冲压件边缘段差如何实现±2微米级高精度检测？非接触式光学测量技术选型与应用挑战【质量控制】

1. 冲压件边缘段差测量的基本结构与技术要求

冲压件是工业生产中非常常见的金属或非金属零件，它们通过冲压设备和模具对板材进行塑性变形而制成。想象一下，一个金属薄板经过模具的“冲压”，就像面团被饼干模具按压，形成了特定的形状。在这个过程中，由于模具的结构和冲压工艺的影响，往往会在零件边缘形成高度上的台阶，我们称之为“段差”。这个段差的尺寸精度和一致性，对于冲压件后续的装配、功能实现乃至产品整体外观都至关重要。

例如，在手机中框的精密配合区域，边缘段差的微小偏差都可能导致屏幕与中框之间出现肉眼可见的缝隙，或者在装配时产生应力集中，进而影响产品质量和用户体验。

对于冲压件边缘段差的测量，通常会面临以下技术要求：

• 高精度： 现代工业对冲压件的配合精度要求极高，段差测量往往需要达到微米级甚至亚微米级，才能满足高端产品的质量控制需求。

• 非接触性： 许多冲压件表面可能经过精细处理，或材质较软，接触式测量容易造成划伤或变形。非接触式测量可以有效避免对工件造成二次损伤。

• 高效率： 冲压件通常是大批量生产，测量系统需要具备较高的采样频率和测量速度，以适应生产线的节拍，实现快速在线或离线检测。

• 适应复杂表面： 冲压件表面可能存在光亮如镜面、粗糙、倾斜、弧面等多种情况，理想的测量设备应能稳定地应对这些复杂表面特征，并有效抑制环境干扰。

2. 冲压件边缘段差的相关技术标准简介

为确保冲压件的质量可靠性和互换性，制造企业普遍遵循ISO 9001等国际质量管理体系标准。在这一框架下，对冲压件边缘段差进行测量和评估时，会关注以下几个关键参数及其评价方法：

• 段差高度（Step Height）： 这是最直接、最重要的参数，定义为相邻两个表面之间的垂直距离差异。在实际测量中，通常会通过在两个不同的表面区域分别取样，计算它们各自的平均高度，然后得出这两个平均高度之间的差值。

• 平面度（Flatness）： 尽管我们关注的是段差，但段差周围的表面平整度同样重要。平面度描述的是一个表面相对于理想参考平面的偏差程度。评价时，系统会在待测表面上密集采集点云数据，然后通过软件拟合出一个最佳参考平面，计算各测量点到该平面的最大偏差，以此来评估表面的平整程度。

• 粗糙度（Roughness）： 表面粗糙度是指工件表面微观不平度的程度。段差区域的粗糙度可能会影响光的反射和散射，进而对光学测量精度产生影响。评价方法包括计算算术平均偏差（Ra）、最大高度（Rz）等，通常基于特定取样长度内的表面轮廓曲线进行分析。

• 轮廓度（Profile of a Line/Surface）： 对于那些边缘段差本身就带有复杂曲线或斜面的情况，轮廓度可以更全面地描述其形状偏差。线轮廓度用于控制单一截面的形状，而面轮廓度则用于控制整个三维表面的形状。评价时，会将实际测得的轮廓数据与设计理论轮廓进行比较，确保其偏差在预设的公差带内。

• 倾斜度（Angle/Slope）： 冲压件的边缘段差可能并非完美的直角，而是存在一定的斜坡。倾斜度测量用于评估边缘相对于某一基准面的垂直程度或角度偏差。评价时，会拟合边缘的直线或平面，然后计算其与参考基准面之间的夹角。

精准地测量和评估这些参数，是确保冲压件满足设计要求、实现高质量生产，并符合ISO 9001质量管理体系要求的核心环节。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在对冲压件边缘段差进行微米级甚至纳米级精密测量时，非接触式光学测量方法因其高精度和不损伤工件的特性，成为主流选择。以下是几种典型的非接触式测量技术：

