基于對射光纖檢測的測量系統研究

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行設計加工，與標準塊（如塊規、塞規等）或標準件對標，再通過計數型測量系統分析評價可接受后，才能正式投入生產現場使用，與被測產品的特定尺寸逐一比對獲得產品合格與否判定結果。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物體遮光產生信號變化實現多維度、多個尺寸的快速同步檢測。因此，需要根據產品結構特點和測量區間范圍設計精度驗證塊，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得到的光纖傳感器數字模擬信號值，一并導入統計分析軟件（如JMP)進行回歸分析，建立線性數學模型，再應用影像測量儀和光纖傳感器的檢測結果與理論導出值的等比關系，推導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，證明滿足測量系統分辨力的“1:10法則”，故得出對射光纖檢測系統的測評結果準確結論。

確認對射光纖檢測系統準確后，接下來設計對標專用的校正塊，實現對射光纖傳感器的誤差補償。由此，本文將以3C 屏蔽罩結構件的支腳（Pin 腳）平面度檢測為例,闡述自校準專用校正塊的設計標準和校準規則的建立原則,并展開相關性試驗分析找到對射光纖檢測的自校準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應用中的精準性和穩定性。

1 對射光纖檢測系統簡介

1.1 檢測系統設計概要

對射光纖檢測技術就是通過對射光纖組接收通光量實現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，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。其設計原理就是基于檢測平臺，對比屏蔽罩Pin 腳通光量與標準塊（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果。一般情況下，檢測系統會與之配套的自動化傳送系統和自動化包裝系統聯動，實現對產品的在線尺寸全檢和連續包裝，排除制造過程中人的因素影響，提升生產過程的質量穩定性。

1.2 檢測系統實現步驟

Pin 腳平面度檢測系統實現分為3 個步驟：（1）自動送料到位并精準定位；（2）平面度檢測判定；（3）檢測品挑選（即，檢測判定為合格產品由機構自動排序裝盤，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 適用結構件

例如，我司應用于產品焊接支腳（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 測量系統的準確性分析

為了驗證我公司產品在此檢測系統上的測試準確性，于是，自主設計一組覆蓋我公司主要產品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，進行單個光纖接收系統測量，測量5 次并記錄光纖傳感器輸出的數字模擬信號值，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。錄入數據見表1。

表1

利用統計分析軟件進行回歸分析，將“影像測量均值”作為預測變量X、“光纖接收量均值”作為響應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據模型結果Y 填入表1“光纖數據模型導出（Y）”欄。通過等比關系：“影像測量均值/光纖接收量均值=x/光纖數據模型導出”，推算出理論的影像儀測量數據模型結果x 填入表1“影像測量結果導出”欄，最后計算“影像測量均值”與“影像測量結果導出”的偏差填入“影像量值差異”欄。根據推導結果可見“影像量值差異”與“影像測量均值”的比率符合測量系統分辨力的“1:10法則”，證明對射光纖檢測系統能夠準確測評屏蔽罩的Pin 腳平面度。導出數據見表1。另外，通過統計分析軟件的線性分析結果可見：回歸擬合值R-Sq=99.3%。R-Sq 是衡量回歸方程的“確定系數”，是解釋觀測數據變異的能力，其數值越接近1，代表模型擬合越好。

基于以上數學模型推導結果和統計分析軟件導出結果，得出Pin 腳平面度測量值在該量測系統的測量區間范圍內是準確的。

3 測量系統的校準設計

對于射光纖檢測來說，目前行業內沒有統一有效的管控方法，以我公司為例，是通過屏蔽罩結構件的產品特性，設計一套專用標準量塊（又稱校正塊），完成設備使用前的校準工作。

3.1 校正塊設計原理

校正塊作為檢測系統檢驗通光量的專用標準件，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：產品內控平面度上限），生成標準光通量a，并對比產品支腳端到檢測平面的距離B生成的光通量b，當b ≤a 時，Pin 腳平面度判定為合格；當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形遮光壁端面之間的距離A，就是產品Pin腳內控平面度管控上極限。

3.2 校正塊設計規則

校正塊作為Pin 腳平面度檢測系統的專用標準件，其標定尺寸設置的公差范圍按照測量系統“1:10 法則”管控，即校正塊的工作面和校正塊的環形遮光壁端面允許累計誤差范圍應不大于產品內控范圍（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。

基于以上對測量標準塊的分辨力控制要求，設計校正塊的標定用圖。例如，我公司產品的內控要求規定產品的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，設計標定圖給定：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；允許校正塊環形遮光壁端面的平面度控制范圍≤0.01mm。

3.3 校正塊關鍵尺寸測試規則

校正塊計量檢定合格后，為確保后續下發生產現場作為標準量塊實現對Pin 腳平面度檢測系統的精準度定期核查，需建立校正塊關鍵尺寸，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指導書。選用比Pin 腳平面度檢測系統精度至少高一級的測量儀器，按照檢測作業指導書指定點位采集測試數據擬合平面度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，備存后作為后續校正塊的期間核查對標依據。校正塊的期間核查周期一般設定為3 個月。

4 測量系統的穩定性分析

4.1 自校準步驟

Pin 腳平面度檢測系統開機后，先確認檢測平面的光纖光束發射的良好狀態，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準通光量轉換為數字模擬信號作為產品平面度的控制限度基準，進行校準判定。再將校正塊取下放置于專用盒存放。最后Pin 腳平面度檢測系統正式運行，屏蔽罩產品被機構吸嘴逐一放置于檢測平臺平面上進行合格與否測評。以上為Pin 腳平面度檢測系統的自校準流程。

4.2 自校準模塊穩定性分析

通過一周時間（共計5 天）對Pin 腳平面度檢測系統的自校準間隔周期與誤判率相關性驗證、記錄，獲知Pin 腳平面度檢測系統的自校準頻次在2 小時內誤判率幾乎為0，而當自校準頻次超過2.5 小時，Pin 腳平面度檢測系統開始出現誤判風險。為此，確定Pin 腳平面度檢測系統運行周期內每隔2 小時自校準一次，每次自校準完成后檢測系統快速實現校準判定，如超出模擬信號范圍需要調整控制放大器閾值修正。

5 測量系統的KAPPA 分析

5.1 檢測系統MSA 類型

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

5.2 檢測系統KAPPA 測評

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

基于KAPPA 值檢測結果，得知Pin 腳平面度檢測系統自身一致性K 值0.89，以及與基準之間一致性K 值0.90，僅達到測量系統可接受極限。考慮前面對該檢測系統所做的量測系統準確性分析和回歸擬合值R-Sq=99.3%較佳的分析結果，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 小時自校準時段同步清潔一次檢測平臺的平面。再次KAPPA 值測評結果是Pin 腳平面度檢測系統自身一致性K 值0.91，以及與基準之間一致性K 值0.94，測量系統可接受，即K 值≥0.9。故，最終分析結果是：在保證檢測環境清潔性前提下，Pin腳平面度檢測系統可接受，可以導入大批量生產使用。

6 結語

本文針對我公司應用廣泛的Pin 腳平面度檢測系統的MSA 分析與研究，從檢測系統功能實現、精度驗證塊與校正塊研制、校準規則建立，以及測量系統的準確性分析、穩定性分析、KAPPA 測評等多維度闡述了“對射光纖檢測技術”應用于企業大批量生產的可行性和可靠性，也為Go/No-Go 自動化檢測系統的MSA 分析提供了充分的實踐經驗。