轮胎制造中，如何利用非接触式激光测速测长技术，实现橡胶胶片和帘布条在高速生产线上的0.05%级高精度切割与同步控制？【智能制造】

1. 轮胎的基本结构与技术要求

想象一下，一个轮胎就像是由多层精密材料“缝合”而成的一件艺术品。它的核心是内衬层，保证气密性；然后是承力的帘布层，通常由多层斜交或径向排列的纤维帘线（比如钢丝或聚酯纤维）和橡胶复合而成，它们就像轮胎的“骨架”，决定了轮胎的强度和结构稳定性；再往外是胎侧和胎肩，以及最终与地面接触的胎面。

在轮胎生产线上，这些部件并非一次成型，而是从原材料（如不同配方的橡胶胶片、帘布条、钢丝圈等）开始，通过精确的切割、贴合、缠绕等工艺逐步组装成生胎，最后硫化成我们看到的成品轮胎。

对于这些环节，技术要求非常高：

• 橡胶胶片（胎面、胎侧等）的长度与宽度控制： 这直接影响到胎面花纹的准确性和最终轮胎的周长与直径，任何微小偏差都可能导致轮胎偏心、磨损不均甚至性能下降。

• 帘布条的长度与角度控制： 帘布层是轮胎强度的关键，其长度和缠绕角度必须精准，以确保轮胎在高速行驶时能承受巨大压力而不会变形或失效。

• 钢丝圈的周长控制： 钢丝圈是固定轮胎与轮辋的关键，其周长必须与轮辋尺寸精确匹配，公差极小。

• 生产速度的同步与稳定： 整个生产过程往往是连续的，不同工序的材料进给速度必须高度同步，任何速度波动都会影响产品质量，甚至导致材料堆积或拉断。

这些尺寸和速度的精确控制，是确保轮胎安全、性能和使用寿命的基础。就像建造一座大厦，每一根钢筋、每一块砖的尺寸都必须符合设计要求，才能保证整体结构的稳固。

2. 针对轮胎的相关技术标准简介

在轮胎制造领域，为了保证产品质量和一致性，需要对各种生产参数进行严格的监测和评估。这些参数的定义和评价方法通常都有行业标准或企业内部标准作为依据。

• 原材料长度测量： 例如，橡胶胶片或帘布条在切割前的长度测量。这通常指沿材料行进方向的线性尺寸。评价方法包括采样测量，将实际测量值与目标值进行比较，计算偏差和合格率。

• 线速度监测： 生产线上材料或部件在移动时的瞬时速度。这对于确保各工序同步、防止材料拉伸或堆积至关重要。评价方法通常是连续实时监测，看速度是否保持在设定的公差范围内。

• 长度累计： 在连续生产过程中，对一定批次或特定长度的材料进行累计测量。比如，一条帘布的累积长度达到某个值后进行切割。评价方法是比较累计测量值与设定目标值，确保定长切割的准确性。

• 胎面轮廓尺寸： 硫化前或硫化后胎面胶的宽度、高度以及花纹的尺寸。这些属于更复杂的二维或三维几何尺寸。评价方法可能涉及图像处理和轮廓分析，以确保产品符合设计图纸。

这些监测参数的准确获取和严格控制，是确保轮胎从原材料到成品的每个环节都符合质量要求，最终生产出高品质、安全可靠轮胎的关键。

3. 实时监测/检测技术方法

在轮胎生产这类对精度和效率要求极高的工业环境中，选择合适的测量技术至关重要。

（1）市面上各种相关技术方案

市面上主流的测速测长技术主要分为接触式和非接触式两大类，各有特点。

接触式增量测量技术（机械式测长仪）

这种技术就像我们用卷尺量东西，只不过这里是用一个精密的“测量轮”去接触运动中的轮胎材料。测量轮的表面经过特殊处理，以增加摩擦力，确保在材料运动时能同步、无滑差地转动。

