劉萸，謝春，王朝，曾光俊，汪仁強(qiáng)，陳志強(qiáng)

（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(duì)射光纖檢測(cè)與接觸式Go/No-Go 檢測(cè)治具一樣需要按照給定的尺寸接收限度進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，與標(biāo)準(zhǔn)塊（如塊規(guī)、塞規(guī)等）或標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)標(biāo)，再通過(guò)計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)可接受后，才能正式投入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，與被測(cè)產(chǎn)品的特定尺寸逐一比對(duì)獲得產(chǎn)品合格與否判定結(jié)果。但不同之處在于對(duì)射光纖檢測(cè)是利用光纖傳感器的投光部與受光部光纖頭經(jīng)物體遮光產(chǎn)生信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)多維度、多個(gè)尺寸的快速同步檢測(cè)。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測(cè)量區(qū)間范圍設(shè)計(jì)精度驗(yàn)證塊，通過(guò)高精度影像測(cè)量?jī)x獲得的檢測(cè)值，并與其放入對(duì)射光纖檢測(cè)系統(tǒng)得到的光纖傳感器數(shù)字模擬信號(hào)值，一并導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)分析軟件（如JMP)進(jìn)行回歸分析，建立線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型，再應(yīng)用影像測(cè)量?jī)x和光纖傳感器的檢測(cè)結(jié)果與理論導(dǎo)出值的等比關(guān)系，推導(dǎo)出影像儀測(cè)評(píng)的理論值，繼而獲得影像儀檢測(cè)值與理論值之間的量值偏差，再與影像測(cè)量?jī)x的檢測(cè)值比對(duì)，證明滿(mǎn)足測(cè)量系統(tǒng)分辨力的“1:10法則”，故得出對(duì)射光纖檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)評(píng)結(jié)果準(zhǔn)確結(jié)論。

確認(rèn)對(duì)射光纖檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確后，接下來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)專(zhuān)用的校正塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)射光纖傳感器的誤差補(bǔ)償。由此，本文將以3C 屏蔽罩結(jié)構(gòu)件的支腳（Pin 腳）平面度檢測(cè)為例,闡述自校準(zhǔn)專(zhuān)用校正塊的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)則的建立原則,并展開(kāi)相關(guān)性試驗(yàn)分析找到對(duì)射光纖檢測(cè)的自校準(zhǔn)測(cè)評(píng)周期和測(cè)評(píng)操作方法，以保障對(duì)射光纖檢測(cè)在大批量生產(chǎn)應(yīng)用中的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。

1 對(duì)射光纖檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要

對(duì)射光纖檢測(cè)技術(shù)就是通過(guò)對(duì)射光纖組接收通光量實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)件高度偏差或位置偏移符合性評(píng)價(jià)的一種自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，因我公司常用于對(duì)屏蔽罩Pin 腳端的平面度檢測(cè)上，故又稱(chēng)為Pin 腳平面度檢測(cè)技術(shù)。其設(shè)計(jì)原理就是基于檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)比屏蔽罩Pin 腳通光量與標(biāo)準(zhǔn)塊（又稱(chēng)校正塊）通光量的符合性，輸出Pin 腳端平面度合格與否的測(cè)評(píng)結(jié)果。一般情況下，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)與之配套的自動(dòng)化傳送系統(tǒng)和自動(dòng)化包裝系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的在線(xiàn)尺寸全檢和連續(xù)包裝，排除制造過(guò)程中人的因素影響，提升生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量穩(wěn)定性。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟

Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為3 個(gè)步驟：（1）自動(dòng)送料到位并精準(zhǔn)定位；（2）平面度檢測(cè)判定；（3）檢測(cè)品挑選（即，檢測(cè)判定為合格產(chǎn)品由機(jī)構(gòu)自動(dòng)排序裝盤(pán)，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(jié)構(gòu)件

例如，我司應(yīng)用于產(chǎn)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(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性分析

