インプロセス計測のためのマシンビジョンの導入

おそらく、自動検査にとって最も困難なタスクの 100 つは、製品生産の XNUMX% をカバーするオンラインおよびインプロセスでの部品の特徴の精密測定です。計測という用語は、製品の統計的にほんの一部のサンプルをオフラインで測定するという文脈でよく使用されますが、 マシンビジョン 製造プロセス中に同様の測定を実施することに成功しました。たとえば、品質管理におけるマシン ビジョンの最も一般的な計測アプリケーションの 1 つは計測です。ビジョン システムは部品を 1,000 分の 1 インチ以内で測定するため、この技術は従来接触式測定で処理されていた多くのアプリケーションに使用できます。

製造中の非接触測定の実装には、部品の表示のばらつきの克服や適切な照明の実装など、無数の課題が存在します。ただし、マシン ビジョンを使用した計測の成功の鍵は、望ましい測定許容範囲に対する測定の信頼性と再現性を達成するために必要な画像空間解像度を適切に指定することです。今日の製造環境の多くでは、部品やアセンブリの公差が容易にミクロンレベルになることがあります。 

一般的な計測アプリケーションでは、マシン ビジョン カメラが部品の上または横に取り付けられ、測定対象の部品が視野に入ったときにその画像をキャプチャします。次に、画像内の異なる点間の距離を計算する計測ソフトウェア ツールを使用して画像が分析されます。これらの計算に基づいて、マシン ビジョン システムは部品の寸法が許容範囲内であるかどうかを判断します。寸法がその許容範囲を超えた場合、ビジョン システムは PLC などのコントローラに不合格信号を送信し、次に不合格メカニズムをトリガーして製品をラインから排出します。 

計測や計測にマシン ビジョンを応用することは新しいことではありませんが、技術の進歩により、小さな部品や形状であっても、これまで以上に高精度で正確な測定が可能になりました。これには、高解像度と高速の導入が含まれます。 マシンビジョンカメラ たとえば、Emergent Vision Technologies の製品は、最新のマシン ビジョン計測アプリケーションに必要な精度と速度を実現できる 5GigE、10GigE、25GigE、および 100GigE モデルで提供されます。当社のカメラは、さまざまなアプリケーションのニーズに合わせて幅広い解像度とフレーム レートで利用できることに加えて、すべてのモデルが最適化された GigEビジョン ストリーム プロトコル (GVSP) アプローチ。これは、すべての Emergent カメラが、コピー不要の画像転送とデータ損失ゼロのイメージング機能を提供することを意味します。これにより、リアルタイム処理に不可欠な CPU オーバーヘッドを最小限に抑えた効率的な画像転送が保証されます。

計測学は、測定の科学的研究として定義されます。これは科学技術の進歩に伴って出現した学問です。計測学には 3 つの重要な側面があります。

1. 国際的に完全に受け入れられている測定単位の定義。メートルはよく知られた測定単位の一例です
2. 科学的手段を使用した測定単位の認識。一例として、レーザーを使用したメーターの実現が挙げられます。 レーザー距離計は、レーザー光のパルスがターゲットで反射されて元の送信者に戻るまでにかかる時間を測定します。これはとして知られています 「飛行時間「 この原理は、「飛行時間」または「パルス」測定として知られています。 メーターとターゲット間の距離は D = ct/2 で与えられます。ここで、c = 光の速度、t はメーターとターゲット間の往復時間に等しくなります。 
3. 測定値と精度を決定して文書化し、その知識を広めることによってトレーサビリティ チェーンを確立します。たとえば、精密工学作業場におけるマイクロメータねじと光学長測定の主要研究室との間の文書化された関係。

インプロセス計測は、スマート センサーとアクチュエーターを使用して生産中のデータをリアルタイムに監視するためのフィードバック制御システムとして定義されます。取ってください 注目を集める例としては、原子力工学および核融合研究のメガプロジェクトである国際熱核融合実験炉 (ITER) プロジェクトがあります。このプログラムの目的は、 エネルギー、経由 a 同様の融合プロセス 私たちの太陽のそれに.

