基于對射光纖檢測的測量系統(tǒng)研究

劉萸，謝春，王朝，曾光俊，汪仁強，陳志強

（成都宏明雙新科技股份有限公司，四川 成都 610091）

非接觸式的對射光纖檢測與接觸式Go/No-Go 檢測治具一樣需要按照給定的尺寸接收限度進(jìn)行設(shè)計加工，與標(biāo)準(zhǔn)塊（如塊規(guī)、塞規(guī)等）或標(biāo)準(zhǔn)件對標(biāo)，再通過計數(shù)型測量系統(tǒng)分析評價可接受后，才能正式投入生產(chǎn)現(xiàn)場使用，與被測產(chǎn)品的特定尺寸逐一比對獲得產(chǎn)品合格與否判定結(jié)果。但不同之處在于對射光纖檢測是利用光纖傳感器的投光部與受光部光纖頭經(jīng)物體遮光產(chǎn)生信號變化實現(xiàn)多維度、多個尺寸的快速同步檢測。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和測量區(qū)間范圍設(shè)計精度驗證塊，通過高精度影像測量儀獲得的檢測值，并與其放入對射光纖檢測系統(tǒng)得到的光纖傳感器數(shù)字模擬信號值，一并導(dǎo)入統(tǒng)計分析軟件（如JMP)進(jìn)行回歸分析，建立線性數(shù)學(xué)模型，再應(yīng)用影像測量儀和光纖傳感器的檢測結(jié)果與理論導(dǎo)出值的等比關(guān)系，推導(dǎo)出影像儀測評的理論值，繼而獲得影像儀檢測值與理論值之間的量值偏差，再與影像測量儀的檢測值比對，證明滿足測量系統(tǒng)分辨力的“1:10法則”，故得出對射光纖檢測系統(tǒng)的測評結(jié)果準(zhǔn)確結(jié)論。

確認(rèn)對射光纖檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確后，接下來設(shè)計對標(biāo)專用的校正塊，實現(xiàn)對射光纖傳感器的誤差補償。由此，本文將以3C 屏蔽罩結(jié)構(gòu)件的支腳（Pin 腳）平面度檢測為例,闡述自校準(zhǔn)專用校正塊的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)則的建立原則,并展開相關(guān)性試驗分析找到對射光纖檢測的自校準(zhǔn)測評周期和測評操作方法，以保障對射光纖檢測在大批量生產(chǎn)應(yīng)用中的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。

1 對射光纖檢測系統(tǒng)簡介

1.1 檢測系統(tǒng)設(shè)計概要

對射光纖檢測技術(shù)就是通過對射光纖組接收通光量實現(xiàn)對被測件高度偏差或位置偏移符合性評價的一種自動化檢測技術(shù)，因我公司常用于對屏蔽罩Pin 腳端的平面度檢測上，故又稱為Pin 腳平面度檢測技術(shù)。其設(shè)計原理就是基于檢測平臺，對比屏蔽罩Pin 腳通光量與標(biāo)準(zhǔn)塊（又稱校正塊）通光量的符合性，輸出Pin 腳端平面度合格與否的測評結(jié)果。一般情況下，檢測系統(tǒng)會與之配套的自動化傳送系統(tǒng)和自動化包裝系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)對產(chǎn)品的在線尺寸全檢和連續(xù)包裝，排除制造過程中人的因素影響，提升生產(chǎn)過程的質(zhì)量穩(wěn)定性。

1.2 檢測系統(tǒng)實現(xiàn)步驟

Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)實現(xiàn)分為3 個步驟：（1）自動送料到位并精準(zhǔn)定位；（2）平面度檢測判定；（3）檢測品挑選（即，檢測判定為合格產(chǎn)品由機構(gòu)自動排序裝盤，不合格品集中放置于不合格品盒或不合格品收集架隔離）。

1.3 適用結(jié)構(gòu)件

例如，我司應(yīng)用于產(chǎn)品焊接支腳（Pin 腳）的端面具有高度偏差管控要求，且高度偏差≤0.40mm 范圍的屏蔽罩系列件。

2 測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性分析

為了驗證我公司產(chǎn)品在此檢測系統(tǒng)上的測試準(zhǔn)確性，于是，自主設(shè)計一組覆蓋我公司主要產(chǎn)品Pin 腳平面度高差范圍的精度驗證塊共計9 個。通過高精度的影像測量儀重復(fù)5 次測量精度驗證塊，得到9 個驗證塊的高度差均值，將其填入“影像測量均值”欄。然后，將精度驗證塊放入Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)，進(jìn)行單個光纖接收系統(tǒng)測量，測量5 次并記錄光纖傳感器輸出的數(shù)字模擬信號值，再計算平均值填入“光纖接收量均值”欄。注意測試時，9 個精度驗證塊的裝夾位置和裝夾方法需保持一致。錄入數(shù)據(jù)見表1。

