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(cè)量和評(píng)估不同質(zhì)地被測(cè)表面的外輪廓。可以提供從輪廓儀探頭到復(fù)雜測(cè)量系統(tǒng)的整體解決方案。
測(cè)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(cè)物體表面上。激光線在被測(cè)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(cè)表面的距離信息（Z軸），控制器還可以通過圖像信息計(jì)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(cè)量輸出一組二維坐標(biāo)值。移動(dòng)被測(cè)物體或輪廓儀探頭，就可以得到一組三維測(cè)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(cè)頻率和精度，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)檢測(cè)，機(jī)械加工，輪胎檢測(cè)，汽車制造，精密儀器，點(diǎn)膠機(jī)，鐵路鐵軌檢測(cè)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(cè)量原理,對(duì)不同被測(cè)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(cè)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(cè)物體的距離信息（Z軸），控制器還可以通過這組圖像來計(jì)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(diǎn)與傳感器本身相對(duì)固定。通過移動(dòng)被測(cè)物體或傳感器，便可得出三維測(cè)量結(jié)果。
使用激光二極管發(fā)出的激光，在被測(cè)物體表面可以形成點(diǎn)狀光斑。采用特殊透鏡組使激光點(diǎn)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(guó)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(cè)量時(shí)，高度敏感的感光元件CMOS矩陣可以接收從被測(cè)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(huì)改變投射到被測(cè)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(dòng)探頭或者被測(cè)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(gè)影像也被稱作“點(diǎn)云”，因?yàn)橛跋裼蓴?shù)千個(gè)獨(dú)立測(cè)量點(diǎn)所組成。
全面考慮
增加的一個(gè)測(cè)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(jiǎn)單判斷一個(gè)被測(cè)物體是否可以被輪廓掃描儀傳感器測(cè)量。成功的測(cè)量往往取決于要取得哪個(gè)測(cè)量值以及在什么環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。因此測(cè)量是否可行需要從頭評(píng)估每一件被測(cè)物品。舉例來講，測(cè)量是否成功取決于有多長(zhǎng)時(shí)間可以用于測(cè)量。被測(cè)物體通過探頭光束的速度越慢，越多時(shí)間可以被用于測(cè)量。因此，不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為一個(gè)靜態(tài)測(cè)量可行，就一定意味著動(dòng)態(tài)測(cè)量也是可行的。測(cè)量的結(jié)果也取決于被測(cè)物體表面的反光特性。也就是說被測(cè)物體表面的反光性或吸光性的強(qiáng)弱，會(huì)決定是否可以測(cè)得有效信號(hào)。被測(cè)材料本身也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。舉例來講，如果半透明被測(cè)物體的透明度過高，測(cè)量信號(hào)可能完全失真了。最后一個(gè)應(yīng)該考慮的因素是被測(cè)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(cè)量信號(hào)質(zhì)量以及測(cè)量結(jié)果。
正確設(shè)置
除去上面提到的這些影響因素，一個(gè)清晰可識(shí)別的輪廓表面反射的持續(xù)信號(hào)仍然可能是難以使用的缺損信號(hào)。如果想避免這種情況，輪廓儀的每一個(gè)獨(dú)立參數(shù)都必須正確設(shè)置并適合被測(cè)物體。使用正確的濾波器以及曝光時(shí)間的設(shè)定，往往能夠改善不良信號(hào)，經(jīng)過不斷嘗試最終可以完成測(cè)試。舉例來講，測(cè)量一個(gè)快速移動(dòng)的黑色橡膠被測(cè)物體，較短的曝光時(shí)間和被測(cè)物體的高吸光性都會(huì)更容易導(dǎo)致一個(gè)不良的測(cè)量結(jié)果。而與之相反，如果黑色被測(cè)物體不移動(dòng)或較慢移動(dòng)，較長(zhǎng)的曝光時(shí)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(diǎn)：
1）注意被測(cè)物結(jié)構(gòu)和材料，通常二維激光掃描傳感器測(cè)量需要完整的三角光路。被測(cè)物如果有深槽或復(fù)雜表面，可能會(huì)導(dǎo)致三角光路被遮擋，從而無法測(cè)量。還有一些吸光材料，如黑色橡膠等材料，大部分光強(qiáng)會(huì)被吸收，這時(shí)需要合理調(diào)節(jié)曝光時(shí)間以獲得足夠測(cè)量信號(hào)。另外反光很強(qiáng)，或鏡面反射被測(cè)物，可能會(huì)導(dǎo)致光線垂直返回而沒有形成漫反射，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量效果不佳。所以使用二維激光掃描傳感器時(shí)，一定要先與廠家充分溝通，不要想當(dāng)然人為可以測(cè)，結(jié)果卻不好。目前國(guó)際上的主流二維激光掃描傳感器品牌，如德國(guó)米銥和日本基恩士，都會(huì)要求客戶在選用二維激光掃描傳感器時(shí)，預(yù)先告知被測(cè)物表面結(jié)構(gòu)和反光特性。如果是特殊被測(cè)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(cè)，確保達(dá)到測(cè)量要求后才會(huì)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(shí)，可能會(huì)因?yàn)閺?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(cè)，廠家一般擁有豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，懂得如何采用合理的參數(shù)，包括曝光時(shí)間，光強(qiáng)，測(cè)量頻率等可調(diào)參數(shù)，達(dá)到最佳的測(cè)量效果。
