把量測站放進產線節拍

一、四塊能力，一個目標

目標很單純：讓一個原本要人工架設、人工判讀的量測動作，變成產線上按一個鍵就跑完、而且結果可以追溯的站。

二、馬達控制

量測站與一般產線機構最大的差別，在於「動得快」不是重點，「停得穩、停得準、而且知道自己停在哪」才是。以下是我們在每一個案子裡都會走過的幾個判斷。

2.1　伺服還是 BLDC？

兩者的差別不只是價格。選錯了，後面調機再久也補不回來。

選型時第一個要算的是慣量比。負載換算到馬達軸的慣量，除以馬達自身轉子慣量，一般建議控制在 10:1 以內；要求高響應、短安定時間的量測載台，最好壓到 5:1 甚至 3:1。慣量比過高的系統，增益一調高就振盪、一調低就軟，怎麼調都不對——這時候該換的是減速比或馬達，不是繼續調參數。

2.2　三層控制迴路與調機順序

伺服系統不是一個迴路，是三個包在一起的迴路。不理解這個結構，調機就只能靠試。

調機的標準順序是由內而外：

1. 電流（轉矩）環——現成驅動器出廠多半已依馬達參數設定好；自行開發韌體時，這是第一個要做對的地方，包含電流取樣時序、PWM 死區補償與換相角校正。
2. 速度環——提高比例增益直到出現高頻振鳴再退回一段，再加積分消除穩態誤差。機構共振點若落在這個頻段，就要靠陷波濾波器壓掉。
3. 位置環——增益上限被速度環頻寬綁住，通常取速度環的五分之一到十分之一。前饋（速度前饋、加速度前饋）可以在不動增益的前提下降低跟隨誤差。

如果調到一半發現「速度環怎麼調都振」，答案通常不在參數，而在機構：聯軸器剛性不足、皮帶太長、螺桿支撐不夠，或是前面提到的慣量比。

2.3　角度回授：編碼器怎麼選

上面三層迴路再怎麼調，也只能做到回授告訴它的精度。角度回授常見的原理還有電感式與旋轉變壓器；這裡比較最常互相取捨的三種——光學、磁性與電容。它們的差別通常不在型錄上的解析度數字，而在它們各自怕什麼——而那件事，往往就是你現場剛好會遇到的。

所以在精度需求確定之後，選型通常取決於三件事：附近的磁場有多強（直驅馬達就在旁邊時，磁性方案得額外處理雜散磁場，常因此不划算）、現場的污染與結露條件，以及機構還剩多少空間與重量。三個問題答完，選項通常就收斂了。

電容式這一欄，我們常用的品牌是 Netzer Precision。把選它的理由拆開，會落在兩個來源：一組來自它的機構形式，一組來自量測原理與產品設計。分開看，比較清楚哪些是這個品牌的選擇、哪些是電容原理共有的性質。

來自機構形式——感測環做成空心、薄片，而且不帶自己的軸承。轉子直接鎖在被測軸上，定子鎖在機架上，兩者之間沒有接觸。這種套件式、免軸承的形式並非電容式獨有，光學與磁性編碼器也有類似產品；下面幾點是這種機構形式本身的好處：

• 線材可以從空心軸中央穿過去，不必繞到機構外面。對大角度擺動的軸，線材沿著轉軸扭轉而不是被拉著繞圈，應力與反作用力矩都小得多；需要連續旋轉時，那個孔也正好是滑環該放的位置
• 少一組軸承，就少一份摩擦、少一份間隙、也少一份重量與慣量。摩擦影響的是直驅機構的低速平穩度，質量影響的是折算慣量——而慣量比正是上面 2.1 與伺服選型時第一個要算的數字
• 安裝公差可以放寬。依該廠的技術說明，讀值取自整圈的電場分布而不是單一讀頭，安裝偏心的影響會被平均掉；同一份文件也把「寬鬆的安裝公差」列為主要特性。這對薄殼、輕量化的機構很實用，因為那種結構本來就不容易做到高同軸度
• 沒有接觸就沒有磨耗。少掉一個會隨時間劣化的機構件，對長期運轉或不易維修的設備是可靠度上的差別，不只是壽命數字好看

來自量測原理與產品設計——它量的是電場，不是磁場也不是光。

• 不受磁場影響。直驅馬達的永磁體與驅動電流就在幾公分外，用磁性方案得額外處理雜散磁場，電容式沒有這個問題；該廠並把抗電磁與射頻干擾一併列為設計目標
• 絕對式輸出。通電就知道角度，不需要回原點（光學與磁性也有絕對式產品，這一項是該廠的產品設計，不是電容原理獨有）。對停電後必須立刻恢復生產的產線、以及不方便在空中做歸零動作的雲台，這是功能上的差別，不只是方便。要注意這是單圈絕對——需要記錄轉了幾圈，得選多圈型；若在控制器端自行累計，斷電期間軸被轉動就會遺失圈數，需搭配備援電源或重新歸零
• 工作溫度範圍寬。該廠把寬溫列為標準品的特性之一，涵蓋的上下限讓同一套方案可以從廠房內用到戶外與高空；實際範圍依型號而異，選型時以個別資料表為準