為了驗(yàn)證我公司產(chǎn)品在此檢測(cè)系統(tǒng)上的測(cè)試準(zhǔn)確性，于是，自主設(shè)計(jì)一組覆蓋我公司主要產(chǎn)品Pin 腳平面度高差范圍的精度驗(yàn)證塊共計(jì)9 個(gè)。通過(guò)高精度的影像測(cè)量?jī)x重復(fù)5 次測(cè)量精度驗(yàn)證塊，得到9 個(gè)驗(yàn)證塊的高度差均值，將其填入“影像測(cè)量均值”欄。然后，將精度驗(yàn)證塊放入Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行單個(gè)光纖接收系統(tǒng)測(cè)量，測(cè)量5 次并記錄光纖傳感器輸出的數(shù)字模擬信號(hào)值，再計(jì)算平均值填入“光纖接收量均值”欄。注意測(cè)試時(shí)，9 個(gè)精度驗(yàn)證塊的裝夾位置和裝夾方法需保持一致。錄入數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行回歸分析，將“影像測(cè)量均值”作為預(yù)測(cè)變量X、“光纖接收量均值”作為響應(yīng)Y，繼而得到精度驗(yàn)證塊的“光纖接收量均值”與“影像測(cè)量均值”的回歸方程：Y=-68.92+4360X。將“影像測(cè)量均值”作為X 代入回歸方程，計(jì)算理論的光纖測(cè)試數(shù)據(jù)模型結(jié)果Y 填入表1“光纖數(shù)據(jù)模型導(dǎo)出（Y）”欄。通過(guò)等比關(guān)系：“影像測(cè)量均值/光纖接收量均值=x/光纖數(shù)據(jù)模型導(dǎo)出”，推算出理論的影像儀測(cè)量數(shù)據(jù)模型結(jié)果x 填入表1“影像測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出”欄，最后計(jì)算“影像測(cè)量均值”與“影像測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出”的偏差填入“影像量值差異”欄。根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果可見(jiàn)“影像量值差異”與“影像測(cè)量均值”的比率符合測(cè)量系統(tǒng)分辨力的“1:10法則”，證明對(duì)射光纖檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)評(píng)屏蔽罩的Pin 腳平面度。導(dǎo)出數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。另外，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件的線(xiàn)性分析結(jié)果可見(jiàn)：回歸擬合值R-Sq=99.3%。R-Sq 是衡量回歸方程的“確定系數(shù)”，是解釋觀測(cè)數(shù)據(jù)變異的能力，其數(shù)值越接近1，代表模型擬合越好。

基于以上數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析軟件導(dǎo)出結(jié)果，得出Pin 腳平面度測(cè)量值在該量測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量區(qū)間范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。

3 測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

對(duì)于射光纖檢測(cè)來(lái)說(shuō)，目前行業(yè)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一有效的管控方法，以我公司為例，是通過(guò)屏蔽罩結(jié)構(gòu)件的產(chǎn)品特性，設(shè)計(jì)一套專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)量塊（又稱(chēng)校正塊），完成設(shè)備使用前的校準(zhǔn)工作。

3.1 校正塊設(shè)計(jì)原理

校正塊作為檢測(cè)系統(tǒng)檢驗(yàn)通光量的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)件，其檢測(cè)原理是通過(guò)校正塊遮光壁端面到檢測(cè)平面之間的距離A（即：產(chǎn)品內(nèi)控平面度上限），生成標(biāo)準(zhǔn)光通量a，并對(duì)比產(chǎn)品支腳端到檢測(cè)平面的距離B生成的光通量b，當(dāng)b ≤a 時(shí)，Pin 腳平面度判定為合格；當(dāng)b ＞a 時(shí)，Pin 腳平面度判定為不合格。換句話(huà)說(shuō)，校正塊工作面與校正塊環(huán)形遮光壁端面之間的距離A，就是產(chǎn)品Pin腳內(nèi)控平面度管控上極限。

3.2 校正塊設(shè)計(jì)規(guī)則

校正塊作為Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)件，其標(biāo)定尺寸設(shè)置的公差范圍按照測(cè)量系統(tǒng)“1:10 法則”管控，即校正塊的工作面和校正塊的環(huán)形遮光壁端面允許累計(jì)誤差范圍應(yīng)不大于產(chǎn)品內(nèi)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(cè)零件的平面度測(cè)試值。

基于以上對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)塊的分辨力控制要求，設(shè)計(jì)校正塊的標(biāo)定用圖。例如，我公司產(chǎn)品的內(nèi)控要求規(guī)定產(chǎn)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(cè)平面的累計(jì)尺寸誤差范圍允許≤0.025mm，需要具備足夠的分辨率。為此，設(shè)計(jì)標(biāo)定圖給定：校正塊校正高度尺寸（測(cè)評(píng)尺寸）公差范圍≤0.005mm 管控（例如，尺寸0.23+0.005/0）。同時(shí)，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(huán)形遮光壁端面的平面度控制范圍≤0.01mm。

3.3 校正塊關(guān)鍵尺寸測(cè)試規(guī)則

校正塊計(jì)量檢定合格后，為確保后續(xù)下發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)量塊實(shí)現(xiàn)對(duì)Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度定期核查，需建立校正塊關(guān)鍵尺寸，即校正塊遮光壁端面（平面度1）到檢測(cè)平臺(tái)（平面度2）之間距離的檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。選用比Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)精度至少高一級(jí)的測(cè)量?jī)x器，按照檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)指定點(diǎn)位采集測(cè)試數(shù)據(jù)擬合平面度1 和平面度2，評(píng)價(jià)平面度1 和平面度2 的平面度值并計(jì)算兩平面間的距離值，備存后作為后續(xù)校正塊的期間核查對(duì)標(biāo)依據(jù)。校正塊的期間核查周期一般設(shè)定為3 個(gè)月。