必要な性能を保証するために、ITER トロイダル磁場 (TF) コイルには厳しい寸法公差が定義されています。このプロセスは次の段階に分かれていました。 

• 部品の受け取り
• 巻線パック(WP)をコイルケース(CC)に挿入
• クロージャー溶接
• ギャップを埋める
• 最終加工 

各製造段階で、次の定義された要件への準拠を確認するために計測検査が実施されました。 

1. 表面実装コンポーネント上の少なくとも 2 つのマーカーの基準マーカー測定。
2. ギャップ分析 実際のパフォーマンスと潜在的な望ましいパフォーマンスとの間のギャップを特定および評価し、それらのギャップを埋めるための計画と戦略を策定できるようにする。
3. 仮想プロトタイピングに適合 プロトタイピングの前に回路の機能を評価するために使用されるシミュレーション ツールが必要です。

溶接歪みの解析 の形やサイズの変化 溶接構造。

現在、マシン ビジョン カメラは、ますます幅広い検査および自動化アプリケーションに導入されています。速度と解像度の革新により、生産性の向上、品質の向上、安全管理の達成、人手不足が続く中での全体的な効率の向上、そして競争の激しい製造シナリオでの収益の向上という点で、新たな機会への扉が開かれました。 

メーカーは、速度などのさまざまな理由から、マシン ビジョン ベースの計測を選択する可能性があります。接触式測定では、通常、測定は監査ベースで実行されるため、高スループットの生産ラインに追いつくことはできません。一方、マシンビジョンシステムは、今日の生産ラインに必要な高速で動作します。インラインの全数検査用に設計されたマシン ビジョン システムは、100 分間に数千件の測定を実行できます。さらに、視覚ベースのゲージ測定では測定対象の部品に接触する必要がないため、部品の損傷が防止され、機械的なゲージ表面の磨耗に伴うメンテナンスが不要になります。 

顧客がスループットを向上させるための高速化を要求する場合でも、極度に小さい部品や機能の正確な測定のためのより高い解像度を要求する場合でも、Emergent Vision Technologies は、コピー不要の画像転送とデータ損失ゼロのイメージングを提供する GigE Vision カメラ オプションの包括的なセットを提供します。能力。たとえば、5GigE Aeros および 10GigE HR シリーズのカメラは、次の Sony Pregius S CMOS イメージ センサーを利用しています。 

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

25GigE Bolt シリーズは、5.1MP IMX537 も活用しています。 HB-5000-SB (269fps)、8.1MP IMX536 を搭載 HB-8000-SB (201fps)、12.3MP IMX535 を搭載 HB-12000-SB (192fps)、20.28MP IMX531 を搭載 HB-20000-SB、および 24.47MP IMX530 HB-25000-SB (98fps)。さらに、すべてのアプリケーションが超高速または 100MP+ 解像度を必要とするわけではありませんが、Emergent は次のモデルを提供しています。 

• 25GigEボルト HB-127-S: 127.7MP ソニー IMX661、17fps
• 100GigE ゼニス HZ-10000-G: 10MP ピクセル GSPRINT4510、1000fps
• 100GigE ゼニス HZ-21000-G: 21MP ピクセル GSPRINT4521、542fps
• 100GigE ゼニス HZ-100-G: 103.7MP ピクセル GMAX32103、24fps

製造における計測の使用例は次のとおりです。

半導体メーカー KLA は、高度なウェーハレベルのパッケージングに最適なウェーハ検査および計測システムを備えています。この機能は、集積回路 (IC) メーカーに、複雑な製造プロセス全体におけるトレーサビリティを通じて歩留まりを向上させるために必要なデータを提供することもできます。 KLAのサークルTM プラットフォームは、適応性のある全表面ウェーハ検査プラットフォームです。同社の表面パターン付きウェーハ検査システムは、通常、高スループットのインラインマクロ欠陥検査に使用されます。測定と検査を同時に行うシステムです。 顧客が発生したエクスカーションを認識し、解決できるようにします。

CDU は平均からの線幅の変動量を測定し、通常、線幅測定値のグループの補正サンプル標準偏差の 3 倍として数学的に定義されます。ウェハ CDU は、リソグラフィ プロセス制御のパフォーマンスの概要を示す重要なパラメータです。自己整合四重パターニング (SAQP) の枠組み内では、最終 CDU とピッチ ウォーキング (フィーチャー間のピッチ変動) は、スペーサー堆積のプロファイルと CDU に密接に関連しています。

ウェハの CDU を改善するには、リソグラファーはショット依存の要因とウェハ依存の要因の寄与をそれぞれ定量的に把握する必要があります。ウェハ全体の CDU は、通常、ショット間の均一性またはフィールド間の均一性と、ショット内の均一性またはフィールド内の均一性の 2 つの部分に分類できます。フィールド内の均一性を計算する方法は、各データ ポイントを異なるショットにわたって平均して、ショット全体の線幅の変動を計算することです。 