• 工作原理与物理基础： 当测量轮接触到移动的材料并随之转动时，一个高精度的光学增量编码器会记录测量轮的转动角度。编码器内部通常有光栅盘，光通过光栅盘上的刻线时会产生一系列脉冲信号。每当测量轮转动一小段距离，编码器就输出一定数量的脉冲。通过计算这些脉冲的总数，并乘以测量轮的周长（这个周长必须是精确校准过的），就可以得出材料移动的实际长度。

  • 长度 L = 脉冲数 N * 测量轮周长 C / 编码器每转脉冲数 P

  • 速度 V = (脉冲数 N / 时间 t) * 测量轮周长 C / 编码器每转脉冲数 P

• 核心性能参数：

  • 测量精度：通常优于0.1%，但在实际应用中，受材料表面、压力、滑差等影响较大。

  • 分辨率：取决于编码器每转的脉冲数和测量轮的直径，可达到微米甚至亚微米级。

  • 响应时间：取决于编码器的采样速率，但由于机械惯性，对速度的快速变化响应相对较慢。

  • 最大测量速度：例如300 m/min。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 结构坚固、可靠性高，安装简便，成本效益好。对于表面稳定、不易损坏的材料，是一种经济实用的长度测量方案。

  • 缺点： 接触式测量存在磨损（测量轮和被测材料）、滑差（尤其是在材料表面湿滑、油腻或质地柔软时，测量轮可能打滑，导致测量结果不准确）以及压痕问题。对于对表面质量要求高或易变形的材料不适用。机械部件的存在也意味着需要定期维护。

激光多普勒测量技术（激光测速测长传感器）

这种技术像是交警用测速枪测量汽车速度的原理，它利用激光照射到运动物体表面，然后分析反射回来的激光信号频率的变化，实现速度和长度的测量。

• 工作原理与物理基础： 激光多普勒测速测长技术基于多普勒效应。传感器发射一束或多束激光到移动的物体表面，反射回来的激光频率会因为物体的运动发生频移（多普勒频移）。通过精确测量这个频移量，就可以计算出物体的速度。再通过对速度进行积分，可以得到物体移动的长度。

  • 速度计算公式通常简化为：v = k * Δf，其中 v 是物体速度，Δf 是多普勒频移，k 是一个与激光波长和光束几何角度相关的常数。

  • 长度计算公式为：L = ∫ v(t) dt这种非接触式测量方式避免了传统机械测量方法的摩擦、磨损和滑差等问题，实现高精度测量。

• 核心性能参数：

  • 测量精度：优秀的激光多普勒测量系统精度可达0.05%或更高。

  • 内部测量速率：高端的系统内部测量速率可达200kHz，实现快速响应。

  • 速度测量范围：一些系统可以测量从静止到非常高的速度，例如高达10,000 m/min。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度与高响应速度： 采用光学原理，无机械磨损和滑差，保证了较高的测量精度和稳定性，对高速运动和速度的瞬时变化响应迅速。

    • 非接触式测量： 不会对被测物体表面造成任何损伤或污染，特别适合柔软、易损或对表面质量要求高的材料。

    • 宽测量范围： 能够适应从静止到高速的广泛应用场景。

    • 维护成本低： 采用全固态设计，无活动部件，维护量小。

    • 环境适应性： 一些产品具有较高的防护等级，可适应一定的工业环境。

  • 缺点：

    • 相对于机械式测长仪，成本较高。

    • 对被测物体的表面特性可能存在一定要求，例如粗糙度、反射率等。

    • 安装时需要保证激光束能够稳定地照射到被测物体的有效测量区域。

3D激光轮廓测量技术

这种技术利用激光扫描物体表面，并通过高分辨率相机捕捉激光轮廓的变化，从而构建物体的三维图像。

• 工作原理与物理基础： 传感器将线状激光投射到物体表面，物体表面的起伏会使激光线发生变形。相机从特定角度捕捉变形的激光线图像，利用三角测量原理计算出物体表面的三维坐标，最终形成三维轮廓点云。

