01、前言
 

　　Ralph Gudde，就職于曾經(jīng)的飛利浦光電 (現(xiàn)隸屬于德國通快集團(tuán))，2012年他收到來自SICK的Heiko Krebs的一封郵件，詢問一種適用于工業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新光學(xué)傳感器。工業(yè)傳感器冠軍SICK到底想從Gudde那里得到怎樣的支持呢?
 

　　來自SICK的Heiko Krebs本可以很容易地維持現(xiàn)狀: 用于工業(yè)領(lǐng)域且經(jīng)濟(jì)實惠的測量輪編碼器銷售一直良好且表現(xiàn)穩(wěn)定。但Krebs希望在全球傳輸系統(tǒng)中建立一項新技術(shù)：通過非接觸式光學(xué)捕獲生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如速度、位置或長度。理由是什么呢？直到現(xiàn)在，非接觸式的價格都比標(biāo)準(zhǔn)測量輪編碼器要高的多，后者只需要一個輪子在經(jīng)過的貨物和組件上滾動并計算它們的尺寸和速度。“非接觸式測量所擁有的優(yōu)勢遠(yuǎn)低于它本身較高的采購價格。我不止一次地聽到這句話。” Krebs說道。
 

　　Heiko Krebs, SICK產(chǎn)品管理高級副總裁，他幾乎將整個職業(yè)生涯都獻(xiàn)給了工業(yè)傳感器。SICK的客戶來自各行各業(yè)，因為世界各地的工業(yè)公司都希望實現(xiàn)其流程和生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化。為了做到這一點(diǎn)，他們不斷需要來自系統(tǒng)的可靠、真實的數(shù)據(jù)，以控制他們的流程并確保質(zhì)量。這些問題包括：是否所有的板材/聚苯乙烯板材/包裝材料都切割到了正確的長度和寬度? 它們通過傳輸系統(tǒng)的速度有多快，位置在哪里？彼此之間的距離是多少？為了得到這些數(shù)據(jù)，他們一直使用例如：測量輪編碼器。
 

　　用激光掃描零件并根據(jù)光的運(yùn)行時間來計算信息的傳感器，在技術(shù)上是復(fù)雜的。對許多應(yīng)用來說它過于昂貴，并且會產(chǎn)生后續(xù)費(fèi)用，因為需要高功率激光，屬于三類激光。這意味著在系統(tǒng)內(nèi)部和周圍必須采取結(jié)構(gòu)安全預(yù)防措施，人員需要經(jīng)過特殊培訓(xùn)才能在系統(tǒng)上工作。雖然這些都可以使用久經(jīng)考驗的測量輪來實現(xiàn)。
 

　　02、非接觸式
 

　　"觸覺測量輪編碼器雖然很有效率，但它也存在缺點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用的不同，有些缺點(diǎn)會非常明顯，” Krebs說, “例如，它們需要接觸到測量的商品和組件，這是一點(diǎn)。” 這點(diǎn)對于許多材料都是無關(guān)緊要的——例如：厚板。但是對于薄膜等薄而脆弱的材料，輪子在材料上會留下不可避免的凹槽和痕跡，從而破壞后續(xù)工藝；或者出現(xiàn)車輪抓地力不足——例如：在聚苯乙烯或絕緣材料等柔軟的表面上會出現(xiàn)此現(xiàn)象，車輪容易打滑，丈量不準(zhǔn)。這就是為什么在切割保溫棉時要增加一厘米以確保安全。在過去的一年里，通過更可靠的測量方法節(jié)省了大量額外的材料。Krebs說：“測量輪的第二個主要缺點(diǎn)是它們就像所有接觸的部件一樣會磨損。” 測量輪的磨損會導(dǎo)致測量精度降低，需要定期更換。這兩個問題：痕跡、磨損——都不存在于光學(xué)傳感器。
 

　　03、VCSEL照明
 

　　Krebs想尋找合作伙伴來幫助他以更低的價格獲取激光傳感器，從而使它們與以前的解決方案相比更具有競爭力。因此，2012年他找到了Ralph Gudde。Gudde當(dāng)時在飛利浦光電部門工作，該部門自2019年起成為通快集團(tuán)的子公司，以通快光電器件的名字獨(dú)立運(yùn)營。部門的工程師們研發(fā)了微型VCSEL和光電二極管，同時還將透鏡等所有組件完全集成到整個系統(tǒng)中。當(dāng)時，VCSELs主要用于智能手機(jī)、辦公打印機(jī)、光學(xué)鼠標(biāo)等消費(fèi)品。Krebs回憶道:“ VCSEL產(chǎn)品專為大眾市場打造，成本計算非常重要。所以我很樂觀地相信，Gudde和他的團(tuán)隊能夠幫到我。畢竟，他們了解怎么能讓高產(chǎn)量與低成本完美結(jié)合。”
 

　　Gudde向Krebs展示了用于消費(fèi)設(shè)備、帶有完全集成激光傳感器的小型VCSEL二極管—Krebs明白了：這將解決三類激光安全等級的限制。但是光學(xué)鼠標(biāo)沒有安全方面的障礙，并且不需要額外培訓(xùn)課程。但它在技術(shù)上也可行嗎？
 

