如何在汽车车轮生产线实现微米级精度与高节拍的在线尺寸测量？【车轮自动化质检，径向跳动检测】

1. 车轮的基本结构与技术要求

车轮，作为车辆承载和运动的核心部件，其结构看似简单，实则包含了多个关键组成部分，且每一部分的尺寸精度都对车辆的安全性和性能有着至关重要的影响。

通常，一个完整的车轮包括轮辋、轮辐（或轮盘）和轮毂连接盘。* 轮辋：这是车轮的外缘，用于安装轮胎，就像是轮胎的“家”。它需要精确的直径和宽度，以及良好的圆度。如果轮辋不够圆，或者宽度不均匀，车辆行驶时就会出现抖动，甚至影响轮胎的抓地力，就像一个跑偏的陀螺，会带来不必要的晃动。* 轮辐/轮盘：连接轮辋和轮毂中心的部分，提供结构支撑。它的形状和尺寸影响车轮的强度和轻量化，也关系到整个车轮的动平衡。* 轮毂连接盘：这是车轮与车辆轴承连接的部位，包含螺栓孔和中心孔。这个区域的平面度、螺栓孔的位置精度和中心孔的同心度都必须达到极高标准，否则车轮安装后可能会偏心，导致高速行驶时车辆振动，甚至螺栓松动，这就像螺丝拧歪了或者孔位不准，会导致整个零件无法稳定连接。

在车轮的尺寸测量中，主要的技术要求包括：* 直径与宽度：确保与轮胎规格匹配。* 圆度与跳动：衡量车轮在旋转时是否保持完美的圆形和轴向平稳性。想象一个唱片机，如果唱片不圆或者上下晃动，播放出来的音乐就会走调。* 平面度与同心度：特别是轮毂连接盘区域，确保车轮与车辆底盘的紧密贴合。* 表面缺陷：检测划痕、凹坑、毛刺等影响美观和性能的瑕疵。

2. 车轮相关技术标准简介

在车轮的生产和检测过程中，有许多关键参数需要严格控制和评价，以确保产品质量和行车安全。

• 径向跳动 (Radial Runout)：这是指车轮在旋转一周过程中，轮辋或胎圈座径向表面的最大和最小半径之差的一半。简单来说，就是车轮在转动时，边缘上下“跳动”的幅度。评价方法通常是测量轮辋外径或胎圈座表面的多个点，计算其最大波动范围。

• 轴向跳动 (Axial Runout/Lateral Runout)：也称为摆动，指车轮在旋转一周过程中，轮辋或轮盘表面相对于理想旋转平面的最大和最小轴向距离之差的一半。这就像车轮在转动时，左右“摇摆”的幅度。评价时会检测轮辋侧面或轮盘表面的轴向位移。

• 圆度 (Roundness)：描述车轮轮辋或胎圈座的横截面形状与理想圆的接近程度。一个不圆的车轮在高速行驶时会导致不平衡和振动。评价方法通常是基于多点测量数据，拟合出一个最佳圆，然后计算各测量点到这个最佳圆的最大偏差。

• 直径 (Diameter)：车轮轮辋外径或安装胎圈座的直径。这是最基本的尺寸参数，直接影响轮胎的选择和安装。评价通常通过测量多个方向上的直径，取平均值或最大/最小值。

• 宽度 (Width)：车轮轮辋的横向尺寸，同样是影响轮胎匹配的重要参数。评价方法是测量轮辋两侧边缘之间的距离。

• 平面度 (Flatness)：特指轮毂连接盘等重要安装界面的平整程度。如果安装面不平，车轮与车轴连接时会受力不均，引发安全隐患。评价方法是检测表面各点相对于一个参考平面的最大高低差。

• 同心度 (Concentricity)：衡量轮辋的中心与轮毂安装孔的中心是否重合。如果不同心，车轮在高速旋转时会产生巨大的离心力，影响驾驶体验和部件寿命。评价方法是测量两个几何中心的偏差距离。

3. 实时监测/检测技术方法

在车轮尺寸测量中，为了满足高速、非接触、高精度的要求，行业内发展出了多种先进的检测技术。

（1）、市面上各种相关技术方案

激光三角测量法

这种技术就像我们用尺子量东西，但是用的是一束光线。它向车轮表面投射一束精细的激光点或者一条激光线，当激光触及车轮表面时，会产生一个反射光斑或光线。旁边放置的高速相机或CMOS传感器（就像一个微型眼睛）会从一个特定的角度捕捉这个反射光。