表1

利用統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行回歸分析，將“影像測量均值”作為預(yù)測變量X、“光纖接收量均值”作為響應(yīng)Y，繼而得到精度驗證塊的“光纖接收量均值”與“影像測量均值”的回歸方程：Y=-68.92+4360X。將“影像測量均值”作為X 代入回歸方程，計算理論的光纖測試數(shù)據(jù)模型結(jié)果Y 填入表1“光纖數(shù)據(jù)模型導(dǎo)出（Y）”欄。通過等比關(guān)系：“影像測量均值/光纖接收量均值=x/光纖數(shù)據(jù)模型導(dǎo)出”，推算出理論的影像儀測量數(shù)據(jù)模型結(jié)果x 填入表1“影像測量結(jié)果導(dǎo)出”欄，最后計算“影像測量均值”與“影像測量結(jié)果導(dǎo)出”的偏差填入“影像量值差異”欄。根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果可見“影像量值差異”與“影像測量均值”的比率符合測量系統(tǒng)分辨力的“1:10法則”，證明對射光纖檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測評屏蔽罩的Pin 腳平面度。導(dǎo)出數(shù)據(jù)見表1。另外，通過統(tǒng)計分析軟件的線性分析結(jié)果可見：回歸擬合值R-Sq=99.3%。R-Sq 是衡量回歸方程的“確定系數(shù)”，是解釋觀測數(shù)據(jù)變異的能力，其數(shù)值越接近1，代表模型擬合越好。

基于以上數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)結(jié)果和統(tǒng)計分析軟件導(dǎo)出結(jié)果，得出Pin 腳平面度測量值在該量測系統(tǒng)的測量區(qū)間范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。

3 測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)設(shè)計

對于射光纖檢測來說，目前行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一有效的管控方法，以我公司為例，是通過屏蔽罩結(jié)構(gòu)件的產(chǎn)品特性，設(shè)計一套專用標(biāo)準(zhǔn)量塊（又稱校正塊），完成設(shè)備使用前的校準(zhǔn)工作。

3.1 校正塊設(shè)計原理

校正塊作為檢測系統(tǒng)檢驗通光量的專用標(biāo)準(zhǔn)件，其檢測原理是通過校正塊遮光壁端面到檢測平面之間的距離A（即：產(chǎn)品內(nèi)控平面度上限），生成標(biāo)準(zhǔn)光通量a，并對比產(chǎn)品支腳端到檢測平面的距離B生成的光通量b，當(dāng)b ≤a 時，Pin 腳平面度判定為合格；當(dāng)b ＞a 時，Pin 腳平面度判定為不合格。換句話說，校正塊工作面與校正塊環(huán)形遮光壁端面之間的距離A，就是產(chǎn)品Pin腳內(nèi)控平面度管控上極限。

3.2 校正塊設(shè)計規(guī)則

校正塊作為Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)的專用標(biāo)準(zhǔn)件，其標(biāo)定尺寸設(shè)置的公差范圍按照測量系統(tǒng)“1:10 法則”管控，即校正塊的工作面和校正塊的環(huán)形遮光壁端面允許累計誤差范圍應(yīng)不大于產(chǎn)品內(nèi)控范圍（公差）的1/10，以確保校正塊有足夠的分辨力表示被測零件的平面度測試值。

基于以上對測量標(biāo)準(zhǔn)塊的分辨力控制要求，設(shè)計校正塊的標(biāo)定用圖。例如，我公司產(chǎn)品的內(nèi)控要求規(guī)定產(chǎn)品的Pin 腳平面度控制范圍≤0.25mm，按照“1:10 法則”控制，其校正塊測平面的累計尺寸誤差范圍允許≤0.025mm，需要具備足夠的分辨率。為此，設(shè)計標(biāo)定圖給定：校正塊校正高度尺寸（測評尺寸）公差范圍≤0.005mm 管控（例如，尺寸0.23+0.005/0）。同時，給定校正塊的平面度管控要求，允許校正塊工作面的平面度控制范圍≤0.01mm；允許校正塊環(huán)形遮光壁端面的平面度控制范圍≤0.01mm。

3.3 校正塊關(guān)鍵尺寸測試規(guī)則

校正塊計量檢定合格后，為確保后續(xù)下發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)場作為標(biāo)準(zhǔn)量塊實現(xiàn)對Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)的精準(zhǔn)度定期核查，需建立校正塊關(guān)鍵尺寸，即校正塊遮光壁端面（平面度1）到檢測平臺（平面度2）之間距離的檢測作業(yè)指導(dǎo)書。選用比Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)精度至少高一級的測量儀器，按照檢測作業(yè)指導(dǎo)書指定點位采集測試數(shù)據(jù)擬合平面度1 和平面度2，評價平面度1 和平面度2 的平面度值并計算兩平面間的距離值，備存后作為后續(xù)校正塊的期間核查對標(biāo)依據(jù)。校正塊的期間核查周期一般設(shè)定為3 個月。