3.1.1 光谱共焦测量技术

光谱共焦测量技术是一种利用白光色散效应实现高精度距离测量的非接触式方法。它的工作原理就像一个“色散尺子”：传感器内部的特殊光学透镜组，能够将宽光谱的白光分解，并让不同波长的光聚焦在不同的空间深度上。你可以想象成，光线经过透镜后，红光聚焦得最远，蓝光聚焦得最近，而中间的光线则依次排队聚焦在它们各自的深度。

当这些不同颜色的光线投射到被测物表面时，只有恰好聚焦在该表面的特定波长的光线，才能被表面反射回来。这些反射光再通过一个带有微小孔径（即“针孔”）的共聚焦光学系统。这个针孔的作用非常关键，它就像一个“筛子”，只允许那些真正聚焦在它上面的光线（也就是从被测物表面焦点处反射回来的光）通过，而将那些来自离焦位置的光线有效阻挡。穿过针孔的光线被光谱仪接收。光谱仪会分析这些光的波长成分，找出其中强度最高的那个波长（峰值波长）。由于每个波长都唯一对应一个聚焦深度，通过预先建立的峰值波长与距离的标定关系，系统就能极其精确地计算出被测物表面到传感器的距离。

其物理基础是透镜的色散现象和共聚焦原理。色散现象使得透镜的焦距随光的波长而变化，从而实现轴向色散。共聚焦原理通过空间滤波（针孔）来抑制离焦光，显著提高了轴向分辨率和信噪比。

简化的距离计算公式可以表示为：Z = f(λ_peak)其中，Z代表被测物表面距离，λ_peak是探测到的峰值波长，f是传感器系统的标定函数。

核心性能参数典型范围：

• 精度： 线性精度可达±0.03%F.S.，高端系统甚至能达到±0.01%F.S.。

• 分辨率： 能够达到纳米级。

• 采样频率： 数千赫兹（Hz）至数万赫兹（Hz），实现高速数据采集。

• 光斑尺寸： 最小可达2微米，高精度型号通常在10微米左右。

• 最大可测倾角： 标准型号可达±20°到±45°，对于漫反射表面甚至更高。

技术方案优缺点：

• 优点： 极高的轴向分辨率和测量精度，非接触式测量，对多种材质表面（包括金属、陶瓷、玻璃、镜面甚至透明材料）都有很好的适应性，能进行多层厚度测量，也能应对弧面、深孔、斜面等复杂形貌。测量速度快，抗环境光干扰能力强，非常适合在线精密检测。

• 缺点： 测量量程相对有限，对于某些极度陡峭（接近垂直）的表面可能存在测量盲区，初期设备投入成本相对较高。

• 适用场景： 精密电子（如手机零部件、显示屏）、半导体（晶圆厚度、平整度）、光学元件（镜片厚度、平面度）、新能源（锂电池厚度）以及精密制造领域中的尺寸和厚度高精度测量。

3.1.2 焦点变化测量技术 (Focus Variation Metrology)

焦点变化测量技术（Focus Variation Metrology）是一种光学非接触式测量方法，它模拟了人眼在显微镜下调整焦距以获取清晰图像的过程。该技术通过垂直移动传感器或样品，同时连续拍摄一系列在不同焦平面上的高分辨率图像。对于图像中的每一个像素点，系统会分析其在不同焦平面上的图像清晰度（例如，通过灰度梯度、对比度或空间频率分析），找到该像素点图像最清晰的位置。这个最清晰位置对应的垂直坐标（Z轴位置）即被认为是该点的表面高度。通过对所有像素点的分析，最终可以重建出被测物表面的高分辨率三维形貌。

