Tối ưu hóa cách ly rung động để phân tích bề mặt 3D chính xác

Phân tích bề mặt không tiếp xúc 3D được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đo các chuyển vị nhỏ và độ bất thường của bề mặt. Nó mang lại độ chính xác cao nhất, phép đo có thể lặp lại và có thể theo dõi. Khi được tích hợp vào thiết bị kính hiển vi, sử dụng chức năng quét laze 3D hoặc ánh sáng có cấu trúc, các hệ thống này báo cáo tình trạng bề mặt của sản phẩm với độ chính xác cao hơn bất kỳ phương pháp nào khác – cung cấp các phép đo chiều cao, chiều rộng, góc, bán kính, thể tích và độ nhám ở cấp độ nanomet. Các hệ thống đo lường chính xác như vậy cho phép người dùng cải thiện chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm, đồng thời tăng tính nhất quán và năng suất sản xuất.

Rung tần số thấp

Khi đo ở mức độ chính xác cao như vậy, bất kỳ thiết bị nào cũng có thể bị ảnh hưởng tiêu cực bởi các rung động tần số thấp được tạo ra trong cơ sở sản xuất. Những thứ này có thể làm biến dạng các phép đo và ảnh hưởng đến dữ liệu đo lường và hình ảnh.

Một công ty rất quen thuộc với môi trường sản xuất và phép đo bề mặt 3D là Keyence Corporation – nhà cung cấp cảm biến, hệ thống đo lường, máy đánh dấu laser, kính hiển vi và hệ thống thị giác máy hàng đầu trên toàn thế giới.

“Chúng tôi có nhiều khách hàng với các hệ thống đo lường 3D có độ chính xác cao hoạt động trong môi trường có độ rung cao, thực hiện đánh giá bằng kính hiển vi ở độ phóng đại 30.000 lần, xem xét các đặc điểm bề mặt ở cấp độ nanomet,” Evan Eltinge, Kỹ sư bán hàng cấp cao Nhóm phân tích bề mặt của Keyence Corporation cho biết của nước Mỹ. “ Ở mức độ chi tiết đó và trong môi trường đó, nếu các biện pháp được thực hiện để giảm rung động thì chất lượng của dữ liệu sẽ được cải thiện.” 

Eltinge tiếp tục : “Nếu không có các phép đo bề mặt cách ly thích hợp xảy ra ở độ phóng đại 3.000 – 5.000 lần, rung động có thể góp phần làm mờ hình ảnh và giảm chất lượng hình ảnh .

Rung động có thể được gây ra bởi vô số các yếu tố trong một nhà máy. Mọi cấu trúc đều truyền tiếng ồn. Trong chính tòa nhà, máy móc sản xuất, xe nâng, hệ thống sưởi ấm và thông gió, quạt, máy bơm, máy nén và thang máy chỉ là một số thiết bị cơ khí và thiết bị tạo ra rung động tần số thấp. Tùy thuộc vào khoảng cách giữa thiết bị đo bề mặt với các nguồn rung động này và vị trí của thiết bị trong cấu trúc – dù trên sàn sản xuất hay trên gác xép – sẽ xác định mức độ ảnh hưởng của thiết bị.

Bên ngoài tòa nhà, thiết bị có thể bị ảnh hưởng bởi các rung động do chuyển động của xe tải, giao thông đường bộ, công trình xây dựng gần đó, tiếng ồn lớn từ máy bay, thậm chí cả gió và các điều kiện thời tiết khác có thể gây ra chuyển động của cấu trúc.

Tùy chọn cách ly rung động để phân tích bề mặt 3D

Các phương pháp thông thường để loại bỏ rung động từ phân tích bề mặt 3D đều có những lợi ích và hạn chế. Nhưng khi phân tích bề mặt đã phát triển từ dung sai ở cấp độ vi mô đến cấp độ nanomet, do đó cần có độ chính xác cao hơn trong cách ly rung động.

