轮胎生产线如何选择光学检测技术，以实现高速、几十微米级胎面花纹形貌的在线测量？【质量控制，自动化】

1. 轮胎的基本结构与技术要求

想象一下，一个轮胎就像汽车的“鞋子”，它的健康状况直接关系到行车安全和驾驶体验。轮胎的结构非常复杂，远不止一个简单的圆形橡胶块。它主要由胎面、胎侧和胎圈三个部分构成。

• 胎面：这是轮胎与地面接触的部分，布满了各种花纹和沟槽。这些花纹和沟槽的设计至关重要，它们就像鞋底的防滑纹，提供抓地力、排水性，并影响噪音、磨损和滚动阻力。

• 胎侧：连接胎面和胎圈的部分，提供支撑和弹性，并承受侧向载荷。

• 胎圈：轮胎与轮辋（车轮的金属部分）结合的区域，负责将轮胎牢固地固定在轮辋上。

在轮胎生产线上，对这些关键部位进行形貌测量，就像是给每一双“鞋子”做一次严格的“体检”。特别是胎面上的沟槽深度和形状，是核心的检测参数。如果沟槽深度不均匀，或者花纹形状有偏差，轻则影响轮胎性能，重则可能导致安全隐患。

因此，轮胎生产线的形貌测量面临以下技术要求：

• 高效率：生产线速度快，测量系统必须能在短时间内完成大量数据的采集和处理，不能成为生产瓶颈。

• 微米级精度：胎面沟槽深度的偏差往往需要控制在微米甚至几十微米范围内，才能确保轮胎性能的一致性。

• 多材质适应性：轮胎材料是黑色的橡胶，具有漫反射特性，这给传统光学测量带来挑战。测量系统需要能稳定、准确地测量这种材质。

• 复杂形貌测量：轮胎花纹不仅有深度，还有倾斜面、弧面等复杂几何形状，测量系统需要能全面捕捉这些信息。

• 在线检测能力：理想情况下，测量应能在生产过程中实时进行，及时发现问题并调整工艺。

• 抗干扰能力：生产现场通常有粉尘、震动等，测量系统需要具备一定的环境适应性。

2. 针对轮胎的相关技术标准简介

为了确保轮胎的质量和性能，行业内制定了严格的测量和评价标准。这些标准定义了轮胎各项几何参数，并规定了相应的测量方法。

例如，对于轮胎胎面，重要的监测参数包括：

• 胎面花纹深度：这是胎面沟槽底部到胎面顶部的距离，直接影响轮胎的抓地力、排水性和使用寿命。评价方法通常是在多个代表性位置进行测量，并计算平均值、最小深度等。就像我们用尺子量鞋底花纹的深浅，但这里需要更高的精度。

• 胎面花纹块高度：花纹块突出于沟槽的部分。其高度和均匀性影响轮胎的接地压力分布和磨损。

• 花纹块形状和尺寸：包括花纹块的宽度、长度、角度等。这些参数的偏差会影响轮胎的整体平衡性和性能。评价时需通过三维扫描获取数据，并与设计模型进行比对。

• 胎面宽度和直径：这些整体尺寸参数是轮胎基本几何特征，影响与车辆的适配性。

• 径向跳动和侧向跳动：轮胎在旋转时，其表面相对于旋转轴的径向和侧向波动。这些跳动量过大会导致车辆抖动、驾驶不稳。评价时通常通过连续测量轮胎外圆的偏差来计算。

• 轮胎均匀性：包括质量、刚度等分布的均匀性，这会影响轮胎在高速旋转时的平衡性。几何均匀性是其中重要一环，通过对胎面、胎侧等进行全面的形貌扫描来评估。

这些参数的测量和评价，目的在于确保每一只出厂的轮胎都符合设计要求，从而保障车辆的行驶安全和舒适性。

3. 实时监测/检测技术方法

在轮胎生产线上实现高效、高精度的形貌测量，需要借助先进的非接触式光学测量技术。目前市面上主流的技术方案有多种，它们各有侧重，像不同的工具，适合解决不同类型的问题。

