如何利用非接触式测量技术，解决恶劣环境下金属切割的毫米级长度精度与在线实时监测难题？【智能制造】

1. 基于金属材料的基本结构与技术要求

金属材料在切割前，通常以板材、型材、管材或卷材等形式存在。这些原材料在经过切割加工后，会形成特定长度的成品或半成品。例如，钢板可以切割成不同尺寸的钢片，钢管可以截断成预设长度的短管，而型钢（如H型钢、槽钢）则需要根据结构件需求精确下料。

在切割过程中，对金属材料的长度控制有着严格的技术要求。这就像我们制作家具时，需要把木板裁成正好合适的长度才能拼装牢固。对于金属材料来说，核心要求主要体现在以下几个方面：

• 目标长度：这是设计或生产指令中明确规定的最终长度。例如，一台机器的轴承座需要一个精确到1000毫米的钢条。

• 长度公差：由于加工设备和环境的限制，完全精确的长度几乎不可能实现。因此，会允许一个微小的误差范围，即长度公差。比如，要求1000毫米的钢条，公差是±0.5毫米，意味着实际长度在999.5毫米到1000.5毫米之间都算合格。公差越小，对测量和切割的精度要求就越高。

• 切割端面质量：除了长度，切割后的端面是否平整、垂直于材料主轴也很重要。如果端面歪斜或毛糙，会影响后续的焊接、装配精度，甚至可能导致结构应力集中。

在实际生产中，切割后的金属材料可能因为切割温度高、材料变形、冷却收缩等因素导致长度难以精确控制，这就需要一套可靠的非接触式测量方案来实时监测和保证精度。

2. 针对金属材料的相关技术标准简介

为了确保切割后金属材料的质量，行业内通常会围绕几个关键参数进行监测和评价。这些参数的定义和评价方法是标准化生产的基础。

• 长度：指材料切割后，其两端面之间沿主要轴线的距离。评价方法通常是在常温下，使用量具（如钢卷尺、激光测距仪、编码器等）对切割后的材料进行多次测量，取平均值或比较极差，以判断其是否在规定的公差范围内。对于在线测量，则需要实时捕获切割点与参考点之间的距离。

• 切割端面垂直度：指切割后的端面相对于材料主轴线的垂直程度。如果端面不垂直，会导致后续加工的累计误差。评价时，通常会使用角尺、垂直度仪或光学测量设备，测量端面与主轴线之间的夹角偏差。

• 端面平面度：指切割后的端面是否存在凹凸不平。不平整的端面会影响部件的接触面积，从而降低连接强度。评价时，可通过使用塞尺、平面度测量仪或3D扫描等方式，测量端面任意两点之间的最大高差。

• 切割偏差：指实际切割位置与理论切割位置之间的偏离。这个参数直接关系到最终产品的长度精度。评价方法通常是将实际测得的长度与设定目标长度进行比较，得出偏差值。

通过对这些参数的监测和评价，可以及时发现并调整切割工艺，确保金属材料的切割质量符合要求。

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，有多种技术方案可以用于切割后金属材料的长度精度保证，它们各有优缺点，适用于不同的精度和环境要求。

飞行时间法（Time-of-Flight，ToF）

飞行时间法，顾名思义，就是通过测量光信号从发射到被目标物体反射回来的“飞行时间”来计算距离。这就像我们用秒表测量声音从山谷发出再听到回声的时间一样，只不过这里用的是速度更快、指向性更好的激光。

其工作原理可以形象地理解为：传感器内部有一个“计时员”和一个“发光器”。当“发光器”发出一个激光脉冲（或者连续的调幅光信号）时，“计时员”开始计时。激光束以光速（c，大约3 x 10^8 米/秒）传播，照射到目标金属材料表面后被反射回来。当反射光被传感器接收到时，“计时员”立即停止计时。通过精确测量这段极短的时间（t），就可以根据以下公式计算出传感器到目标物体的距离（D）：