核心性能参数典型范围：

• Z轴重复性： 可达到10纳米（nm）级别。

• 横向分辨率： 通常为亚微米级，取决于所使用的物镜。

• 测量角度： 能够测量高达87°的陡峭侧壁。

技术方案优缺点：

• 优点： 极高的横向和纵向分辨率，尤其擅长测量几乎垂直的陡峭侧壁，适用于各种复杂几何形状和表面粗糙度（包括非常粗糙或漫反射表面），能提供详细的三维表面形貌和粗糙度分析。

• 缺点： 测量速度相对较慢，通常适用于离线或实验室的样品检测和分析，不适合高速在线批量检测，且需要机械运动部件，对振动有一定敏感性。

• 适用场景： 微观形貌测量、表面粗糙度与纹理分析、模具检测、材料科学研究、精密部件的质量控制和缺陷分析。

3.1.3 结构光三维视觉技术 (Structured Light 3D Vision)

结构光三维视觉技术是一种通过向被测物表面投射已知图案（如激光线条、网格或编码图案）来获取其三维形状的方法。你可以想象成，在一个不平整的物体表面上“画”上一个非常规整的网格。当这些图案投射到物体表面时，由于表面的高低起伏，原本规则的图案会发生扭曲和变形。系统会使用一台或多台高分辨率相机从不同角度捕捉这些变形的图案。通过分析这些图案的变形程度，并利用三角测量原理，系统能够快速计算出表面上每个点的三维坐标，从而生成整个被测物的精确三维点云数据。

三角测量原理可以简化为：Z = (f * B) / (x - x_0)其中，Z是深度信息，f是相机焦距，B是相机与投影仪之间的基线距离，x和x_0是图像中对应点的像素坐标差值。

核心性能参数典型范围：

• Z轴重复精度： 通常可达微米级。

• 测量视野（FOV）： 从几十毫米到数百毫米不等，取决于具体型号和配置。

• 测量速度： 最快可达每秒数千个3D轮廓。

技术方案优缺点：

• 优点： 能够一次性快速捕获大面积区域的三维深度信息，适用于在线批量检测，系统集成相对简单，易于使用和编程，结合了2D和3D视觉功能，适用于多种表面条件。

• 缺点： Z轴分辨率和测量精度通常低于光谱共焦或白光干涉技术，对高反光或极暗的表面可能存在测量挑战，可能受到环境光干扰，且存在光学阴影（即被遮挡的区域无法测量）。

• 适用场景： 冲压件的尺寸测量、平面度、孔深、边缘段差等，也广泛应用于缺陷检测、机器人引导、物体识别、逆向工程等领域。

3.1.4 白光干涉测量技术 (White Light Interferometry)

白光干涉测量技术是一种利用宽带白光（包含多种波长）的干涉现象来实现极高精度测量的非接触式方法。它的原理就像在一个精密的光学“比较器”中进行测量：系统将一束宽带白光分成两束，一束照射到被测物表面，另一束照射到一个已知高度和光学特性的参考镜面。这两束光反射回来后，在探测器处再次汇合。如果两束光走过的光程（光学路径长度）存在差异，并且这个差异在白光的“相干长度”范围内（一个非常小的距离），就会产生可见的干涉条纹。通过垂直扫描（移动样品或参考镜），并分析这些干涉条纹的强度、相位和调制深度（即条纹的清晰度），系统可以精确地确定被测物表面上每一个点的亚纳米级高度信息。

其物理基础是光的干涉原理，特别是白光干涉中利用了宽带光源的低相干性。当两束光的相对光程差接近零时，会产生清晰的干涉条纹包络线，其峰值位置对应着零光程差，从而实现精确的距离测量。

核心性能参数典型范围：

• Z轴重复精度： 可达亚纳米级。

• 横向分辨率： 通常为亚微米级，取决于物镜倍率。

技术方案优缺点：

• 优点： 极高的垂直分辨率和测量精度，能够实现微米到纳米级的表面特征测量，非常适合测量透明薄膜厚度、抛光表面、微结构以及进行高精度表面粗糙度分析。

• 缺点： 对环境振动和温度变化非常敏感，需要严格的测量环境控制；测量速度相对较慢，通常不适合高速在线检测；对于粗糙或陡峭倾斜的表面（容易引起光散射或无法形成稳定干涉条纹）测量效果不佳，测量范围也相对有限。

