快速定量地測量凹凸板3D形狀的方法

快速定量地測量凹凸板3D形狀的方法

有凹凸形狀的板材被廣泛應用于各種場景。具有各式各樣的用途和功能，例如隔熱性、緩沖性、防振性、吸水性、防滑、抗彎曲性、易擦拭性、手感好、美觀等。材料和制造方法也多種多樣，可以通過縱橫線編織的紡織工藝精心制作，也可以在無紡布或平坦的紙上通過實施凸印、涂布等加工，為基材賦予凹凸形狀。不過，若凹凸高度不符合預期，或高度和深度有偏差時，可能無法發揮目標功能。
下面將對板材凹凸相關基礎知識、凹凸測量的課題、解決課題的測量方法進行解說。

■何謂凹凸板

表面形狀凹凸的板材按其凹凸情況，具備各種功能。其使用目的、功能、材料和尺寸、凹凸形狀、圖案、加工和制造方法各有不同。設置了凹凸形狀的板材用途非常廣泛，如航空航天相關材料、汽車和電氣產品等工業產品部件、日常生活中的日用品以及醫療與衛生用品。

■凹凸板的種類

凹凸板可通過將表面制作成立體形狀來增加表面積。靈活利用該優點，制作出種類繁多、功能多樣、用途廣泛的凹凸版。下面列舉一些具有代表性的例子。

·       隔熱板：在凹凸形狀中容納帶熱氣或冷氣的空氣，緩和溫度差。安裝于室內外有溫度差的屋頂和窗玻璃等，減少對室溫的影響，防止結露。

·       散熱板：利用板材凹凸發揮類似散熱器的作用。例如，散熱用途包括小型電子設備內部的CPU、主板、功率晶體管、電源部件的散熱等。

·       緩沖材料、防振材料：利用凹凸形狀的橡膠、聚氨酯等軟質或有彈性材料的板材，吸收沖擊和振動。常用于提升汽車的靜音性和乘坐舒適性等。

·       吸水板：通過凹凸增加表面積、提升吸水性的板材。

凹凸板還用于工業產品、日用品、醫療和衛生用品等除上述之外的多種產品。例如，有時會因為容易擦拭污垢、防滑、防止貼合、美觀等各種目的，設置凹凸形狀。

■凹凸板的加工、制造

凹凸板的制造工序和加工技術也多種多樣。若是紡織品，可根據其間距、縱橫線的粗細等，賦予目標功能。另一方面，若是用紡粘法和水刺法制作的無紡布以及表面平滑的樹脂與紙制板等，可通過凸印或凹印加工以及圖案涂布、蝕刻等工藝，賦予各種各樣的凹凸形狀和功能。
下面將解說其中較具代表性的一種加工方法，即“凸印/凹印加工"的原理。

?何謂凸印/凹印加工

凸印/凹印加工也被稱為“浮雕加工"，是用金屬或樹脂材料的凸版和凹版夾住作為材料的板材，或者將凸版從上向下按壓，加工成凹凸形狀的方法。
通過用印版（模具）從上下夾入，形成高于材料表面的凸形狀稱為凸印加工，形成低陷的凹形狀稱為凹印加工。此外，用1塊凸版從單面方向對材料表面施加壓力的加工稱為“壓凹加工"。以下分別用示意圖來表示各自的原理。

·凸印加工

·凹印加工

·壓凹加工

■凹凸板的質量管理和競爭力

除特殊類型以外，凹凸板基本上均要求具有均勻的凹凸圖案。若板材整個表面上的凹凸高度和深度不均勻，可能無法獲得目標功能和外觀，成為不良品。
凹凸形狀較小時，不能通過目視進行有關凹凸均勻性的評估。在線檢測中，即使能判斷板材的大致形狀、傷痕、折斷、褶皺、異物等，也不適合詳細測量微小凹凸的高度和深度。

此外，高功能板材的產品周期很短，為提升競爭力，從研究開發到試制、評估、產品化的速度十分重要。各階段中高效、高精度地評估會在速度上產生顯著差異。

■測量凹凸板形狀的課題

盡管制造方法和加工方法種類繁多，但準確測量板材的凹凸形狀對于產品性能、質量、工藝的評估來說非常重要。但是，使用接觸式形狀輪廓測量儀等進行接觸式測量時，在板材凹凸測量中存在以下課題。

?使用形狀輪廓測量儀測量凹凸板形狀的課題

形狀輪廓測量儀是使用被稱為探針的觸針，沿目標物表面移動，對其輪廓形狀進行測量、記錄的裝置。
近年來還出現了用激光代替觸針，通過非接觸式的輪廓描繪，實現復雜形狀測量的機型。部分機型還能進行上下兩面的測量。

