Technologie 3D we współczesnych maszynach do kontroli optycznej i ich możliwości

W niniejszym artykule chciałbym Państwu przybliżyć najczęściej spotykane sposoby obrazowania 3D w dostępnych obecnie na rynku maszynach do automatycznej kontroli optycznej. Na wstępie trochę terminologii zawartej w tekście, a mianowicie:

- AOI - automatic optical inspection, automatyczna kontrola optyczna

- SPI - solder paste inspection czyli inspekcja pasty lutowniczej

- oraz CMM (coordinate measuring machine) - jako współrzędnościowa maszyna pomiarowa.

Wszystkie opisane powyżej rodzaje maszyn mogą używać do pomiarów zarówno grafiki dwuwymiarowej 2D jak i trójwymiarowej 3D – lub obydwu jednocześnie.

…..ale cofnijmy się do początku - początek wbrew pozorom wcale nie odszedł w zapomnienie, bowiem bardzo często na halach produkcyjnych możemy spotkać się z narzędziem, które z powodzeniem wykorzystywane jest również w chwili obecnej do kontroli optycznej za pomocą operatora. Chodzi tutaj o manualną kontrolę optyczną i zwykłą lupę. Czy to trzymana w dłoni, czy na statywie (z oświetleniem lub bez). Niewątpliwie dużą jej zaletą są niskie koszty, aczkolwiek wymaga bardzo dużego doświadczenia i jest mało efektywna. Choćby dlatego, że po kilku godzinach pracy operator czuje zmęczenie, podatny jest na pomyłki i najzwyczajniej w świecie niezauważanie detali.

Zatem powodów do wprowadzenia automatycznych rozwiązań w produkcji do testowania elektroniki jest wiele, przede wszystkim:

- wzrost upakowania elementów na płytkach drukowanych

- rosnące w nieskończoność ilości produkcyjne

- zmniejszające się czasy cyklu maszyn w linii

- redukcja napraw produkowanych produktów

- łatwość implementacji i szybki zwrot z inwestycji poprzez wyeliminowanie błędów operatorskich

- analiza bezkontaktowa i całkowita automatyzacja

- no i niewątpliwie jedno z najważniejszych powodów to ciągła miniaturyzacja komponentów elektronicznych.

Jak można zauważyć w chwili obecnej komponenty montowane przez automaty sięgają wymiarów do 10-tych części milimetra, jak w przypadku komponentów: 0402, 03015 czy 0201 w mm, lub ich odpowiedniki w calach: 01005, 009005 czy 008004. Oczywiście są ograniczenia co do montażu, tak małych komponentów, aczkolwiek zaczynają się i one pojawiać na rynku.

Przeskakując na moment do ogólnej budowy systemu do kontroli optycznej, można spotkać się systemami podobnymi do standardowych transportów z kamerami montowanymi z góry/dołu lub z obydwu stron, gdzie płytka jest skanowana podczas przejazdu przez urządzenie - a software testuje to, co zostało zeskanowane. Niekiedy takie systemy mogą testować płytki niemalże o nieograniczonej długości.

Niewątpliwie jednak bardziej zaawansowane systemy (i w chwili obecnej najczęściej spotykane) to takie, gdzie głowica jest napędzana przez silniki w każdej z osi. Zarówno w X i Y a czasami również w Z. Zazwyczaj są to silniki liniowe aby przyśpieszyć pracę całego systemu. Do tego komputery zbierające dane z kamer, kontrolujące i testujący pakiety PCB z niewyobrażalnie zaawansowanymi kartami graficznymi - podobnymi do tych używanych do "kopania" krypto-walut. Jak również wszelkiego rodzaju kontrolery osi oraz moduły sterujące transportami PCB.

Gdy pójdziemy głębiej i spojrzymy na budowę głowicy (na początek 2D), można wyszczególnić, że składają się one z 3 głównych części:

- kamery 2D,

- systemu soczewek

- oraz systemu oświetlenia.

System soczewek wykonany jest zazwyczaj telecentrycznie. Oznacza to w dużym skrócie, że wszelkie obiekty w polu roboczym kamery widziane są przez nią prostopadle z góry. W ciekawy sposób obrazują to zdjęcia pokazane poniżej:

Dodatkowo oświetlenie pod różnym kątem (z góry, z boku) umożliwia maszynie 'patrzenie' na powierzchnię i określanie, jaka jest jej płaszczyznowość czy kolor. Można się domyśleć, że światło, które pada z góry, będzie odbijać się od płaskich, jasnych powierzchni (np. pady lutownicze bez spoiwa) i trafiać do kamery jako jasne pola. Przez wiele lat producenci maszyn do kontroli optycznej w ten właśnie sposób, byli w stanie określić jakość lutowania komponentów oraz to, czy nie powstaje efekt „head on the pillow” czyli poduszki powietrznej. Czy chociażby radzić sobie z efektem „nagrobkowym” jak „tombstoning”.

