用于自動(dòng)化制造業(yè)的光投影技術(shù)
增材制造,又稱3D打印,和3D機(jī)器視覺都是令人極為振奮的新技術(shù),當(dāng)我們將這兩者結(jié)合起來使用時(shí),它們有潛力創(chuàng)建一些全新的高效生產(chǎn)模式,這其中,尤其讓人感興趣的是“自動(dòng)化生產(chǎn)”的概念——一個(gè)“一站式”的機(jī)械加工車間,該車間可在無需人工監(jiān)督的情況下用3D打印技術(shù)來打造零件,并用機(jī)器視覺技術(shù)來測(cè)量和測(cè)試該零件。
德州儀器(TI)的DLP®技術(shù)及其核心的數(shù)字微鏡器件(DMD)可提供實(shí)現(xiàn)這一切的關(guān)鍵要素。DLP技術(shù)是誕生于1996年的用于投影顯示的光學(xué)技術(shù),現(xiàn)在已得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)被應(yīng)用于3D打印和機(jī)器視覺中的問題時(shí),DLP技術(shù)可提供高分辨率的成像、加快生產(chǎn)速度并降低制造成本,這有助于讓自動(dòng)化生產(chǎn)的愿景成為現(xiàn)實(shí)。正因如此,它才成為了用老技術(shù)解決新問題的經(jīng)典范例。
采用DLP技術(shù)的3D打印
光固化(SLA)是一種常見的3D打印過程,與傳統(tǒng)的打印較為相似。就像調(diào)色劑沉積在紙張上一樣,3D打印機(jī)可在一系列2D截面中沉積材料層,這樣一層一層疊加起來,就能產(chǎn)生3D物體。在采用SLA技術(shù)的情況下,材料是一種可用紫外線(UV)光源進(jìn)行固化的樹脂。當(dāng)該樹脂固化時(shí),其單體能交聯(lián)以創(chuàng)建一個(gè)聚合物鏈 —— 該聚合物鏈可產(chǎn)生固體材料。
當(dāng)SLA技術(shù)與DLP技術(shù)結(jié)合時(shí),DMD會(huì)由UV光源點(diǎn)亮。然后DMD的像素被分別處理,圖像被投影到樹脂層,從而產(chǎn)生一系列截面,這些截面可組成3D物體。采用DLP技術(shù)能夠帶來多種優(yōu)勢(shì),比如能用光學(xué)技術(shù)使來自DMD的各個(gè)像素成像,而不是讓光源直接在樹脂上成像,這樣可優(yōu)化分辨率和特征尺寸。【圖像1】
和能產(chǎn)生100微米體素(3D像素)、基于激光的傳統(tǒng)SLA機(jī)相比,基于DLP技術(shù)的SLA機(jī)可實(shí)現(xiàn)30微米的體素。體素越小,轉(zhuǎn)化成的物體越平滑,這意味著完成物體創(chuàng)建所需的后期制作處理工作就越少。此外,因?yàn)檎麄€(gè)構(gòu)造層的成像和創(chuàng)建是同時(shí)完成——而不是一次一個(gè)體素、逐層完成的,所以這些機(jī)器完成較大打印品的速度比傳統(tǒng)的SLA機(jī)快。
DLP技術(shù)測(cè)量和測(cè)試
物體被打印后,自動(dòng)生產(chǎn)線上的下一個(gè)步驟是實(shí)現(xiàn)具有3D視覺功能的機(jī)器,該機(jī)器可對(duì)物體進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和測(cè)試。在這個(gè)過程中也可以應(yīng)用DLP技術(shù)。
傳統(tǒng)的機(jī)器視覺系統(tǒng)采用接觸式坐標(biāo)測(cè)量法或使用單個(gè)攝像頭的非接觸式2D檢測(cè)與測(cè)量法來掃描物體。DLP輔助的3D機(jī)器視覺系統(tǒng)則可采用單行掃描的變異法 —— 結(jié)構(gòu)光方法?!緢D像2】在這里,數(shù)字光圖案被投影到一個(gè)物體上。接著,這些光圖案通過攝像頭傳感器成像——該傳感器可借助已知的光源角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三角測(cè)量,以提取3D信息。
被投影的圖案通常是黑色和白色條紋,它們由DMD將相應(yīng)的像素列開啟和關(guān)閉而產(chǎn)生。我們用投影透鏡讓來自DMD的光在被測(cè)量的物體上成像。由于DMD像素的尺寸可能僅為5.4微米,故我們可用較小的面板來產(chǎn)生高分辨率圖案。
與傳統(tǒng)的單行掃描法和接觸式坐標(biāo)測(cè)量法相比,DLP輔助的結(jié)構(gòu)光方法有著高分辨率,并且有高達(dá)32kHz的可編程圖案速率,因此能產(chǎn)生高精度的3D實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。此外,DMD還可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供靈活性 —— 波長選擇范圍很廣,可從365納米到2,500納米。
對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低制造成本的需求正在一系列領(lǐng)域——包括安全、醫(yī)療、環(huán)境和科學(xué)領(lǐng)域——變得越來越強(qiáng)勁。利用TI的DLP技術(shù),工程師可獲得一種途徑來滿足這些需求,并能設(shè)想一個(gè)理想的制造工廠,其中自動(dòng)機(jī)器人可制造和測(cè)試產(chǎn)品。
Alex Lyubarsky是德州儀器的一名光學(xué)設(shè)計(jì)工程師。
【圖像1】采用DLP技術(shù)的光固化
圖像說明:物體通過3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型得到詳細(xì)的說明。打印機(jī)軟件可將虛擬模型轉(zhuǎn)化成一系列表層以適應(yīng)該物體的打印。(該資料由德州儀器(TI)提供)
【圖像2】
圖像說明:通過采用DLP技術(shù)的結(jié)構(gòu)光掃描法,就能提取任何物體的表面面積、體積和特征尺寸等維度值。(該資料由德州儀器(TI)提供)
【圖像2(供選擇)】DLP輔助的3D機(jī)器視覺系統(tǒng)
圖像說明:通過提供單個(gè)或多個(gè)攝像頭的3D圖像采集功能,DLP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3D機(jī)器視覺。該系統(tǒng)能將一個(gè)DMD用作空間光調(diào)制器,并用一個(gè)DMD控制器來提供對(duì)微鏡的高速控制功能。(該資料由德州儀器(TI)提供)