爱德华兹·戴明（Edwards Deming）说过，“如果你无法测量它，也就无法控制它。”这位美国质量管理专家还说过，“你无法检测产品内部的质量，因为质量已经存在于那里。”换句话说，不要检测质量，能做的只是在确保先前工序正确且合乎规范的情况下继续增加产品的价值。二十世纪八十年代中期以来，在各种生产线以及组装台上安装了成千上万的机器视觉摄像系统。在每个拥有大量用户的行业都能发现它们的身影，如汽车业、制药业、医疗器械业、电子工业、航空业，以及几乎每个制造产业。为什么呢？因为给一个好的部件增添价值能够降低商品成本，让制造商们获取更多利润。事实上，美国能够生产出高品质产品且价格合理，机器视觉是美国重新夺回其在全球制造业的领先地位的原因之一。我从事机器视觉业务已超过十五年，专门解决生产中质量问题以及测量和控制生产过程。四年前，我换到一家生产用于测量激光光束质量产品的公司，我认为这些产品与制造业简直是天作之合。我们生产用于测量各种光束质量特性和一致性的工具。换句话说，我们生产机器视觉系统，用以测量和管理激光光束的质量。
图1 a)为一台光束直径为43纳米的8.9千瓦二氧化碳激光器
进行分析的ModeCheck屏幕显示图。 b)为一台用标尺测量
光束直径的8.9千瓦二氧化碳激光器进行丙烯酸烧蚀。上述图
片均在同一条件下获得。（图片来源：Ophir Photonics集团）
不断调整输出
关于激光光束，首先需要了解的是，其输出就像灯泡，是在不断变化的。当我问我们的销售人员向工业制造领域销售了多少产品时，答案令人吃惊：除了销售给FDA用于审查外，别无其他。
我回答说，“你们说什么呢？目前有各种各样的激光用于制造高精度和高可靠性的零件，稍微列举几个：如用于航空业、汽车业和电子工业零件的制造。这些需要恒定的精密度和一致性，而随着时间的推移，激光当然是不可能做到这样。”销售人员答称：“事实的确如此，但他们认为自己不需要。我们多年来一直试图让他们了解定期或即时测量的必要性，但收效甚微。”这完全在意料之中，我的反应是：“那好，我对这些人以及他们的需求有一些了解，让我来试试。”
图2 丙烯酸材料的烧蚀会产生火焰和致癌烟
雾。（图片来源：Ophir Photonics集团）
对于测量光束的误解
我发现，人们认为不需要定期测量他们的光束是因为：
● 他们自安装之日起从未对之进行过测量，结果也还可以。
● “我们有定期维修服务，我确信维修人员对之进行了测量。”
● “一旦我们开始生产劣质零件，我们关闭该生产线，并请求技术支援。”
我开动脑筋，回忆起二十世纪八十年代初我们说起机器视觉可以如何帮助：1）生产一贯高质量的产品；2）减少报废产品，以及3）让客户更为满意时，我们所得到的答复也是类似的。随后我们让用户接受了我们的说法。之后发生了什么呢？机器视觉用户就是程序工程师，和激光系统的用户群一样。为什么他们没有意识到使用光束测量设备大有裨益呢？难道他们在使用激光的时候没有出现生产出不一致产品的情况？nextpage
只要询问几个用户就能发现：激光加工程序会生产出劣质/不一致的零件，或毫无征兆地停工、等待维护。我们提出：“你们现在是如何进行测量的？”答复是：使用1）纸张的烧烛，或2）丙烯酸材料的烧蚀。这些答复正中我的下怀。纸张烧烛最为简单。我向他们说明纸张烧烛是一维的：烧烛结果不是烧着就是未烧着，没有空间深度。激光光束的散射截面是三维的，而非一维。激光如何切割或焊接或加工的情况取决于功率的大小。此外，纸张烧烛在尺寸上并不精确。此类烧烛只能在功率足够大的情况下进行，对其进行测量用于获取功率密度的实用信息是在做无用功。
