台上的视频系统，例如尼康 iNEXIV 系列。尼康计量公司（密歇根州布莱顿）产品经理 Nate Frost 表示，由于测量系统包括一个摄像头，因此它很容易适应视觉任务，开辟了新的可能性，例如读取当今零件中常见的条码或二维码. “我们还可以读取文本数据，可以是零件上的零件号，也可以是零件随附的印刷纸上的零件号。”这将自动化提升到了一个新的水平，因为读取条形码并识别零件意味着设备可以调用正确的测量程序并自动将结果记录在该单个零件的报告中。

随着智能工厂和工业物联网的不断发展，这可能特别有用。 “这些不是传统的自动化任务，”弗罗斯特说。 “测量系统上的自动零件加载应该是任何计量供应商都可以适应的。 [条形码阅读]反而与决策有关，”他说。去除人为因素，提高品质。

创建零件程序的有效方法同样重要。顺应行业的普遍趋势，现在可以在尼康的 CMM-Manager 3.6 中通过离线读取 CAD 模型来创建程序。这是尼康视觉系统支持软件的最新版本。 “以前的软件只使用操纵杆来示教程序，”弗罗斯特说。 “这对于视频测量程序来说是相当新的。”为什么？因为，与离线编程接触式探头甚至激光线传感器相比，视频程序必须考虑照明、边缘效应、反射表面的闪烁以及视频特有的其他效应。 “可以运行模拟并实时验证检查结果。事实上，CAD 模型越完整，检测过程就越高效，”Frost 说。 “借助视觉、自动对焦激光、旋转分度器和触觉输入，我们甚至可以测量传统视觉系统看不到的特征和几何形状。”

为什么他认为推动自动化？ “共同点是，公司正在精简员工和运营，”弗罗斯特说。 “他们希望员工更加灵活。他们希望他们能够运行 CNC 铣床和计量系统。我们在各个方面都看到了这一点，尤其是在员工需要成为多面手的工作场所。”自动化计量将使这变得容易得多。

大容量汽车

“光学测量技术的精度和速度使其在自动化方面如此出色，”Jenoptik（密歇根州罗切斯特希尔斯）的销售、营销和服务副总裁 Andreas Blind 表示同意。业纳提供范围广泛的计量传感器，主要但不仅限于过程控制。这些范围从气压计和接触式测量仪以及先进的高速光学传感器。 “每个都有它的位置。光学技术在肮脏或油腻的环境中往往效果不佳，但光学技术更加灵活，并且在无法触摸部件或需要速度时特别有用，”他说。

Jenoptik 的 Opticline 系列设备是一种很好的技术示例——阴影图——被封装到用于测量轴的高速自动化柜中。 Shadowgraph 系统非常适合测量旋转部件，即使是非轴对称的部件，例如凸轮轴和曲轴。该公司指出，全球安装了超过 2500 个 Opticline 系统，具有各种尺寸和功能，可用于测量大件或小件。例如，有一系列带有统计过程控制 (SPC) 接口的 Opticline 站，用于使用该工厂选择的 SPC 系统进行快速监控。精度以 MPe 为单位，测量直径可达 (1.5 +L/200) μm，测量速度高达 80 mm/s。

据 Blind 介绍，光学过程控制的另一个重要功能是表面缺陷检测。 “我们的 Optisense 技术结合了独特的传感器、照明、自动化和软件，可以帮助我们检测表面和零件中即使是最小的缺陷，”他说。在当今关注燃油经济性和排放的情况下，检测发动机气缸孔中的表面缺陷尤为重要。等离子喷涂孔的出现取代了铝块中更厚更重的钢套管，这使得表面缺陷检测变得尤为重要。 “我们的 IPS 线孔传感器有不同的孔尺寸可供选择，从 4 到 150 毫米，这取决于人们将使用的传感器类型，”Blind 说。 “它们可以检测低至 30 微米的缺陷，并且通常是自动化的，尽管它们也有半自动化版本，”他说。他指出，自动化对汽车行业尤为重要。 “我们 80% 的设备目前都用于汽车行业，”他说。