• 核心性能参数：

  • 重复精度：部分设备重复精度可达微米级。

  • 扫描速度：一些高速系统每秒可进行数万次轮廓扫描。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 能够获取物体精确的三维轮廓数据，可同时检测长度、宽度、厚度、平整度以及表面缺陷。测量精度高，速度快。

  • 缺点： 主要用于尺寸和轮廓测量，在瞬时速度测量方面不如激光多普勒技术。系统复杂度较高，对图像处理和数据分析能力要求高。对于高反光或吸收性强的表面可能需要特殊的设置或处理。

共焦位移测量技术

这种技术是一种高精度的非接触式位移测量方法，通过分析反射光的特性来确定物体表面的微小距离变化。

• 工作原理与物理基础： 共焦传感器发射宽带白光，通过色散透镜系统将白光分解成不同颜色的光，并聚焦在不同的深度。当被测物体表面位于特定颜色光的焦点上时，该颜色光的反射强度最大。传感器通过分析反射光的光谱，确定物体表面的精确距离。

• 核心性能参数：

  • 分辨率：一些先进的共焦位移传感器分辨率可达纳米级。

  • 测量频率：部分型号的测量频率可高达70 kHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量精度和分辨率极高，尤其适用于透明、高反光或镜面材料的测量，在需要高精度点位移或厚度检测方面具有优势。

  • 缺点： 测量范围相对较小，主要用于点位移测量。如果要测量较大尺寸，需要结合其他定位系统。成本较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市面上一些知名的国际品牌在轮胎或类似材料测量上提供的解决方案，并进行对比。

• 日本基恩士 (采用3D激光轮廓测量技术)

  • 核心技术参数： 重复精度最低0.0005 mm，扫描速度最高64000次/秒。

  • 应用特点与优势： 日本基恩士的解决方案以超高速和高精度著称，特别适合需要快速、精确获取物体多维度尺寸和表面轮廓信息的场景。在轮胎生产中，可用于实时检测胎面胶的几何尺寸、花纹深度，或检测帘布层的平整度等。其产品易于集成，并且提供全面的解决方案支持，能够满足对生产节拍和精度要求极高的在线批量检测需求。

• 英国真尚有 (采用激光多普勒测量技术)

  • 核心技术参数： 工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，内部测量速率高达200kHz，最高可测速度达10,000 m/min，最大加速度响应能力达1000m/s²。

  • 应用特点与优势： 英国真尚有的AJS10X系列传感器专精于非接触式速度和长度测量，得益于激光多普勒原理，它在精度和响应速度上表现出色。AJS100系列专为平面材料设计，AJS101系列配备广角镜头适用于圆柱形表面，AJS102系列提供更大测量距离，AJS103系列则为通用型设计。适用于轮胎生产线上对橡胶胶片、帘布条等连续移动材料进行精确的速度控制和长度切割。例如，在压延环节控制胶片厚度和速度，或在成型环节精确测量和切割帘布条。其全固态无活动部件设计确保了长期使用的稳定性和免维护特性，IP67防护等级也使其能够适应轮胎厂常见的粉尘和湿气环境。部分型号还支持0速度测量与方向识别，并提供丰富的通信接口和无线连接能力，方便集成到现有控制系统中。

• 德国米铱 (采用共焦位移测量技术)

  • 核心技术参数： 分辨率低至0.005 µm（5纳米），测量频率最高70 kHz。

  • 应用特点与优势： 德国米铱以其极高的测量精度和分辨率在工业界享有盛誉。共焦位移传感器在轮胎制造中，可用于对关键几何特征进行超精密测量，例如在研发阶段或质量抽检中，精确测量胎面胶的微小厚度变化、特殊功能层的厚度，或对特定标记点进行纳米级定位以辅助长度计算。其在透明或高反光材料上的测量能力也使其在特定应用中具有独特优势。