フィールド間均一性の計算方法は異なる場合がある。 1 つの方法では、フィールド内成分から各データ点を差し引いて、ウェーハ全体の線幅の変動を計算します。もう 1 つの方法は、ショット内の各位置について、異なるショット間の線幅の変化を計算し、すべての位置の結果を平均することです。 2 つの統計手法で計算された CDU の結果を比較すると、サンプルが小さい場合にその差がより顕著になることがわかりました。さらに、ウェーハ上で測定されたデータは、違いを正確に示すために使用されます。

KLA はまた、高度な欠陥検査を提供する全自動光学検査 (AOI) システムや 2D および 3D 測定用のパネル計測システムなど、プリント基板製造用のプロセス制御ソリューションの膨大なポートフォリオを持っています。このような AOI システムは、IC 基板および PCB メーカーがあらゆるクラスの PC ボード上の欠陥を発見、分類、特定するのに役立ちます。

図1 マシンビジョン計測システムは、プリント基板の検査に導入できます。

KLA は、テスト パネルやインライン パネルのさまざまな測定アプリケーションを可能にするマルチモード計測システムを備えています。重要な検査および計測情報の結果は、人工知能 (AI) と機械学習 (ML) によって強化されます。これにより、エンジニアは重大な歩留まりの変動を検出、解決、監視できるようになり、生産歩留まりの向上と歩留まりの向上につながります。

Emergent はすべてのカメラに対して、独自のインターフェイスやポイントツーポイントのインターフェイスや画像収集ボードに依存するのではなく、最適化された GigE Vision アプローチとイーサネット インフラストラクチャを活用して、信頼性が高く堅牢なデータ収集と転送を実現し、クラス最高のパフォーマンスを実現します。 Emergent は、NVIDIA のような直接転送テクノロジをサポートします。 GPUダイレクト, これにより、画像を GPU メモリに直接転送できるようになります。このテクノロジーは、システムの CPU とメモリに対する大規模なデータ転送の影響を軽減し、代わりにより強力な GPU 機能をデータ処理に利用しながら、GigE Vision 標準との互換性と準拠ソフトウェアおよび周辺機器との相互運用性を維持します。

GigE Vision 内で、伝送制御プロトコル (TCP)、リモート ダイレクト メモリ アクセス (RDMA)、および RDMA over Converged Ethernet (RoCE) の使用につながる問題の 1 つは、受信側でイーサネット パケットを分析して、画像データを連続した形式でアプリケーションに送信するには、イーサネット パケット ヘッダーを分割する必要があります。これはソフトウェアを使用して実行できますが、メモリ帯域幅が 3 倍になり、CPU 使用率が高くなるため、パフォーマンスが犠牲になります。 RDMA ユーザーは、従来の GigE Vision と RDMA の長所と短所を議論するときに宣伝します。 

Emergent Vision Technologies は、ゼロコピー画像転送アプローチを活用しています。これは、高速イメージングにおける最高のパフォーマンスの必須要件となっています。このアプローチでは、現在のネットワーク インターフェイス カードで利用可能な組み込みの分割機能を使用して、CPU とメモリの帯域幅を最小限に抑えます。このアニメーションは、ゼロコピー イメージ転送用に最適化された GigE Vision Stream Protocol (GVSP) を使用するシステムのゼロコピー メモリ帯域幅の使用状況を示しています。アニメーションの最初の部分は、システムが最適化されておらず、NIC のバッファーがオーバーフローすることを示しています。一方、2 番目の部分は、ゼロコピーとシステム最適化によってデータが自由かつ確実に流れることを示しています。

高速、高解像度のカメラやソフトウェアなどのマシン ビジョン テクノロジーは、より高いスループット レート、製品品質の向上、および歩留まりの向上の需要を満たすのに役立ちます。メーカーは、マシン ビジョン システムが 100% 検査を提供し、高い再現性で高速で部品を測定できるため、部品を測定する非接触方法としてマシン ビジョン システムに依存し続けるでしょう (一部の部品は機械式ゲージを使用しても測定できない) 。速度、解像度、リアルタイム処理が最も重要な計測アプリケーションでは、Emergent Vision Technologies の GigE Vision カメラを確実に導入して、パケットやフレームのドロップがない信頼性の高い画像伝送を実現できます。

追加のカメラオプションについては、こちらをご覧ください。 インタラクティブなシステムデザイナーツール。