• 适用场景： 半导体晶圆的表面平整度、精密光学元件的形貌和厚度、微机电系统（MEMS）器件、超精密加工表面的粗糙度和形貌检测。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在冲压件边缘段差的精密测量领域，以下国际知名品牌凭借其独特的技术和产品优势，占据了市场主导地位：

• 日本基恩士 (采用线光谱共焦原理) 日本基恩士的LJ-X8000A系列是其在线三维轮廓测量的主力产品，它采用了线光谱共焦原理，能够在保持高精度的同时，实现超高速的线扫描测量。这使得它非常适合对快速移动的冲压件进行全面检测。

  • 核心技术参数： Z轴重复精度0.02 µm，采样速度最高64 kHz，测量线长8 mm，光斑尺寸2 µm。

  • 应用特点： 凭借其超高的速度和精度，广泛应用于在线批量检测场景，能够快速获取冲压件边缘的完整三维轮廓数据，进行段差、平面度、尺寸和形状公差的评估。对各种材料表面，包括反射和粗糙表面，都有出色的稳定性和适应性。

  • 独特优势： 在保证亚微米级精度的前提下，实现了极高的线扫描速度，大幅提高了检测效率，是自动化生产线中进行全尺寸轮廓测量的理想选择。

• 奥地利盟度 (采用焦点变化测量技术) 奥地利盟度的InfiniteFocus G5系列则以其极高的分辨率和对复杂形貌的测量能力而闻名。它基于焦点变化测量技术，能够提供冲压件边缘段差及其周围区域的详细三维表面形貌。

  • 核心技术参数： Z轴重复性最高可达10 nm，横向分辨率最高0.3 µm，测量角度可测量高达87°的陡峭侧壁。

  • 应用特点： 主要用于对冲压件进行高精度的离线质量控制和研发分析，尤其适合测量那些具有复杂几何形状、陡峭边缘、深孔或特殊表面粗糙度的冲压件。能够提供精确的三维形貌和粗糙度数据。

  • 独特优势： 在保持亚纳米级垂直分辨率的同时，其测量角度范围广，能够有效应对近乎垂直的边缘，这对于许多带有尖锐特征或深槽的冲压件至关重要。

• 美国康耐视 (采用结构光三维视觉原理) 美国康耐视的In-Sight 3D-L4000系列是一款集成了2D和3D视觉功能的智能传感器，采用结构光三维视觉原理，专注于高速、大面积的三维检测。

  • 核心技术参数： Z轴重复精度最高可达2.5 µm，测量视野最宽可达 200 mm x 150 mm，测量速度最快每秒4 kHz。

  • 应用特点： 适用于在线批量检测，需要快速获取冲压件大面积区域的深度信息。它能够同时进行2D图像分析和3D形貌测量，方便进行尺寸、位置、缺陷和段差的综合检测。其易用性和可编程性简化了系统集成。

  • 独特优势： 结合了2D和3D视觉技术，能够一次性捕获大范围的三维数据，为复杂的检测任务提供了高效且灵活的解决方案，有助于提升生产线的自动化水平。

• 德国蔡司 (采用白光干涉测量技术) 德国蔡司的ZEISS SmartProof 50系列以其在超精密测量领域的领先地位著称，其白光干涉测量技术能够实现极高的垂直分辨率。

  • 核心技术参数： Z轴重复精度最高可达0.3 nm，横向分辨率0.4 µm。

  • 应用特点： 适用于对冲压件边缘段差进行极致精度的离线或实验室检测，尤其是在需要分析纳米级表面粗糙度、微观形貌以及极小段差时。对于抛光表面、透明薄膜和复杂微结构具有非常高的测量精度。

