ВНЕДРЯВАНЕ НА МАШИННО ЗРЕНИЕ ЗА МЕТРОЛОГИЯ В ПРОЦЕСА

Може би една от най-предизвикателните задачи за автоматизирана инспекция е прецизното измерване на характеристиките на детайлите онлайн и в процеса на производство, обхващащо 100% от производството на продукта. Макар че терминът „метрология“ често се използва в контекста на офлайн измерване само на малка статистическа извадка от продукта, машинно зрение е успешно внедрен за подобни измервания по време на производствения процес. Едно от най-често срещаните метрологични приложения за машинно зрение в контрола на качеството е например измерването. Тъй като системите за зрение измерват части в рамките на хилядна от инча, технологията може да се използва за много приложения, традиционно обработвани чрез контактно измерване.

Съществуват безброй предизвикателства при прилагането на безконтактни измервания по време на производството, включително преодоляване на вариациите в представянето на детайлите и прилагане на подходящо осветление. Ключът към успеха в метрологията, използваща машинно зрение, обаче е правилното определяне на пространствената разделителна способност на изображението, необходима за постигане на надеждност на измерването и повторяемост спрямо желания диапазон на толеранс на измерване. В много от днешните производствени среди, толерансите на детайлите или сглобките могат лесно да бъдат на микронно ниво. 

В типично приложение за измерване, камера за машинно зрение се монтира над или отстрани на детайл, където заснема изображения на измервания детайл, когато той влезе в зрителното поле. След това изображението се анализира с помощта на софтуерни инструменти за измерване, които изчисляват разстоянията между различните точки в изображението. Въз основа на тези изчисления системата за машинно зрение определя дали размерите на детайла са в рамките на допустимото отклонение. Ако размерите са извън това допустимо отклонение, системата за машинно зрение изпраща сигнал за грешка към контролер, като например PLC, който от своя страна задейства механизъм за отхвърляне, за да изхвърли продукта от линията. 

Въпреки че приложението на машинно зрение за измерване и метрология не е новост, напредъкът в технологиите позволи по-висока прецизност и по-точно измерване, дори на малки части или характеристики, от всякога. Това включва въвеждането на по-висока резолюция и по-висока скорост. камери за машинно зрение като например тези от Emergent Vision Technologies, които се предлагат в модели 5GigE, 10GigE, 25GigE и 100GigE, които могат да осигурят точността и скоростта, необходими за съвременните приложения за машинно зрение в метрологията. В допълнение към това, че нашите камери се предлагат в широк диапазон от резолюции и честота на кадрите за различни нужди на приложенията, всички модели поддържат оптимизирана... GigE визия Подход на Stream Protocol (GVSP). Това означава, че всички Emergent камери осигуряват възможности за пренос на изображения с нулево копие и загуба на данни, което гарантира ефективен трансфер на изображения с минимално натоварване на процесора, което е от решаващо значение за обработката в реално време.

Метрологията се определя като научно изследване на измерванията. Това е дисциплина, която се развива в съответствие с научния и технологичен напредък. Метрологията има три ключови аспекта:

1. Дефиницията на мерни единици, които са напълно приети в международен план. Метърът е един пример за добре позната мерна единица.
2. Разпознаването на мерните единици чрез използването на научни средства. Един пример е реализацията на измервателния уред чрез използването на лазер. Лазерният далекомер измерва времето, необходимо на лазерния импулс да се отрази от целта и да се върне към оригиналния подател. Това е известно като "Време на полет" принцип, а методът е известен или като измерване на „време на полета“, или като „импулс“. Разстоянието между измервателния уред и целта е дадено от D = ct/2, където c = скоростта на светлината, а t е равно на времето за двупосочно пътуване между измервателния уред и целта. 
3. Установяване на веригите за проследимост чрез определяне и документиране на стойността и точността на измерване и разпространение на тези знания; например документираната връзка между микрометричния винт в работилница за прецизно инженерство и първична лаборатория за оптична метрология на дължината.

Вътрешнопроцесната метрология се определя като система за управление с обратна връзка за наблюдение на данни в реално време в производството, използваща интелигентни сензори и изпълнителни механизми. Вземете например Проектът за Международен термоядрен експериментален реактор (ITER) – мегапроект в областта на ядреното инженерство и изследванията в областта на термоядрения синтез – като нашумял пример. Тази програма има за цел да създаде енергия, чрез a процес на синтез, който ще бъде подобен към това на нашето Слънце.

За да се гарантира необходимата производителност, за тороидалните полеви (TF) намотки на ITER са определени строги размерни допуски. Процесът е разделен на следните етапи: 

• Приемане на частите
• Поставяне на пакета намотки (WP) в корпусите на бобините (CC)
• Заваряване на затварящи елементи
• Запълване на празнини
• Финална обработка 

По време на всеки от етапите на производство са извършвани метрологични инспекции за проверка на съответствието със следните определени изисквания: 

1. Измерване на фидуциален маркер на поне два маркера върху повърхностно монтиран компонент.
2. Гап анализ да идентифицират и оценят разликите между действителното им представяне и потенциалното им желано представяне, за да могат да бъдат разработени планове и стратегии за запълване на тези пропуски.
3. Виртуално прототипиране, което ще изискват инструменти за симулация, които ще се използват за оценка на функционалността на схемата преди създаването на прототип.

