Van nauwkeurig standalone meetplatform tot 24/7 meten in industriële omgeving.

Transcriptie

1 Accuro het nieuwe multi-sensor-3d-meetsysteem van Irmato Van nauwkeurig standalone meetplatform tot 24/7 meten in industriële omgeving. Inleiding Als innovatie- en technologiepartner werkt Irmato aan het oplossen van hoogtechnologische klantvragen op uiteenlopende terreinen. Het specialisme Qualification Technologies legt zich toe op industriële test- & meetvraagstukken. Op basis van ons eigen hardware- en softwareplatform ontwikkelen wij klant specifieke meetoplossingen. Het platform is veelzijdig toepasbaar en niet alleen voor meetapparatuur. Er is bijvoorbeeld een productiemachine ontwikkeld en gebouwd, conform de wens van de klant, met een 2D plaatsingsnauwkeurigheid van beter dan 0,5µm (3 sigma) over een werkgebied van 300 x 300 mm. Deze kwaliteiten zie je ook terug in onze 3D meetapparatuur, bijvoorbeeld bij het meten van laagdiktes voor de solar industrie en de semicon markt. We zorgen er ook voor dat we altijd een stap voor zijn op de markt. Als een klant een meetvraag heeft, willen we de oplossing al (deels) in huis hebben. Daarom presenteren we nu het nieuwe multi-sensor-3d-platform waarin we de hoge nauwkeurigheid van een witlicht sensor combineren met de flexibiliteit van hoge resolutie camera metingen. De uitdaging is om de nauwkeurigheid van positie en oriëntatie van de verschillende componenten even goed te laten zijn als de kwaliteit van de sensoren, om zo metingen te doen op hoog niveau. Alleen dan kunnen de metingen van de verschillende sensoren op de juiste manier worden gecombineerd en aanvullende informatie geven over het product van de klant. De Accuro - ontwikkelplatform In het kort: de Accuro is een multi-sensor-meetplatform dat configureerbaar is voor inline meetwerk of engineering meetwerk. Hij bestaat uit een schaalbare x-y stage (maat en nauwkeurigheid op specificatie) met één of twee (witlicht) sensoren die onder en boven het object op Z-sledes gesitueerd zijn. Daarnaast zijn er mogelijkheden om camera s, lijnen/of vlaksensoren toe te voegen.

2 De Accuro is ontwikkeld om een flexibel meetplatform in huis te hebben waarmee een groot scala aan meetvragen beantwoord kan worden. Hoe vlak is een product? Hoe zitten vormen ten opzichte van elkaar aan boven- en onderzijde van een product? Hoe dik is een coating laag? Is de coating gelijkmatig verdeeld? Zit er schade in de laag? Hoe kunnen we kenmerken in een product ten opzichte van elkaar meten als niet beide met één sensor kunnen worden gemeten? Hoe bepalen we een stabiele referentie op een product van waaruit we een reproduceerbare meting uitvoeren op productkenmerken? Het systeem is zoveel mogelijk opgebouwd uit hoogwaardige, maar in markt verkrijgbare componenten. Systemen die hierop gebaseerd zijn en in productielijnen draaien kunnen met off-the-shelf producten onderhouden worden. Wat hieraan toegevoegd wordt door Irmato, is het mechanisch design met een tolerantieopbouw die past bij de nauwkeurigheid van de sensoren en de sledes voor de bewegingsassen. Dit wordt aangevuld door uitlijning en kalibratie en daaruit volgende correcties om het systeem tot een nauwkeurig geheel te maken. Daarnaast levert het mechatronisch design de stabiliteit en de synchronisatie van de sensoren en motioncomponenten. Het geheel wordt compleet gemaakt met software waarin zowel de besturing als de meet- en analysegereedschappen zijn verwerkt. Aangezien het systeem bij zeer verschillende metingen wordt ingezet is veel aandacht besteed aan de functionaliteit en het gebruiksgemak van de software. In de gebruikersinterface kan een procedure voor een meting en de verwerking daarvan worden ingesteld. Er is een set standaard functies beschikbaar waarmee een meetprocedure kan worden samengesteld. Het gebruik hiervan is laagdrempelig en tegelijkertijd zeer veelzijdig en flexibel. Deze set bestaat onder andere uit lijnen cirkel definities, mathematische functies om resultaten te combineren en verwerken, en een aantal veelgebruikte beeldbewerkingsfuncties. Daarmee kunnen al vele meetvragen beantwoord worden en het geheel is verder naar wens uit te breiden met complexe scripts en geavanceerde verwerking om heel specifieke vragen te beantwoorden. Op basis van dit systeem ontwikkelden wij voor een klant volautomatische meetmachines. Het meethart is vrijwel identiek aan dit systeem, maar is aangevuld met volledige producthandling, meerdere camera s om met verschillende vergrotingen en verlichtingen allerlei kenmerken te kunnen bepalen en extra sensoren. Ook zijn met de klant samen meetdefinities opgesteld om de kwaliteit van het product te bepalen. Dit is geïmplementeerd en kan in een specifiek geval tot 250 producten per minuut meten en verwerken. Deze systemen zijn ook volledig geïntegreerd in het kwaliteitsbewaking systeem van de productieomgeving.

