面对黑色橡胶与高速产线抖动，轮胎外径和圆度如何实现50微米级高精度在线检测？【激光测量，自动化质检】

1. 轮胎的基本结构与技术要求

汽车轮胎，作为车辆与地面接触的唯一部件，其结构看似简单，实则复杂精妙。它主要由胎面、胎侧、胎圈、带束层和帘布层等组成。在生产线上，轮胎的直径测量是至关重要的一个环节。可以想象，如果生产出来的轮胎直径不符合要求，就像汽车的四个车轮大小不一，这不仅会影响车辆的行驶稳定性、操控性，还可能导致轮胎磨损不均，甚至在高速行驶时引发安全隐患。

对于不同规格的轮胎，比如轿车胎、载重胎或工程胎，其设计直径都有严格的标准。因此，在生产过程中，对直径进行高精度、实时在线测量，是保证产品质量和满足装配要求的基础。这意味着测量系统需要能快速适应不同尺寸的轮胎，并提供毫米甚至亚毫米级的测量精度。

2. 轮胎相关测量参数简介

在轮胎生产和质检过程中，我们关注的测量参数远不止一个简单的“直径”。这些参数共同描绘了轮胎的几何特征和质量状况：

• 外径（OD，Overall Diameter）：这是指轮胎在标准气压下，从胎面最高点到最低点（通过轮轴中心）的距离。它是轮胎最核心的尺寸参数，直接影响车辆的行驶里程表读数、车速、以及与车体其他部件的间隙。

• 胎侧高度（Sidewall Height）：从轮辋边缘到胎面最高点的垂直距离。它关系到轮胎的吸震性能和车辆的视觉效果。

• 胎冠宽度（Tread Width）：胎面花纹部分的宽度。它影响轮胎的抓地力、排水性能和使用寿命。

• 圆度（Roundness）：衡量轮胎圆形程度的指标。一个不圆的轮胎在高速旋转时会产生径向跳动，导致车辆抖动和乘坐不适。评估方法通常是测量轮胎在不同角度下的半径，计算其最大与最小半径的差值。

• 同心度（Concentricity）：衡量轮胎几何中心与旋转中心（或轮辋安装中心）重合程度的指标。同心度不佳会导致车辆行驶时出现横向摆动。

通过对这些参数的精确监测，我们才能确保轮胎在性能、安全和舒适性上达到设计标准。

3. 实时监测/检测技术方法

在汽车轮胎生产线上，为了满足不同规格轮胎的测量精度要求，激光与视觉方案是目前主流的非接触式检测技术。它们各自有其独特的工作原理和适用场景。

（1）市面上各种相关技术方案

激光三角测量位移传感器（点式）

这种技术就像用一把无形的尺子来精确测量距离。它的基本原理是激光三角测量法，通过几何关系来推算出物体表面的位置。

工作原理与物理基础：传感器内部会发射一束细小的激光点到被测轮胎表面。当激光点落在物体表面时，会形成一个散射光斑。这个光斑的反射光会通过一个高精度的接收透镜，然后聚焦到一个线阵CMOS图像传感器或位置敏感探测器（PSD）上。

当轮胎表面与传感器之间的距离发生变化时，由于三角关系，接收器上光斑的成像位置也会发生相应的移动。通过精确地测量光斑在接收器上的位置变化，传感器内部的微处理器就能根据预先标定的几何模型和计算公式，实时计算出传感器到被测物体表面的距离。

具体来说，假设激光发射器与接收透镜中心之间的基线距离为L，激光发射角度为 $theta$，接收透镜的中心到CMOS/PSD的距离为f，光斑在CMOS/PSD上的偏移量为 $Delta x$，那么传感器到物体表面的距离D可以通过如下简化公式推导：

$D = L * f / (Delta x + f * tan(theta))$

实际应用中的公式会更复杂，需要考虑透镜畸变、光路校准等因素。

核心性能参数：* 精度与重复性：激光三角测量位移传感器通常可达到微米级精度（例如，0.005微米至0.1毫米），对于轮胎直径测量这种宏观尺寸，往往要求在几十微米到几百微米。* 分辨率：可以检测到的最小距离变化，通常是测量范围的0.01%甚至更高。* 采样速度：采样速度通常高达数KHz到几百KHz，部分版本甚至达到MHz级别，能够满足高速产线实时测量的需求。* 测量范围（量程）：从几毫米到上千毫米不等，可以适应不同直径的轮胎。

优点：* 高精度、高速度：能够实现快速、精密的非接触式距离测量。* 环境适应性强：现代传感器对表面颜色、反光率、甚至湿润程度都有良好的适应性，在轮胎生产线这种环境复杂、表面颜色多变的场景下表现出色。* 易于集成：通常提供模拟/数字输出接口，方便与自动化控制系统集成。