Niestety, jakbyśmy światłem nie świecili to, nie będziemy w stanie wykryć drobnych zmian w równoległości powierzchni oraz wysokości. I tutaj z pomocą przychodzi właśnie technologia 3D. Omawiając technologie pozyskiwania obrazu 3D, nie można pominąć jej czterech podstawowych sposobów wytwarzania, a mianowicie:

1. Jednym z podstawowych, jest optyka stereoskopowa, w której patrzymy na jeden punkt z dwóch kamer pod różnym kątem, często określana jako rozwiązanie 2,5D. Sposób ten pomaga operatorom w oszacowaniu zasadności ewentualnych zgłoszonych błędów - natomiast nie jest w stanie precyzyjnie określić wysokości badanego obiektu.

2. Kolejnym sposobem pozyskiwania obrazu 3D jest triangulacja laserowa. Gdzie pojedyncza linia światła laserowego jest rzucana na obiekt w celu obliczenia jego wysokości. Rysunek obok pokazuje jak może to być rozwiązane w praktyce. Przy pomocy lasera świecącego z góry na obiekt wraz z obserwującą jego linię kamerą umieszczoną pod znanym kątem, software jest w stanie obliczyć i precyzyjnie określić wysokość badanego elementu. Niewątpliwym plusem tej technologii jest dokładność pomiaru w całym dostępnym zakresie mierzonej wysokości. Natomiast dużym minusem są miejsca, w których wiązka lasera wchodzi pomiędzy komponenty/wyprowadzenia - a kamera nie jest w stanie w ogóle jej zobaczyć - czyli „efekt cienia”.

3. Aby wyeliminować „efekt cienia” producenci prześcigali się w tworzenie coraz to kolejnych maszyn wprowadzając do swoich rozwiązań technikę Moire’a. Technika ta  to jest nic innego jak nakładanie wzorów światła (prążków) i ich obserwacji przez kamerę w celu uzyskania pomiaru wysokości.

Zazwyczaj w takim przypadku mamy do dyspozycji cztery bądź więcej projektorów, umieszczonych dookoła kamery pod znanym katem, świecących na obiekt poprzez szkła, na których są laserowo wytrawione linie. Szkiełka te mogą za pomocą małych silników piezoelektrycznych poruszać się względem siebie co powoduje, że obraz prążków rzucany na badany obiekt, może mieć różną rozdzielczość (odległości od siebie w związku z wysokością badanych obiektów). Prążki analizowane są przez kamerę maszyny i na tej podstawie obliczana jest wysokość na niemalże każdym um². Oczywiście silniki elektryczne wykorzystane w celu generowania różnej rozdzielczości prążków nie mają nieskończonego ruchu. Zatem można się domyślać, że maszyna wyposażona w system obrazowanie 3D techniką Moire’a będzie miała pewne ograniczenia co do wysokości badanych komponentów. Tak właśnie się dzieje, jeśli chcemy badać komponenty wyższe niż specyfikacja standardowa danej maszyny. W takim przypadku musimy zainwestować o dodatkowe projektory dzięki którym można badać komponenty wyższe. To jest jeden z podstawowych minusów maszyn, które wykorzystują tą właśnie technologię.

4. Aby zniwelować dokładanie dodatkowego hardware’u do maszyny oraz zminimalizować wagę samej głowicy i jej koszt, powstała czwarta technika pozyskiwania obrazu 3D, bardzo podobna do techniki Moire’a, natomiast różniąca się sposobem generowania wzorów służących do analizy wysokości, a mianowicie Phase Profilometry (profilometria faz). Zasada jest taka, że za prążki, które są nakładane na elementy nie jest odpowiedzialny projektor światła i szkło z wytrawionymi liniami a projektor cyfrowy DLP (Digital Light Projector). Za pomocą cyfrowego projektora jesteśmy w stanie wygenerować wzory światła dla każdej z kamer znajdujących się dookoła niego o różnej rozdzielczości.

Ostatnia i zarazem najbardziej zaawansowana technologia obrazowania 3D wykorzystywana jest w maszynach marki Cyber Optics, co niewątpliwie wyróżnia ją na tle konkurencyjny film.