3 De Accuro - standalone meetsysteem De witlichtsensoren werken volgens een confocaal afstandsmeetprincipe en maken gebruik van chromatische aberratie van een lenzenstelsel. Door de keuze van het lenzenstelsel kunnen verschillende meetbereiken en werkafstanden worden gehaald. In de Accuro wordt gebruik gemaakt van twee sensoren met een 400 µm bereik en een resolutie van ongeveer 10 nm. Beide witlichtsensoren zijn op onafhankelijke assen geplaatst. Hiermee kan de uitlijning van de sensoren ten opzichte van elkaar nog nauwkeuriger worden afgesteld. Het totaal is geschikt voor tweezijdig meten van objecten van allerlei grootten en dikten. Daarmee is het in het bijzonder geschikt voor het meten van diktevariatie, vlakheid, ruwheid, en artefacten van dunne objecten. Een belangrijke stap die gemaakt is sinds ons vorige systeem is het gebruik van de camera als krachtige sensor. In een eerder prototype van het platform leverde de camera alleen een voorlopige plaatsbepaling en aanwijzing van het meetgebied op. Nu is de camera zelf sensor en kan kenmerken meten waar de witlichtsensor niet toe in staat is. Metingen met een camera kunnen de informatie opleveren waarmee met de witlichtsensor op nauwkeurig bepaalde plaatsen metingen uitgevoerd kunnen worden. Beide meetsystemen hebben hun eigen mogelijkheden. Camera: 2D vlakinformatie, snel te vertalen naar oriëntatie en kenmerken. Witlichtsensor: 3D metingen met hoge resolutie, flexibel in sensorsnelheid en lichtgevoeligheid, bruikbaar voor vele soorten oppervlakten. Wezenlijk voor het scannend meten met een witlichtsensor is de stabiliteit en de volgfout in de regeling van XY-tafel. De systemen die wij ontwerpen worden dynamisch gemodelleerd en de regeling wordt daarop aangepast. In het besturingssysteem van de motionassen worden de sensoren geïntegreerd en gesynchroniseerd. Dan is daadwerkelijk de informatie van alle sensoren en assen samen te voegen tot 3D data in een meetpuntenwolk. Voor alle componenten in het systeem geldt dat de oriëntatie en bewegingen binnen het bereik zeer goed bekend en nauwkeurig op elkaar afgestemd moeten zijn. Datzelfde geldt voor de keuze van de componenten. Deze moeten natuurlijk inherent nauwkeurig zijn, maar moeten vooral voldoen aan de hoogste eisen wat betreft reproduceerbaarheid van beweging. Als de afwijkingen van de hardware bekend en herhaalbaar zijn, is het mogelijk deze met behulp van look-up tabellen softwarematig weg te rekenen. Een nauwkeurigheid van minder dan 50 nm in positionering behoort tot de mogelijkheden. Voor ons eigen meetplatform kiezen we hoogwaardige producten zoals motionassen van Alio, witlichtsensoren van Precitec, en lenzen van Opto Engineering. In de Irmato software toolbox zijn reeds componenten van meerdere leveranciers opgenomen en deze wordt geregeld uitgebreid.

