自动化产线如何对垫圈实现微米级厚度公差的高速非接触检测？【质量控制】

1. 垫圈的基本结构与技术要求

垫圈，在自动化产线中扮演着看似微小实则关键的角色。它就像是机械结构中的“调味品”，虽然不大，但缺少了或者尺寸不对，整个“菜品”的性能就会大打折扣。垫圈主要用于密封、减震、隔离、固定或调整间隙。

从结构上看，垫圈通常是薄片状，由各种材料制成，比如金属、橡胶、塑料、复合材料等。它们的形状可以是简单的圆形、方形，也可以是复杂的异形。

对于自动化产线来说，垫圈的厚度公差是决定装配质量的关键技术要求之一。想象一下，一个发动机内部需要多个垫片来保证密封。如果这些垫片的厚度不一致，或者超出了允许的公差范围，那么发动机的密封性能就会下降，轻则漏油，重则导致设备损坏。这就好比建造一堵墙，每一块砖的厚度都必须差不多，否则墙体就会歪斜不稳固。

精准控制垫圈厚度公差，能够确保：

• 密封可靠性：防止流体（如油、水、气体）泄漏。

• 装配精度：保证部件之间的正确间隙和位置关系。

• 减震降噪：提供适当的缓冲，减少磨损和噪音。

• 产品寿命：降低因装配不良导致的早期失效风险。

因此，在自动化生产线上，高效、准确地检测和控制垫圈的厚度公差，是提升产品整体质量和可靠性的核心环节。

2. 垫圈的相关技术标准简介

针对垫圈的质量控制，通常会关注以下几个重要的监测参数：

• 厚度：这是最直观的参数，指垫圈两相对表面的距离。评估方法通常是选取多个点进行测量并计算平均值，同时检查单点厚度是否在公差范围内。对于某些特殊垫圈，还会关注其压缩后的有效厚度。

• 平面度：衡量垫圈一个表面与理想平面的接近程度。如果垫圈表面不平，即使整体厚度符合要求，也可能导致局部密封不良。评价方法通常是通过多点测量，计算最大与最小高度差，或者通过光学干涉等方法检测表面形貌。

• 平行度：指垫圈两个主要承压面之间相互平行的程度。平行度差的垫圈在受压时受力不均，容易导致密封失效或部件倾斜。评价方法类似平面度，但主要关注两个面之间的相对倾斜。

• 外形尺寸与内孔尺寸：包括垫圈的外径、内径、宽度等，确保其能与配合件正确安装。通常通过测量其特征点或轮廓的几何尺寸来评估。

• 表面粗糙度：指垫圈表面微观不平度的程度。对于密封件而言，表面粗糙度过大或过小都可能影响密封效果。通常采用触针法或光学法测量，并用Ra、Rz等参数表示。

这些参数的精确测量和控制，是保证垫圈性能和自动化装配质量的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在非接触式测量领域，有多种技术可以用于高效检测垫圈的厚度公差。每种技术都有其独特的工作原理、优缺点和适用场景。

激光三角测量技术

激光三角测量技术是利用激光束照射到物体表面，通过测量反射光斑在接收器上的位置变化来计算物体距离的。它的核心思想就像是我们用眼睛看东西，因为两只眼睛有一定距离，所以能够判断远近。

• 工作原理与物理基础： 当一个激光发射器以已知角度将激光束投射到垫圈表面时，光束会在表面形成一个光斑。这个光斑的反射光会经过一个接收镜头，聚焦到传感器内部的位置敏感探测器（PSD）或CCD/CMOS图像传感器上。如果垫圈的表面位置发生变化（例如，厚度不同导致距离传感器远近变化），那么反射光斑在探测器上的位置也会相应移动。 根据简单的三角几何原理，激光发射器、反射光斑和探测器上的光点形成一个三角形。传感器的控制器通过探测器上光点位置的变化，结合预设的几何参数（如激光发射角度、接收镜头焦距、发射器与接收器之间的距离），就能精确计算出垫圈表面到传感器的距离。