2）參數(shù)選擇，很多廠家都提供多個(gè)級(jí)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(duì)誤差等。指的是傳感器的測(cè)量值偏離理論真實(shí)值的偏差程度。這個(gè)參數(shù)直接反應(yīng)測(cè)得準(zhǔn)不準(zhǔn)。第二個(gè)就是分辨率，這個(gè)參數(shù)指?jìng)鞲衅髯龀鍪緮?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(gè)是測(cè)量速度，以德國(guó)米銥scanCONTROL系列為例，其測(cè)量速度可以達(dá)到4kHz,測(cè)量速度直接決定測(cè)量是否可以跟得上被測(cè)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(duì)要求快速掃描的應(yīng)用領(lǐng)域，如手機(jī)部件檢測(cè)至關(guān)重要，直接決定測(cè)量cycletime.這里特別要注意的，不要單純比較說明書中的測(cè)量頻率，某些日系品牌的標(biāo)出的測(cè)量頻率值驚人的高，其實(shí)不能長(zhǎng)時(shí)間使用，因此不具備實(shí)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(dòng)追蹤機(jī)構(gòu)使用，如焊接機(jī)或點(diǎn)膠機(jī)，需要通過二維激光掃描傳感器指引焊槍或點(diǎn)膠頭追蹤某些特征尺寸，如縫隙最低點(diǎn)或膠珠最高點(diǎn)。以德國(guó)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(diǎn)，縫隙寬度，縫隙深度，縫隙最低點(diǎn)等特征信息，無需客戶自行處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。當(dāng)然，如果客戶需要自行分析被測(cè)工件上的特征尺寸，如某些孔的直徑，臺(tái)階高度，平面度等信息，傳感器能夠給出完整的點(diǎn)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(diǎn)云信息的，這點(diǎn)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(dòng)和沖擊指標(biāo)等等。為什么要選擇合適的指標(biāo)呢？因?yàn)樵礁叩募夹g(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(jià)格昂貴。所以各位制定測(cè)量要求時(shí)，一定不要憑空想象，提一個(gè)超高的測(cè)量要求。我見過有的傳感器使用單位，動(dòng)輒要幾個(gè)微米，甚至納米級(jí)別的測(cè)量精度，測(cè)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(jià)的指標(biāo)提升，每一個(gè)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(shí)，要特別注意一點(diǎn)，各家廠商對(duì)參數(shù)的標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。如德國(guó)品牌，通常標(biāo)注的是真實(shí)參數(shù)，甚至是保守參數(shù)。而日系品牌，在標(biāo)注時(shí)，會(huì)以平均后的結(jié)果為準(zhǔn)?？磪?shù)表時(shí)，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(cè)量會(huì)產(chǎn)生一些毛刺，通過平均的方法可以大大平滑測(cè)量結(jié)果。
3）品牌的選擇，在諸多測(cè)量原理的位移傳感器中，二維激光掃描傳感器市場(chǎng)最為混亂，品牌最為參差不齊。甚至有商家明明只是代理國(guó)外某個(gè)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(huì)帶來后續(xù)更大的問題。辨別一個(gè)品牌是否為原廠產(chǎn)品，除了常見的原廠證明外（這個(gè)也可以假冒），最直接就是看其中文網(wǎng)址，國(guó)外品牌通常會(huì)把自己品牌名稱作為網(wǎng)址，如果你看到某個(gè)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(guó)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(guó)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?yàn)槔碚撋现v，二維激光掃描傳感器結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，國(guó)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(huì)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(jià)，從進(jìn)口品牌換成國(guó)內(nèi)品牌，結(jié)果過去3年都不會(huì)壞一個(gè)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出的一些選擇二維激光掃描傳感器的辦法，希望對(duì)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(cè)量要求。
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