Анализ на деформацията при заваряване, който се отнася до промяна във формата или размера на заварена конструкция.

Днес камерите за машинно зрение се използват във все по-широк спектър от приложения за инспекция и автоматизация. Иновациите в скоростта и разделителната способност отвориха вратата към нови възможности, когато става въпрос за постигане на по-висока производителност, подобрено качество, контрол на безопасността и повишаване на общата ефективност на фона на продължаващ недостиг на работна ръка, както и за увеличаване на приходите в силно конкурентен производствен сценарий. 

Производителите могат да изберат измерване, базирано на машинно зрение, по редица причини, включително скорост. При контактното измерване не е възможно да се поддържа темпото на високопроизводителните производствени линии, тъй като измерванията обикновено се извършват на базата на одит. Системите за машинно зрение, от друга страна, работят с високите скорости, необходими за съвременните производствени линии. Проектирани за 100% инспекция на линия, системите за машинно зрение могат да извършват хиляди измервания в минута. Освен това, измерването, базирано на зрение, не изисква контакт с измерваните части, което предотвратява повреда на частите и елиминира поддръжката, свързана с износване на механичните повърхности на измервателните уреди. 

Независимо дали клиентът изисква по-високи скорости за увеличаване на производителността или по-висока резолюция за точно измерване на изключително малки части или характеристики, Emergent Vision Technologies предлага пълен набор от опции за GigE Vision камери, които предлагат възможности за пренос на изображения без копиране и без загуба на данни. Камерите от нашите серии 5GigE Eros и 10GigE HR, например, използват следните CMOS сензори за изображения Sony Pregius S: 

• 5.1MP IMX547: HE-5000-SBL 5GigE камера (45.5 кадъра в секунда), HR-5000-SBL 10GigE камера (99 кадъра в секунда)
• 8.1MP IMX546: HE-8000-SBL 5GigE камера (36.5 кадъра в секунда), HR-8000-SBL 10GigE камера (73 кадъра в секунда)
• 12.4MP IMX545: HE-12000-SBL 5GigE камера (34 кадъра в секунда), HR-12000-SBL 10GigE камера (68 кадъра в секунда)
• 16.13MP IMX542: HE-16000-SBL 5GigE камера (26 кадъра в секунда), HR-16000-SBL 10GigE камера (52 кадъра в секунда)
• 20.28MP IMX541: HE-20000-SBL 5GigE камера (21.5 кадъра в секунда), HR-20000-SBL 10GigE камера (43 кадъра в секунда)
• 24.47MP IMX540: HE-25000-SBL 5GigE камера (17.5 кадъра в секунда), HR-25000-SBL 10GigE камера (35 кадъра в секунда)

Серията 25GigE Bolt също използва 5.1MP IMX537 в своята HB-5000-SB (269 кадъра в секунда), 8.1MP IMX536 в своята HB-8000-SB (201 кадъра в секунда), 12.3MP IMX535 в своята HB-12000-SB (192 кадъра в секунда), 20.28MP IMX531 в своята HB-20000-SBи 24.47MP IMX530 в своята HB-25000-SB (98 кадъра в секунда). Освен това, макар че не всички приложения може да изискват ултрависоки скорости или резолюция от 100MP+, Emergent предлага следните модели: 

• 25GigE болт HB-127-S: 127.7MP Sony IMX661, 17 кадъра в секунда
• 100GigE Зенит HZ-10000-G: 10MP Gpixel GSPRINT4510, 1000 кадъра в секунда
• 100GigE Зенит HZ-21000-G: 21MP Gpixel GSPRINT4521, 542 кадъра в секунда
• 100GigE Зенит HZ-100-G: 103.7MP Gpixel GMAX32103, 24 кадъра в секунда

Примери за употреба на метрологията в производството включват:

Производител на полупроводници АОК разполага със система за инспекция и метрология на пластините, която е идеална за усъвършенствано пакетиране на ниво пластини. Тази възможност е в състояние да предостави на производителите на интегрални схеми (ИС) данните, необходими за увеличаване на добивите им чрез проследимост в рамките на сложния цялостен производствен процес. CIRCL на KLATM Платформата е адаптивна платформа за инспекция на всички повърхности на пластините; нейната система за инспекция на пластините с предна шарка обикновено се използва за високопроизводителна поточна инспекция на макро дефекти. Системата измерва и инспектира едновременно, което помага клиентите да разпознават и разрешават отклоненията, когато се случат.

CDU измерва количеството на отклонение в ширината на линията от средната стойност и обикновено се определя математически като 3 пъти коригираното стандартно отклонение на извадката от група измервания на ширината на линията. CDU на пластината е важен параметър, който ще очертае производителността на контрола на литографския процес. В рамките на самоподравненото четворно моделиране (SAQP), крайният CDU и ходенето на стъпката (вариацията на стъпката между елементите) са тясно свързани с профила и CDU на отлагането на разделител.