工作原理和物理基础：其核心在于“三角测量原理”。想象一下，激光发射器、车轮上的激光点和接收器形成一个固定的三角形。当车轮表面的高度发生变化（比如轮辋有高有低），激光点在接收器上的成像位置也会随之移动。由于激光发射器和接收器之间的距离（基线L）以及它们与待测面形成的角度是已知的，通过测量光点在接收器上的位移，就可以精确计算出车轮表面各点的高度信息。

这个原理可以用一个简化的公式来表示。假设激光发射器与接收器之间的水平距离为L，激光的出射角度为α，接收器的接收角度为β。当光点在物体表面形成一个点，其高度变化Δh会导致接收器上光点成像位置Δx的移动。实际高度 h = L * sin(α) * cos(β) / sin(α+β)当物体高度变化时，光点在传感器上的位置会移动。这个位移量 Δx 与物体高度变化 Δh 之间存在几何关系。对于一个固定配置的传感器，光点在传感器上的位置 x 与被测物体到传感器参考面的距离 Z (即高度) 之间存在一一对应关系：Z = f(x)。这个函数关系通过标定来建立，通常是一个非线性函数，但在小范围内可以近似为线性。

核心性能参数的典型范围：* 精度：单点位移传感器可达微米甚至亚微米级（±0.5 μm至±数 μm），激光轮廓仪的Z轴重复精度可达微米级。* 分辨率：通常在测量范围的0.01%到0.005%之间，这意味着即使是很小的尺寸变化也能被检测到。* 测量频率/扫描速度：单点传感器可高达数万赫兹（Hz）；激光轮廓仪扫描速度可达数千至上万线每秒（kHz）。* 测量范围：从几毫米到数百毫米不等。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高速度：能够实现微米级的高精度测量，同时具备极高的采样频率，非常适合高速运动中的车轮进行在线检测。 * 非接触性：对车轮表面无磨损，不影响产品质量。 * 适用性广：可用于测量距离、位移、厚度、轮廓、跳动等多种参数。 * 集成度高：传感器体积通常较小，易于集成到自动化生产线和狭窄空间。* 局限性： * 表面特性敏感：对车轮表面的颜色、光泽度（反光或吸光）以及粗糙度比较敏感。例如，高反光的金属表面可能需要特殊设置或蓝光激光器。 * 测量盲区：对于有复杂凹槽或被遮挡的区域，可能需要多个传感器进行多角度测量。 * 成本考量：高精度、高速的激光传感器价格相对较高。

3D结构光测量技术

3D结构光测量就像是在车轮表面投射一个“图案密码”，通过观察这个密码在车轮表面因高低起伏而产生的变形，来解读车轮的三维形状。

工作原理和物理基础：该技术的核心是向车轮表面投射已知的、编码的光图案（如激光点阵、条纹或栅格）。当这些结构光图案投射到具有三维形貌的车轮表面时，会因为车轮表面的高度变化而发生形变。一个高分辨率的相机从一个或多个角度捕捉这些变形后的图案图像。通过复杂的图像处理算法和三角测量原理，系统能够计算出车轮表面上每个像素点的三维坐标，从而重建出车轮完整的3D表面模型。

核心性能参数的典型范围：* 测量精度：通常可达亚毫米至微米级别（0.01 mm - 0.1 mm），取决于系统配置和视野范围。* 采集速度：每秒可采集数十帧至数百帧三维图像。* 视野范围：从几厘米到几十厘米甚至更大。

技术方案的优缺点：* 优点： * 全局三维数据：一次性获取车轮表面的完整三维形状数据，可进行尺寸测量、缺陷检测、形貌分析等。 * 检测全面：能检测传统2D视觉难以发现的表面缺陷，如细微的划痕、凹坑、毛刺，以及复杂的几何尺寸。 * 适用性：对不规则表面或复杂几何形状的测量具有优势。* 局限性： * 测量速度：相对于单点激光或激光线扫描，获取完整三维模型的处理时间通常更长，对于极高速的在线检测可能需要更高性能的硬件。 * 环境光敏感：环境光会干扰结构光图案，需要控制好检测环境的光照。 * 成本考量：系统通常包含投影仪、高分辨率相机和高性能处理单元，成本相对较高。

光学投影测量技术

光学投影测量可以理解为给车轮拍一张非常清晰的“剪影照”，通过分析这个剪影的轮廓来测量车轮的尺寸。

工作原理和物理基础：该系统通过高亮度LED光源，将车轮的轮廓投影到高分辨率的CMOS图像传感器上。当车轮置于光源和传感器之间时，其形状会在传感器上形成一个清晰的二维阴影（剪影）。系统通过高速捕捉这些投影图像，并利用边缘检测和图像处理算法精确识别车轮的边缘。基于这些边缘信息，可以快速计算出车轮的直径、宽度、圆度、跳动等关键几何参数。这种方法特别适合测量旋转部件的动态参数。

