用于自動(dòng)化制造業(yè)的光投影技術(shù)

增材制造，又稱(chēng)3D打印，和3D機器視覺(jué)都是令人極為振奮的新技術(shù)，當我們將這兩者結合起來(lái)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”的機械加工車(chē)間，該車(chē)間可在無(wú)需人工監督的情況下用3D打印技術(shù)來(lái)打造零件，并用機器視覺(jué)技術(shù)來(lái)測量和測試該零件。

德州儀器（TI）的DLP技術(shù)及其核心的數字微鏡器件（DMD）可提供實(shí)現這一切的關(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)，現在已得到廣泛應用。當被應用于3D打印和機器視覺(jué)中的問(wèn)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)的愿景成為現實(shí)。正因如此，它才成為了用老技術(shù)解決新問(wèn)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(jiàn)的3D打印過(guò)程，與傳統的打印較為相似。就像調色劑沉積在紙張上一樣，3D打印機可在一系列2D截面中沉積材料層，這樣一層一層疊加起來(lái)，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(xiàn)（UV）光源進(jìn)行固化的樹(shù)脂。當該樹(shù)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SLA技術(shù)與DLP技術(shù)結合時(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(shù)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(lái)多種優(yōu)勢，比如能用光學(xué)技術(shù)使來(lái)自DMD的各個(gè)像素成像，而不是讓光源直接在樹(shù)脂上成像，這樣可優(yōu)化分辨率和特征尺寸。


采用DLP技術(shù)的光固化

圖像說(shuō)明：物體通過(guò)3D計算機輔助設計（CAD）模型得到詳細的說(shuō)明。打印機軟件可將虛擬模型轉化成一系列表層以適應該物體的打印。資料來(lái)源注解：由德州儀器（TI）提供

和能產(chǎn)生100微米體素（3D像素）、基于激光的傳統SLA機相比，基于DLP技術(shù)的SLA機可實(shí)現30微米的體素。體素越小，轉化成的物體越平滑，這意味著(zhù)完成物體創(chuàng )建所需的后期制作處理工作就越少。此外，因為整個(gè)構造層的成像和創(chuàng )建是同時(shí)完成——而不是一次一個(gè)體素、逐層完成的，所以這些機器完成較大打印品的速度比傳統的SLA機快。

DLP技術(shù)測量和測試

物體被打印后，自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上的下一個(gè)步驟是實(shí)現具有3D視覺(jué)功能的機器，該機器可對物體進(jìn)行自動(dòng)測量和測試。在這個(gè)過(guò)程中也可以應用DLP技術(shù)。

傳統的機器視覺(jué)系統采用接觸式坐標測量法或使用單個(gè)攝像頭的非接觸式2D檢測與測量法來(lái)掃描物體。DLP輔助的3D機器視覺(jué)系統則可采用單行掃描的變異法 —— 結構光方法。


通過(guò)采用DLP技術(shù)的結構光掃描法，就能提取任何物體的表面面積、體積和特征尺寸等維度值。
資料來(lái)源注解：由德州儀器（TI）提供


DLP輔助的3D機器視覺(jué)系統

圖像說(shuō)明：通過(guò)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3D機器視覺(jué)。該系統能將一個(gè)DMD用作空間光調制器，并用一個(gè)DMD控制器來(lái)提供對微鏡的高速控制功能。資料來(lái)源注解：由德州儀器（TI）提供

在這里，數字光圖案被投影到一個(gè)物體上。接著(zhù)，這些光圖案通過(guò)攝像頭傳感器成像——該傳感器可借助已知的光源角度對數據進(jìn)行三角測量，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將相應的像素列開(kāi)啟和關(guān)閉而產(chǎn)生。我們用投影透鏡讓來(lái)自DMD的光在被測量的物體上成像。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(lái)產(chǎn)生高分辨率圖案。

與傳統的單行掃描法和接觸式坐標測量法相比，DLP輔助的結構光方法有著(zhù)高分辨率，并且有高達32kHz的可編程圖案速率，因此能產(chǎn)生高精度的3D實(shí)時(shí)數據。此外，DMD還可在系統設計中提供靈活性 —— 波長(cháng)選擇范圍很廣，可從365納米到2,500納米。

對提高產(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、醫療、環(huán)境和科學(xué)領(lǐng)域——變得越來(lái)越強勁。利用TI的DLP技術(shù)，工程師可獲得一種途徑來(lái)滿(mǎn)足這些需求，并能設想一個(gè)理想的制造工廠(chǎng)，其中自動(dòng)機器人可制造和測試產(chǎn)品。