За да подобрят CDU на пластината, литографите трябва да познават количествено приноса съответно на факторите, зависими от дозата, и факторите, зависими от пластината. Общият CDU на пластината обикновено може да се раздели на две части: еднородност между дозата или междуполева еднородност, и еднородност в рамките на дозата или вътрешнополева еднородност. Начинът за изчисляване на еднородността вътре в полето е да се изчисли вариацията на ширината на линията в дозата, като всяка точка от данните се осреднява спрямо разликите в дозата. 

Методът за изчисляване на междуполевата еднородност може да е различен. Единият метод изчислява вариацията на ширината на линията в пластината, като всяка точка от данните се изважда от вътрешнополевия компонент. Другият метод е да се изчисли вариацията на ширината на линията между различните снимки, за всяко място в снимката, и след това резултатите да се осреднят за всички местоположения. При сравняване на резултатите от CDU, изчислени по двата статистически метода, беше установено, че разликите са по-значителни, когато извадката е малка. Освен това, данните, измерени върху пластините, се използват за точно илюстриране на разликите.

KLA разполага и с богато портфолио от решения за контрол на процесите за производство на печатни платки, включително напълно автоматизирана система за оптична инспекция (AOI), която осигурява усъвършенствани системи за инспекция на дефекти и метрология на панели за 2D и 3D измервания. AOI системи като тази помагат на производителите на интегрални схеми и печатни платки да откриват, класифицират и идентифицират дефекти във всички класове печатни платки.

Фиг 1 Системите за метрология с машинно зрение могат да бъдат използвани за проверка на печатни платки.

KLA разполага с многорежимни метрологични системи, които позволяват широк спектър от измервателни приложения за тестови и поточни панели. Резултатът от критична инспекция и метрологична информация се подобрява чрез изкуствен интелект (ИИ) и машинно обучение (МО). Това позволява на инженерите да откриват, разрешават и наблюдават критични отклонения на добива, което води до по-висок производствен добив и по-бързо нарастване на добива.

За всички свои камери, Emergent използва оптимизиран GigE Vision подход и Ethernet инфраструктура за надеждно и стабилно събиране и прехвърляне на данни, с най-добра в класа си производителност, вместо да разчита на собствени или point-to-point интерфейси и платки за заснемане на изображения. Emergent поддържа технологии за директен трансфер, като например тези на NVIDIA. GPUDirect, което позволява директно прехвърляне на изображения към паметта на графичния процесор. Технологията смекчава въздействието на големия трансфер на данни върху системния процесор и памет и вместо това използва по-мощни възможности на графичния процесор за обработка на данни, като същевременно поддържа съвместимост със стандарта GigE Vision и оперативна съвместимост със съвместим софтуер и периферни устройства.

В рамките на GigE Vision, един от проблемите, довел до използването на Transmission Control Protocol (TCP) или Remote Direct Memory Access (RDMA) и RDMA over Converged Ethernet (RoCE), е необходимостта от разделяне на Ethernet пакети в приемника, за да се предоставят данните за изображението на приложението в непрекъснат вид, което изисква разделяне на заглавките на Ethernet пакетите. Това е възможно с помощта на софтуер, но е свързано с цената на производителността с тройна пропускателна способност на паметта и по-високо използване на процесора, което е нещо, което... RDMA потребителите се хвалят, когато обсъждат плюсовете и минусите на традиционните GigE Vision и RDMA. 

Emergent Vision Technologies използва подход за пренос на изображения с нулево копие, който се е превърнал в задължително изискване за максимална производителност при високоскоростно изобразяване. Този подход минимизира пропускателната способност на процесора и паметта, като използва вградени функции за разделяне, налични в настоящите мрежови интерфейсни карти. Тази анимация показва използването на пропускателната способност на паметта с нулево копие на система, използваща оптимизирания GigE Vision Stream Protocol (GVSP) за пренос на изображения с нулево копие. Първата част на анимацията показва, че системата не е оптимизирана и буферът в мрежовата карта препълва, докато втората част показва свободно и надеждно протичане на данни чрез нулево копие и оптимизация на системата.

Технологията за машинно зрение, като например високоскоростни камери и софтуер с висока резолюция, помага за посрещане на изискванията за по-висока производителност, подобрено качество на продуктите и увеличен добив. Производителите ще продължат да разчитат на системите за машинно зрение като безконтактен метод за измерване на части, поради способността им да осигуряват 100% инспекция, измервайки части с високи скорости и висока степен на повторяемост – някои от които дори не могат да бъдат измерени с помощта на механични измервателни уреди. В метрологични приложения, където скоростта, разделителната способност и обработката в реално време са от първостепенно значение, камерите GigE Vision на Emergent Vision Technologies могат да бъдат надеждно разположени за надеждно предаване на изображения без загуба на пакети или кадри.

За допълнителни опции за камера, разгледайте нашите инструмент за интерактивен системен дизайнер.