  假设激光发射器与接收器中心之间的距离为基线L，激光束发射角度为θ_e，接收镜头的光轴与基线垂直，接收器上的光点相对于中心点的位移为Δx，接收镜头焦距为f。当垫圈表面距离传感器为h时，根据相似三角形原理，可以推导出距离h与光点位移Δx之间的关系。更常见的厚度测量场景是使用两个激光位移传感器，分别测量垫圈上下表面的距离。设上表面传感器测得距离为h1，下表面传感器测得距离为h2。如果两个传感器之间的固定距离为D，那么垫圈的厚度T可以表示为：T = D - (h1 + h2)这个公式直观地表明，垫圈的厚度就是两个传感器之间的总距离减去传感器到上下表面的总距离。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常从几毫米到几米不等。

  • 分辨率：可达微米级别，部分高端型号可达亚微米级别。

  • 线性度：优质的激光三角测量系统可达满量程的0.1%甚至更高。

  • 响应时间：通常在毫秒级别，更新频率可达1kHz或更高，可以满足实时测量的需求。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触：避免对垫圈造成损伤或变形，特别适合软性、易损或高温材料。

    • 测量速度快：能实现高速在线检测，适应自动化产线的节拍要求。

    • 精度高：对于大多数工业应用，其精度足以满足需求。

    • 多功能性：除了厚度，还可以通过线激光或多点测量来评估平面度、翘曲等。

    • 相对成本效益：相较于一些超高精度技术，激光三角测量设备通常更具成本优势。

  • 缺点：

    • 受表面特性影响：垫圈的颜色、光泽度（如高反光或镜面）、粗糙度会影响激光的反射效果，可能导致测量不稳定或误差。

    • 对倾斜敏感：垫圈表面如果存在较大倾斜，可能会导致测量光斑偏离接收器，或影响测量精度。

    • 有限的材料穿透性：无法测量不透明材料内部的厚度或多层结构。

  • 适用场景与局限性：广泛适用于各种金属、塑料、橡胶等不透明材料的垫圈厚度测量。对于高反光或吸光材料需要进行特殊调整或选择专门型号。不适用于测量透明垫圈的多层厚度。

  • 成本考量：中等偏上，单点激光传感器成本相对可控，线激光或多传感器系统成本会增加。

共焦色谱测量技术

共焦色谱测量技术利用白光的色散效应来实现高精度测量。你可以把它想象成一道彩虹光束，不同颜色的光线聚焦在不同的深度。

• 工作原理与物理基础： 一个白色光源发出的光束通过一个特殊的物镜，这个物镜具有色差特性，使得不同波长的光（也就是不同颜色）被聚焦在不同的距离上。当这束“彩虹”光照射到垫片表面时，只有恰好聚焦在表面上的特定波长的光才能被垫片反射。反射回来的光通过一个共焦针孔，只有与针孔大小匹配的、聚焦良好的光才能穿过，然后进入光谱仪进行分析。光谱仪检测到哪种颜色的光强度最大，就能确定这个颜色对应的焦平面，从而精确地计算出垫片表面到传感器的距离。这种技术对透明材料尤其友好，因为光线会在不同界面的折射率变化处反射，从而可以测量多层厚度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常较小，例如1 mm至28 mm。

  • 分辨率：极高，可达纳米级别。

  • 线性度：极优。

  • 最大采样率：非常快，部分型号可达70 kHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极高精度和分辨率：适用于对厚度公差要求极高的垫圈。

    • 材料适应性广：对垫圈的表面材质（如反射率、透明度、粗糙度）不敏感，能稳定测量高反光、漫反射乃至透明材料。

    • 多层厚度测量：能够穿透透明材料并测量内部多层结构的厚度。

  • 缺点：

    • 测量范围相对较小：不适合大范围位移测量。

    • 对倾斜敏感：垫圈表面倾斜过大可能导致光束无法有效反射或聚焦。

    • 成本较高：设备投入通常高于激光三角测量。

  • 适用场景与局限性：特别适合测量超薄、高反射、透明或多层结构的精密垫圈，如光学、半导体行业的垫片。

  • 成本考量：高。

机器视觉测量技术

机器视觉测量技术就像给生产线配备了一双“火眼金睛”，它通过工业相机捕捉垫圈的图像，然后利用强大的软件进行分析和测量。

• 工作原理与物理基础： 高分辨率工业相机捕获垫圈的数字图像。系统内置的图像处理软件运用先进的边缘检测算法、模式匹配和几何测量工具，精确识别垫圈的轮廓和边缘。想象一下软件在垫圈的图像上“画线”，找到垫圈的每一个边界。通过计算相对边缘之间的像素距离，并结合经过精密校准的像素与实际尺寸的转换关系，系统能够准确测量垫圈的厚度以及其他多种几何尺寸。该系统能够同时检测垫圈的多种几何尺寸和表面缺陷。