缺点：* 单点测量：每个传感器只能测量一个点到其自身的距离。要测量轮胎的直径，需要多个传感器以阵列形式部署，或者结合轮胎的旋转运动。* 对表面倾斜敏感：当被测表面角度变化较大时，可能会影响测量精度或导致光斑接收困难。* 成本：高精度、多点布置的系统成本相对较高。

应用场景：主要用于轮胎生产线上的精密位移、厚度测量。通过多个传感器同步测量或结合轮胎的旋转运动，可以计算出轮胎的平均直径、圆度、以及胎侧的跳动等参数。

激光线轮廓扫描（光切法）

这种技术可以看作是“激光点”测量的升级版，它不再是测量一个点，而是“看到”一整条线。

工作原理与物理基础：传感器向轮胎表面投射一条精细的激光线。这条激光线在轮胎表面上会形成一个二维的亮度轮廓。传感器内部的高分辨率相机以一定的角度捕捉这条反射的激光线轮廓。由于三角测量原理，物体表面的起伏变化会使得激光线的反射轮廓在相机图像中发生变形。通过分析图像中激光线的形状和位置，结合光学几何关系和图像处理算法，传感器能够实时重建出轮胎表面的二维几何轮廓，也就是一个截面形状。

核心性能参数：* X轴测量宽度：通常在几十毫米到几百毫米，表示一次扫描能覆盖的轮胎宽度。* Z轴重复精度：Z轴重复精度通常在微米级别，表示高度方向的测量稳定性。* 轮廓点数：每条激光线能采集的点数，通常在几百到几千点，点数越多，轮廓分辨率越高。* 扫描频率：扫描频率高达数千赫兹，实现高速在线检测。

优点：* 获取2D轮廓数据：能够提供比单点测量更丰富的几何信息，不仅能计算直径，还能检测胎侧、胎冠的形貌。* 高速动态测量：适用于在线动态生产环境。* 对表面颜色和亮度变化具有良好适应性。

缺点：* 数据处理量大：相比单点测量，需要更复杂的图像处理和算法来提取几何特征。* 受限于相机视场：每次扫描只能获取一个截面的数据。

应用场景：主要用于轮胎的胎侧、胎冠的截面尺寸测量，如胎面深度、胎侧凸起或凹陷、胎冠弧度等，以及通过拟合截面轮廓来间接计算直径。

扫描式激光测径仪

这种技术就像一个“光门”，当轮胎穿过时，它能精确地“量”出直径。

工作原理与物理基础：传感器内部含有一个高速旋转的反射镜，将激光束扫描成一条平行的光带。当被测轮胎穿过这个光带时，会阻挡一部分激光。传感器会精确测量激光束被阻挡的时间。由于激光扫描的速度是已知的且恒定的，通过简单的时间与速度的乘积，就可以计算出被阻挡区域的尺寸，即轮胎的直径。

简化公式为：直径 = 激光扫描速度 $times$ 激光被阻挡时间

核心性能参数：* 测量范围：测量范围从亚毫米到数百毫米，可以覆盖大部分轮胎尺寸。* 重复性：重复性极高，通常达到亚微米级。* 测量精度：测量精度通常在亚微米级。* 扫描速率：扫描速率高达数千次/秒，确保高速在线检测。

优点：* 极高的测量精度和分辨率：能够实现对直径的超精密测量。* 高速在线无缝测量：可以实现100%在线检测，不影响生产节拍。* 对被测物体的摆动和抖动不敏感：由于是扫描整个截面，即使物体轻微晃动也能保持测量精度。

缺点：* 仅测量单轴尺寸：通常只能测量一个方向的直径，无法获取轮胎的完整形貌信息。* 对异形件测量能力有限：主要针对圆形或准圆形物体。

应用场景：主要用于对轮胎外径、圆度有极高精度要求的在线检测场合，例如在轮胎成型后或硫化后的最终检测环节。

3D线激光扫描/结构光技术

这是一种更全面的“立体扫描”技术，能捕捉轮胎的每一个细节。

工作原理与物理基础：传感器向轮胎表面投射激光线或者特定的结构光图案（如条纹、点阵）。通过高分辨率相机从一个或多个角度捕捉这些激光线或结构光图案在物体表面产生的变形图像。利用三角测量原理以及复杂的图像处理和三维重建算法，传感器能够将这些变形图案转化为物体表面的大量三维点云数据。这些点云数据包含了轮胎表面的所有几何信息，可以重建出轮胎的完整三维模型。通过对这些三维点云数据进行软件拟合和分析，可以精确计算出轮胎的直径、圆度，甚至胎面花纹深度、胎侧缺陷等所有几何参数。

