Accuro - Irmato

Accuro
Das neue 3D-Multisensor-Messsystem von Irmato
Von einer präzisen eigenständigen Messplattform bis zur 24/7-Messung im industriellen
Umfeld.
Einleitung
Als Innovations- und Technologiepartner hat Irmato es sich zur Aufgabe gemacht,
technologisch anspruchsvolle Kundenanforderungen aus den verschiedensten Bereichen
zu erfüllen. Unsere Spezialabteilung Qualification Technologies konzentriert sich auf die
industrielle Test- und Messtechnik. Basierend auf unserer eigenen Hardware- und
Software-Plattform entwickeln wir kundenspezifische Messlösungen.
Die Plattform ist vielseitig anwendbar, nicht nur für Messgeräte. Es wurde beispielsweise
eine Produktionsmaschine nach Kundenvorgaben entwickelt und gebaut, die eine 2DPositionsgenauigkeit besser als 0,5 µm (3 Sigma) über einen
Arbeitsbereich von 300 x 300 mm bietet. Diese Präzision
findet sich auch in unseren 3D-Messgeräten,
beispielsweise für die Messung der Schichtdicke in der
Solarindustrie und im Halbleitermarkt.
Wir sind stets bestrebt, dem Markt immer
einen Schritt voraus zu sein. Wenn ein
Kunde mit einer bestimmten Anfrage
bezüglich einer Messanforderung an uns
herantritt, möchten wir die Lösung bereits
(teilweise) im Haus haben. Daher
präsentieren wir jetzt die neue 3DMultisensor-Plattform, in der wir die hohe
Genauigkeit eines Weißlichtsensors mit der
Flexibilität von hochauflösenden
Kameramessungen kombinieren. Die
Herausforderung besteht darin, dass die
Genauigkeit der Positionierung und Ausrichtung
der verschiedenen Komponenten der Qualität der
Sensoren entspricht, um auf diese Weise Messungen auf
einem hohen Niveau durchzuführen. Nur dann können die
Messergebnisse der verschiedenen Sensoren in der richtigen Weise kombiniert und
zusätzliche Informationen über das Produkt des Kunden erlangt werden.
Accuro - Entwicklungsplattform
Kurz gesagt: Accuro ist eine Multisensor-Messplattform, die für In-Line-Messungen oder
technische Messaufgaben konfigurierbar ist. Sie besteht aus einer skalierbaren X-YBühne (Größe und Genauigkeit nach Spezifikation) mit einem oder zwei (Weißlicht-)
Sensoren, die sich oberhalb und unterhalb des Objekts auf Z-Schlitten befinden. Darüber
hinaus besteht die Möglichkeit, Kameras, Linien- und/oder Flächensensoren
hinzuzufügen.
Die Accuro-Plattform wurde entwickelt, um über eine vielseitige Messplattform zu
verfügen, mit der die unterschiedlichsten Messanforderungen erfüllt werden können. Wie
eben ist ein Produkt? Wie sind die Formen auf der Oberseite und der Unterseite eines
Produkts zueinander angeordnet? Wie dick ist eine Beschichtung? Ist die Beschichtung
gleichmäßig aufgetragen? Ist die Beschichtung beschädigt? Wie können
Produktmerkmale relativ zueinander gemessen werden, wenn nicht beide mit einem
einzelnen Sensor erfasst werden können? Wie lässt sich ein stabiler Bezugspunkt auf
einem Produkt bestimmen, von dem aus die Produkteigenschaften reproduzierbar
gemessen werden können?
Das System besteht so weit wie möglich aus hochwertigen, jedoch handelsüblichen
Komponenten. Systeme, die darauf basieren und in Produktionslinien laufen, können mit
Standardprodukten instand gehalten werden. Von Irmato wird ein mechanischer Entwurf
mit einer Toleranzstruktur hinzugefügt, die der Genauigkeit der Sensoren und der
Schlitten für die Bewegungsachsen entspricht. Ergänzend hierzu erfolgen Ausrichtung
und Kalibrierung, um das System anhand der sich daraus ergebenden Korrekturwerte zu
einer hochpräzisen Einheit zu machen. Darüber hinaus sorgt der mechatronische Entwurf
für die Stabilität und die Synchronisation der Sensoren und Bewegungskomponenten.
Vervollständigt wird diese Lösung durch Software, in die sowohl die Steuerung als auch
die Mess- und Analysewerkzeuge eingebunden sind.
Da das System für sehr unterschiedliche Messungen eingesetzt wird, wurde besonderer
Wert auf die Funktionalität und die Benutzerfreundlichkeit der Software gelegt. Auf der
Benutzeroberfläche kann eine Prozedur für die Durchführung einer Messung und die
Verarbeitung der erlangten Messwerte eingestellt werden. Es steht eine Reihe von
Standardfunktionen zur Verfügung, mit der eine Messprozedur zusammengestellt werden
kann. Diese Funktionen sind leicht anwendbar und zugleich sehr vielseitig und flexibel.