• 核心性能参数：

  • 相机分辨率：从几百万像素到上千万像素不等。

  • 测量精度：可达±10 µm或更高（取决于光学配置、视野和标定精度）。

  • 处理速度：每秒可处理数十到数百个图像（取决于检测任务复杂性）。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 综合检测能力强：除了厚度，还能同时进行外形尺寸、内孔尺寸、平面度、缺陷（如划痕、毛边）等多种参数的检测。

    • 非接触：对垫圈无损伤。

    • 灵活性高：通过软件调整，可以适应不同形状、尺寸和检测需求的垫圈。

    • 可追溯性：图像数据可保存，便于质量追溯和分析。

  • 缺点：

    • 受光照条件影响大：光照不均或反光可能导致图像边缘模糊，影响测量精度。

    • 对表面对比度要求高：垫圈与背景或边缘对比度不足会增加识别难度。

    • 系统集成复杂：需要相机、镜头、光源、图像处理软件和控制系统的协同工作。

  • 适用场景与局限性：特别适用于大批量生产线的垫圈全尺寸和外观缺陷综合检测，尤其是形状复杂或需要多参数同时检测的场景。对垫圈的材质和颜色通常有较好的适应性，但高反光或透明材质需要特殊的打光方案。

  • 成本考量：中等偏高，取决于系统配置和软件功能。

X射线透射测量技术

X射线透射测量技术就像给垫圈做了一次“透视检查”，它能穿透材料内部，通过测量X射线穿透后的强度来判断材料的厚度或密度。

• 工作原理与物理基础： X射线透射测量模块向待测垫圈发射低能量X射线束。当X射线穿透垫圈时，其强度会因垫圈材料的厚度和密度而衰减。衰减的物理基础是X射线与物质的相互作用，主要包括光电效应和康普顿散射，这些作用使得一部分X射线能量被材料吸收或散射。位于垫圈另一侧的探测器测量穿透后的X射线强度。通过预先建立的校准模型，系统可以根据X射线强度的衰减量，计算出垫圈的单位面积质量。对于材料密度已知的垫圈，单位面积质量可以直接精确地转换为实际厚度。

• 核心性能参数：

  • 测量精度：典型值±0.1%至±0.5%（取决于材料类型和应用环境）。

  • 扫描速度：高速在线测量，可与生产线速度同步。

  • 测量范围：适用于不同厚度和密度的各类材料，可根据具体应用进行系统校准。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 穿透测量：能够穿透不透明材料，对垫圈的表面颜色、光泽度或粗糙度不敏感。

    • 非接触：不会损伤垫圈。

    • 连续在线监测：特别适用于连续生产的垫片材料的全幅面厚度监控。

    • 测量稳定性高：长期测量稳定性好，受环境变化影响小。

  • 缺点：

    • 存在辐射安全问题：X射线是电离辐射，需要严格的安全防护措施。

    • 成本高昂：设备投资通常较大。

    • 对材料密度敏感：要求材料密度均匀且已知，否则会引入测量误差。

    • 空间分辨率相对较低：不如光学方法能提供精细的表面轮廓信息。

  • 适用场景与局限性：主要用于纸张、薄膜、板材等连续生产的垫片材料的厚度或克重控制，以及对表面不透明材料内部厚度的测量。不适用于需要非常精细表面形貌测量的场合。

  • 成本考量：非常高。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在垫圈厚度测量领域具有代表性的主流厂商及其采用的技术方案。