Tấm đá – Các tấm đá granit nặng vài trăm pound phổ biến được gắn trên bàn kim loại đã trở thành trụ cột chính để hỗ trợ và cung cấp một nền tảng bằng phẳng cho các thiết bị nhạy cảm trong các cơ sở sản xuất. Là một bộ cách ly thụ động, các tấm không loại bỏ hoàn toàn các rung động, nhưng biên độ sẽ giảm đi so với khối lượng của tấm. Một tấm dày 2 foot nặng 600 pound có thể thực hiện công việc giảm rung động tần số thấp có thể chấp nhận được để phân tích bề mặt 3D. Tuy nhiên, thiết bị được sử dụng để đo các bộ phận sẽ phải ở nguyên vị trí đó. Không thể di chuyển nếu không di chuyển tấm.

Bàn cách ly rung động không khí – Một thiết bị cực kỳ phổ biến được sử dụng trong sản xuất để cách ly rung động trong các thiết bị nhạy cảm. Từng là trụ cột để ổn định thiết bị kỹ thuật vi mô quan trọng nhất của ngành, các bảng cách ly rung khí nén đã tỏ ra không đủ trong việc cách ly các rung động tần số cực thấp. Những rung động đó có thể ảnh hưởng tiêu cực đến thiết bị hoạt động ở độ phân giải cấp nanomet.

Các hệ thống không khí đạt được mức cách ly rung động – thường là ở một chiều (theo chiều dọc), nhưng cung cấp khả năng cách ly hạn chế theo chiều ngang. Tuy nhiên, chúng không cách ly đến mức thực sự cần thiết ở các tần số cộng hưởng rất thấp. Các hệ thống không khí sẽ thực sự khuếch đại độ rung, thay vì giảm độ rung, trong phạm vi điển hình là 1,5 – 3 Hz do các tần số tự nhiên mà tại đó các bảng không khí cộng hưởng. Tất cả các bộ cách ly sẽ khuếch đại ở tần số cộng hưởng của chúng và sau đó chúng sẽ bắt đầu cách ly khi tần số tăng lên. Với bàn không khí, bất kỳ rung động nào trong dải tần số cộng hưởng đó không những không bị suy giảm mà còn có thể được khuếch đại và các nhiễu loạn chu kỳ thấp sẽ truyền thẳng đến thiết bị.

Bàn khí yêu cầu một máy bơm trợ lực để cung cấp không khí – chính nó tạo ra rung động tần số thấp – và một bình chứa khí nén để cung cấp áp suất ổn định cho bộ cách ly. Các ống khí được chạy từ bể đến bệ cách ly rung động. Tất cả điều này tạo nên một thiết lập phức tạp và khá cồng kềnh. Kích thước lớn của chúng làm cho bàn khí không phù hợp để phân bổ không gian chật hẹp trong phòng thí nghiệm và khó vận chuyển nếu bàn cần được di chuyển đến một vị trí khác.

Đánh thuế chức năng của bàn hơi là xu hướng ngày càng tăng của việc định vị thiết bị có độ nhạy cao – như hệ thống đo lường bề mặt 3D – tại các vị trí tòa nhà có tiếng ồn rung động cao đáng kể, đặt ra thách thức nghiêm trọng đối với việc cách ly rung động. Khi nhiều ngành công nghiệp chuyển sang sử dụng thiết bị kiểm tra có độ chính xác cao, môi trường có độ rung lớn cần các giải pháp cách ly rung tốt hơn so với những gì đã có với bàn khí.

Active System Electronic Vibration Cancellation – Một tùy chọn khác để cách ly rung động trong phân tích bề mặt 3D là các hệ thống cách ly rung động chủ động. Còn được gọi là triệt tiêu lực điện tử, các hệ thống này sử dụng thiết bị điện tử để cảm nhận chuyển động, sau đó thêm lực điện tử để triệt tiêu hoặc ngăn rung động. Các hệ thống này sử dụng kết hợp các cảm biến, đầu dò và bộ truyền động, có chức năng được điều khiển bởi các thuật toán để làm giảm các rung động. Các cảm biến phát hiện các rung động dọc theo các hướng cụ thể (x, y và z) và gửi thông tin này đến bộ điều khiển, bộ điều khiển này sẽ gửi tín hiệu đến các bộ truyền động để giảm các rung động được cảm nhận.

Các hệ thống đang hoạt động sử dụng phản hồi để giảm rung động, nhưng cũng có thể sử dụng nguồn cấp dữ liệu về phía trước. Một hệ thống điều khiển phản hồi liên tục giám sát nền tảng mà nó đang điều khiển và sửa đổi đầu ra của nó theo dữ liệu rung động được truy xuất. Trong hệ thống điều khiển tích cực phản hồi, các lực gây ra rung động được đo và hệ thống điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều chỉnh đến các bộ chuyển đổi để giảm rung động.