D = (c * t) / 2

这里的除以2是因为光走了来回两趟。

这种方法的核心优势在于它能够实现长距离测量，并且对目标表面的颜色、反射率变化（比如深色、高温金属表面）以及环境光线（如阳光）的抗干扰能力相对较强。因为它是基于时间测量，而不是光斑位置或强度变化。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：从几厘米到数百米，甚至上千米。

  • 精度：通常在毫米到厘米级别，对于较短距离可以达到亚毫米级。

  • 分辨率：与精度相似，一般在毫米级别。

  • 响应时间：从几十赫兹到数百赫兹，即每秒测量几十到数百次。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 长距离测量能力强：非常适合大型金属板材或型材的超长距离切割后的长度检测。

    • 抗环境干扰能力好：对于高温、多尘、强光等恶劣工业环境有良好的适应性，特别适用于高温的切割场景。

    • 测量速度相对较快：满足一般生产线上的实时监测需求。

    • 安装灵活：由于测量距离远，传感器可以安装在远离高温或危险区域的位置。

  • 缺点：

    • 精度相对较低：相较于某些短距离高精度的光学测量方法，ToF传感器在微米甚至亚微米级精度上难以企及。这是因为光速极快，要精确测量微秒甚至纳秒级别的时间差异来获得毫米级精度，需要非常复杂的电子技术。

    • 受表面粗糙度影响：尽管抗反射率变化能力强，但如果目标表面过于粗糙或镜面反射，可能会导致信号散射或反射不均，影响测量稳定性。

    • 成本考量：高质量的长距离ToF传感器技术复杂，制造成本相对较高。

激光三角测量法

激光三角测量法可以想象成是利用初中几何知识来测量距离。传感器发出一束激光，光束打到被测金属表面形成一个光斑。然后，一个位于不同角度的相机或接收器会“看”到这个光斑。当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，光斑在接收器上的位置也会随之移动。

这个原理的核心是几何三角关系。传感器发射器、光斑和接收器构成了一个三角形。随着光斑在接收器上的位置（x）变化，传感器就可以通过已知的发射器与接收器之间的距离（L）、发射角（α）和接收角（β）等参数，利用三角函数关系计算出物体到传感器的距离（D）。

一个简化的几何关系可能涉及：

D = L * sin(α) / sin(β) 其中β是根据光斑在接收器上的位置x计算出来的角度。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：通常在几毫米到几百毫米，属于中短距离测量。

  • 精度：激光测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm。

  • 分辨率：通常在微米级别。

  • 响应时间：非常快，可达毫秒甚至亚毫秒级别（几百赫兹到几千赫兹）。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度和高分辨率：尤其适合对长度精度要求极高的场景，例如精密金属件的切割后检测。

    • 响应速度快：能够捕捉快速移动的物体，实现在线实时测量。

    • 抗环境光能力较强：通过滤光和智能光量控制，能有效抑制环境光干扰。

  • 缺点：

    • 测量范围相对较短：不适用于超长距离的金属材料长度测量。

    • 受表面特性影响：镜面反射或吸收性强的表面可能会导致光斑信号弱或散射，影响测量稳定性。

    • 安装位置敏感：需要确保激光路径无遮挡，且接收器能清晰“看到”光斑。

光谱共焦位移测量法

光谱共焦位移测量法是一种光学“精微尺”，它的原理非常巧妙。想象一下，你有一束包含各种颜色（波长）的光线，通过一个特殊的“棱镜”和透镜组合，让不同颜色的光线聚焦在不同的距离上。也就是说，红色光可能聚焦在离传感器1毫米的位置，绿色光在2毫米，蓝色光在3毫米。