新传感器，更自动化

对于计量供应商来说，另一个令人不快的现实是，质量检查通常被视为一种费用，只是浪费了生产时间。根据 Alicona（奥地利格拉茨）总裁兼首席执行官 Stefan Scherer 的说法。他说计量可以增加价值。 “如果我们能够证明他们可以使用计量技术调整制造流程，从而主动改进制造并使其更加灵活，我们认为这将产生很大的影响。”他特别相信计量学的结果对于不断发展的智能制造或工业 4.0 运动至关重要。 “我们需要给机器一个聪明的眼睛，”他说。

Alicona 是一家创新公司，建立在一种相对较新的计量原理上，称为 Focus Variation。该技术使用有限的焦深提供高分辨率表面数据，类似于共焦成像或光学切片，但比共焦成像或光学切片更先进，因为它还提供颜色数据。据该公司称，它可以测量表面形状和粗糙度，在生产环境中特别有用。 “只要公差在 20 μm 或更小范围内，我们的技术可用于测量具有高精度或相对较小特征的小特征，例如微型或精密制造，”Scherer 说。为了达到最佳效果，Focus Variation 需要 9 纳米或更大的 Ra 表面粗糙度。数据速度高达每秒 170 万点。

在首次成功测量切削刀具的刃口准备后，该公司扩大了产品范围，实现了传感器的自动化。

自动化对于 Scherer 的智能眼愿景至关重要，因此该公司转向协作机器人或协作机器人。为什么是协作机器人？ “我们看到了向更高精度和更少体积的转变。在以前，制造商可能会生产一百万个零件。今天，他们可能会生产 50,000 个一种零件，然后转而生产 75,000 个另一种零件，”他说。他相信协作机器人使工人能够在这些灵活的制造环境中工作，使他们变得有用并增加价值。 “我们将协作机器人安装在移动平台上，以便更轻松地将其带到加工中心，”他说。用户检查几个关键参数来设置机器以制作下一组零件编号，然后继续下一个任务。

Alicona 的最新产品是两种用于特定应用的新型协作机器人产品，一种用于长圆形工具，另一种用于涡轮盘。该工具解决方案通过在轮式便携式平台上进行九轴测量，扩展了 Alicona 在边缘准备测量方面的专业知识。

使用 Alicona 圆盘解决方案，带有测量传感器的机械臂由操作员操纵到所需的表面位置。两个带有集成操纵杆的手柄安装在传感器上。通过应用程序，智能手机显示实时视图，以进行手动或自动精确定位和测量。

标准解决方案，灵活自动化

另一个常见趋势是围绕现有计量设备开发标准自动化解决方案。计量公司现在提供集成机器人、外壳和夹具的标准解决方案。通常针对一类问题，可以对其进行定制以满足制造商的吞吐量和容差要求。

2014 年，海克斯康制造智能（北金斯顿，罗德岛州）推出了 360 智能在线测量系统或 360 SIMS，使用其 WLS（白光扫描仪）结构光设备。据海克斯康称，围绕 WLS 构建的在线系统非常适合汽车白车身生产，因为 WLS 对附近的振动相对不敏​​感——它可以在几毫秒内收集数据。根据海克斯康产品经理 Amir Grinboim 的说法，360 SIMS 仅收集选择的特征，例如间隙和齐平或孔洞，使其速度更快。

海克斯康现已通过 2016 年 9 月首次推出的 360 灵活测量单元或 360 FMC 添加到该在线产品中。 ，”格林博伊姆说。 “它降低了工程和设计的总体成本，只需这样做一次。” 360 FMC 上的安全协议符合 ANSI RIA 15.06-2012 标准。零件尺寸最长可达 2.2 m，重量可达 1500 kg。

基本的 360 FMC 配置是一个配备单个 FANUC M-710iC/50 机器人的外壳，该机器人安装一个 Hexagon WLS400A 传感器，由 CoreView 软件包驱动。根据选择的配置，它可以测量固定在一个、两个或三个单独的转盘上的零件。 Grinboim 解释说：“模块化、灵活的解决方案将使我们的客户不仅可以将电池用于计量，还可以解决吞吐量问题。” “我们希望它能够适应整个制造生命周期中不断变化的条件。” Grinboim 表示，客户无需进行重大的重新设计或重新集成工作即可添加或减少转盘的数量。 “添加或移除转盘是即插即用的。”

360 FMC 不需要零件上的参考目标，依靠带有补偿程序的机器人运动。 “根据特征类型，它的测量精度为 100–150 μm，适用于典型的汽车钣金应用，”Grinboim 说。