鐳射位移感測器的運作方式


一般稱為點鐳射的鐳射位移感測器,可以使用三角反射測量單點。另一方面,鐳射輪廓儀可以測量整條線。鐳射位移感測器是一點一點地收集資料,所以測量準確度很高,但效率低落。鐳射輪廓儀的取捨點則恰好相反。其會在掃描表面後,迅速形成三維輪廓,但準確度會下降。選擇使用哪種類型的鐳射測量方法,取決於應用需求,主要以準確度或速度為優先。

無論是計算翻蓋式容器中的餅乾片數、確認汽車圍板對位,或測量印刷電路板上電子元件的位置,能受益於簡單易用三維視覺系統的製造應用清單幾乎無止盡。

三維機器視覺設計師目前有數個可解決三維應用的選項能自由選用,包括鐳射位移系統 (也稱為鐳射掃描器)、立體定位及飛行時間 (ToF) 解決方案。在這三種解決方案集當中,最常見的是鐳射位移感測器,並可為在線式與離線作業,提供速度最快、準確度最高,也是最具成本效益的三維資料採集方式。

比較輪廓儀、線性位移及面陣位移

鐳射位移感測器可產生精準的二維與三維表面測量值,包括物體的高度、寬度、角度、面積及位置。鐳射位移感測器共有三種主要類型:線性輪廓儀、線性位移感測器,以及面陣掃描位移感測器。

鐳射輪廓儀可以將個別的輪廓堆疊成連續圖像,產生二維圖像切片 (例如,物體切成兩半的圖像) 或三維表面圖。一般而言,做法是使用追蹤受掃描物體的編碼器所提供的運動資料。

比較二維高度圖與三維點雲

二維半高度圖 (左) 與三維點雲 (右)

鐳射位移感測器可讓此作業更進一步,為整個物體產生真正的三維點雲,提供更高的準確度與實用性 (假設已全面將圖像處理軟體最佳化,以在真正三維的環境中運作)。鐳射位移感測器也可安裝在輸送帶上方,並偶爾會安裝在下方,來掃描行動中的物體。這些感測器有時會裝在機器人手臂末端,提供感測器對物件的掃描移動。

利用機器人在輸送帶揀選檢測過的金屬鑄造件

最後,有些面陣掃描位移感測器會使用微機電 (MEM) 鏡片,讓鐳射光在物體周圍移動,而不是仰賴物件對著鐳射移動。

鐳射三角測量高度

鐳射位移感測器使用鐳射三角測量,從校準的基本平面 (可想像成線圖上「零」的位置) 來判斷圖元高度。

運作時,鐳射位移感測器會將鐳射線投射在靜止不動或相對移動中的物體上。例如,像是用於 In-Sight 3D-L4000 機器視覺系統中的線性位移感測器,可能會安裝在移動中的輸送帶上方,或裝在機器人手臂上。

數位感測器與鐳射位移感測器內部的鐳射線產生器,相距已知的距離並呈一定角度,還可以擷取反射的光線。感測器內執行的鐳射三角測量軟體會根據所投射鐳射光移經物體時的形狀變化,重新建構表面圖或三維點雲。然後將結果傳遞給下游的可程式設計邏輯控制器 (PLC)、物料處理系統和/或生產追蹤軟體,以供採取進一步動作。

 

二維與三維:兩個世界的翹楚

以這些簡單的運作原則為基礎,鐳射位移感測器廣泛用於眾多工業製造應用的輪廓、位置及空隙量測,包括:

  • 汽車裝配中的存在與否
  • 食品與包裝的密封與體積測量
  • 擠壓成型應用中的模具間隙、厚度及紋理檢測
  • 電子與消費性包裝商品中的組件高度、位置及凸起檢測

除了準確度之外,鐳射位移感測器能夠每秒迅速採集數百萬個三維點雲,建構高解析度三維點雲模型。能以極高速運作,讓沿著輸送帶向下移動的產品都能 100% 完成測量,因此不必停下生產線對產品取樣。如此可以降低成本、讓品質更優異,還可以提高處理量。

最可靠的鐳射位移感測器可以提供二維灰階圖像以及三維點雲。使用先進的無斑點鐳射掃描系統,新一代的鐳射位移感測器能以均一的光學倍率產生高品質的二維圖像。傳統上,在輸送帶下方安裝鐳射投影儀會發生汙染問題,但這些先進的系統即使上下顛倒安裝,也能可靠地運作。

21-032 Speckle Gif

無斑點藍光鐳射線 (左) 與有斑點紅光鐳射 (右)

如上所述,測量範圍寬廣的新式鐳射位移感測結合最強大與直覺式的機器視覺軟體程式一起使用,讓鐳射輪廓儀系統幾乎能解決任何在線式三維測量應用。如此可以節省製造廠商和機械製造廠商的時間與費用,同時增加產品整體的品質。

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