Dodatkowo, aby zminimalizować ryzyko powstawania zakłóceń w obrazowaniu 3D, zastosowano zaawansowane algorytmy tłumienia wielu odbić świetlnych czyli Multiple Reflection Suppression. Chodzi tutaj o to, że bardzo często maszyny 3D nie radzą sobie z lśniącymi powierzchniami, metalicznymi otworami czy komponentami leżącymi bardzo blisko siebie. Tłumienie wielu odbić w telegraficznym skrócie polega na tym, że kamera przechwytuje obraz w ściśle określonym czasie podczas projekcji prążków przez projektor. Takie rozwiązanie umożliwia pomiar bez zakłóceń. Inni producenci próbują walczyć z tego typu anomaliami próbując odfiltrować błędy pomiaru wysokości i mają kłopot z odzwierciedleniem faktycznej wysokości komponentów. Niewątpliwie technologia MRS od Cyber Optics rozwiązuje ten problem. 

Dodatkowym atutem zastosowania Profilometrii Faz jest sam czas inspekcji. Szacuje się, że dla standardowego sensora czas inspekcji to 40cm²/s w technologii łączonej 2D plus 3D oraz dla szybkiego sensora to 50cm²/s.

Niewątpliwie opcją, która wyróżnia maszyny Cyber Optics na tle konkurencji to możliwość pomiarowa w trójwymiarze, czyli zarówno w osi X i Y jak również Z. Kompleksowy pakiet oprogramowania i narzędzi do pomiarów współrzędnościowych zapewnia bardzo dokładne, 100-procentowe pomiary klasy meteorologicznej we wszystkich krytycznych punktach, w tym współpłaszczyznowość, odległość, wysokość, punkt odniesienia w  X, Y i Z. Pozwala uniknąć wydatków na inne maszyny oraz zredukować nakłady pracy na sprawdzanie jakości dostawców.

W naszej ocenie co niektóre konkurencyjne firmy próbują podążać tą drogą jednak dla Cyber Optics jest to swojego rodzaju misja, aby móc wykonywać skomplikowane pomiary współrzędnościowe online równorzędnie ze standardowymi testami, jakie są dostępne w obecnych maszynach do kontroli optycznej.

Punktem wartym uwagi jest fakt, że maszyna Cyber Optics do kontroli optycznej może działać również jako maszyna do kontroli optycznej pasty lutowniczej (SPI 3D). Wystarczy przełączyć oprogramowanie na komputerze sterującym maszynę i mamy gotowy system, którym możemy w pełni przetestować nasze płytki pod względem jakości nakładanie pasty. Powoduje to zminimalizowanie czasu zwrotu z inwestycji takiej maszyny wykorzystując ją w wielu miejscach naszej produkcji.

Należy również dodać, że maszyna wyposażona jest w kamery boczne, które służą nie tylko do pozyskiwania obrazu 3D czy wspomagania operatora, aby mógł bardziej precyzyjnie sklasyfikować znaleziony defekt, ale również mogą być użyte do wykonywania testów przez dostępne algorytmy testowe. Dosyć często można spotykać komponenty z istotnymi informacjami umieszczonymi na bokach obudów: jak opisy na potencjometrach, lub polaryzację na diodach LED. Ponieważ wielu konkurentów nie ma w ogóle możliwości zastosowania kamer bocznych, mogą pojawić się pewne ograniczenia, w przypadku gdy zajdzie potrzeba sprawdzania wnętrza elementu bądź jego boku. Na rynku co prawda istnieją systemy wyposażone w boczne kamery, ale użycie ich do tych testów jest niemożliwe i służą jedynie jako podgląd dla operatora na stacji kontrolnej.

Możliwość ruchu kamery w osi Z jest również dodatkowym atutem. Przy wysokich komponentach jak kondensatory elektrolityczne i chęci sprawdzania ich wartości za pomocą testów OCR bardzo często jest to utrudnione z powodu słabej ostrości napisu. W maszynie Cyber Optics istnieje na to rozwiązanie.

Zwykliśmy mówić o naszych maszynach Cyber Optics, że są to system Premium z okresem gwarancji Premium – oznacza to, że zapewniamy 3 letnią gwarancję fabryczną dla użytkownika końcowego na części zamienne w standardzie!!

Zapraszamy do testowania, ewaluowania i sprawdzenia naszych maszyn w produkcji.

W naszym Centrum Doskonalenia Grupy Amtest na Węgrzech zawsze dysponujemy co najmniej jednym systemem a dodatkowo firma Cyber Optics służy pomocą w swoim laboratorium i show-room’ie w Anglii. Praktykujemy również wizyty u naszych klientów, którzy mogą podzielić się opinią ich użytkowania bezpośrednio z obszaru produkcyjnego.

Zapraszamy do kontaktu!

Autor: Robert Brożyna, Inżynier Technicznego Wsparcia Sprzedaży

Amtest Poland Sp. z o.o.

ul. Sandomierska 26a

27-400 Ostrowiec Św., Poland

T +48 41 242 48 94

M +48 662 219 555

@ robert.brozyna@amtest-group.com