当这束宽光谱光照射到被测金属材料表面时，只有恰好聚焦在材料表面的那一种颜色的光会被强力反射回来。传感器接收到反射光后，通过分析这束光的“颜色”（波长），就能精确判断出物体与传感器的距离。它对透明、半透明和镜面等各种复杂表面都有极高的测量能力。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：极短，通常在几百微米到几毫米之间。

  • 精度：极高，可达纳米级别。

  • 分辨率：极高，可达纳米级别。

  • 测量速率：高，可达几千赫兹到几十千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极高的精度和分辨率：适用于对微小长度、厚度或多层材料进行极其精密的非接触式测量，是目前非接触测量领域精度最高的方案之一。

    • 对表面类型适应性强：无论是透明、镜面、粗糙、深色还是抛光表面，都能提供稳定准确的测量。

    • 测量光斑小：可以测量非常细微的结构。

  • 缺点：

    • 测量范围极短：完全不适用于米级别以上的金属材料长度测量，只能用于测量切割件的微小尺寸偏差或表面粗糙度等。

    • 成本极高：由于技术复杂、制造工艺精密，光谱共焦传感器通常价格不菲。

    • 易受环境振动影响：极高的精度也意味着对环境稳定性要求更高，微小振动都可能影响测量结果。

3D激光线扫描技术

3D激光线扫描技术就像给物体拍一张三维“照片”，而不仅仅是测量一个点。传感器会向金属材料表面投射一条激光线，而不是一个点。然后，一个内置的相机从一个角度拍摄这条激光线在物体表面形成的“轮廓线”。

通过三角测量原理和复杂的图像处理算法，传感器能够实时重建出这条激光线所经过的物体表面的高精度3D轮廓。当物体移动时，传感器不断投射激光线并捕获图像，最终就能得到整个物体表面的三维数据。这些数据不仅可以测量长度、宽度，还能检测平整度、缺陷甚至体积。

• 核心性能参数的典型范围：

  • X方向分辨率：通常在几十微米到几百微米。

  • Z方向（距离）重复性：可达微米级别。

  • 测量速率：几百赫兹到几十千赫兹。

  • 测量范围：中等，通常在几十毫米到几百毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 获取三维数据：能够提供全面的几何信息，不仅测量长度，还能同时检测宽度、高度、形状偏差、缺陷等。

    • 在线检测能力：适用于高速移动的生产线，实现快速的尺寸和缺陷检测。

    • 高精度：在获取3D轮廓方面具有较高的精度和重复性。

  • 缺点：

    • 数据量大，处理复杂：需要强大的计算能力进行实时数据处理和分析。

    • 成本较高：传感器本身以及配套的软件和集成成本相对较高。

    • 对环境要求较高：表面光洁度、反光、环境光线等都可能影响扫描质量。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款在金属切割长度测量领域具有代表性的非接触式传感器产品，它们分别采用了不同的测量技术。

1. 日本基恩士 (采用激光三角测量原理) 日本基恩士的IL系列激光位移传感器以其高精度和易用性在工业领域广受好评。它利用三角测量原理，能够对各种金属材料进行在线长度、厚度、宽度等测量。其IL-3000型号的测量范围为60 ±15毫米，测量精度达到±0.03% F.S.，响应时间最快可达 0.5 毫秒。日本基恩士的优势在于其智能光量控制和强大的抗环境光干扰能力，即使在复杂的工业环境下也能保持稳定的测量性能，非常适合需要高精度中短距离测量的应用。

2. 英国真尚有 (采用飞行时间法原理) 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，作为一款工业级激光测距仪，其核心优势在于超长的测量范围和对恶劣环境的适应性。它采用飞行时间法原理，最远可测量500米，精度可达±1毫米，测量速度高达250赫兹。尤其值得一提的是，LCJ系列能在高达1550℃的高温物体表面进行测量，并且具备IP65防护等级和宽广的工作温度范围（-40℃至+60℃），甚至可配备冷却外壳用于更高温度环境。这使得它在钢铁、有色金属等重工业高温、长距离的金属切割长度测量中表现出色。该系列传感器还提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和高精度模拟输出（0.1%），以及两个可编程数字输出（DO1和DO2），方便集成到不同的控制系统中。