（1）市面上各种相关技术方案

光谱共焦测量技术

光谱共焦技术，通过分析不同颜色光线聚焦位置的不同来判断物体的表面高度。它利用光学镜头的色散效应，而非通过机械移动来寻找焦点。

工作原理与物理基础：光谱共焦传感器采用特殊设计的物镜，它能使宽带光源发出的不同波长的光线聚焦在Z轴（深度方向）的不同位置。当被测物体的表面处于某个位置时，只有与该位置精确聚焦的特定波长光线，才能清晰地反射回来，并通过接收探头中的小孔到达光谱仪。光谱仪会检测到反射光中最强的波长成分，由此确定被测表面的Z轴高度。

其核心思想是利用轴向色散效应，将空间位置信息转化为光谱信息。

核心性能参数典型范围：* Z轴分辨率：可达到纳米级（1nm - 10nm）。* Z轴重复精度：通常在几十纳米到几百纳米之间。* 采样频率：最高可达数十kHz，这意味着每秒可以测量数万个点。* 光斑尺寸：最小可达微米级，可以捕捉非常精细的细节。* 量程：从几百微米到几毫米不等。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高分辨率：尤其在Z轴方向，能实现纳米级测量，适合微米级沟槽深度检测。 * 非接触式测量：不会损伤或污染轮胎表面。 * 多材质适应性：对黑色橡胶等多种复杂表面都有很好的适应性，受表面颜色和反射率影响较小。 * 多层测量能力：能同时测量透明或半透明材料内部不同层的厚度，这对于复合材料的轮胎结构分析很有优势。 * 最大可测倾角大：部分设计可以测量陡峭的斜面，这对于复杂花纹和沟槽的侧壁测量非常有利。 * 测量速度快：无需Z轴机械扫描，纯光学测量，因此采样频率高。* 局限性： * 量程受限：相对于其他一些技术，单次测量量程通常较小，如果需要大范围扫描，可能需要配合移动平台。 * 对环境光线敏感：虽然对表面材质适应性强，但强烈的环境光可能影响测量结果，通常需要在相对稳定的光照环境下使用。 * 成本考量：由于其精密的光学系统和高性能光谱仪，初始投资相对较高。

激光共焦测量技术

激光共焦技术与光谱共焦类似，都利用了共焦原理，但其实现方式有所不同。

工作原理与物理基础：激光共焦测量系统使用单色激光作为光源。激光束通过一个物镜聚焦到被测物体表面。在物镜的焦点处，反射光强度最强。反射光线会再次通过物镜，然后通过一个共焦针孔，到达光电探测器。这个针孔的作用是只允许来自焦点区域的光线通过，有效抑制了离焦光线的干扰。

为了获取物体表面的形貌信息，通常需要沿Z轴方向进行机械扫描，移动物镜或被测物，从而找到不同点的最佳焦点位置。当光强达到峰值时，记录下对应的Z轴位置，即可确定该点的表面高度。通过X-Y轴的扫描，就能重建出整个表面的三维形貌。

核心原理是：当样品表面恰好位于物镜的焦点时，通过共焦针孔的光强达到最大。

核心性能参数典型范围：* Z轴分辨率：可达纳米级（1nm - 10nm）。* Z轴重复精度：通常在几十纳米到几百纳米之间。* 采样频率：较高，但通常受限于Z轴机械扫描速度，例如几kHz。* 光斑尺寸：微米级。* 量程：从几百微米到几毫米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和分辨率：在纳米级精度方面表现出色，适合超精细的表面形貌检测。 * 多材质适应性：对各种表面，包括黑色橡胶，都能稳定测量。 * 旁轴抑制能力强：共焦针孔有效滤除了离焦光线，提高了信噪比和测量精度。* 局限性： * 测量速度受限：由于需要Z轴方向的机械扫描，整体测量速度通常不如纯光学的光谱共焦或激光三角测量快，对于高速生产线可能需要多探头并行。 * 振动敏感：机械扫描部件使得其对环境振动较为敏感。 * 成本考量：高精度的机械扫描系统和光学组件导致成本较高。

激光三角测量技术

激光三角测量技术，通过观察激光点在不同高度的“投影”位置来判断距离。

工作原理与物理基础：传感器内部发射一束细小的激光点或激光线到被测物体表面。当物体表面发生高度变化时，光斑的位置也会相应地移动。传感器内置的CMOS或CCD图像传感器会以特定的角度捕获这个光斑的反射光。