核心性能参数的典型范围：* 测量精度：可达亚微米至数微米级别（<5 μm），重复性好。* 测量速度：极快，单次测量可在毫秒级别内完成，适合高节拍生产线。* 视野范围：通常在几毫米到数百毫米之间。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高速度：特别适合在线高速测量旋转部件，如车轮的动态跳动和偏心。 * 高精度：通过高分辨率图像和精密的算法实现微米级精度。 * 非接触无磨损：保护被测物表面。 * 一次性获取多参数：一个“剪影”可同时测量直径、圆度、宽度等多个参数。* 局限性： * 仅限2D测量：主要用于获取车轮的二维轮廓信息，对于复杂的三维表面形貌和内部缺陷无能为力。 * 对边缘清晰度要求高：如果车轮边缘模糊或有毛刺，可能影响测量精度。 * 成本考量：高性能的成像系统和处理单元投入较大。

工业计算机断层扫描 (CT)

工业CT技术就像给车轮做一次全面的“X光透视检查”，不仅能看到外形，还能清楚地看到车轮内部的结构、尺寸和任何微小的缺陷。

工作原理和物理基础：工业CT系统利用X射线穿透待测车轮。当X射线穿过材料时，会因材料密度和厚度的不同而发生衰减。X射线探测器会捕捉到穿透后的X射线强度信息。通过让车轮在X射线束中进行360度旋转，并在不同角度进行多次扫描，系统可以获取一系列二维投影图像。然后，计算机利用复杂的重建算法（如反投影法）将这些二维投影数据合成为一个完整的三维体数据。这个三维模型不仅能显示车轮的外部尺寸，还能清晰地展现其内部结构、材料均匀性，以及诸如气孔、裂纹、夹杂物等肉眼不可见的内部缺陷。

核心性能参数的典型范围：* 检测精度：可达微米甚至亚微米级别，能够发现非常微小的缺陷。* 可处理工件尺寸：从小型精密部件到大型铸件均可，取决于设备型号（如直径500mm，高600mm，重50kg）。* 扫描时间：数分钟到数小时不等，取决于工件尺寸、材料复杂度和所需精度。

技术方案的优缺点：* 优点： * 无损检测：能够穿透金属材料，对车轮的内部缺陷进行全面无损检测，这是其他表面检测方法无法比拟的。 * 高精度三维测量：提供高精度的三维尺寸测量能力，不仅发现缺陷，还能对缺陷进行量化分析，包括内部尺寸和形状。 * 全面分析：可用于逆向工程、尺寸分析、缺陷分析和材料分析。* 局限性： * 速度慢：扫描和重建时间较长，不适合生产线上的高速在线尺寸检测。 * 成本高昂：设备投资、运行和维护成本都非常高。 * 辐射安全：需要严格的辐射防护措施和专业操作人员。 * 主要用于研发和抽检：更适合对新产品进行详细分析或对少量关键部件进行高精度检测，而非大规模生产线的实时尺寸监控。

（2）、市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在车轮尺寸及相关检测领域知名的品牌及其解决方案。

• 日本基恩士： 日本基恩士的LJ-X8000系列激光轮廓测量仪采用激光三角测量法。它通过投射激光线并高速扫描车轮表面，精确捕捉轮廓数据。其Z轴重复精度可达±0.5 μm，扫描速度高达16 kHz，X轴分辨率达6400点/线。这种方案非常适合在生产线上对车轮的轮廓、跳动和关键尺寸进行快速、高精度的在线测量，尤其擅长处理高速移动的车轮。其优势在于高精度与高速度的结合，以及易于集成和丰富的软件工具。

• 英国真尚有： 英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器同样基于激光三角测量法。这款传感器体积小巧，尺寸仅45*30.5*17mm，非常适合空间受限的安装。它提供±0.05%的线性度和0.01%的分辨率（数字输出），测量频率最高可达 9400Hz。ZLDS103的优势在于其超高的测量频率和紧凑设计，能够在高速测量时保持超高精度，并且提供多种量程和双激光选项（包括蓝光/UV激光），以适应不同表面特性和环境。它适用于单点或多点组合测量车轮的关键尺寸、位移和表面轮廓。