4 Eigenschappen: Contactloos. Alle gebruikte meetprincipes zijn contactloos. Hiermee veroorzaakt het geen schade aan, en laat het geen sporen of vuil achter op producten. De witlichtsensoren kunnen zowel afstand meten als laagdikte voor transparante materialen. De camera s kunnen worden gecombineerd met verschillende lenstypen en verschillende verlichtingsbronnen. Hiermee kunnen verschillende beelden (doorlicht, opvallend licht) worden gemaakt en zo verschillende soorten metingen worden uitgevoerd. Tweezijdig. Zowel boven als onder het product is een witlichtsensor beschikbaar, elk op een eigen slede, om tweezijdig te kunnen meten aan producten van verschillende formaten. Daarmee kan tijd worden bespaard, kunnen kenmerken nauwkeuriger ten opzichte van elkaar worden bepaald en kan dikte en diktevariatie worden gemeten. Flexibel. De Accuro is een kant en klaar, zeer breed inzetbaar meetplatform en tegelijkertijd kunnen veel van de componenten op klantwens worden aangepast binnen het bestaande concept. Er kunnen nieuwe sensoren worden toegevoegd, bijv. tastende sensoren. Het systeem kan worden aangepast aan de verschillende productdimensies en gewenste specificaties door het aanpassen van het bijvoorbeeld het XY-tafelbereik en de keuze van werkafstand en resolutie van de sensoren. Software. Met de bijgeleverde software en gebruiksinterface kunnen eenvoudig allerlei metingen worden gedefinieerd en deze kunnen herhaald worden uitgevoerd. In het camerabeeld kan een te meten gebied worden geselecteerd, waarna de gebruiker kan kiezen uit verschillende voorgeprogrammeerde of zelf gespecificeerde functies zoals: meten in cirkels vanuit het midden, meten in lijnen, een doorsnede maken etc. Dit kan met vaststaande meetprocessen of met resultaatafhankelijke instellingen. Het resultaat van een eerdere meting bepaalt dan de instelling voor de volgende meting. De functies kunnen volgens het drag & drop principe aan een meetprocedure worden toegevoegd. Er wordt gebruik gemaakt van algemeen aanvaarde platformen zoals Python voor scripting - en Halcon voor beeldverwerkingen. Hiermee kan zeer flexibel worden ingesprongen op klant vragen op het gebied van resp. het meetproces en camerametingen (beeldverwerking). Klanten met expertise op deze gebieden kunnen zelf metingen ontwikkelen. Voor de presentatie en verdere verwerking van resultaten hebben we eigen 3D softwaretools en Matlab support. Specificaties. Wat kan de Accuro meten?

5 Vormen en afmetingen van 3D producten - multi-sensor informatie Vorm van 2D afbeeldingen met beeldverwerking Dikte van niet transparante materialen met twee sensoren (aan weerszijden) Laagdikte transparant materiaal: de sensor kan door het materiaal heen de dikte meten. Materialen als Siliciumcarbide zijn transparant voor de IR variant van de sensor. Dit maakt de Accuro ook geschikt voor het meten van transparante- of semitransparante lagen nadat deze op een ondergrond zijn aangebracht. De laterale resolutie wordt bepaald door de spotgrootte van sensor resp. de resolutie van de camera en lens. Met de gebruikte sensor is de laterale resolutie ongeveer 0,5µm. Punt- en lijndichtheden van 1000/mm zijn makkelijk haalbaar. Voor de camerametingen is dit erg afhankelijk van de keuze van camera, lens en de meetdefinitie. Door gebruik van goed gekozen algoritmes voor de beeldbewerking is een resolutie van 0,05 µm haalbaar. Verticale resolutie van de witlichtsensor wordt hoofdzakelijk bepaald door de specificaties van de sensor. Materiaaleigenschappen (reflectie) spelen hierin ook een rol. Resolutie van de gebruikte sensoren ligt rond 10nm, meetnauwkeurigheid is mogelijk tot 100nm. Een duidelijke begrenzing vormt de scheefstand van het te meten oppervlak; de Accuro sensor is tot een helling van 40 graden in staat betrouwbaar te meten. De te behalen nauwkeurigheden zijn dus sterk afhankelijk van de keuzes van sensoren en sledes. Het tot nu toe hoogst behaalde resultaat is 25nm meetnauwkeurigheid in X en Y, en 100nm in Z richting (hoogte).