根据简单的几何三角原理，通过测量图像传感器上光斑位置的横向位移，就可以计算出物体表面的Z轴高度信息。这种方式可以实现高速的线扫描或点扫描。

核心性能参数典型范围：* Z轴重复精度：通常在微米级。* X轴分辨率：取决于激光线宽度和图像传感器像素密度，通常在几微米到几十微米。* 测量频率：非常高，可达几kHz到几十kHz，适合在线高速扫描。* 测量范围（量程）：从几毫米到几百毫米不等，量程较大。* 光斑尺寸/线宽：通常在几十微米到几百微米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 测量速度快：非接触式高速扫描，特别适合在线连续测量。 * 量程大：通常具有较大的Z轴测量范围，能适应较大的高度变化。 * 结构相对简单：成本相对较低。 * 对表面颜色和材质适应性较强：通过调整激光功率和接收灵敏度，可以适应不同颜色的漫反射表面。* 局限性： * 阴影效应：当被测物表面存在陡峭的沟槽或障碍物时，激光可能无法完全照射到沟槽底部，或反射光被阻挡，产生测量盲区（阴影效应）。 * 对镜面或透明表面测量困难：反射特性太强或太弱都会影响测量效果。 * 精度相对略低：在纳米级精度方面不如共焦或干涉技术，但在微米级应用中足够。 * 受环境光干扰：环境中的强光可能对图像传感器捕获激光光斑造成干扰。

结构光测量技术

结构光测量技术，通过观察投射到物体表面的结构光图案的扭曲变形来重建三维形状。

工作原理与物理基础：结构光传感器向被测物体表面投射已知的几何图案，这些图案通常是多条平行的激光线、编码的条纹或点阵。当这些结构光投射到具有三维形貌的物体表面时，由于物体表面的高低起伏，这些图案会发生变形或扭曲。

传感器内置的相机以特定角度捕捉这些变形后的图案图像。通过内置的图像处理单元，运用三角测量和立体视觉算法，根据图案的原始形态与变形后的形态差异，实时计算出物体表面每一个点的三维坐标。最终输出的是高密度的三维点云数据，可以完整地重建物体的三维形貌。

核心性能参数典型范围：* Z轴重复精度：从几微米到几十微米。* X/Y轴分辨率：取决于投影图案密度和相机像素，通常在几十微米到几百微米。* 扫描速度：可达几kHz到几十kHz，能够快速获取整个区域的三维数据。* 测量范围：从几毫米到几十毫米，覆盖一个区域。

技术方案的优缺点：* 优点： * 获取完整三维形貌数据：一次扫描即可获得大面积的三维点云，非常适合复杂形貌的整体检测。 * 测量速度快：对于面扫描而言，效率很高。 * 易于集成：通常集成了处理器和软件，可以独立输出结果。 * 对表面颜色变化有较好的适应性：编码结构光能够更好地处理表面反光和颜色变化。* 局限性： * 对环境光敏感：强环境光可能干扰投射图案，影响测量精度和稳定性。 * 对高反光或吸收性表面测量困难：极端光学特性表面可能导致图案识别困难。 * 在陡峭角度和深孔测量中可能存在盲区：与激光三角测量类似，也可能存在阴影效应。 * 初始投资相对较高：集成了光学、相机和高性能处理器，成本较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

在轮胎形貌测量领域，国际上有一些知名的品牌提供解决方案。

• 日本基恩士：采用激光共焦原理，其CL-3000系列激光共焦位移计提供了纳米级测量精度。例如，CL-3001控制器搭配CL-H015传感器头，Z轴分辨率可达0.1 nm，重复精度10 nm，采样周期0.64 ms。其优势在于精度和分辨率，以及对各种表面材质的适应性。

• 德国米铱：采用激光三角测量原理，其scanCONTROL 30xx系列激光轮廓传感器以高速在线轮廓扫描为特色。例如，scanCONTROL 3000型号的Z轴测量范围为39 mm，Z轴重复精度1.5 μm，轮廓测量频率可达 2000 Hz。其优势在于可以快速获取轮胎胎面花纹、胎侧突起等连续的二维轮廓数据，特别适用于生产线上的动态测量。