核心性能参数：* X轴分辨率：X轴分辨率可低至几十微米，表示横向细节捕捉能力。* Z轴重复性：Z轴重复性可低至亚微米级，表示高度测量的稳定性。* 测量范围（Z轴）：测量范围从几十毫米到几百毫米，可适应不同尺寸的轮胎。* 扫描速度：扫描速度高达数KHz，实现快速3D数据采集。

优点：* 获取完整的3D几何数据：能够全面、多维度地描述轮胎的形状，除了直径还能进行形貌、缺陷检测，如胎侧鼓包、凹陷、胎面花纹缺失等。* 柔性化高：通过软件分析，可以提取各种几何特征。* 一体化设计，易于集成和使用。

缺点：* 数据量巨大：处理和存储大量的3D点云数据需要高性能的计算平台。* 成本相对较高：传感器和配套软件通常价格不菲。* 测量速度受限：虽然扫描速度快，但完整3D模型的重建和分析可能需要更多时间。

应用场景：适用于对轮胎进行全面质量控制的场景，不仅需要测量直径，还需要检测胎面花纹、胎侧形貌、以及各种表面缺陷等。机器人集成3D扫描仪可以实现柔性化、无人化的全尺寸检测。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比一些市场上知名的品牌，它们各自在激光测量领域有着独特的优势。

• 德国米科莫：采用激光线轮廓扫描（光切法）技术。其扫视控制3000系列能够投射激光线到物体表面，通过捕捉反射轮廓来计算二维几何形状。其核心优势在于高精度（Z轴重复精度低至0.6微米）、高速度（扫描频率高达10,000赫兹），能够获取完整的二维轮廓数据，非常适合在线动态测量，并且对轮胎表面颜色和亮度变化具有良好的适应性。

• 英国真尚有：采用激光三角测量位移传感器（点式）技术。英国真尚有ZLDS100RD系列是一款紧凑型传感器，其采样速度高达70KHz（部分版本），分辨率可达0.01%，线性度最高为0.03%。该系列传感器提供多种输出功率选项，包括小于1mW、小于20mW和小于80mW，并采用数字输出接口，支持RS422或RS485。此外，该产品提供多个量程中点选择，以适应不同的测量范围需求。

• 日本基恩士：同样采用激光三角测量位移传感器（点式）技术。LK-G5000系列以其极高的测量精度和分辨率（最低0.005微米重复精度）、超高速采样（最低39微秒采样周期）而闻名。其优势在于将极高的测量性能与易于集成性相结合，是高精度在线直径和形貌检测的理想选择，尤其适用于对微小形变都敏感的精密测量任务。

• 美国奥比康：采用扫描式激光测径仪技术。精准扫描5000系列通过内部旋转反射镜扫描激光束，测量物体阻挡激光的时间来计算尺寸。其核心优势在于极高的测量精度和分辨率（重复性±0.1微米，精度±0.25微米），以及高达2400次/秒的扫描速率。这种技术对被测物体的摆动和抖动不敏感，能够实现100%的高速在线检测，特别适合对轮胎外径进行高精度的实时测量。

• 加拿大卢森斯：采用3D线激光扫描/结构光技术。戈卡特2500系列通过投射激光线并捕捉变形来重建物体的完整三维点云数据。其优势在于不仅能高精度测量直径，还能全面检测轮胎胎侧、胎冠的形貌和缺陷。其高精度（X轴分辨率低至0.008毫米，Z轴重复性低至0.1微米）和高速（扫描速度高达10 kHz）使其成为一种多功能、一体化的检测解决方案。

（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

选择合适的激光或视觉测量方案，需要综合考量多个技术指标及其对实际测量效果的影响。

• 精度与重复性：

  • 实际意义：精度指测量结果与真实值之间的接近程度，重复性指多次测量同一目标时结果的一致性。它们是衡量测量系统可靠性的核心指标。在轮胎直径测量中，如果精度不足，会导致不合格品误判为合格品，或合格品被剔除；重复性差则会使测量数据波动大，无法稳定控制生产质量。

  • 选型建议：对于要求严格的直径控制，应优先选择重复性在微米级的传感器。例如，对于需要验证轮胎是否在公差带（如±0.5mm）内的场景，传感器的重复性至少应优于公差带的1/10，即50微米。