• 瑞士堡盟 (采用接触式增量测量技术)

  • 核心技术参数： 测量精度优于0.1%（取决于测量轮和安装），最大测量速度例如300 m/min。

  • 应用特点与优势： 瑞士堡盟的接触式增量测量系统结构坚固、可靠性高，安装和使用都比较简便。在轮胎生产中，如果被测材料的表面允许轻微接触且对测量精度要求在0.1%左右即可，或者对成本比较敏感，例如对一些辅助材料的粗略长度统计，它是经济高效的方案。对于连续的卷材或长条状材料的在线长度累计测量，它是一个成熟可靠的选择。

（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

在为轮胎生产线选择测速测长设备时，我们需要综合考虑多方面因素，避免“一刀切”的选择。

• 精度与重复性：

  • 实际意义： 精度代表测量值与真实值之间的接近程度，重复性则指多次测量同一物理量时结果的一致性。

  • 对测量效果的影响： 高精度和高重复性是确保产品质量的基础。在轮胎制造中，微小的长度偏差都可能影响最终产品的性能和安全。

  • 选型建议： 对于核心部件（如胎面胶、帘布条）的长度控制，应优先选择精度优于0.05%甚至更高的非接触式激光传感器（如激光多普勒或3D轮廓测量）。对于一些非关键辅助材料，可以考虑精度稍低的接触式方案。

• 响应速度与测量频率：

  • 实际意义： 响应速度指传感器对被测物速度变化的反应能力，测量频率则是每秒能进行多少次测量。

  • 对测量效果的影响： 生产线速度快、工况变化频繁，高响应速度和测量频率能确保传感器及时捕捉到任何速度波动，为控制器提供实时数据，避免因滞后导致的质量问题。

  • 选型建议： 轮胎生产线通常是高速运行的，尤其是压延、裁断等工序，材料速度变化快。高测量频率的激光多普勒传感器能够实时反馈速度变化，实现更精准的速度闭环控制。

• 测量范围（速度/长度/距离）：

  • 实际意义： 指传感器能测量的速度范围、累积长度范围以及最佳安装距离。

  • 对测量效果的影响： 必须确保传感器能覆盖生产线可能出现的所有速度区间，以及满足特定的长度测量需求（如超长卷材累积）。合适的安装距离可以避免干扰生产流程。

  • 选型建议： 根据生产线最高速度、最小和最大测量长度、以及安装空间的限制来选择。例如，如果需要测量从静止到较高的速度，一些激光多普勒传感器是理想选择。

• 非接触性：

  • 实际意义： 传感器是否需要与被测物直接接触。

  • 对测量效果的影响： 非接触式测量避免了对材料表面的损伤、磨损和滑差问题，特别适合柔软、粘性或表面敏感的材料（如未硫化橡胶）。

  • 选型建议： 在轮胎生产中，大部分材料是柔软的橡胶或带有纹理的帘布，接触式测量容易引起材料变形、污染或滑差，因此非接触式激光测量（如激光多普勒、3D轮廓测量）是更优选择。

• 环境鲁棒性（防护等级、工作温度）：

  • 实际意义： 传感器抵抗恶劣工业环境（如灰尘、水汽、油污、高温）的能力。

  • 对测量效果的影响： 高防护等级和宽工作温度范围能保证传感器在恶劣环境下稳定可靠运行，延长使用寿命。

  • 选型建议： 轮胎生产环境通常有粉尘、橡胶碎屑，甚至可能存在水汽。选择IP67或更高防护等级的传感器至关重要。如果局部区域温度较高，还需要考虑带有冷却外壳等特殊设计的型号。

• 集成能力与通信接口：

  • 实际意义： 传感器能否方便地与现有PLC、SCADA系统进行数据交换。

  • 对测量效果的影响： 丰富的通信接口（如以太网、RS-232、CANbus，支持工业总线如PROFINET）能简化系统集成，提高数据传输效率，便于远程监控和诊断。