• 加拿大思百吉：采用结构光原理，Gocator 2500 系列3D智能传感器实现了传感器级的智能三维测量。例如，Gocator 2510型号的Z轴重复精度为0.1 μm，扫描速度高达10 kHz。其核心优势在于集成了光学、处理器和软件，无需外部PC即可输出高密度的三维点云数据，适合轮胎复杂花纹、几何尺寸和缺陷的整体在线检测。

• 瑞典海克斯康：其GLOBAL S 系列坐标测量机（CMM）配合HP-L-20.8激光扫描头，结合了接触式测量与激光三角测量的优势。CMM部分可实现点测量精度，例如使用SP25M探头时E0精度为1.9 + L/300 μm。激光扫描头则能以最高200,000点/秒的速度进行扫描。这种复合测量方案提供了测量精度和可靠性，适用于轮胎生产线中关键尺寸、复杂结构和模具的全面检测。

• 英国真尚有：部分型号前端实现IP65防护等级，可在有粉尘、水汽环境中使用。光源采用彩色激光光源，光强稳定性高。支持最多5轴编码器同步采集，实现高精度位置关联。支持位移、单边测厚、对射测厚、段差测量、平面度计算等多种测量模式。内置高斯滤波、中值滤波、滑动平均、极值处理等数据优化功能。

• 英国泰勒霍普森：采用白光干涉测量原理，其Talysurf PGI Forma 3D表面形貌仪提供了超高精度。PGI光学系统可实现0.1 nm的Z轴分辨率。这种非接触式测量方式避免了对样品表面的损伤，能够分析轮胎表面微观形貌、纹理和粗糙度，以及微米级至毫米级的精细结构。

（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

在选择轮胎形貌测量设备或传感器时，需要综合考虑以下几个关键技术指标，并结合实际应用场景做出选择：

• 精度（Accuracy）与分辨率（Resolution）：

  • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率是指传感器能识别的最小高度变化。对于轮胎沟槽深度微米级精度的要求，通常需要选择Z轴分辨率在纳米级的传感器，并且精度要达到微米级甚至更高。

  • 影响：精度和分辨率直接决定了测量的结果有多可靠和多精细。

  • 选型建议：如果应用对沟槽深度、花纹细节有微米级精度要求，光谱共焦或激光共焦传感器是首选。对于高速在线检测，如果微米级精度即可满足需求，激光三角或结构光传感器也可以考虑。

• 采样频率（Sampling Frequency）/扫描速度（Scanning Speed）：

  • 实际意义：采样频率是指传感器每秒能采集多少个点的数据。扫描速度是指单位时间内能扫描多大的区域。这决定了测量系统的效率。

  • 影响：对于高速运行的轮胎生产线，如果采样频率或扫描速度不够快，就无法在规定时间内完成所有轮胎的检测。

  • 选型建议：在线检测场景，优先选择采样频率高的光谱共焦、激光三角或结构光传感器。如果只是离线抽检，对速度要求不高，可以优先考虑高精度但速度相对较慢的方案。

• 量程（Measurement Range）：

  • 实际意义：量程是指传感器可以测量的最大高度差范围。

  • 影响：轮胎胎面花纹的深度通常在几毫米到十几毫米之间，同时整个胎面的弧度也需要测量。

  • 选型建议：对于胎面沟槽深度等局部特征，几毫米到十几毫米的量程通常足够。如果需要测量整个轮胎的宏观形貌，可能需要更大范围的传感器或多个传感器组合。激光三角传感器通常具有更大的量程。

