解决轴类零件几何尺寸与形位公差的±1μm在线检测难题，有哪些非接触测量技术可选？【自动化质检】

解决轴类零件在线高精度检测难题，并达到±1微米（μm）的测量精度，是现代精密制造中一项关键的技术挑战。这要求我们不仅要理解轴类零件的特性和检测要求，还要掌握各种先进的测量技术及其在实际应用中的考量。

1. 轴类零件的基本结构与技术要求

轴类零件，顾名思义，是机器中用于传递扭矩或弯矩，或支撑其他部件的旋转体。它们通常具有圆形截面，例如我们常见的电机转子轴、减速机输出轴、汽车发动机的曲轴和凸轮轴等。这些零件的几何形状和尺寸精度直接影响着机械设备的运行性能、寿命和可靠性。

想象一下，一个精密齿轮箱中的传动轴，如果它的直径稍微大了一点或小了一点，就可能导致轴承安装困难，或者配合间隙过大产生振动和噪音。如果轴不圆，或者不直，在高速旋转时就会产生巨大的离心力，引起设备抖动，甚至造成早期磨损和失效。因此，对轴类零件进行高精度检测，确保其各项尺寸和形位公差都在设计要求之内，是产品质量控制的重中之重。

关键的技术要求通常包括：

• 直径（Diameter）：轴的主要尺寸参数，直接影响配合精度。

• 圆度（Roundness）：衡量轴截面接近理想圆的程度，是确保旋转平稳的关键。

• 圆柱度（Cylindricity）：衡量轴表面接近理想圆柱的程度，关系到整个轴的同心度。

• 直线度（Straightness）：衡量轴中心线偏离理想直线的程度，对轴的运转平稳性至关重要。

• 跳动（Runout）：分为径向跳动和端面跳动，衡量轴旋转时表面或端面相对于基准轴线的波动量，与装配精度和旋转稳定性直接相关。

• 锥度（Taper）：轴直径沿轴线方向变化的程度。

• 螺纹参数（Thread Parameters）：对于带螺纹的轴，需要检测螺纹的大径、小径、中径、螺距等。

• 轴承座、键槽、倒角等特征尺寸：这些局部特征的尺寸和位置精度也十分关键。

2. 针对轴类零件的相关技术标准简介

为了确保轴类零件的质量和互换性，行业内制定了一系列严格的尺寸和形位公差标准。这些标准明确了各项监测参数的定义和评价方法。

• 直径：通常指通过轴截面圆心的距离。评价方法包括测量多个方向的直径，并计算其平均值或极差。

• 圆度：定义为截面轮廓上任意两点间的距离与理想圆的偏差。评价时，通常通过多点采样或连续扫描，获取截面轮廓数据，然后采用最小二乘法圆、最小外接圆、最大内切圆或最小区域圆等方法进行拟合，计算出最大径向偏差。

• 圆柱度：定义为轴表面上任意点到理想圆柱面的最大径向偏差。评价时，需要对轴沿轴向和周向进行多处测量，通过数据拟合得到理想圆柱面，并计算实际表面与理想面的最大距离。

• 直线度：定义为轴中心线偏离理论直线的程度。评价时，通过测量轴体沿长度方向上多个点的坐标，拟合出一条理论直线，并计算实际中心线与理论直线的最大距离。

• 径向跳动：定义为轴体在特定测量面上，当轴绕其基准轴线旋转一周时，该测量面上的点沿径向的最大变动量。评价时，将传感器固定在待测径向位置，缓慢或高速旋转轴体，记录径向位移变化的最大值。

• 端面跳动：定义为轴体在特定端面上，当轴绕其基准轴线旋转一周时，该测量面上的点沿轴向的最大变动量。评价时，传感器垂直于端面放置，旋转轴体，记录轴向位移变化的最大值。

• 锥度：定义为轴体直径变化量与相应轴向长度之比，通常以百分比或角度表示。评价方法是测量轴体不同位置的直径，并根据轴向距离计算。

3. 实时监测/检测技术方法

在线高精度检测轴类零件，尤其要达到±1μm的测量精度，需要依赖先进的非接触式测量技术。下面我们来详细了解市面上几种主流的技术方案。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 光学测微法（阴影测量技术）