  • 独特优势： 提供业界顶级的垂直分辨率，能够捕捉到其他技术难以察觉的细微表面特征，是高端研发、材料科学以及精密制造质量控制领域的理想工具。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的传感器来测量冲压件边缘段差，就像是为一场精密制造的品质把关任务挑选最得力的助手，每项技术指标都直接影响着最终的检测效果。

• 精度与分辨率：

  • 实际意义： 分辨率是传感器能分辨出的最小尺寸变化量，好比你能“看清”多小的细节；精度则是测量结果与真实值之间的最大偏差，它决定了你的测量结果有多“准”。对于冲压件边缘段差测量，如果设计公差是±10微米，那么你选择的传感器的精度至少要达到公差的1/3到1/5，即2-3微米甚至更高，才能确保可靠的质量控制。

  • 对测量效果影响： 低精度会导致测量结果不可信，无法有效区分合格品与不合格品。低分辨率则意味着你可能会忽略掉关键的微小特征或缺陷。

  • 选型建议： 首先明确你的产品设计对段差的公差要求，并在此基础上选择至少高出3-5倍精度的传感器。例如，如果需要微米级的精度，光谱共焦或白光干涉传感器会是更合适的选择。对于一般微米级段差，结构光或线光谱共焦也可考虑。

• 测量量程与工作距离：

  • 实际意义： 量程是传感器能够测量的最大高度范围，就像一把尺子能测量的最长距离；工作距离是传感器探头到被测物体表面的最佳操作距离。

  • 对测量效果影响： 量程过小可能无法完全覆盖冲压件段差的最大可能高度变化，导致测量不完整。工作距离不合适则可能导致测量不稳定，甚至传感器无法正常聚焦。

  • 选型建议： 确保传感器的量程能完全覆盖所有待测段差的可能范围。同时，结合现场的安装空间、冲压件的尺寸和形状，选择一个合适的工作距离。对于需要避开机械干涉的复杂工位，选择工作距离较长的传感器会更有优势。

• 光斑尺寸：

  • 实际意义： 光斑尺寸是指传感器投射到被测物表面上的光点直径。这就像你用画笔画画，画笔越细，你就能描绘越精细的细节。

  • 对测量效果影响： 如果光斑尺寸过大，在测量微小或尖锐的边缘段差时，光斑会覆盖到段差的不同高度区域，导致测量结果被平均化，无法真实反映边缘的细节，从而引入测量误差。

  • 选型建议： 对于精密的冲压件边缘段差测量，应选择光斑尺寸尽可能小的传感器，以确保能够精确捕捉到边缘的微小起伏和细节。

• 采样频率与测量速度：

  • 实际意义： 采样频率是指传感器每秒能进行多少次数据采集，测量速度则关乎整个检测流程的效率。对于自动化生产线，这就好比产线的节拍速度。

  • 对测量效果影响： 采样频率越高，传感器能在短时间内获得更多数据，这对于快速移动的工件或需要在线实时监控的场景至关重要，能有效减少漏检，提高生产效率。

  • 选型建议： 如果是实验室的离线抽检，速度要求可以适当放宽。但对于高速自动化生产线上的在线全检或抽检，必须选择具有高采样频率的传感器，如光谱共焦或线光谱共焦传感器。

• 多材质适应性与表面倾角：

  • 实际意义： 冲压件的材质、表面处理方式（如抛光、拉丝、喷砂）多样，且边缘段差可能存在倾斜。传感器需要能够稳定地应对这些复杂情况。

  • 对测量效果影响： 传感器如果对特定材质的光学特性不适应，或者无法有效测量带有大倾角的表面，可能导致信号强度不足、测量结果不稳定或出现测量盲区。

  • 选型建议： 仔细评估冲压件的材质、表面光洁度和边缘的倾斜角度。光谱共焦技术对多种材质和一定倾角有很好的适应性，而白光干涉对粗糙或陡峭表面则较为敏感。对于需要测量较大倾角的表面，可以选择具有更大可测倾角的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了技术参数理想的传感器，测量冲压件边缘段差仍可能面临一些挑战。