3. 瑞士宝星 (采用飞行时间法原理) 瑞士宝星的OM70激光测距传感器同样采用了飞行时间法。它提供了较宽的测量范围，从50毫米到1500毫米，重复精度在0.05毫米至0.1毫米之间，测量速率最高1千赫兹。OM70传感器的设计坚固耐用，适用于在恶劣工业环境下对大型材料进行非接触式长度定位或粗略尺寸测量。与英国真尚有的LCJ系列相比，OM70在测量范围上稍短，但仍是中长距离测量的可靠选择，尤其在需要一定精度但无需极致超长距离的场合。

4. 德国米铱 (采用光谱共焦原理) 德国米铱的confocalDT系列光谱共焦位移传感器代表了非接触测量的极致精度。它基于光谱共焦原理，提供极高的分辨率和精度，测量范围通常在1毫米左右，分辨率可达0.003纳米，线性度高达±0.1微米，测量速率最高70千赫兹。德国米铱的优势在于能够对包括透明、半透明、反射性在内的各种表面进行超高精度测量，特别擅长于微小尺寸、薄膜厚度以及多层材料的精密测量。在金属切割后的应用中，它更适合用于检测切割边缘的微观平整度、倒角尺寸等极高精度的局部测量。

（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，就像选择一把合适的尺子。不同的“尺子”有不同的特点，需要根据实际需求来挑选。

• 测量范围：指传感器能够测量的最短距离到最长距离。

  • 实际意义：如果需要测量超长的金属材料（例如几十米甚至上百米），就必须选择测量范围大的传感器，如飞行时间法传感器。如果只是测量切割边沿的几毫米误差，那么短距离高精度的传感器就足够了。

  • 选型建议：对于切割后的金属材料长度测量，要根据材料的典型长度来确定。对于几十米到数百米的材料，建议选择测量范围在数十米至数百米、精度在毫米级的飞行时间法传感器；对于几米以内的短料，可考虑三角测量法传感器以获得更高精度。

• 精度/重复精度：精度指测量值与真实值之间的接近程度；重复精度指在相同条件下多次测量同一目标时，测量结果的一致性。

  • 实际意义：这是保证切割后长度合格的关键指标。例如，如果你的长度公差是±0.5毫米，那么你的传感器精度至少应该达到这个水平，甚至更高（通常要求传感器的精度是公差的1/3到1/5）。

  • 选型建议：如果对长度公差要求极严（如微米级），应优先考虑光谱共焦或高精度三角测量传感器。对于大部分工业切割应用，毫米级或亚毫米级精度的飞行时间法或三角测量传感器已能满足要求。

• 测量速度（响应频率）：指传感器每秒能够完成测量的次数。

  • 实际意义：在高速运行的切割线上，如果传感器测量速度慢，就无法实时捕获数据，可能错过关键的测量点或无法及时反馈控制系统。

  • 选型建议：对于连续或高速运动的材料，应选择测量速度高（如数百赫兹到几千赫兹）的传感器，以确保每次切割都能进行有效测量。对于静态或低速切割，较低的测量速度也可以接受。

• 抗环境干扰能力：包括抗高温、抗粉尘、抗振动、抗环境光等。

  • 实际意义：金属切割现场通常伴随着高温、烟尘、火花、振动和强光等恶劣条件。传感器的抗干扰能力直接决定了其能否在这些环境下稳定可靠地工作。

  • 选型建议：在高温金属切割场景，例如热轧钢材，必须选择具有高工作温度范围、良好防护等级（如IP65/IP67）和抗高温能力（如支持测量高温物体表面、可加装冷却附件）的传感器，飞行时间法传感器通常在这方面表现突出。例如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，采用坚固的金属外壳，提供IP65级保护，扩展温度范围为-40℃至+60℃，并可配备冷却外壳以适应更高温度环境。