　　現(xiàn)任通快光電器件部市場營銷副總裁Ralph Gudde回憶起和Krebs第一次接觸: “我們立即向SICK提出了不同的測量程序。借助VCSEL二極管，我們能夠使用自混合干涉技術(shù)，簡稱SMI。此技術(shù)已在數(shù)百萬種產(chǎn)品中使用了大約二十年，質(zhì)量得到了很好的證明。” 借助SMI，VCSEL將紅外激光束投射到通過的部件表面——無論是金屬、塑料還是其他物體。光學(xué)諧振器捕獲激光光束的反射并將其與諧振器中的光混合。光電二極管測量干擾，系統(tǒng)根據(jù)頻率差計算運(yùn)動速度。波長的調(diào)制可以用來確定方向。因此，傳感器直接檢測速度和方向，以及間接位置和膨脹的部分。
 

　　Krebs和Gudde決定共同應(yīng)對這一突破性項目并建立發(fā)展伙伴關(guān)系。通快，作為技術(shù)專家，貢獻(xiàn)核心技術(shù)；SICK，作為系統(tǒng)集成商，貢獻(xiàn)應(yīng)用專業(yè)知識和市場準(zhǔn)入。
 

　　04、消費(fèi)業(yè)與工業(yè)的聯(lián)手
 

　　目標(biāo)是清晰的。但很明顯，前面的道路將是充滿挑戰(zhàn)的，許多細(xì)節(jié)問題需要盡快被解決。Gudde承認(rèn)：“當(dāng)時，我們對集成工業(yè)傳感器必須滿足的要求知之甚少。我們甚至不知道該行業(yè)存在哪些市場和利基。我們從SICK那里學(xué)到了很多。” 其中一個挑戰(zhàn)是開發(fā)一種集成的FPGA電路，該電路可處理激光器可能遇到的所有不同表面。例如：對于光漫射，無論是來自鈑金還是包裝薄膜，都會產(chǎn)生很大的不同。
 

　　Krebs還回顧了多年的開發(fā)工作：“項目合作伙伴面向的是快速變化的消費(fèi)市場，而我們則專注于行業(yè)規(guī)范——雙方有時會持不同意見。我們首先要找到一種共同的語言，一種思考事物的共同方式。通快光電器件的同事會通過他們的方法幫助我們走出僵局。” 例如，兩個團(tuán)隊需要考慮制造傳感器需要遵守的規(guī)范。Krebs說：“出于習(xí)慣，對于傳感器我們希望達(dá)到0到70攝氏度的溫度等級。這和測量輪編碼器的范圍相同。” 然而，VCSEL需要持續(xù)穩(wěn)定的溫度控制，包括在非常高的環(huán)境溫度下。需要保持這一點(diǎn)，就增加了對傳感器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求。” 這將導(dǎo)致更高的價格。在一次偶然的情況下，通快工程師問我：“為什么我們不能在45度時停止呢？這樣我們就可以實現(xiàn)80%以上的應(yīng)用。這還不夠嗎? “我們在和客戶廣泛的討論和應(yīng)用分析中研究了溫度范圍。是的，他們是對的。這是一個決定性的突破。”
 

　　總之，Gudde總結(jié)道：“對于來自工業(yè)客戶的項目，與SICK發(fā)展伙伴關(guān)系是一種考驗。2019年，當(dāng)通快于作為行業(yè)專家接管我們公司時，我們已經(jīng)能夠展示出我們的專業(yè)知識了。當(dāng)?shù)弥煲渤蔀樗暮献骰锇闀r，Krebs非常高興：“SICK和通快在過去有成功合作的經(jīng)驗。我知道我們將取得進(jìn)一步的成功。我們共同完成了產(chǎn)品開發(fā)并設(shè)定了德國制造的全球技術(shù)基準(zhǔn)。”
 

　　05、軟表面不再是問題
 

　　通快和SICK共同發(fā)起了一種處理算法，可以快速且極其精確地評估FPGA上的信號質(zhì)量。在每秒10米的物體速度下，它可以實現(xiàn)4微米的分辨率和0.1%的測量精度。這意味著我們的測量長度可以從一米到毫米。所以，現(xiàn)在SICK的SPEETEC非接觸式運(yùn)動傳感器的測量長度可以從一米到接近毫米，并且無需考慮激光二極管下面商品或者組件的材質(zhì)，當(dāng)然材質(zhì)還包括保溫棉。“所有這一切在價格上都比以前市場上的任何產(chǎn)品都更接近觸覺解決方案，”Krebs滿意地說。憑借這項技術(shù)，他們將作為先驅(qū)進(jìn)入市場。
 

　　對于那些希望將以前的解決方案更換為更精確的激光傳感器的客戶，這項技術(shù)使光學(xué)傳感器有了更大的吸引力。突然之間，許多客戶聯(lián)系了Krebs，他們以前從未獲得過如此精確的數(shù)據(jù)，這對于他們幫助太大了。例如：對于塑料制造商來說，產(chǎn)品從擠壓機(jī)里出來時非常熱，而且對于測量輪的輪子來說它太軟了；而對于電纜制造商來說，輪子總是在精度問題上困擾著他們。“我們收到了許多應(yīng)用程序的詢問郵件，有些在開發(fā)過程中甚至沒有想到過，” Krebs高興地說道。“通過SPEETEC，客戶現(xiàn)在可以解決一些測量任務(wù)，這些在以前沒有合適的傳感器系統(tǒng)時，它們是無法辦到的。這很令人興奮，因為通過軟件，非接觸式處理可以很容易地適應(yīng)特殊要求。我們不僅可以接觸到更多的客戶，而且還可以為他們提供他們正在尋找的東西。”