使用形狀輪廓測量儀測量和評估凹凸板存在以下課題。

·       因為是用線描摹目標物進行測量，所以很難測量和評估大范圍變形。

·       無法全面掌握目標物表面整體的凹凸形狀。

·       為了盡量擴大測量范圍，需要描繪多條測量線，測量最大和最小凹凸，相當耗費時間。此外，測量線的偏移等會造成測量值不穩定。

■凹凸板形狀測量的課題解決方法

接觸式測量儀以線或點為單位進行測量，因此難以掌握板材的凹凸形狀。除此之外，還不易獲得目標物整體上各個凹凸的最大值和最小值，也難以立即實施定量比較。

為解決這些測量課題，基恩士開發了3D輪廓測量儀“VR系列"。
以非接觸的方式，以“面"為單位來準確捕捉目標物的3D形狀。此外，最快1秒完成載物臺上目標物的3D掃描，高精度地測量三維形狀。因此，測量結果不會產生偏差，可瞬間實施定量測量。下面具體介紹這些優點。

?優點1：最快1秒。用“面"一并取得目標物整體的3D形狀

即使對于軟質、精巧的薄型凹凸板，“VR系列"也能夠以非接觸方式，一鍵獲得80萬點的“面"數據，甚至只需要最快1秒。用彩色圖表現已取得3D形狀的最大和最小凹凸（高度和深度），因此可將目標物整體上變形的位置“可視化"。

對于掃描后的數據，可憑借直觀操作，在各個位置描繪多條輪廓線。可準確測量輪廓，所以能夠迅速獲得凹凸形狀異常位置的詳細數據。
測量后不必再次安裝、再次掃描目標物，可根據以往經3D掃描后的大范圍數據，對其它位置進行輪廓測量。

除此之外，還可使用加工條件不同的多個凹凸板測量數據進行形狀比較，或將目標條件統一應用至多個數據。
由此，不僅能準確測量和評估，還飛躍性地縮短了工時，提升了工作效率。

?優點2：操作簡單，新手也能取得無偏差的測量值

將目標物放置到載物臺上，通過只需按下按鈕的簡單操作，即可測量3D形狀。
可切換低倍率/高倍率相機，即使是凹凸形狀微小的板材，也能用1臺設備準確測量整體以及凹凸形狀的細節和表面粗糙度。

此外，根據目標物的特征數據自動完成位置補正，因此無需嚴格的水平調整和定位。此外，還配備了“Smart Measurement功能"，可判斷目標物的大小，并自動設定測量范圍和移動載物臺，免去了設定測量長度和Z范圍等麻煩。

通過使用豐富的輔助工具，可直觀地設定目標測量內容。
除簡單設定外，還實現了新手也能得心應手的簡單操作，因此，即使是對測量不熟練的人員，也能在最快1秒內準確完成測量。因此，除研究開發、試驗、評估等時候以外，還在量產時的測量和檢測中輕松實現了測量數增加和趨勢分析。

■總結：對難以準確測量的凹凸板形狀測量進行飛躍性改善和高效化

采用“VR系列"，可通過高速3D掃描，以非接觸的方式迅速、準確地測量目標物的3D形狀。不僅可測量板材凹凸的三維尺寸，甚至是微小的高度和凹凸的測量、多個數據比較等有難度的作業，也能在短時間內完成。
通過引進“VR系列"，解決了各類測量課題。

·       以非接觸方式瞬間完成3D掃描，柔軟的目標物也能快速、準確地測量。

·       利用彩色圖，使目標物整體的高度差異“可視化"。

·       輕松比較多個測量數據，統一應用條件，飛躍性地提升了工作效率。

·       只要掃描過一次，即可在各個場所利用以往的數據測量輪廓、比較多個數據等。

·       無需定位等操作，實現只需在載物臺上放置目標物后按下按鈕的簡單操作。避免了配置專人執行測量作業。

·       簡單、快速、高精度地測量3D形狀，因此可在短時間內完成多次測量。有助于提升質量。

·       通過簡單操作和自動控制，消除人為導致的測量值偏差，實現定量測量。

另外，還能進行簡單分析，例如與CAD數據的比較、公差范圍內的分布等，因此除了研究開發、設計、試驗等階段以外，還能在投入量產后的抽取檢測、不良發生時的原因調查等凹凸板制造的各種場合中有效運用。

基恩士 3D輪廓測量儀VR-6000系列

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