• 接口和集成方便性：传感器与上位机或PLC的通信方式。

  • 实际意义：一个方便集成的传感器可以大大简化系统设计和调试工作，降低整体成本。

  • 选型建议：根据现场控制系统的接口类型（如RS232、RS485、以太网、模拟量、数字量输出等）选择对应的传感器，确保能无缝接入现有自动化系统。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在将非接触式测量方案应用于金属切割长度精度保证时，可能会遇到一些常见问题：

1. 问题：测量不稳定，数据跳动大。

   • 原因及影响：可能由于金属表面反射率不均（如氧化层、划痕）、环境光线干扰、粉尘或水雾遮挡激光路径、以及设备本身的振动等。这会导致测量数据不可靠，无法准确判断切割长度是否合格。

   • 解决建议：

     • 优化安装位置：尽量避开反射性极强或极弱的区域，确保激光垂直照射或以稳定角度照射被测表面。

     • 清洁维护：定期清洁传感器镜头和激光路径上的粉尘、油污，保持光学窗口的清洁。

     • 防护措施：在多尘或有水雾的环境下，为传感器加装防护罩、吹扫装置（如气幕）或冷却装置。

     • 抗干扰能力强的传感器：选择本身就具备强抗环境光和抗粉尘能力的传感器，例如某些飞行时间法传感器。

2. 问题：高温环境下传感器损坏或测量漂移。

   • 原因及影响：金属切割尤其是热切割会产生高温，如果传感器不具备耐高温特性，长时间工作在高温环境中会导致内部电子元件性能下降，甚至永久损坏，或测量结果因温度变化而产生漂移。

   • 解决建议：

     • 选择耐高温传感器：优先选择明确标注可测量高温物体表面或可在高温环境下工作的传感器型号。

     • 配备冷却装置：为传感器加装水冷或空冷冷却外壳，确保其在推荐的工作温度范围内运行。

     • 隔离防护：在传感器与高温区域之间设置隔热板或导流罩，减少热辐射影响。

3. 问题：测量精度达不到要求。

   • 原因及影响：可能是传感器选型时精度指标不足，或者系统集成时存在机械安装误差、标定不准等问题。这会直接导致切割后的金属材料长度不合格，影响产品质量和后续工序。

   • 解决建议：

     • 重新评估精度需求：确保所选传感器的精度至少达到公差的1/3甚至更高。

     • 精细化安装与校准：确保传感器安装稳固，无晃动，并且严格按照厂家说明书进行首次标定和定期校准。

     • 考虑多点测量：对于较长的金属材料，可以采用多个传感器进行分段测量或平均测量，提高整体精度。

     • 软件补偿：利用上位机软件进行数据滤波和算法补偿，进一步提高测量稳定性。

4. 应用案例分享

• 钢板横切生产线长度控制：在大型钢板生产线上，利用激光测距传感器实时监测钢板的运行长度，当达到预设长度时，触发剪切机进行精确切割，确保每块钢板的长度符合订单要求。

• 型材定尺下料：在型材（如H型钢、槽钢）的加工过程中，将激光测距传感器安装在输送带旁，精确测量型材从初始位置到切割刀具的距离，实现自动化定尺下料，大幅提高下料精度和效率。

• 高温连铸坯切割定位：在钢铁厂的连铸生产线上，高温的钢坯需要被切割成固定长度。采用像英国真尚有LCJ系列这样的高温激光测距传感器，能够承受高温环境，实时、精确地测量钢坯的长度，指导火焰切割机在准确位置进行切割。

• 铝型材精密截断：对于高精度要求的铝型材切割，采用激光三角测量或3D激光线扫描传感器，不仅能精确测量切割长度，还能同时检测切割端面的平整度和垂直度，确保产品的高质量。