基于机器人的高精度新型紧凑表面测量系统

近日，来自奥地利维也纳技术大学的研究人员们开发了一种轻量级的光学系统，用于对表面进行微米级精度的三维检测。这种新的测量工具可以大大提高半导体芯片、太阳能电池板和平板电视等高科技电子产品的质量控制检验效率。

振动使得在生产线上进行精确的3D测量变得困难，因此需要定期采集样品在实验室中进行分析。但是，在等待结果的过程中，任何有缺陷的产品都必须丢弃。 为了创造一个可以在工业制造工厂易振动环境下运行的系统，研究人员将一个紧凑的二维快速转向镜与一个高精度的一维共焦色差传感器相结合。研究人员表示，他们开发的基于机器人的在线检测和测量系统可以在工业生产中实现100%的质量控制，取代目前基于样品的检测方法。这种方法节省了能源和资源，使得生产过程更高效。

新系统被设计安装在机器人手臂上的跟踪平台上，用于对任意形状和表面的非接触3D测量。它的重量只有300克，体积为75 × 63 × 55cm3，大约是一个浓缩咖啡杯的大小。

精密测量通常是在实验室中用笨重的仪器进行的。为了将这种能力应用到生产现场，研究人员开发了一种基于一维共焦彩色距离传感器的系统。共焦色传感器可以精确地测量位移、距离和厚度，它的工作原理与共焦显微镜相同，但体积要小得多。他们将共焦传感器与之前开发的直径仅为32mm的高度集成快速转向镜相结合。另外，他们还开发了一种重建过程，利用测量数据创建样品表面形貌的3D图像。3D测量系统非常紧凑，可以安装在计量平台上，作为与机械臂的连接，通过主动反馈控制补偿样品和测量系统之间的振动。

研究人员说：“通过使用快速转向镜控制传感器的光路，测量光斑可以快速、精确地扫描待测的表面区域。因为只需要移动小镜子，所以扫描可以在不影响精确度的情况下高速进行。”为了测试这个新系统，研究人员使用了不同的校准标准，这些标准的结构具有确定的横向尺寸和高度。实验证明，该系统可以获得横向2.5μm和轴向76nm分辨率的测量精度。

研究人员认为，这个系统最终会给高科技制造业带来各种益处，在线测量可以实现零故障的生产过程，这对小批量制造特别有用。这些信息还可以用于优化制造工艺和机床设置，从而提高整体产量。 目前，研究人员正致力于在计量平台上实现该系统，并将其与机械臂结合。这将使他们能够测试在如工业生产线上的自由曲面等易震动的环境中基于机器人的精密三维测量的可行性。

图:在校准过程中使用CMOS相机的新系统。