Một hệ thống điều khiển chuyển tiếp phản hồi theo cách được xác định trước để kiểm soát các rung động đầu vào. Loại hệ thống điều khiển này được triển khai khi hành vi của các lực được kiểm soát (rung động) được hiểu rõ – chẳng hạn như các xung từ chuyển động của bàn đạp, van, v.v. Hệ thống feed-forward đã có thông tin về chuyển động và áp dụng các lực cần thiết để chống lại những rung động.

Để đạt được độ chính xác cao trong các ứng dụng quan trọng về rung động, các hệ thống triệt tiêu lực điện tử phản hồi phải cân bằng độ phức tạp của phản hồi quán tính để đáp ứng với các rung động tới. Đây có thể là một thách thức đối với các hệ thống đang hoạt động khi phản hồi quán tính được áp dụng cho các rung động tần số thấp sắp tới theo chiều ngang.

Các hệ thống đang hoạt động hoạt động tốt với việc loại bỏ rung động tần số thấp và việc sử dụng chúng đã tăng đều đặn trong 25 năm qua. Một số hệ thống cách ly tích cực có thể bắt đầu cách ly ở mức thấp nhất là 0,7 Hz. Nhưng các hệ thống đang hoạt động có dải động hạn chế, dễ vượt quá, điều này có thể khiến bộ cách ly chuyển sang trạng thái phản hồi dương và tạo ra tiếng ồn.

Cách ly chủ động có thể là một thách thức để hiệu chỉnh. Nhưng một khi thiết bị được thiết lập chính xác, hiệu suất của nó vượt quá khả năng của bàn hơi để loại bỏ rung động tần số thấp.

Cách ly rung độ cứng âm – Do hiệu quả cách ly rung động rất cao, đặc biệt là ở tần số thấp, cách ly rung độ cứng âm cho phép các thiết bị có độ chính xác rất cao – chẳng hạn như kính hiển vi phân tích bề mặt và thiết bị sử dụng quét laser 3D không tiếp xúc hoặc ánh sáng có cấu trúc – để hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt và môi trường rung động nghiêm trọng, điều không thực tế với các bàn khí nén hiệu suất cao nhất và các công nghệ giảm thiểu rung động khác. Do đó, các bộ cách ly Độ cứng Âm đã chứng kiến ​​sự phát triển nhanh chóng để sử dụng trong các ứng dụng kính hiển vi cấp độ nanomet có độ nhạy cao.

Bộ cách ly Độ cứng Âm, được phát triển bởi Công nghệ Minus K, sử dụng một khái niệm cơ học độc đáo và hoàn toàn trong việc cách ly rung động tần số thấp. Chúng không cần điện hoặc khí nén. Không có động cơ, máy bơm hoặc buồng, và không cần bảo trì, bởi vì không có gì để hao mòn. Chúng hoạt động hoàn toàn ở chế độ cơ khí thụ động.

Trong hệ thống cách ly rung này, cách ly chuyển động thẳng đứng được cung cấp bởi một lò xo cứng hỗ trợ tải trọng, kết hợp với cơ chế độ cứng âm. Độ cứng dọc ròng được giảm xuống rất thấp mà không ảnh hưởng đến khả năng chịu tải trọng tĩnh của lò xo. Các cột dầm được kết nối nối tiếp với bộ cách ly chuyển động thẳng đứng giúp cách ly chuyển động ngang. Cột dầm hoạt động như một lò xo kết hợp với cơ chế độ cứng âm. Kết quả là một bộ cách ly thụ động nhỏ gọn có khả năng tần số tự nhiên dọc và ngang rất thấp và tần số cấu trúc bên trong rất cao.

Bộ cách ly cung cấp hiệu suất cách ly 0,5 Hz* theo chiều dọc và 0,5 Hz theo chiều ngang, sử dụng hệ thống cơ khí hoàn toàn thụ động – không cần không khí hoặc điện. (*Lưu ý rằng đối với hệ thống cách ly có tần số tự nhiên 0,5 Hz, quá trình cách ly bắt đầu ở khoảng 0,7 Hz và cải thiện khi tăng tần số rung. Tần số tự nhiên thường được sử dụng nhiều hơn để mô tả hiệu suất của hệ thống.)