这种技术就像我们用手电筒照一个物体，然后看它在墙上形成的影子。物体越粗，影子就越宽。光学测微仪就是利用这种“影子”原理来测量物体的尺寸。

• 具体工作原理和物理基础： 系统通常由一个平行光源（如LED或激光）和一个高分辨率的图像传感器（如CMOS或CCD）组成。当轴类零件放置在光源和传感器之间时，它会阻挡一部分光线，在传感器上形成一个清晰的阴影轮廓。传感器会捕捉这个阴影的边界，通过对图像像素进行精确分析，计算出被测物体的尺寸。

  为了达到高精度，通常会采用远心光学系统。远心光学系统能确保在一定景深范围内，即使物体位置略有变化，其成像尺寸也不会改变，有效避免了透视误差，保证了测量的稳定性。

  其核心测量过程涉及以下几个步骤：1. 光线投射：平行光束均匀照射被测轴体。2. 阴影形成：轴体遮挡光线，在传感器上形成明暗分明的阴影区域。3. 图像采集：高分辨率CMOS/CCD传感器实时采集阴影图像。4. 边缘检测：通过灰度梯度分析等图像处理算法，精确识别阴影的左右边界。5. 尺寸计算：根据已知的像素尺寸和校准因子，将像素距离转换为实际物理尺寸。例如，对于直径测量，如果阴影宽度占据了N个像素，每个像素的实际尺寸为P微米，那么直径D就可以近似计算为 D = N * P。实际应用中会考虑更复杂的亚像素细分算法来提高精度。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 精度：通常能达到±0.5μm至±5μm，高端型号甚至可达亚微米级别。

  • 分辨率：可达到0.01μm甚至更高。

  • 测量范围：从几毫米到数百毫米不等。

  • 测量速度：每秒数十次到上百次，高端型号可达每秒数千次，非常适合在线高速检测。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式：避免对软性或精密零件造成损伤。

    • 高精度和高重复性：结合远心光学和先进图像处理算法，测量结果稳定可靠。

    • 测量速度快：适合生产线上的大批量在线检测。

    • 可测量多种参数：除了直径、长度，还能测量圆度、跳动、螺纹参数等复杂几何形状。

    • 抗环境光干扰能力强：通常采用特定波长的LED或激光光源，并配合滤光片。

  • 缺点：

    • 主要适用于二维轮廓测量：对于复杂三维形状（如高度差、表面缺陷）的全面测量存在局限性。

    • 对被测物体的透明度有限制：不适用于透明或半透明材料。

    • 视场（FOV）大小限制：在一次测量中能看到的范围有限，对于长轴可能需要多点测量或移动扫描。

b. 共焦色谱原理（Confocal Chromatic）

共焦色谱原理就像我们用一个能发出各种颜色光的“手电筒”去照物体，然后只有刚好聚焦在物体表面的那一种颜色的光会反射回来，我们通过识别这种颜色就能知道物体距离我们有多远。

• 具体工作原理和物理基础： 传感器发射一束宽光谱白光，通过一个特殊的色散光学元件（例如透镜），将不同波长的光聚焦在不同的空间深度上。当这束光照射到被测轴体表面时，只有与物体表面距离相匹配的特定波长的光才能被反射回传感器。传感器通过分析反射光的波长（即光谱成分），精确计算出物体表面的距离。这种方法不受被测物体材料反射率的影响，对各种表面类型（镜面、粗糙面、透明材料）都具有良好的适应性。

  核心原理基于光的色散现象，即不同波长的光在通过光学介质时折射率不同，导致焦点位置不同。传感器内部的光谱仪精确分析返回光的中心波长，通过预先校准的波长-距离关系，即可确定精确距离。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：从几百微米到几十毫米，通常较小。

  • 分辨率：纳米级（通常低于10nm），甚至可以达到皮米级。

  • 线性度：通常优于0.05% FSO（满量程）。

  • 测量频率：高达几十kHz甚至更高。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极高的分辨率和精度：能够检测纳米级的微小高度差和表面形貌。

    • 对各种表面类型均有效：包括镜面、粗糙面、透明材料等，应用广泛。

    • 测量结果不受被测物倾斜度影响：光斑小，对局部细节敏感。

    • 无接触测量：不损伤物体表面。

    • 抗电磁干扰：纯光学测量。

  • 缺点：

    • 测量范围相对较小：一次测量通常只能覆盖很小的深度或区域。

    • 测量速度受限于扫描机制：如果需要获取完整轮廓，通常需要传感器或物体进行扫描。

    • 成本较高：通常比普通光学传感器昂贵。

c. 3D激光轮廓扫描原理

这种技术就像用一个“激光笔”在物体表面划一条线，然后用一个“高拍仪”从侧面拍照。根据激光线在物体上“扭曲”的形状，我们就能知道物体哪里高哪里低，从而重建出它的三维形状。