Sie umfassen unter anderem Linien- und Kreisdefinitionen, mathematische Funktionen
zum Kombinieren und Verarbeiten der Ergebnisse und einige der am häufigsten
verwendeten Bildbearbeitungsfunktionen. Hiermit können bereits zahlreiche
Messanforderungen erfüllt werden. Die Einheit lässt sich jedoch auf Wunsch um
komplexe Scripts und weiterführende Verarbeitungsfunktionen erweitern, um auch für
besondere Anforderungen eine Lösung zu bieten.
Auf der Basis dieses Systems haben wir für einen Kunden vollautomatische
Messmaschinen entwickelt. Das Kernstück für die Messungen ist nahezu identisch mit
diesem System, jedoch haben wir es um eine vollständige Produkthandhabung erweitert
- mit mehreren Kameras, um mit verschiedenen Vergrößerungen und Belichtungen alle
möglichen Eigenschaften bestimmen zu können, und mit zusätzlichen Sensoren.
Außerdem wurden gemeinsam mit dem Kunden Messdefinitionen zur Bestimmung der
Produktqualität erarbeitet. Diese Lösung wurde implementiert und kann im Einzelfall bis
zu 250 Produkte pro Minute messen und verarbeiten. Diese Systeme sind auch
vollständig in das Qualitätsmanagementsystem der Produktionsumgebung integriert.
Accuro - eigenständiges Messsystem
Die Weißlichtsensoren arbeiten nach einem
konfokalen Abstandsmessprinzip und nutzen
die chromatische Aberration eines
Objektivsystems. Durch die Wahl des
Objektivsystems können unterschiedliche
Messbereiche und Arbeitsabstände realisiert
werden. Im Accuro finden zwei Sensoren mit
einem 400-µm-Bereich und mit einer
Auflösung von etwa 10 nm Anwendung. Beide
Weißlichtsensoren sind auf unabhängigen
Achsen angeordnet. Dadurch wird es möglich,
die Sensoren noch genauer zueinander
auszurichten. Insgesamt eignet sich die Einheit für doppelseitige Messungen an Objekten
in allen Größen und Dicken, insbesondere für die Messung von Dickeschwankungen,
Ebenheit, Rauheit und Artefakten von dünnen Objekten.
Eine wichtige Verbesserung gegenüber dem Vorgängersystem besteht in der Nutzung
der Kamera als leistungsstarken Sensor. Bei einem früheren Prototyp der Plattform
lieferte die Kamera nur eine vorläufige Ortsbestimmung und einen Hinweis auf die
Messfläche. Jetzt fungiert die Kamera selbst als Sensor und kann Merkmale messen, die
mit dem Weißlichtsensor nicht erfasst werden können. Messungen mit einer Kamera
können die Informationen bereitstellen, auf deren Grundlage mit dem Weißlichtsensor an
genau festgelegten Orten Messungen durchgeführt werden können. Beide Systeme
bieten ihre eigenen Möglichkeiten. Kamera: 2D-Flächeninformationen, schnell umsetzbar
in Ausrichtung und Merkmale. Weißlichtsensor: 3D-Messungen mit hoher Auflösung,
flexibel in Bezug auf Sensorgeschwindigkeit und Lichtempfindlichkeit, einsetzbar für viele
Arten von Oberflächen.
Wesentlich für die abtastende Messung mit einem Weißlichtsensor sind die Stabilität und
der Folgefehler in der Regelung des XY-Tischs. Die von uns entworfenen Systeme
werden dynamisch modelliert und die Regelung wird entsprechend angepasst. Im
Steuerungssystem der Bewegungsachsen werden die Sensoren integriert und
synchronisiert. Auf diese Weise lassen sich anschließend tatsächlich die Informationen
aller Sensoren und Achsen zu 3D-Daten in einer Messpunktwolke zusammenfügen.
Für alle Komponenten in dem System gilt, dass ihre Ausrichtung und ihre Bewegungen
innerhalb des Bereichs sehr gut bekannt und genau aufeinander abgestimmt sein
müssen. Das gleiche trifft auf die Wahl der Komponenten zu. Sie müssen natürlich
inhärent genau sein, vor allem aber die hohen Ansprüche in Bezug auf die
Reproduzierbarkeit der Bewegung erfüllen. Wenn die Abweichungen der Hardware
bekannt und wiederholbar sind, ist es möglich, sie mithilfe von Look-up-Tabellen
softwaremäßig auszugleichen. Eine Genauigkeit von weniger als 50 nm bei der
Positionierung ist durchaus realisierbar. Für unsere eigene Messplattform wählen wir
qualitativ hochwertige Produkte wie Bewegungsachsen von Alio, Weißlichtsensoren von
Precitec und Objektive von Opto Engineering. Die Irmato Software-Toolbox enthält
bereits Komponenten von verschiedenen Herstellern und wird regelmäßig erweitert.