它也不是萬用解。會噴切削液、會結露的環境，導電性污染會直接影響電容量測，而這類產品本體的防護等級多半不高，要靠機構外殼補；需要極高解析度的直線量測，光學尺仍然是更直接的選擇。

無人機雲台是這些特性同時用上的場合：空心軸讓影像與電源線從轉軸中央走，免軸承讓兩軸或三軸的懸臂質量降下來，絕對式讓雲台一通電就知道自己指在哪，而不受磁場影響則是因為 BLDC 直驅馬達的磁鐵就在幾公分外。雲台的配重、慣量與指向誤差怎麼進到同一本預算，見無人機 EO/IR 酬載專頁的雲台一節。

最後提醒一件最容易搞錯的事：解析度不是精度。編碼器能分辨到 0.001° 不代表機構停得準到 0.001°，中間隔著整個傳動鏈與熱漂移。這一段的完整拆解見〈伺服馬達怎麼選？三個數字決定機構動得準不準〉。

2.4　加減速規劃：節拍的真正瓶頸

很多人以為縮短節拍就是把速度調快。對量測站而言，真正吃掉時間的往往是「到位之後等它不振動」的那一段。

所以我們在規劃節拍時，量的不是「命令說到位了沒」，而是從到位訊號發出，到機構實際靜止在容許範圍內的那段時間。這段時間可以用加速度計量，也可以直接用量測用的相機連拍來看影像什麼時候不再變化——後者更貼近實際驗收條件。

2.5　運動與取像的同步

當量測站要邊走邊拍（飛拍）時，運動與取像的時間關係就成了精度的一部分。

處理方式有兩層。第一層是由位置觸發，而不是由時間觸發：運動控制卡的位置比較輸出（position compare）直接拿編碼器計數去比對，到了設定位置就送出脈衝，中間不經過作業系統，抖動可以壓到微秒以下。第二層是把整條鏈路對時：EtherCAT 的分散式時鐘讓所有節點共用同一個時間基準，常見的控制週期在 250 µs 到 1 ms 之間，節點間同步抖動可以做到 1 µs 以內；CANopen（CiA 402 驅動器規範）則適合軸數不多、即時性要求沒那麼極端的場合。

如果現場條件允許停走取像，那就停走——這是最省事也最穩的做法。飛拍是在節拍真的壓不下來時才動用的手段，而且要一併把上面兩件事做完。

2.6　什麼時候需要自己寫驅動韌體

多數情況買現成驅動器就好。以下這幾種狀況，現成品往往不合用，才值得考慮自行開發：

• 直驅雲台或掃描機構——沒有減速機構，低速平穩度主要取決於換相品質、電流環與回授解析度，現成通用驅動器的參數空間往往不夠用。
• 非標準回授——自製角度感測器，或現成驅動器不支援的介面與內插需求。旋轉變壓器、正弦餘弦編碼器與常見光學尺介面，多數中高階伺服驅動器已直接支援，先確認型號再決定要不要自己做解碼。
• 要把控制迴路和量測綁在一起——例如依即時影像回授修正位置，迴路必須跑在同一顆處理器上才追得上。
• 體積、重量或功耗受限——酬載型設備裝不下標準驅動器機箱。

我們的分工通常是：FPGA 負責編碼器解碼、PWM 產生與硬體層的同步觸發，這些需要確定性時序的工作；MCU 跑速度環與位置環、通訊協定與狀態機；電流環依頻寬需求放在 FPGA 或 MCU 的最高優先中斷。這樣切開的好處是，時序敏感的部分不會被軟體的排程抖動影響。

2.7　現場常見症狀與原因

這張表整理自實際會遇到的狀況。症狀看起來都像「精度不夠」，但成因分布在完全不同的層次。

三、視覺檢測站怎麼配

「要看到什麼」決定波段，「缺陷多大」決定解析度，「產線多快」決定曝光與照明。順序反過來做，最常見的結果是買到一台看不到缺陷的相機。

3.1　先決定波段

同樣是「看不到的缺陷」，在不同波段下的成因完全不同。先確定要利用的是反射、穿透還是自體輻射，才有辦法談相機。

3.2　解析度、景深與光圈：一個實例

假設視野寬 100 mm，用一台 2448 × 2048（約 500 萬畫素）、像素間距 3.45 µm 的相機：

• 每個像素對應 100 mm ÷ 2448 = 40.8 µm
• 要抓 0.2 mm 的缺陷，等於 4.9 個像素——剛好落在「最小缺陷至少要佔 3 到 5 個像素」的實務下限。再小就該縮視野或換相機，不是換演算法
• 放大率 m = 感測器寬 8.45 mm ÷ 視野 100 mm = 0.0845