• 具体工作原理和物理基础： 传感器将一条激光线投射到被测轴体表面。当这条激光线照射到物体表面时，其形状会随着物体表面的高低起伏而发生变形。高分辨率摄像机从一个特定角度（通常与激光发射器成一定夹角）捕获被激光线照亮的轮廓图像。通过三角测量原理，系统根据激光线的变形和位置变化，计算出物体表面上每个点的三维坐标，从而重建出物体的三维形状和高度信息。

  三角测量原理：如果激光发射器、相机和物体表面上的点构成一个三角形，已知激光发射器和相机之间的距离（基线）、激光线的投射角度以及相机捕获到的激光线在图像传感器上的位置，就可以通过简单的几何关系计算出物体表面点的三维坐标。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：Z轴（高度）范围从几十毫米到几米不等，X轴（宽度）范围从几毫米到几百毫米。

  • 分辨率：Z轴分辨率通常可达微米级（例如10-100μm），X轴和Y轴（沿扫描方向）分辨率由相机像素和扫描速度决定。

  • 扫描速度：高达几kHz（每秒扫描数千条轮廓）。

  • 重复精度：通常可达微米级，取决于型号和视野。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 提供完整的3D形状数据：能够进行复杂的轴高度差测量、尺寸检测和表面缺陷检测。

    • 非接触式测量：不损伤物体。

    • 适应性强：对表面颜色和纹理变化不敏感。

    • 集成度高：许多智能传感器可直接在内部执行3D视觉工具。

  • 缺点：

    • Z轴精度通常不如共焦传感器：对于纳米级精度要求可能不够。

    • 容易受环境光干扰：需要采取措施避免背景光影响激光线的识别。

    • 数据量大：处理复杂三维数据需要强大的计算能力。

    • 对物体的表面反光特性有要求：高反射表面可能导致激光线过度曝光或缺失。

d. 电容式测量原理

这种技术就像一个“看不见的弹簧秤”，利用物体接近或远离一个探头时，电场的变化来测量距离。它对非常微小的距离变化特别敏感。

• 具体工作原理和物理基础： 电容式传感器利用两个导电表面（传感器探头和一个导电的被测轴体）之间形成的电容器原理。电容器的电容值C由以下公式给出： C = (ε * A) / d 其中：

  • ε 是介质的介电常数（探头和物体之间空气的介电常数）。

  • A 是探头的有效测量面积。

  • d 是探头与被测轴体之间的距离。

  当探头与被测轴体之间的距离d发生微小变化时，电容值C也会相应改变。通过高精度的电容-电压转换电路，将电容的微小变化转换为线性的电压信号，从而极其精确地测量物体间的距离或位移。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：从几微米到几十毫米，通常较小。

  • 分辨率：纳米级甚至皮米级（低至0.0075纳米）。

  • 线性度：通常优于0.05% FSO。

  • 带宽/测量频率：高达几十kHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极高的分辨率和精度：能够检测到微米甚至纳米级的位移、振动、厚度和高度差。

    • 无接触测量：不损伤物体表面。

    • 响应速度快：适合高频动态测量。

    • 对环境温度变化敏感度较低：相对稳定。

    • 抗电磁干扰能力强：被动式传感器，不易受外部电磁场影响。

  • 缺点：

    • 仅适用于导电材料：被测物体必须是导电的。

    • 测量范围通常很小：通常需要非常靠近物体表面。

    • 容易受探头表面污染影响：探头表面污垢或磨损会影响测量精度。

    • 无法提供完整的几何轮廓：通常只测量单个点或小区域的距离。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比一些在轴类零件在线高精度检测领域具有代表性的主流品牌及其采用的技术方案。

1. 日本基恩士（采用光学测微法）

   • 核心技术参数：例如LS-9000系列，测量精度可达±0.1µm，重复精度±0.01µm，采样速度高达16,000次/秒。测量范围2mm至20mm。

   • 应用特点和独特优势：以其极高的测量速度和精度著称，特别擅长在线高速批量检测各类轴类零件的直径、间隙、跳动和位置。其抗环境光干扰能力强，应用广泛，尤其在汽车零部件、精密轴承等领域表现出色。