4 測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

4.1 自校準(zhǔn)步驟

Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，先確認(rèn)檢測(cè)平面的光纖光束發(fā)射的良好狀態(tài)，然后，通過(guò)上板定位銷(xiāo)與校正塊定位孔將校正塊工作面與檢測(cè)塊上板檢測(cè)面貼合，校正塊遮光壁生成的標(biāo)準(zhǔn)通光量轉(zhuǎn)換為數(shù)字模擬信號(hào)作為產(chǎn)品平面度的控制限度基準(zhǔn)，進(jìn)行校準(zhǔn)判定。再將校正塊取下放置于專(zhuān)用盒存放。最后Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)正式運(yùn)行，屏蔽罩產(chǎn)品被機(jī)構(gòu)吸嘴逐一放置于檢測(cè)平臺(tái)平面上進(jìn)行合格與否測(cè)評(píng)。以上為Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)的自校準(zhǔn)流程。

4.2 自校準(zhǔn)模塊穩(wěn)定性分析

通過(guò)一周時(shí)間（共計(jì)5 天）對(duì)Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)的自校準(zhǔn)間隔周期與誤判率相關(guān)性驗(yàn)證、記錄，獲知Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)的自校準(zhǔn)頻次在2 小時(shí)內(nèi)誤判率幾乎為0，而當(dāng)自校準(zhǔn)頻次超過(guò)2.5 小時(shí)，Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)誤判風(fēng)險(xiǎn)。為此，確定Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)每隔2 小時(shí)自校準(zhǔn)一次，每次自校準(zhǔn)完成后檢測(cè)系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)判定，如超出模擬信號(hào)范圍需要調(diào)整控制放大器閾值修正。

5 測(cè)量系統(tǒng)的KAPPA 分析

5.1 檢測(cè)系統(tǒng)MSA 類(lèi)型

Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)在即將投入使用時(shí)，或使用過(guò)程中（每間隔一年測(cè)評(píng)一次），以及測(cè)量系統(tǒng)有異動(dòng)（例如，設(shè)備大修、校正塊或檢測(cè)機(jī)構(gòu)調(diào)修或更換等）時(shí)，均要進(jìn)行“假設(shè)試驗(yàn)KAPPA 分析法”，以驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)是否滿(mǎn)足要求，以及是否能夠持續(xù)地滿(mǎn)足要求。

5.2 檢測(cè)系統(tǒng)KAPPA 測(cè)評(píng)

KAPPA 測(cè)評(píng)法首先隨機(jī)選取能夠覆蓋產(chǎn)品平面度范圍的50 個(gè)樣品作為基準(zhǔn)，用計(jì)量型檢測(cè)設(shè)備對(duì)樣品的平面度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值作為基準(zhǔn)值。其中，50 個(gè)樣品要包含3 種類(lèi)型的測(cè)量結(jié)果：平面度合格產(chǎn)品、平面度不合格產(chǎn)品、平面度內(nèi)控限合格產(chǎn)品。再對(duì)這些樣品進(jìn)行編號(hào)，以隨機(jī)順序分別測(cè)量50 個(gè)樣品，并記錄測(cè)量結(jié)果，以此重復(fù)3 次。

基于KAPPA 值檢測(cè)結(jié)果，得知Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)自身一致性K 值0.89，以及與基準(zhǔn)之間一致性K 值0.90，僅達(dá)到測(cè)量系統(tǒng)可接受極限?？紤]前面對(duì)該檢測(cè)系統(tǒng)所做的量測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性分析和回歸擬合值R-Sq=99.3%較佳的分析結(jié)果，于是再次開(kāi)展KAPPA 測(cè)評(píng)。第二次測(cè)評(píng)前先將檢測(cè)平臺(tái)的平面和被測(cè)件的表面逐一清潔，同時(shí)確保在測(cè)量過(guò)程中每隔2 小時(shí)自校準(zhǔn)時(shí)段同步清潔一次檢測(cè)平臺(tái)的平面。再次KAPPA 值測(cè)評(píng)結(jié)果是Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)自身一致性K 值0.91，以及與基準(zhǔn)之間一致性K 值0.94，測(cè)量系統(tǒng)可接受，即K 值≥0.9。故，最終分析結(jié)果是：在保證檢測(cè)環(huán)境清潔性前提下，Pin腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)可接受，可以導(dǎo)入大批量生產(chǎn)使用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)我公司應(yīng)用廣泛的Pin 腳平面度檢測(cè)系統(tǒng)的MSA 分析與研究，從檢測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、精度驗(yàn)證塊與校正塊研制、校準(zhǔn)規(guī)則建立，以及測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性分析、穩(wěn)定性分析、KAPPA 測(cè)評(píng)等多維度闡述了“對(duì)射光纖檢測(cè)技術(shù)”應(yīng)用于企業(yè)大批量生產(chǎn)的可行性和可靠性，也為Go/No-Go 自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的MSA 分析提供了充分的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。