焦段本身怎麼算（從視野與工作距離反推）另見〈鏡頭焦段怎麼算〉。接下來光圈決定景深，但同一個光圈也決定繞射極限，兩者方向相反：

到了 F/11，繞射造成的模糊（4.3 px）已經和要偵測的缺陷（4.9 px）差不多大——縮光圈換來的景深，把原本要保護的解析度吃掉了。這個站合理的工作點在 F/5.6 附近：約 12 mm 景深，繞射模糊約兩個像素。被測物的高低起伏若超過這個範圍，該解決的是治具（把被測面拉回同一高度）或分次對焦取像，不是繼續縮光圈。遠心鏡頭能讓放大率不隨高度改變，對尺寸量測很重要，但它的景深一樣受光圈與繞射限制。

3.3　照明往往比相機重要

同一顆相機、同一顆鏡頭，換一種打光方式，結果可以從「看不到」變成「一眼就看到」。四種基本打法各自對應不同的缺陷型態：

• 背光——量輪廓與孔徑。被測物成為剪影，邊緣對比最高，尺寸量測的首選
• 同軸光——看鏡面與拋光面。光線沿鏡頭軸線打出去再原路反射回來，平整區域亮、瑕疵處暗
• 暗場——低角度側光。只有表面的凹凸會把光散射進鏡頭，刮痕與壓痕會亮起來，平整區域是暗的
• 漫射穹頂——曲面與反光件的均勻照明，用來消掉高光

選錯打光方式，後面再好的演算法也補不回來——因為對比從一開始就沒有進到影像裡。上面四種打光方式適用於可見光、近紅外與 SWIR（光源與濾鏡換成對應波段）；熱紅外（MWIR 與 LWIR）看的是物體自己發出來的輻射，不需要外部照明，常溫物體的輻射則主要落在 LWIR。

3.4　曝光時間與運動模糊

被測物若在移動，曝光期間它會走一段距離，影像就糊掉。模糊量就是速度乘上曝光時間。沿用上面 40.8 µm 的像素尺寸，要把模糊壓在一個像素以內：

• 輸送 100 mm/s → 曝光要短於 408 µs
• 輸送 200 mm/s → 204 µs
• 輸送 500 mm/s → 82 µs

曝光只有兩百微秒，代表光量必須在兩百微秒內足夠——這通常意味著頻閃光源，而不是常亮燈。另一個選擇是讓機構停下來再拍，代價直接反映在節拍上（見下一節）。此外，會動的場合原則上用全域快門：捲簾快門逐行讀出，移動中的物體會被拍成傾斜的；若只能用捲簾快門，頻閃須落在所有列同時曝光的時窗內。

觸發時機本身的誤差同樣會變成位置誤差，那一段在 2.5 運動與取像的同步 已經算過。

四、節拍預算怎麼算

一個量測站的節拍，是五段時間加起來的。把它們攤開來看，通常會發現要動的地方不是相機。

以前面那個站為例：載台進站移動 50 mm（用 2.4 節的 S 曲線規劃）、500 萬畫素相機、GigE 傳輸。

這張圖要說的事只有一件：想壓節拍，先看時間花在哪裡。在這個站上，相機換成兩倍快的型號，總時間只省下不到 5 %。真正有效的手段依序是：

1. 改善加減速規劃與機構剛性——400 ms 那一段是最大宗。這裡用的是 2.4 節的 S 曲線：0.40 s 到位時殘留振動只剩 ±5 µm（約 0.1 個像素），可以直接取像，所以這 400 ms 幾乎都是移動時間；若改用梯形，命令雖然 0.35 s 就到位，±27 µm 的振動還得等它衰減，省下的 50 ms 往往被安定時間吃回去。要再縮短這一段，得先提高機構剛性與共振頻率，才能用更陡的加減速而不激發振動
2. 換掉傳輸介面——10 GigE 或 CoaXPress（CXP-12 單通道或 CXP-6 雙通道以上）可以把 45 ms 的傳輸時間壓到 5 ms 以內；實際下限還要看感測器本身的讀出速度
3. 把運算搬到 FPGA 或 GPU——30 ms 這一段通常有很大的壓縮空間
4. 改成移動中取像——用位置觸發取代「停下來再拍」，可以省掉停下與到位安定的時間，並讓傳輸、運算與下一件的移動重疊進行；此時節拍改由件距 ÷ 輸送速度決定（例：件距 50 mm、200 mm/s 即 250 ms）。代價是曝光時間被運動模糊鎖在數百微秒以內（見 3.4；200 mm/s 時約 204 µs），不能再靠拉長曝光補光量，通常需要頻閃光源，而且對觸發精度的要求會提高一個量級