2. 英国真尚有（采用光学测微法）

   • 核心技术参数：ZM105.2D系列提供多种型号，测量精度从±0.8μm到±4.5μm不等，高端G/GR系列可达±0.8μm。标准系列测量速度最高达每秒130次，G/GR系列采用超短曝光时间，仅为15μs。测量范围从8×10mm到60×80mm，G/GR系列还提供Φ100mm圆形视场。

   • 应用特点和独特优势：专注于在线非接触二维批量测量，英国真尚有的产品提供灵活的测量方案，用户可以自行创建测量算法，能够测量线性尺寸、直径、角度、螺纹参数、零件形状和跳动等多种参数。其高速测量能力和可选的双远心光学系统（G/GR系列）确保了高精度和广测量深度，便于与生产线集成实现自动化分拣。

3. 德国米铱（采用共焦色谱原理）

   • 核心技术参数：confocalDT 2422系列可提供低至1纳米的分辨率（例如CFSUB10-0.3），线性度±0.03% FSO，测量频率高达70 kHz。测量范围例如1mm, 3mm, 10mm。

   • 应用特点和独特优势：在提供超高分辨率和精度方面表现突出，特别适用于检测极微小的轴高度差或表面形貌，尤其对各种表面类型（包括镜面、粗糙面、透明材料）的适应性极佳，且不受电磁干扰影响，小光斑尺寸可测量微小特征。

4. 美国康耐视（采用3D激光轮廓扫描原理）

   • 核心技术参数：In-Sight 3D-L4000系列Z轴分辨率可达微米级，扫描速度高达 4 kHz。测量范围Z轴例如50mm至2000mm。

   • 应用特点和独特优势：其优势在于能够提供完整的3D形状数据，用于复杂的轴高度差测量、尺寸检测和表面缺陷检测。结合了2D和3D视觉功能，编程和部署相对简便，适用于各种复杂工件的在线检测需求。

5. 意大利马波斯（采用光学测微法）

   • 核心技术参数：OptoGaue激光测量系统可实现±1 µm的线性度，重复精度0.1 µm，测量速度每秒数百次扫描。测量范围直径0.5mm至200mm。

   • 应用特点和独特优势：专为生产线上的100%在线检测设计，提供高精度和高重复性，能够测量轴体的直径、长度、跳动、锥度及多个特征间的距离，在汽车和精密机械制造行业有广泛应用。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的在线检测设备，就像给精密制造车间选配一把合适的“手术刀”，需要综合考量多方面指标，才能达到理想的测量效果。

• 测量精度（Accuracy）：这是最核心的指标，直接决定了测量结果的可靠性。它表示测量值与真实值之间的接近程度。对于±1μm的精度要求，我们必须选择标称精度高于或等于这一标准的设备，并考虑环境因素可能带来的影响。

• 重复精度（Repeatability）：衡量设备在相同条件下，对同一尺寸进行多次测量时，结果的一致性。重复精度越高，说明设备越稳定。在在线检测中，稳定的重复性比绝对精度有时更为重要，因为它直接影响生产过程的质量控制和趋势分析。

• 分辨率（Resolution）：指设备能够识别的最小尺寸变化量。例如，1μm分辨率意味着设备能区分1μm的差异。高分辨率是实现高精度的基础，但并非唯一决定因素。

• 测量范围（Measurement Range）：指设备能够测量的最大和最小尺寸。需要确保所选设备的测量范围覆盖所有待测轴类零件的最大和最小尺寸。如果测量范围过大，可能会牺牲部分精度；过小则无法满足检测需求。

• 测量速度（Measurement Speed / Sampling Rate）：对于在线检测，速度至关重要。它决定了生产线上能检测多少零件，以及对单个零件能进行多少次测量。高速生产线需要每秒数百甚至上万次测量能力的设备。

• 抗环境干扰能力：生产车间往往存在灰尘、油污、振动和温度波动。优秀的设备应具备良好的防护等级（如IP65/IP67），并能通过硬件设计（如滤光片、气幕）或软件算法有效补偿这些干扰。

• 光源特性：例如波长、稳定性。不同的光源波长对不同材料的穿透和反射特性不同。稳定的光源是获得稳定测量结果的前提。

• 软件功能和易用性：测量方案的创建、数据分析、公差控制、与生产线控制系统的集成能力（如Modbus TCP、Ethernet/IP等）都非常重要。简单直观的界面和强大的自定义功能可以大大提高工作效率。