• 问题1：测量数据不稳定或出现跳动

  • 原因与影响： 这通常是由于环境因素造成的，比如生产车间的机器振动、环境温度波动、工件在夹具中定位不稳、冲压件表面有灰尘或油污，或者传感器光路受到环境杂散光干扰。数据不稳定会导致测量结果不可靠，直接影响产品合格性判断，甚至造成误判。

  • 解决建议：

    1. 优化环境： 确保测量区域环境稳定，为传感器和工件夹具加装减震装置。保持测量区域的温湿度恒定。

    2. 稳固夹具： 设计并使用高刚性、具有良好重复定位精度的专用夹具，确保工件在整个测量过程中保持静止和稳定。

    3. 表面清洁： 在测量前，务必对冲压件的测量区域进行彻底清洁，去除油污、灰尘、金属碎屑等可能干扰测量的杂质。

    4. 遮光措施： 确保传感器工作区域避免强烈的环境光（如阳光、车间照明灯）直射，必要时可加装遮光罩或选择本身抗环境光干扰能力强的传感器。

• 问题2：高反光或极暗表面难以测量

  • 原因与影响： 某些冲压件表面可能经过抛光处理，如同镜面般高反光，导致入射光线强烈反射，使得传感器接收到的信号饱和或失真。而极暗的表面则会吸收大部分光线，导致反射信号过弱，传感器无法识别。这两种情况都会造成测量结果不准确或无法正常采集数据。

  • 解决建议：

    1. 传感器选择： 优先选择对多种材质适应性强的传感器，特别是那些明确说明对高反光和镜面有良好测量能力的光谱共焦传感器。

    2. 调整测量角度： 尝试调整传感器的入射角度和接收角度，避免直接垂直入射光线在镜面造成饱和反射，寻找一个能有效接收漫反射信号的角度。

    3. 非破坏性表面处理： 在允许且不影响产品功能的情况下，可以在测量区域喷涂一层极薄的漫反射涂层（例如显像剂），但这种方法会引入新的误差且可能不适用于在线检测。

• 问题3：倾斜边缘或复杂曲面段差存在测量盲区

  • 原因与影响： 冲压件的边缘段差可能不是简单的垂直或平坦结构，而是带有较大的倾斜角度或复杂的曲面弧度。某些传感器在测量陡峭表面时，由于光学原理的限制，反射光线无法有效返回到传感器接收器，从而导致部分区域无法测量，形成所谓的“测量盲区”。

  • 解决建议：

    1. 选择宽倾角传感器： 优先选择具有更大倾角测量能力的传感器。

    2. 多角度/多传感器测量： 对于特别复杂、具有多个倾斜面或深凹槽的冲压件，可以考虑通过机器人或自动化平台带动传感器进行多角度扫描，或者部署多个传感器从不同方向协同测量，以覆盖所有关键区域。

    3. 优化测量路径： 在编程测量路径时，尽量规划让传感器光斑能够近似垂直于被测表面入射，以最大化反射光信号的接收效率，减少因倾斜造成的误差。

4. 应用案例分享

• 智能手机外壳制造： 在手机金属中框的生产线上，高精度光谱共焦传感器被用于检测屏幕与中框结合处的边缘段差和平面度，确保完美的贴合度，避免漏光和装配不良。

• 新能源汽车电池组件： 锂电池的极耳与外壳的连接处，以及电池包封边处的段差和厚度一致性，直接影响电池的性能和安全性。光谱共焦传感器实现高速在线检测，确保每一个电池组件都符合严格标准。

• 半导体封装领域： 在晶圆切割后的芯片边缘，需要精确测量其段差、倒角和微观形貌，以确保后续封装的可靠性。

• 医疗器械精密部件： 许多医疗器械的冲压件需要极其光滑且尺寸精准的边缘，以避免在手术中对人体造成伤害。