  • 选型建议： 考虑传感器与工厂现有控制系统的兼容性，选择支持主流工业通信协议的型号，这将大大降低集成难度和成本。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在轮胎生产线上部署测速测长传感器，可能会遇到一些挑战：

• 问题1：被测物表面特性变化

  • 原因与影响： 轮胎材料（橡胶、帘布）的颜色、光泽度、粗糙度可能因批次或生产环节而异，这会影响激光的反射效果，导致测量信号不稳定或精度下降。例如，黑色橡胶对激光的吸收率较高。

  • 解决建议：

    • 传感器选型： 选择对表面特性不敏感或具有自适应能力的传感器。例如，一些激光多普勒传感器通过优化光学设计和信号处理算法，能很好地适应不同粗糙度和颜色的表面。

    • 调整安装： 尝试调整传感器的安装角度或距离，以获得最佳的反射信号。

• 问题2：生产线振动与机械冲击

  • 原因与影响： 生产线上的电机、传送带等设备运行会产生振动，可能导致传感器位置发生微小晃动，影响测量稳定性。

  • 解决建议：

    • 安装优化： 将传感器安装在稳固的支架上，并确保支架与振动源隔离。使用减震垫或柔性连接件。

    • 传感器选择： 选择结构坚固、内部光学元件固定性好的传感器。

    • 软件滤波： 在数据处理端增加滤波算法，滤除由振动引起的瞬时测量波动。

• 问题3：环境污染物（灰尘、水汽、油污）

  • 原因与影响： 轮胎生产环境常伴有橡胶粉尘、润滑油雾气或水汽，这些污染物可能会附着在传感器镜头或防护罩上，阻碍激光束，导致测量误差甚至损坏设备。

  • 解决建议：

    • 高防护等级： 选用具有IP67或更高防护等级的传感器。

    • 气刀/吹扫装置： 在传感器镜头前安装气刀或空气吹扫装置，利用压缩空气持续清除污染物。

    • 定期清洁： 制定并执行定期清洁维护计划，使用专业擦拭工具和清洁剂。

• 问题4：温度波动与过热

  • 原因与影响： 部分工序（如硫化前烘烤、压延）可能存在高温区域，持续高温会影响传感器内部电子元件的性能和寿命。

  • 解决建议：

    • 选配冷却外壳： 对于高温应用，选择可配备冷却外壳（如水冷或空冷）的传感器。

    • 环境隔离： 尽可能将传感器安装在远离直接热源的位置，或通过隔热屏进行保护。

4. 应用案例分享

• 轮胎部件精准切割： 在轮胎成型前，橡胶胶片、帘布条、钢丝圈等原材料都需要按照精确的长度进行切割。采用激光多普勒原理的测速测长传感器能实时监控材料移动速度，并精确累计长度，确保每段材料的切割长度符合设计要求，从而提升产品质量并减少废料。

• 挤出工艺速度同步控制： 在胎面挤出成型过程中，不同配方的橡胶料需要以精确的速度和比例挤出，并同步进入压延设备。高精度的激光传感器可提供实时的速度数据，帮助控制系统实现各挤出单元的联动和速度平衡，保证胎面胶的均匀性和尺寸稳定性。

• 成品胎周长检测： 硫化后的成品轮胎，其外圆周长是衡量质量的关键指标。激光测长传感器可以通过对轮胎表面进行非接触式扫描，精确测量其周长，以确保轮胎符合最终的装配和性能标准。

在选择轮胎生产线的测速测长设备时，需要综合考虑精度、响应速度、测量范围、非接触性、环境适应性和集成能力等关键因素。根据具体的应用场景和需求，选择最适合的技术方案和产品，才能确保生产过程的稳定性和产品质量的可靠性。