• 美国康耐视： 美国康耐视的In-Sight D900系列智能相机采用3D结构光测量技术。它通过向车轮表面投射特定图案并捕捉其形变，重建车轮的三维表面模型。该系统测量精度可达亚毫米级，采集速度每秒数十到数百帧。美国康耐视的优势在于其能够进行高精度的三维表面检测，识别传统2D视觉难以发现的缺陷，并且智能相机集成了图像采集、处理和通信功能，易于部署。它主要用于车轮表面的划痕、凹坑、毛刺、字符读取以及三维尺寸和变形检测。

• 意大利玛波： 意大利玛波的OptoFlash测量系统采用光学投影测量技术。它利用LED光源和高分辨率CMOS传感器高速捕捉车轮的投影图像，通过边缘识别和尺寸计算，实现对车轮直径、圆度、跳动、宽度等参数的精确测量。该系统测量精度可达亚微米至数微米级，测量速度极高，可在毫秒级别完成单次测量。意大利玛波的系统特别适合高节拍生产线，在车轮高速旋转时进行精确测量，尤其擅长评估动态跳动量和偏心度，一次测量可获取多个尺寸参数。

• 德国蔡司： 德国蔡司的METROTOM系列工业计算机断层扫描仪基于X射线穿透原理。它利用X射线穿透车轮，通过多角度扫描和三维重建，能够清晰显示车轮内部结构、尺寸和缺陷。该系统最小可检测缺陷尺寸可达微米级别，检测精度达亚微米至微米级。德国蔡司的优势在于能够穿透金属材料对铸造车轮进行全面的无损检测，发现内部缺陷，并提供高精度的三维尺寸测量和量化分析。然而，其扫描时间较长（数分钟至数小时），主要适用于研发、抽检和对内部结构有严格要求的精密检测，不适合在线高速尺寸测量。

（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

选择合适的车轮尺寸测量设备或传感器，就像为一场赛车挑选最合适的轮胎，需要根据赛道（应用场景）和目标（检测要求）来定。以下是几个关键技术指标和选型建议：

• 测量精度与分辨率：

  • 实际意义：精度指的是测量值与真实值之间的接近程度，分辨率则是传感器能检测到的最小尺寸变化。如果车轮的公差要求是微米级，那么传感器至少需要达到微米级或更高的精度和分辨率。这就好比用游标卡尺测量，精度直接决定了你能“看到”多小的尺寸偏差。

  • 影响：直接决定了检测结果的可靠性和能否满足质量控制要求。精度不足可能导致不合格品漏检，分辨率不够则无法发现细微偏差。

  • 选型建议：根据车轮设计图纸上的公差要求来选择。对于关键尺寸和高精度部件（如轮毂安装面），应选择精度在微米级或更低的激光位移传感器或高分辨率的视觉系统。对于一些非关键尺寸，可以适当放宽要求。

• 测量频率与效率：

  • 实际意义：测量频率是指传感器每秒能进行多少次测量。对于流水线上的车轮，如果每秒能通过10个车轮，那么传感器至少要能在一个车轮通过的时间内完成所有必要测量。

  • 影响：直接关系到生产线的节拍和检测效率。频率过低会成为生产瓶颈，影响产量。

  • 选型建议：高速生产线应优先选择测量频率高、数据采集速度快的激光轮廓仪或光学投影系统。

• 测量范围与视野：

  • 实际意义：测量范围是传感器能有效测量的最大和最小距离。视野则是相机能一次性捕捉到的区域大小。这就像我们看东西，是看细节还是看全局。

  • 影响：决定了传感器能否覆盖整个被测车轮或其关键区域。范围太小可能需要多个传感器，增加系统复杂度和成本。

  • 选型建议：根据车轮的整体尺寸和需要测量的具体部位来选择。对于大型车轮的整体轮廓测量，可能需要大视野的激光轮廓仪或多个组合传感器。对于局部精密测量，则可选择小量程、高精度的激光位移传感器。

• 表面特性适应性：

  • 实际意义：车轮表面可能存在不同的颜色、光泽度（抛光、哑光）或粗糙度。一些传感器对这些特性很敏感。

  • 影响：表面反光过强或吸光性太好都可能导致测量数据不稳定或无法测量。

  • 选型建议：对于高反光或高温车轮，优先考虑蓝光或UV激光位移传感器。对于复杂表面或多变光泽度，选择具有高级算法和多种光源选项的视觉系统。必要时可考虑在检测区域设置稳定的漫反射光源环境。

• 环境适应性：

  • 实际意义：生产现场可能存在灰尘、油污、振动、温度变化等恶劣条件。

  • 影响：恶劣环境可能导致传感器性能下降、损坏或测量数据失真。

  • 选型建议：选择防护等级（如IP67）、工作温度范围宽、抗振动和抗冲击能力强的传感器。例如，英国真尚有的ZLDS103具有IP67防护等级，可在-10°C至+60°C环境下工作，抗振动和冲击能力强。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在车轮尺寸测量的实际应用中，即使选择了最合适的传感器，也可能遇到一些意想不到的问题。