• 日本基恩士 日本基恩士在工业自动化传感器领域享有盛誉，其激光轮廓仪系列产品是垫圈高速、高精度检测的优选方案。该品牌采用的是激光三角测量原理，通过投射激光线并捕捉反射轮廓，实现垫片的尺寸测量。

  • 核心性能：其TM-X5000系列激光轮廓仪，测量宽度可达60毫米，重复精度高达±0.5微米，采样速度最高可达16 kHz。

  • 应用特点：特别适用于大批量垫片的快速全尺寸检测，能够精确测量垫片的厚度、高度差和翘曲等，并支持点、线、面积多种测量模式。

  • 独特优势：提供极高速和高精度的非接触式在线测量解决方案，系统集成度高，操作简便，拥有强大的图像处理和数据分析能力。

• 英国真尚有 英国真尚有ZLDS115激光位移传感器采用激光三角测量技术，通过高精度测量单点位移，并通过双传感器协同工作实现垫圈厚度测量。

  • 核心性能：ZLDS115具有最大2000mm的测量范围，最高分辨率可达0.01mm，线性度最优可达±0.03mm。其更新频率为1kHz，确保实时测量，温度偏差仅为±0.03% FS/°C。

  • 应用特点：适用于需要高精度、快速响应的各种工业测量。特别是在自动化产线上，两个ZLDS115传感器可自动配对进行厚度测量，无需额外控制盒或特殊校准，简化了系统集成。

  • 独特优势：具备较宽的测量范围和良好的精度，同时具有高防护等级IEC IP65和较宽的工作温度范围0°C至+45°C，适应相对恶劣的工业环境。此外，其内置多种滤波器，可灵活进行数据处理，并且可选高温版本，可测量高达1500°C以上的目标。

• 德国微脉冲 德国微脉冲是精密传感器领域的佼佼者，其confocalDT 2422系列共焦色谱传感器采用共焦色谱测量技术，以其极高的分辨率和对表面不敏感的特性而闻名。

  • 核心性能：confocalDT 2422系列测量范围从1毫米到28毫米，分辨率可低至0.003% FSO，线性度小于±0.03% FSO，最大采样率达到70 kHz。

  • 应用特点：特别适合测量超薄、高反射或透明的垫片，能够实现多层厚度测量，在对精度有极致要求的场合表现出色。

  • 独特优势：具备极高的测量分辨率和精度，几乎不受表面材质影响，是测量微米级厚度公差的理想选择。

• 美国康耐视 美国康耐视作为机器视觉领域的领导者，其In-Sight 2800系列视觉系统采用机器视觉测量技术，提供强大的图像处理和分析能力。

  • 核心性能：In-Sight 2800系列相机分辨率从1600x1200像素到2880x2048像素不等，测量精度可达±10 µm或更高，处理速度快。

  • 应用特点：适用于垫片的全尺寸和外观缺陷综合检测，如测量厚度的同时检测垫片的轮廓、孔径、表面划痕等，对于复杂形状和多任务检测需求具有很强的适应性。

  • 独特优势：高速、非接触式在线检测，智能化程度高，易于配置和集成，能够灵活应对复杂形状和多任务检测需求，是实现垫片全面质量控制的强大工具。

• 芬兰瓦利特 芬兰瓦利特IQ质量控制系统中的厚度测量模块采用X射线透射测量技术，主要面向连续生产线的材料厚度监控。

  • 核心性能：该模块的测量精度典型值在±0.1%至±0.5%之间，能够实现与生产线速度同步的高速在线测量。

  • 应用特点：特别适用于连续生产的垫片材料的全幅面厚度监控，能穿透不透明材料，对表面颜色和光泽度不敏感。

  • 独特优势：提供非接触式在线全幅面厚度监控，对表面特性不敏感，测量稳定性高，在造纸、薄膜等连续生产行业的质量控制和过程优化方面拥有显著优势。

（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

选择合适的非接触式测量设备来检测垫圈厚度，就像挑选一把最适合你工作的工具。你需要仔细考量工具的各项性能，才能确保它能高效完成任务。

• 分辨率 (Resolution)：

  • 实际意义：传感器能够识别的最小尺寸变化量。

  • 影响：分辨率直接决定了你测量的精细程度。如果垫圈的厚度公差要求很高（例如±0.02mm），那么传感器的分辨率必须远高于此，比如达到0.001mm（1微米），否则你连误差都分辨不出来。