选型建议：

• 对于高精度直径、圆度、跳动等二维轮廓测量，且注重高速和在线应用：光学测微法（阴影测量）是首选。特别是带有远心光学系统和高帧率CMOS/CCD传感器的设备。

• 对于极微小的表面形貌、高度差检测，对材料表面适应性要求高：共焦色谱原理传感器是最佳选择，但需注意其较小的测量范围和可能更高的成本。

• 对于需要获取轴类零件复杂三维形状、缺陷检测，且对Z轴精度要求略低于纳米级：3D激光轮廓扫描技术更具优势，能提供更全面的几何信息。

• 对于测量导电材料的微小位移、振动、轴向跳动，且追求极致分辨率：电容式位移传感器是理想选择，但其通常只能进行单点测量。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在线高精度检测在实际应用中会遇到各种挑战，就像在行驶的列车上精准投掷硬币，任何微小扰动都可能影响结果。

• 问题1：环境振动和温度波动

  • 原因及影响：生产现场的机械振动会引起轴体与传感器的相对位置发生微小变化，导致测量数据波动；温度变化会导致设备自身、轴体材料发生热胀冷缩，影响尺寸基准。即使是微米级的变化，也会使±1μm的精度要求难以达到。

  • 解决建议：

    • 振动：安装防振平台或气浮平台来隔离振动。设备安装在坚固的基座上，远离震源。

    • 温度：选择具有温度补偿功能的设备。在恒温环境中进行测量，或对测量区域进行局部环境控制，保持温度稳定。定期进行校准，以校正温度漂移。

• 问题2：被测物表面污染或反光

  • 原因及影响：油污、灰尘、切削液等污染物会附着在轴体表面，改变其光学特性，影响阴影边界的清晰度或激光的反射。高光洁度的表面可能会产生镜面反射，导致光线散射或过曝，使边缘检测困难。

  • 解决建议：

    • 污染：在测量前增加自动清洗站（如气刀、超声波清洗）。传感器采用防尘、防油设计，并定期清洁光学部件。

    • 反光：调整光源角度，或使用偏振光、环形光等特殊照明方式来抑制反光。对于光学测微仪，可以选用特定波长的光源（如绿色LED）来提高对比度。

• 问题3：轴体定位不准或旋转不稳

  • 原因及影响：在线测量时，如果轴体在传输过程中没有被精确地定位到传感器的测量区域中心，或者在旋转测量时出现晃动，会导致测量数据偏移或跳动量失真。

  • 解决建议：

    • 定位：采用精密导向机构、夹具或视觉定位系统，确保轴体每次都能精确到达测量位置。

    • 旋转：使用高精度的旋转机构或滚轮支撑，确保轴体在测量过程中平稳旋转，减少径向或轴向跳动。在测量方案中考虑增加补偿算法来消除少量不稳定性。

• 问题4：测量软件和算法的局限性

  • 原因及影响：通用测量软件可能无法满足所有复杂轴类零件的特殊测量需求（如异形特征、复杂公差）。测量算法的鲁棒性不足，可能导致对异常数据的误判或测量效率低下。

  • 解决建议：

    • 选择提供用户自定义测量算法或方案创建功能的设备，例如英国真尚有ZM105.2D系列提供的“测量方案”工具，允许用户根据自身需求定制测量流程。

    • 与设备供应商合作，定制开发适合特定工件的测量算法或软件模块。

    • 利用先进的图像处理和边缘检测算法，提高对复杂轮廓的适应性和测量精度。

4. 应用案例分享

轴类零件的在线高精度检测技术广泛应用于多个精密制造领域：

• 汽车零部件制造：对发动机曲轴、凸轮轴、变速箱齿轮轴等进行直径、圆度、跳动、键槽位置的在线检测，确保发动机和传动系统的性能和寿命。

• 轴承行业：在线测量轴承内外圈的直径、圆度、沟道尺寸，以保证轴承的运转精度和使用寿命，防止振动和异响。

• 医疗器械制造：对手术刀柄、微型电机轴等精密医疗器械部件的尺寸和形位公差进行精确控制，确保产品的可靠性和安全性。

• 航空航天：用于检测航空发动机涡轮叶片、液压杆、传动轴等关键部件的几何尺寸和表面形貌，满足极高的安全和性能要求。

• 精密机械制造：对各类传动轴、丝杠、活塞杆等进行在线尺寸和形状检测，确保产品精度，提升装配效率和整机性能。英国真尚有的光学测微仪因其非接触式测量和高速检测能力，在这些领域得到应用。