4 測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

4.1 自校準(zhǔn)步驟

Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)開機后，先確認(rèn)檢測平面的光纖光束發(fā)射的良好狀態(tài)，然后，通過上板定位銷與校正塊定位孔將校正塊工作面與檢測塊上板檢測面貼合，校正塊遮光壁生成的標(biāo)準(zhǔn)通光量轉(zhuǎn)換為數(shù)字模擬信號作為產(chǎn)品平面度的控制限度基準(zhǔn)，進(jìn)行校準(zhǔn)判定。再將校正塊取下放置于專用盒存放。最后Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)正式運行，屏蔽罩產(chǎn)品被機構(gòu)吸嘴逐一放置于檢測平臺平面上進(jìn)行合格與否測評。以上為Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)的自校準(zhǔn)流程。

4.2 自校準(zhǔn)模塊穩(wěn)定性分析

通過一周時間（共計5 天）對Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)的自校準(zhǔn)間隔周期與誤判率相關(guān)性驗證、記錄，獲知Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)的自校準(zhǔn)頻次在2 小時內(nèi)誤判率幾乎為0，而當(dāng)自校準(zhǔn)頻次超過2.5 小時，Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)開始出現(xiàn)誤判風(fēng)險。為此，確定Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)運行周期內(nèi)每隔2 小時自校準(zhǔn)一次，每次自校準(zhǔn)完成后檢測系統(tǒng)快速實現(xiàn)校準(zhǔn)判定，如超出模擬信號范圍需要調(diào)整控制放大器閾值修正。

5 測量系統(tǒng)的KAPPA 分析

5.1 檢測系統(tǒng)MSA 類型

Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)在即將投入使用時，或使用過程中（每間隔一年測評一次），以及測量系統(tǒng)有異動（例如，設(shè)備大修、校正塊或檢測機構(gòu)調(diào)修或更換等）時，均要進(jìn)行“假設(shè)試驗KAPPA 分析法”，以驗證測量系統(tǒng)是否滿足要求，以及是否能夠持續(xù)地滿足要求。

5.2 檢測系統(tǒng)KAPPA 測評

KAPPA 測評法首先隨機選取能夠覆蓋產(chǎn)品平面度范圍的50 個樣品作為基準(zhǔn)，用計量型檢測設(shè)備對樣品的平面度進(jìn)行測量，將測量值作為基準(zhǔn)值。其中，50 個樣品要包含3 種類型的測量結(jié)果：平面度合格產(chǎn)品、平面度不合格產(chǎn)品、平面度內(nèi)控限合格產(chǎn)品。再對這些樣品進(jìn)行編號，以隨機順序分別測量50 個樣品，并記錄測量結(jié)果，以此重復(fù)3 次。

基于KAPPA 值檢測結(jié)果，得知Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)自身一致性K 值0.89，以及與基準(zhǔn)之間一致性K 值0.90，僅達(dá)到測量系統(tǒng)可接受極限。考慮前面對該檢測系統(tǒng)所做的量測系統(tǒng)準(zhǔn)確性分析和回歸擬合值R-Sq=99.3%較佳的分析結(jié)果，于是再次開展KAPPA 測評。第二次測評前先將檢測平臺的平面和被測件的表面逐一清潔，同時確保在測量過程中每隔2 小時自校準(zhǔn)時段同步清潔一次檢測平臺的平面。再次KAPPA 值測評結(jié)果是Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)自身一致性K 值0.91，以及與基準(zhǔn)之間一致性K 值0.94，測量系統(tǒng)可接受，即K 值≥0.9。故，最終分析結(jié)果是：在保證檢測環(huán)境清潔性前提下，Pin腳平面度檢測系統(tǒng)可接受，可以導(dǎo)入大批量生產(chǎn)使用。

6 結(jié)語

本文針對我公司應(yīng)用廣泛的Pin 腳平面度檢測系統(tǒng)的MSA 分析與研究，從檢測系統(tǒng)功能實現(xiàn)、精度驗證塊與校正塊研制、校準(zhǔn)規(guī)則建立，以及測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性分析、穩(wěn)定性分析、KAPPA 測評等多維度闡述了“對射光纖檢測技術(shù)”應(yīng)用于企業(yè)大批量生產(chǎn)的可行性和可靠性，也為Go/No-Go 自動化檢測系統(tǒng)的MSA 分析提供了充分的實踐經(jīng)驗。