Bộ cách ly độ cứng âm cộng hưởng ở tần số 0,5 Hz. Ở tần số này hầu như không có năng lượng. Sẽ rất bất thường khi tìm thấy một rung động đáng kể ở 0,5 Hz. Các rung động có tần số trên 0,7 Hz (nơi các bộ cách ly độ cứng âm bắt đầu cách ly) nhanh chóng bị suy giảm khi tần số tăng.

Khả năng truyền với các bộ cách ly Độ cứng Âm được cải thiện đáng kể so với các hệ thống không khí. Khả năng truyền là thước đo các rung động được truyền qua bộ cách ly so với các rung động đầu vào. Bộ cách ly độ cứng âm, khi được điều chỉnh thành 0,5 Hz, đạt hiệu suất cách ly 93 phần trăm ở 2 Hz, 99 phần trăm ở 5 Hz và 99,7 phần trăm ở 10 Hz.

Đánh giá của Keyence

Keyence hỗ trợ phát triển nhiều loại cảm biến và tự động hóa nhà máy cũng như các sản phẩm thị giác máy, cũng như kính hiển vi và thiết bị đo lường để phân tích bề mặt không tiếp xúc ở dạng 3D.

Ví dụ, Sê-ri VR-3000 của công ty là một hệ thống đo lường 3D không tiếp xúc có thể đo các khu vực rộng một cách nhanh chóng và chính xác – đo biên dạng, độ nhám, độ phẳng, khối lượng mài mòn hoặc so sánh dữ liệu quét 3D với các tệp CAD và xác định xem một phần là tốt hay xấu. Đồng thời, kính hiển vi đồng tiêu quét laser 3D dòng VK-X của công ty cung cấp dữ liệu cấu hình, độ nhám và độ dày màng không tiếp xúc, ở cấp độ nanomet trên bất kỳ vật liệu nào, đồng thời cho biết chỉ số nào quan trọng nhất để đánh giá. Các sản phẩm thiết bị này được thiết kế để đo ở cấp độ nanomet, nghĩa là trong môi trường nhà máy có độ rung cực cao, việc cách ly các rung động tần số thấp có thể cải thiện đáng kể dữ liệu.

Eltinge tiếp tục : “Chúng tôi thường khuyên dùng các tấm đá granit và bàn khí để cách ly rung động . “Thực tế là chúng có cách ly một số rung động, nhưng đối với khách hàng trong môi trường rung động khắc nghiệt, chúng tôi muốn một giải pháp có thể mang lại kết quả tốt hơn nữa khi thực hiện đánh giá ở cấp độ nanomet trên bề mặt. Vì vậy, chúng tôi đã khám phá các tùy chọn khác có thể cung cấp giải pháp tốt hơn cho các rung động tần số thấp này.” 

Hai trong số các tùy chọn tốt nhất mà Keyence đã xác định là loại bỏ rung động điện tử của hệ thống đang hoạt động và cách ly rung động độ cứng âm.

Eltinge giải thích : “Những gì chúng tôi đã tìm thấy về cơ bản là cả công nghệ khử điện tử chủ động và Độ cứng âm đều có mức độ cách ly rung động tương tự nhau . “ Nhưng có một sự khác biệt lớn trong những gì cần thiết để thiết lập hệ thống. Hệ thống hủy hoạt động khó thiết lập hơn. Trong khi đó, các bộ cách ly Độ cứng Âm yêu cầu một lần điều chỉnh nhanh và chúng đã sẵn sàng hoạt động.”

“Khách hàng của chúng tôi đánh giá cao thiết bị dễ sử dụng và vận hành.” Eltinge nói. “ Họ mua thiết bị của chúng tôi để tìm kiếm thứ gì đó có thể đo lường với độ chính xác đáng kinh ngạc, nhưng đồng thời cũng đủ đơn giản cho bất kỳ người vận hành nào. Việc thêm vào giải pháp cách ly rung động khó sử dụng này sẽ lấy đi giá trị của sản phẩm của chúng tôi. Do đó, tính đơn giản trong vận hành của hệ thống cách ly rung động là rất quan trọng đối với chúng tôi.”