• 问题1：车轮表面反光或吸光性强导致测量不稳定

  • 原因与影响：车轮的金属表面可能高度反光（如抛光轮毂），或有些部位经过特殊涂层处理，导致激光或结构光反射不均匀，视觉相机难以获取清晰稳定的图像，影响测量精度甚至导致无法测量。这就好比在镜子前面拍照，光线很容易“晃”了眼睛。

  • 解决建议：

    • 更换激光波长：对于金属高反光表面，可以尝试使用蓝光或UV激光位移传感器，它们对金属表面的穿透性和反射特性更好。

    • 调整传感器角度与入射角：调整传感器相对于车轮表面的倾斜角度，避免镜面反射，尽可能利用漫反射光线。

    • 增设漫反射照明：对于视觉测量，在检测区域设置均匀的漫反射照明，消除高光点和阴影，使表面光照更均匀。

    • 高级滤波算法：利用传感器内置或上位机软件的高级滤波和去噪算法，提升数据稳定性。

• 问题2：生产线振动影响测量精度

  • 原因与影响：车轮在输送或旋转过程中，机械振动会将传感器本身或被测物的位置产生微小抖动，导致测量数据波动，影响结果的重复性和精度。这就像在行驶的列车上画一条直线，很难画得很直。

  • 解决建议：

    • 加固传感器安装：确保传感器安装在稳固的基座上，采用高刚性的支架，并尽量远离振动源。

    • 振动隔离：在传感器安装底座和机械结构之间增加减震垫或主动振动隔离系统，减少振动传递。

    • 多点同步测量与数据平均：对于连续测量，可以进行多点同步采样，并通过数据平均或滤波处理，平滑瞬时振动带来的影响。

• 问题3：环境光干扰视觉测量效果

  • 原因与影响：车间内的日光、其他照明灯具或生产设备发出的杂散光，可能干扰视觉系统的结构光图案或图像采集，导致图像对比度下降，误识别或测量失败。

  • 解决建议：

    • 搭建检测罩或暗室：在检测区域搭建一个封闭的检测罩，将外部环境光隔离，形成稳定的光照环境。

    • 使用滤光片：在相机镜头前安装与结构光波长匹配的窄带滤光片，只允许结构光进入相机，滤除大部分杂散光。

    • 高亮度结构光源：选择高功率、高亮度的结构光投影器，提高信噪比。

• 问题4：车轮快速移动导致数据获取不完整或模糊

  • 原因与影响：当车轮在生产线上高速移动时，如果传感器的测量频率或相机帧率不够高，可能无法在短时间内获取足够的测量数据点，或者图像出现拖影、模糊，导致轮廓或尺寸数据不准确。

  • 解决建议：

    • 选择更高频率/帧率的传感器：优先选择测量频率达到数千甚至上万赫兹的激光位移传感器，或帧率更高的视觉相机。

    • 优化触发与同步：确保传感器或相机与车轮的运动精确同步，在车轮处于最佳测量位置时触发采集。

    • 缩短曝光时间：对于视觉系统，缩短相机的曝光时间，以“冻结”运动中的车轮图像，避免拖影，但可能需要更强的照明。

4. 应用案例分享

• 汽车轮毂生产线在线检测：在汽车轮毂铸造、加工完成后，使用多组激光位移传感器或激光轮廓仪，对轮毂的直径、宽度、跳动、螺栓孔位进行100%在线高速测量，确保每个轮毂都符合安装和安全标准。例如，对于表面反光较强的轮毂，可考虑采用搭载蓝光或UV激光器的激光位移传感器。

• 火车车轮踏面磨损检测：在铁路维护中，采用激光轮廓测量系统对运行中的火车车轮踏面进行非接触扫描，精确测量车轮的磨损情况和轮缘尺寸，及时发现并预测车轮故障，保障列车运行安全。

• 航空航天部件（如起落架轮）尺寸精度复核：在航空航天领域，起落架轮的尺寸精度至关重要，可采用高精度三维结构光系统或工业CT对关键尺寸和表面完整性进行详细复核，确保其结构完整性及性能可靠性。

在选择车轮尺寸测量设备时，需要综合考虑测量精度、测量频率、测量范围、表面适应性和环境适应性等因素。根据具体的应用场景和检测需求，选择最适合的测量技术和产品，才能确保车轮的质量和安全。