• 光斑尺寸（Spot Size）/线宽（Line Width）：

  • 实际意义：光斑尺寸决定了传感器能识别的最小细节。

  • 影响：如果光斑尺寸过大，就无法分辨轮胎花纹中狭窄的沟槽、精细的边缘或微小的缺陷。

  • 选型建议：对于精细的轮胎花纹和沟槽边缘检测，应选择光斑尺寸小的传感器，如光谱共焦或激光共焦传感器。激光三角和结构光传感器通常光斑或线宽较大，更适合宏观轮廓。

• 最大可测倾角（Maximum Measurable Angle）：

  • 实际意义：指传感器能够有效测量的最大表面倾斜角度。

  • 影响：轮胎花纹沟槽的侧壁往往是倾斜的。如果传感器能测量的倾角不够大，就会在沟槽侧壁产生测量盲区或数据缺失。

  • 选型建议：对于具有陡峭侧壁的复杂花纹，应选择最大可测倾角大的传感器，光谱共焦传感器能有效获取沟槽侧壁的形貌数据。激光三角和结构光通常会受到阴影效应的影响。

• 多材质适应性：

  • 实际意义：传感器对不同表面材质的测量稳定性。

  • 影响：轮胎是黑色橡胶材质，吸光性强，传统光学测量可能面临挑战。

  • 选型建议：光谱共焦和激光共焦技术对多种材质具有优秀的适应性，是测量轮胎的理想选择。激光三角和结构光也能通过算法优化适应。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在轮胎生产线上应用高精度形貌测量技术时，可能会遇到一些挑战：

• 问题：轮胎表面污染或灰尘

  • 原因与影响：生产环境中不可避免地会产生橡胶粉尘、脱模剂残留等，这些污染物会附着在轮胎表面，导致测量光线被阻挡、散射，形成虚假的高度数据或测量盲区，影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 清洁机制：在测量工位前设置自动清洁装置，确保测量区域表面干净。

    • 防护等级：选择传感器前端防护等级高的产品，以防止灰尘进入传感器内部，延长设备寿命。

    • 数据滤波：在软件层面，通过数据处理算法，滤除由少量污染引起的异常点。

• 问题：环境光干扰

  • 原因与影响：生产车间的光线环境复杂多变，强烈的环境光可能会干扰传感器的接收端，特别是对激光三角和结构光传感器影响较大，导致信噪比降低，测量不稳定甚至失效。

  • 解决建议：

    • 遮光罩设计：在测量区域搭建遮光罩或使用暗室，减少外部光线进入。

    • 光源优化：对于光谱共焦传感器，选择采用高光强稳定性彩色激光光源的产品，其抗环境光干扰能力更强。

    • 窄带滤波：在传感器接收端加装与测量光源波长匹配的窄带滤光片，只允许特定波长的光线通过。

• 问题：轮胎振动或运动抖动

  • 原因与影响：轮胎在生产线上高速输送时，可能会有轻微的振动或定位抖动，这会导致测量点位置不准，数据出现随机误差，影响形貌重建的准确性。

  • 解决建议：

    • 机械稳定：优化工装夹具设计，提高轮胎输送的稳定性，减少机械振动。

    • 编码器同步：对于需要连续扫描的场景，利用传感器支持编码器同步采集的功能，将测量数据与轮胎的精确位置关联起来，即使有轻微抖动也能校正位置误差。

    • 高采样频率：选择采样频率高的传感器，可以在短时间内采集更多数据点，通过数据平均或拟合来平滑振动带来的影响。

• 问题：复杂花纹沟槽的测量盲区

  • 原因与影响：对于特别狭窄、深邃或陡峭倾斜的轮胎花纹沟槽，激光三角或结构光可能由于光线遮挡而产生测量盲区，无法获取完整的形貌数据。

  • 解决建议：

    • 多角度测量：采用多个传感器从不同角度同时测量，互相弥补盲区，获取更全面的数据。

    • 选择高倾角适应性传感器：优先考虑光谱共焦传感器，其最大可测倾角大，能更好地捕捉沟槽侧壁的细节。

    • 窄光斑探头：选择光斑尺寸更小的传感器，可以更深入地探测狭窄沟槽。

4. 应用案例分享

• 轮胎胎面花纹深度检测：在轮胎成型后和硫化后，利用光谱共焦传感器对胎面花纹的沟槽深度进行快速扫描，确保其深度、均匀性以及磨耗指示器的位置符合设计标准。

• 轮胎胎侧形貌与缺陷检测：通过激光三角传感器或结构光传感器对轮胎胎侧进行轮廓扫描，检测是否存在表面缺陷，并评估胎侧的几何形状是否符合标准。

• 轮胎均匀性在线评估：结合编码器同步功能，多个光谱共焦传感器或激光三角传感器围绕轮胎进行高速扫描，采集整个胎面的三维数据，用于分析轮胎的径向跳动、侧向跳动及花纹分布的均匀性。

• 轮胎模具磨损检测：在轮胎模具投入使用前和定期维护时，采用高精度的光谱共焦或激光共焦传感器对模具型腔进行三维扫描，检测其磨损程度、尺寸精度和表面粗糙度。