• 分辨率：

  • 实际意义：指传感器能检测到的最小距离变化量。分辨率越高，传感器对微小尺寸变化的感知能力越强，能提供更精细的测量数据。

  • 选型建议：如果不仅要测量大尺寸，还需要检测胎面花纹深度等微小特征，则需要选择分辨率更高的传感器，通常是测量范围的0.01%或更优。

• 测量范围（量程）：

  • 实际意义：指传感器能够测量的最大和最小距离范围。

  • 选型建议：必须确保所选传感器的量程能够完全覆盖所有需要测量的轮胎规格。例如，如果生产线上有从轿车胎到工程胎等多种直径的轮胎，就需要一个足够大的量程或者分段测量方案。

• 采样速度/扫描频率：

  • 实际意义：采样速度指传感器每秒能进行多少次测量，扫描频率指激光线或激光束每秒能完成多少次扫描。它们直接影响在线检测的效率和对高速运动物体的捕获能力。

  • 选型建议：对于高速运行的轮胎生产线，应选择采样速度或扫描频率高的传感器，以确保在短时间内获取足够多的数据点来构建精确的直径信息。

• 线性度：

  • 实际意义：指传感器在整个测量范围内，其输出信号与实际距离变化之间关系的线性程度。线性度越好，传感器在不同距离下的测量误差越小。

  • 选型建议：高线性度能保证测量结果在整个量程内都可靠，避免在特定尺寸轮胎上出现较大偏差。通常要求线性度在0.05% F.S.（满量程）以内。

• 环境适应性：

  • 实际意义：传感器对环境光照、温度、湿度、灰尘、振动以及被测物表面特性（颜色、反光率）变化的承受能力。轮胎生产线通常存在灰尘、橡胶颗粒，且轮胎表面黑色吸光，都对传感器提出挑战。

  • 选型建议：选择具备良好抗环境光干扰、温度补偿、防尘等级高（如IP67）的传感器。对于黑色橡胶表面，选择光斑能量密度高、抗弱反射能力强的产品。

• 数据输出与接口：

  • 实际意义：传感器如何与产线控制系统进行通信和数据传输。

  • 选型建议：常见的数字接口如RS422、RS485、Ethernet/IP、Profinet等，模拟输出如4-20mA。选择与现有PLC或工业PC系统兼容的接口，确保数据传输的稳定性和实时性。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在汽车轮胎生产线中应用激光与视觉测量技术，虽然优势显著，但也可能面临一些实际问题。

• 轮胎表面特性影响：

  • 问题：轮胎表面多为黑色橡胶，吸光性强，导致激光反射信号弱，影响测量稳定性。有些轮胎表面可能反光不均，或带有脱模剂残留，也可能引入测量误差。

  • 建议：

    • 选择激光器功率更高、接收器灵敏度更高的传感器。

    • 采用多角度光源或偏振光技术，减少表面反光影响。

    • 在安装时避免传感器正对强反光区域。

• 轮胎运动状态：

  • 问题：轮胎在输送过程中可能存在抖动、偏心、轻微变形或生产线速度波动，这些动态变化会直接影响测量精度。

  • 建议：

    • 对于直径测量，可以采用多点阵列测量（多个位移传感器或线激光扫描仪）并进行数据融合，通过拟合算法减少单点抖动的影响。

    • 采用扫描式激光测径仪，它对物体摆动不敏感。

    • 优化输送机构，减少轮胎的机械抖动和偏心。

    • 利用高采样率传感器，在短时间内采集大量数据进行平均或滤波处理。

• 环境因素：

  • 问题：生产车间可能存在灰尘、粉末、水汽，长时间可能覆盖传感器光学窗口，影响光束传输和接收。温度变化也可能导致传感器内部电子元件或光学部件的热膨胀，进而影响测量精度。

  • 建议：

    • 选择防护等级高（如IP67）的传感器，定期清洁光学窗口。可考虑加装空气吹扫装置，防止灰尘堆积。

    • 选择具有温度补偿功能的传感器，或将传感器安装在温度相对稳定的区域。

    • 安装时注意避开震源，或使用减震装置，减少外部振动对传感器的影响。

4. 应用案例分享

• 毛坯胎尺寸在线检测：在轮胎硫化（即“烤制”成型）之前，对半成品轮胎（毛坯胎）进行直径和宽度等关键尺寸的实时检测，可以及时发现成型过程中的偏差，避免不合格品进入下一道工序，减少废品率。

• 成品胎外径、圆度检测：在轮胎完成硫化后，通过激光测径仪或3D扫描系统对其外径和圆度进行100%在线检测，确保每个成品胎都符合严格的尺寸公差，满足车辆装配和安全性能要求。

• 轮胎结构完整性与缺陷检测：利用激光线轮廓扫描或3D激光扫描技术，不仅可以测量直径，还能全面扫描胎侧和胎冠的形貌，检测是否存在鼓包、凹陷、异物、花纹缺失或不均匀等潜在缺陷，从而提升产品质量和可靠性。