让我们转向第二个方法，“我用丙烯酸塑料来获取截面的三维表征。”这就被我抓到短处了。烧蚀丙烯酸塑料会产生致癌烟雾！我觉得任何一家大的公司都必须考虑遵守职业安全与卫生条例（OSHA），因此不希望在自己的工厂里发生这种事情。不过他们的回答却是：“没什么大不了，我们可以使用风扇将烟雾排出到室外，因此操作员是安全的。”我在想，你这是在开玩笑吧！而那些没有风扇的小型工厂则答复称，他们只偶尔才烧蚀丙烯酸塑料，因此操作员不会经常处于烟雾中。
关于技术
嗯，假设你不在乎安全问题，那么我们来谈谈技术上的问题。若使用脉冲激光器，仅靠一次激光脉冲无法获取丙烯酸块，若使用连续波激光器，则需要经过几秒钟的时间。由于某种原因，用户们都认为第一个脉冲看起来与第100个脉冲相似，第1个毫秒的连续波功率分布看起来与第一秒或第二秒结束时的功率分布一样。但是，这绝对是错误的观点！脉冲并不类似，特别是将最初的激光输出与持续一段时间工作后的输出相比较。让我用基于照相机或基于狭缝扫描的激光光束分析仪来分析一下你的激光，并向你展示结果。
这实际上是我们用来销售分析仪的方法。用户们拥有完美性能的激光器，直到我们用现场演示向他们展示实际情况。除了工业用户外，这种销售方法比其他任何方法都能够卖出更多的分析仪。工业用户看到我们的分析仪时会说：“我们这些年一直在做的事情看上去一直都有效，那么我为什么要改变？”
图3 工厂配置的ModeCheck（图片来源：Ophir Photonics集团）
为什么？下面说说原因。在了解某些激光器性能特性后，你就能够做一些之前无法做到的事情。
像机器视觉系统一样，你可以预测未来。每隔一段时间，通过了解你的激光器的某些光束测试数据，你就能够预测，再说一次，预测，什么时候需要周期性的维护激光器。停机时间可以列入计划，而不用面对灾难性的生产线停产。
如果在多道工艺里使用的是相同的激光器，那么可以为每一道工艺优化光束调整。经过长时间的使用，光学器件变脏，而脏的光学器件会导致光路和光束特性发生改变。相同的激光器参数对于脏的光学器件却不起作用。所以你可以说，当发生这种情况后，我可以换掉光学器件。你这是两极化思维。考虑一下第一天与换掉那天的微细差别？这种差别是否影响到制造始终如一的产品？光路参数会随着时间推移而发生微细改变。这些改变将持续到你换掉光学器件的时刻。变化是无法避免的。你需要去测量，以了解在什么时候这种变化会发展到令人无法接受的程度。
我听到的另一个反对意见是，这种对光束质量的电子监控可能会有些价值，不过对于工厂来说，太昂贵了。那么我们现在就这一问题开诚布公地谈一谈。我们还听到另一个关于机器视觉的反对意见，太昂贵而不能制造出高性价比的产品。因此我们详细检查投资回报率。我们检查产品价值、单位时间的加工数量、废料成本，以及在发现问题前所生产的产品数量、非计划停机成本等标准的投资回报率材料。我们的投资回报率计算员能够很快地且容易地预测出投资回本时间；不过你也可以自己算。如果你在生产环境里拥有不止一台激光器，你正在用激光器进行焊接，而且至少焊接一遍，你生产的零部件又很精密，那么投资回本时间最多16.7个月。
其他的抱怨：太大、太小、不是完全适合、操作员们习惯了老工艺、在现场不用个人计算机、太复杂、提供的信息与我们习惯的不一致等。我已经听到过上述的各种抱怨。唉！所以我猜爱德华兹·戴明博士“通过测量来控制工艺”的说法对大多数使用激光器的制造商们并不适用。多么可惜，在制造业可以获得其所需要的各种帮助的时候，又错失了一次发展的良机。