Eigenschaften:
Berührungslos. Alle angewandten Messprinzipien sind berührungslos. Die Produkte
werden somit nicht beschädigt und es bleiben weder Spuren noch Schmutz auf ihnen
zurück. Die Weißlichtsensoren können sowohl Abstände als auch die Schichtdicke von
transparenten Materialien messen. Die Kameras können mit verschiedenen
Objektivtypen und verschiedenen Lichtquellen kombiniert werden. Dadurch wird es
möglich, verschiedene Bilder (durchgehendes Licht, Auflicht) aufzunehmen und so
verschiedene Arten von Messungen durchzuführen.
Beidseitig. Sowohl oberhalb als auch unterhalb des Produkts kann ein Weißlichtsensor,
jeweils auf einem eigenen Schlitten, angeordnet werden, um beidseitige Messungen an
Produkten verschiedener Formate durchzuführen. Hierdurch kann nicht nur Zeit gespart
werden, sondern es ist auch möglich, die Merkmale genauer in Bezug aufeinander zu
bestimmen. Außerdem können Dicke und Dickeschwankungen gemessen werden.
Flexibel. Accuro ist eine gebrauchsfertige, sehr vielseitig einsetzbare Messplattform,
deren Komponenten auf Kundenwunsch innerhalb des bestehenden Konzeptes angepasst
werden können. Es können neue Sensoren hinzugefügt werden, z. B. Tastsensoren. Das
System kann an die verschiedenen Produktmaße und die gewünschten Spezifikationen
angepasst werden, indem zum Beispiel der Bereich des XY-Tischs, der Arbeitsabstand
und die Auflösung der Sensoren entsprechend gewählt werden.
Software. Mit der mitgelieferten Software und
der Benutzeroberfläche können auf einfache
Weise alle Arten von Messungen definiert
werden, die dann wiederholt durchgeführt
werden können. Im Kamerabild kann ein zu
messendes Gebiet ausgewählt werden, und
anschließend kann der Benutzer aus
verschiedenen vorprogrammierten oder auch
spezifizierten Funktionen wie Messung im Kreis
von der Mitte aus, Messung in Linien, Bilden
eines Durchschnitts usw. auswählen. Dies ist mit
festgelegten Messprozessen oder mit ergebnisabhängigen Einstellungen möglich. Das
Ergebnis einer früheren Messung bestimmt dann die Einstellung für die nächste
Messung. Die Funktionen können nach dem 'Drag-and-Drop'-Prinzip zu einer
Messprozedur hinzugefügt werden. Es werden allgemein gängige Plattformen verwendet,
zum Beispiel Python für das Scripting und Halcon für Bildbearbeitungen. Hierdurch kann
sehr flexibel auf Kundenanforderungen in Bezug auf den Messprozess bzw. die
Kameramessungen (Bildverarbeitung) eingegangen werden. Kunden mit
entsprechendem Fachwissen auf diesen Gebieten können selbst Messprozeduren
entwickeln.
Für die Darstellung und Weiterverarbeitung der Ergebnisse verfügen wir über eigene 3DSoftware-Tools und Matlab-Support.
Spezifikationen. Was kann Accuro messen?
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Formen und Abmessungen von 3DProdukten - Multisensor-Information
Form von 2D-Bildern mit Bildverarbeitung
Dicke von nicht-transparenten Materialien
mit zwei Sensoren (auf beiden Seiten)
Schichtdicke bei transparenten
Materialien: Der Sensor kann durch das
Material hindurch die Dicke messen.
Materialien wie Siliziumkarbid sind
transparent für die IR-Variante des
Sensors. Damit eignet sich Accuro auch
zur Messung von transparenten oder
halbtransparenten Schichten, nachdem sie
auf einen Untergrund aufgebracht wurden.
Die laterale Auflösung wird durch die Messfleckgröße des Sensors bzw. die Auflösung der
Kamera und des Objektivs bestimmt. Bei dem verwendeten Sensor beträgt die laterale
Auflösung etwa 0,5 µm. Punkt- und Liniendichten von 1000/mm sind leicht erreichbar.
Bei den Kameramessungen ist dies stark abhängig von der gewählten Kamera, dem
gewählten Objektiv und der Messauflösung. Mit geeigneten Algorithmen für die
Bildverarbeitung ist eine Auflösung von 0,05 µm erreichbar.
Die vertikale Auflösung des Weißlichtsensors wird hauptsächlich durch die
Spezifikationen des Sensors bestimmt. Auch die Materialeigenschaften (Reflexion)
spielen dabei eine Rolle. Die Auflösung der verwendeten Sensoren liegt bei 10 nm und es
ist eine Messgenauigkeit bis 100 nm möglich. Eine klare Begrenzung bildet der
Neigungswinkel der zu messenden Oberfläche; der Accuro-Sensor kann bis zu einem
Winkel von 40 Grad zuverlässig messen.
Die zu erreichenden Genauigkeiten sind also stark abhängig von den gewählten
Sensoren und Schlitten. Das höchste bisher erreichte Ergebnis ist eine Messgenauigkeit
von 25 nm in X- und Y-Richtung und von 100 nm in Z-Richtung (Höhe).

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