  • 选型建议：分辨率应至少是被测垫圈公差带的1/5到1/10，甚至更高。对于高精度垫圈，优先选择分辨率达到微米级别的共焦色谱或高性能激光位移传感器。

• 精度 (Accuracy) 与 线性度 (Linearity)：

  • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的接近程度。线性度则衡量传感器在整个测量范围内，输出信号与实际位移之间是否呈线性关系。

  • 影响：精度是衡量测量设备好坏的核心指标。如果精度差，即使分辨率再高，测出来的数据也不准。线性度不好则意味着在测量不同厚度的垫圈时，传感器可能在某些厚度范围表现好，在另一些范围却出现偏差。

  • 选型建议：确保传感器的精度和线性度能够覆盖并显著优于垫圈的厚度公差要求。对于严格公差，选择线性度最优能达到满量程0.03%甚至更高的设备。

• 重复精度 (Repeatability)：

  • 实际意义：在相同条件下，对同一垫圈进行多次测量，所得结果的一致性程度。

  • 影响：重复精度体现了传感器的稳定性。在自动化产线上，垫圈会持续通过，如果传感器每次测量同一个垫圈的同一位置都会有较大差异，那么即使单次测量很准，也无法保证批量检测的可靠性。

  • 选型建议：这是自动化产线最重要的指标之一。重复精度应远小于垫圈厚度公差。通常要求重复精度达到微米甚至亚微米级别。

• 测量范围 (Measurement Range)：

  • 实际意义：传感器能够有效测量的最大和最小距离之间的区间。

  • 影响：如果垫圈的厚度变化范围大，或传感器与垫圈之间工作距离有波动，就需要一个更宽的测量范围。范围过小会频繁超出量程，导致测量失败。

  • 选型建议：根据垫圈的实际厚度范围和产线上的工作距离来选择。对于厚度变化大的垫圈或需要较大安装裕度的场景，选择测量范围更广的激光位移传感器。

• 响应时间/更新频率 (Response Time/Update Frequency)：

  • 实际意义：传感器输出新数据的速度。

  • 影响：在高速自动化产线上，垫圈通过检测区域的速度很快，如果响应时间过慢，传感器可能无法捕捉到足够的测量点，或者无法及时反馈数据给控制系统，导致漏检或控制滞后。

  • 选型建议：根据生产线的节拍速度和垫圈的通过时间来确定。对于高速生产线，应选择更新频率达到kHz级别的传感器，如激光三角测量或共焦色谱传感器。

• 被测物表面特性兼容性：

  • 实际意义：传感器对垫圈材料的颜色、光泽度（反射率）、透明度、粗糙度等表面特性的适应能力。

  • 影响：某些技术（如激光三角测量）可能受表面特性影响较大，例如对高反光或透明垫圈测量不稳。而另一些技术（如共焦色谱、X射线）则适应性更强。

  • 选型建议：

    • 高反光/镜面垫圈：优先考虑共焦色谱传感器或带有特殊光学设计的激光传感器。

    • 透明/多层垫圈：共焦色谱传感器是理想选择。

    • 漫反射/哑光垫圈：激光三角测量和机器视觉通常表现良好。

    • 不透明/内部缺陷检测：X射线透射测量可能更合适。

    • 颜色变化大：选择对颜色不敏感的技术。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在自动化产线中部署非接触式测量技术，虽然能大幅提升效率和质量，但也可能遇到一些挑战。

• 问题1：垫圈表面特性变化导致测量不稳定

  • 原因分析：垫圈批次之间可能存在颜色、光泽度、表面粗糙度的细微差异。例如，一些金属垫圈经过不同表面处理后，其对激光的反射特性会发生变化，导致激光三角测量传感器接收到的光信号强度不一，甚至光斑跳动，进而影响测量精度和稳定性。