每一種都有代價。值不值得，取決於這條線一天要做幾件——這也是我們在需求階段一定會問的問題。

五、機台整合

把各自能動的零件，變成一台會自己跑完流程的機器。

這一段的工作包含運動機構與量測儀器的介面定義、感測器與 I/O 配置、氣壓與夾治具動作的時序安排、安全迴路與急停邏輯，以及上下料與流程的狀態機設計。多數整合案的難處不在單一元件，而在把「誰等誰」這件事講清楚——取像要等機構靜止、機構要等夾治具夾緊、夾治具要等料到位，任何一個環節沒有明確的完成訊號，整台機器就只能靠延時硬等，節拍也就下不來。

我們在交付時會一併給出介面文件與時序圖，讓後續維護的人不必反推程式才知道機器在等什麼。

六、自動化 GUI 與資料追溯

機器會動只是第一步，現場能不能自己操作、事後能不能查，才決定它有沒有真的上線。

介面設計的重點是讓操作者只看到他該看的：選配方、放料、按啟動、看結果。工程模式與參數調整放在權限後面。量測結果自動存檔，帶上時間、配方、機台狀態與操作者，必要時可接到既有的 MES 或資料庫，讓品質異常能追回到是哪一批、哪一台、哪一組參數。

把「客戶口中的方向轉成可量測的性能測項」本來就是我們的服務之一；到了自動化階段，這些測項會直接變成 GUI 上的判定條件與報表欄位。

七、我們使用的控制平台

依即時性需求與客戶的維護條件決定，沒有哪一種一定比較好。

八、導入流程與交付項目

每一段都有可以驗收的產出。你可以只委託其中一段，也可以整段交給我們。

第 02 階段刻意排在機構設計之前。「這個缺陷在這個波段、這種打光下看不看得到」是整個案子風險最高的一題，用樣品實拍花的時間，遠比機構做完才發現看不到來得便宜。

九、常見問題與限制

範圍講清楚，比把話說滿有用。

節拍能壓到多快？

看站的組成。像本頁例子這種「停下來再拍」的量測站，舒適區大約在每件 300 到 800 ms。要進到 100 ms 以下，通常得同時做三件事：改成移動中取像（位置觸發）、把傳輸換成 CoaXPress 或 10 GigE、把運算放到 FPGA。要再往下到 20 ms 等級，多半已經是線掃描相機搭專用光源的場合，機構與光學的設計方式完全不同。

最小能抓到多小的缺陷？

受限於視野與感測器像素數，而不是演算法。缺陷至少要佔 3 到 5 個像素，判定才穩定。以 500 萬畫素、100 mm 視野（每像素約 41 µm）計算，下限大約在 0.12 到 0.2 mm。要更小，就得縮小視野（同一件要拍好幾個位置，節拍拉長）或換更高像素數的相機。這個取捨在需求階段就要決定，不能等到機構做完。

鏡面與透明件怎麼辦？

這是打光問題，不是相機問題。鏡面通常用同軸光或漫射穹頂處理，透明件常常要靠背光量輪廓，或者換到 SWIR 直接看內部。這一類案子我們會建議先做樣品實拍再談規格——沒拍過就報規格，對雙方都不是好事。

熱像能量得多準？

LWIR 相機量到的是輻射，要換算成溫度必須知道表面的發射率。發射率未知或會變動時（氧化、油污、觀測角度改變），絕對溫度的誤差可能從數 °C 到數十 °C——塗裝面發射率差 0.1，約差 2 到 5 °C（物體 50–80 °C、背景 25 °C），裸金屬或半光金屬件可達數十 °C。但只要同批件的表面狀態一致，同一批件之間的相對差異通常仍然可靠，所以產線上的熱像檢測多半以相對判定為主：不是「這顆軸承是 68 °C」，而是「這顆比同批其他顆高 12 °C」。需要絕對溫度時，就要在視野內放已知發射率的參考體。

什麼情況我們會建議不要自動化？

量少、件件不同、或缺陷定義講不清楚的場合。自動化的價值來自重複——一年只做三十件的檢測，人工加一套治具通常更划算。缺陷定義講不清楚則是更根本的問題：如果三個老師傅對同一件的判定不一致，機器也不會有答案，該先做的是把判定標準寫下來。