  • 影响程度：轻则导致测量数据波动，精度下降；重则无法有效测量，造成漏检或误判。

  • 解决建议：

    • 选择更适应的技术：对于表面特性变化较大的垫圈，可以考虑共焦色谱传感器，因为它对表面反射率和材质的敏感度较低。

    • 优化光源和角度：对于激光或视觉系统，可以尝试调整激光器的入射角度、接收器角度，或使用不同的照明方案，以获得更稳定的反射信号或更清晰的图像。

    • 表面处理：在允许的情况下，对垫圈表面进行喷涂哑光显影剂，以标准化其表面反射特性。

    • 多点测量与滤波：在多个点进行测量并取平均值，或者利用传感器内置的滤波功能来平滑数据，减少表面局部特性带来的影响。例如英国真尚有ZLDS115激光位移传感器，其内置多种滤波器（中值滤波、简单平均和滑动平均），支持用户自定义设置，可以有效应对表面特性变化带来的测量问题。

• 问题2：产线振动或垫圈定位不准影响测量精度

  • 原因分析：自动化产线上的机械臂运动、输送带运行等都可能产生振动。此外，垫圈在输送或抓取过程中，可能存在轻微的晃动、倾斜或定位偏差，导致测量时垫圈不在传感器的最佳测量区域内，或者测量距离发生瞬时变化。

  • 影响程度：直接引入测量误差，降低重复精度，导致不合格品漏检或合格品误判。

  • 解决建议：

    • 传感器及支架的固定与减振：确保传感器安装支架稳固，并采取减振措施来减少外部振动的影响。

    • 优化垫圈夹具设计：设计更精密、更稳定的夹具，确保垫圈在测量时能够被牢固且准确地定位。

    • 同步触发与锁定：利用外部触发信号精确控制传感器的测量时机，确保在垫圈处于最稳定位置时进行测量。

    • 线激光或多点测量：对于可能存在倾斜或翘曲的垫圈，单个点测量容易产生误差。采用线激光传感器一次性获取垫圈的一个剖面轮廓，或部署多个点传感器进行协同测量，然后通过软件算法进行平面拟合或倾斜补偿，能够更准确地反映实际厚度。

• 问题3：环境温度变化导致传感器漂移

  • 原因分析：大多数精密传感器都会受到环境温度变化的影响。温度升高或降低可能导致传感器内部电子元件参数变化，或光学元件的热胀冷缩，从而引起测量基准或放大倍数的变化，产生温度漂移。

  • 影响程度：长时间运行后，测量结果可能出现系统性偏差，超出公差要求。

  • 解决建议：

    • 选用温度稳定性好的传感器：优先选择那些在产品规格中明确标注有优异温度稳定性的传感器。

    • 控制环境温度：在条件允许的情况下，将测量区域设置在温度相对恒定、波动较小的环境中。

    • 定期校准：制定严格的校准周期，定期使用标准块对传感器进行校准，并根据校准结果进行补偿或调整。

    • 温度补偿：一些高级传感器或系统具备温度补偿功能，通过内置温度传感器实时监测环境温度并自动修正测量结果。

4. 应用案例分享

• 汽车零部件制造：在发动机缸体和缸盖之间，需要安装精密的气缸垫圈。通过非接触式激光测量，可以对每一片气缸垫圈的厚度进行100%在线检测，确保其厚度公差符合设计要求，从而保证发动机的密封性能和压缩比。

• 电子产品组装：在智能手机或平板电脑等电子设备中，电池模块或屏幕与外壳之间会使用薄型垫圈来减震和填充间隙。利用共焦色谱传感器或高精度激光位移传感器，可以精确测量这些微米级垫圈的厚度，防止因厚度不均导致的屏幕压力点或电池装配问题。

• 医疗器械生产：在注射器、输液泵等医疗器械的生产过程中，活塞垫、密封圈的厚度精度至关重要，直接关系到产品的安全性和有效性。非接触式测量技术能够避免对这些卫生敏感部件的污染，同时实现高精度的在线检测，确保产品符合严格的医疗标准。

• 家电行业生产线：白色家电如洗衣机、冰箱等内部有大量密封和减震垫圈。通过集成视觉系统，不仅可以测量垫圈的厚度，还能同时检测其外形尺寸、孔径、是否存在毛刺或破损等缺陷，大幅提升生产线的自动化检测水平和产品合格率。