如何在高速轮胎生产线中，高效实现0.1mm级表面凹陷的精准自动化检测？【轮胎缺陷检测 | 三维扫描】

1. 轮胎的基本结构与检测要求

轮胎作为车辆与地面接触的唯一部件，其质量直接关系到行车安全和车辆性能。在生产过程中，轮胎的结构复杂，主要由胎面、胎侧、胎体（帘布层）、带束层和胎圈等部分构成。这些部件在成型和硫化过程中，都可能因为材料、工艺或设备原因产生各种缺陷。

在质量控制环节，轮胎的表面缺陷检测是至关重要的一环，特别是凹陷。想象一下，轮胎就像一个充满弹性的气球，如果表面出现凹陷，就像气球表面被戳了一个坑。虽然有些凹陷可能很细微，但它们预示着内部结构可能存在问题，比如材料分布不均、内部气泡、异物夹杂或者硫化不充分等。这些缺陷可能会降低轮胎的承载能力、耐磨性，甚至在使用过程中导致爆胎，从而引发安全事故。

因此，对轮胎凹陷进行自动化检测，要求系统能够准确地识别并量化这些缺陷的深度、大小和位置。由于轮胎的表面是弧形的，而且通常是黑色的橡胶材质，光线吸收率高，反光特性复杂，加上生产线上的轮胎往往在高速移动，这些都给检测带来了相当大的挑战。

2. 轮胎表面形貌监测参数简介

在轮胎的质量检测中，针对表面形貌的监测参数主要包括：

• 凹陷深度/高度：这是衡量缺陷严重程度最直接的参数。它指的是缺陷区域相对于周围正常表面下陷或凸起的垂直距离。评价方法通常是通过测量点云数据中缺陷区域的最低点（凹陷）或最高点（凸起）与周围参考平面的垂直距离来确定。

• 横向尺寸/宽度：指凹陷或缺陷在轮胎表面方向上的长度和宽度。这反映了缺陷的范围大小。评价方法通常是在缺陷区域的水平投影上，测量其最长和最宽的尺寸。

• 缺陷面积：缺陷在轮胎表面所占据的区域大小。结合深度参数，可以更全面地评估缺陷的体积或严重性。评价方法是通过三维点云数据或二维图像处理，识别出缺陷边界，然后计算其表面积或投影面积。

• 表面粗糙度：虽然凹陷通常指较大尺度的形貌变化，但对于一些细微的缺陷，如微小的划痕、磨损或材料不均匀导致的局部纹理变化，表面粗糙度也是一个重要的评估指标。它衡量的是物体表面微观不平整的程度。评价方法通常涉及对高分辨率三维形貌数据的分析，计算如算术平均粗糙度Ra、最大高度粗糙度Rz等参数。

3. 实时监测/检测技术方法

（1） 市面上各种相关技术方案

激光三角测量技术

想象一下，你用一只手（激光发射器）指向一个物体，然后用另一只手（相机）从一个稍微不同的角度去观察激光点在物体上的位置。如果物体表面有高低起伏，那么你“看”到的激光点在相机中的位置就会发生变化。激光三角测量技术正是基于这个原理来工作的。

工作原理和物理基础

传感器内部的激光发射器会向被测轮胎表面投射一束激光点或激光线。当激光照射到轮胎表面后，反射光线会从一个特定的角度被内置的CMOS或CCD图像传感器接收。由于激光发射器、被测点和接收器形成了一个三角形，当被测点的高度发生变化时，反射光在接收器上的成像位置也会随之移动。

这个位置的变化量，通过预先标定好的几何关系，就可以精确地计算出被测点的垂直位移（深度）。它的核心物理基础是三角几何原理。假设激光器与接收器之间有一个固定的基线距离 B，激光的投射角为 α，接收器的视角为 β。当激光点在被测物体表面高度发生 ΔZ 变化时，它在接收器上的成像位置会移动 Δx。通过一系列的三角函数关系，就可以推导出 ΔZ 和 Δx 之间的换算关系。一个简化理解的公式是：Z = B * f / (X - X0)，其中 Z 是测量距离，B 是基线长度，f 是接收器焦距，X 是光斑在接收器上的成像位置，X0 是基准位置。

核心性能参数

这类传感器的典型特点是测量范围广，通常可以从几十毫米到几米，例如高达2000毫米甚至更远。分辨率在中高水平，例如0.01毫米到几十微米。响应速度快，更新频率可达1kHz甚至更高，能够满足生产线上的实时测量需求。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 成本相对适中：相比更精密的测量技术，激光三角测量的硬件和集成成本通常更具经济性。

  • 速度快：能够以很高的频率采集数据，适用于高速移动的生产线。

  • 测量范围广：可以覆盖较大尺寸的轮胎，检测大范围的凹陷。

  • 集成方便：多数产品提供多种标准的模拟和数字输出接口，便于与自动化系统集成。

  • 非接触测量：避免对轮胎表面造成磨损或污染。

• 局限性：

  • 对表面特性敏感：黑色、高反光、透明或吸光性强的轮胎表面可能会影响测量精度和稳定性。激光可能会被过度吸收，或者产生杂散反射。

  • 阴影效应：在陡峭的凹陷或复杂形状的边缘，激光可能无法完全照射到，或者反射光无法被接收器捕捉，从而产生测量盲区或阴影。

  • 环境光干扰：强烈的环境光可能与激光信号混淆，影响测量准确性。

  • 精度受限于光学设计：在长测量范围下，要保持微米级的精度挑战较大。

结构光三维扫描技术

结构光三维扫描，就像给轮胎打上一个特殊的“光影戏法”。它不是简单地投射一个点或一条线，而是投射一系列有特定图案（比如多条平行线、网格或编码图案）的光线到轮胎表面。

工作原理和物理基础

当这些有图案的光线投射到三维的轮胎表面时，由于轮胎表面的凹凸不平，这些光图案会发生变形。传感器通过高分辨率相机捕捉这些变形后的图案图像。然后，利用多视几何和三角测量原理（与激光三角测量类似，但这里是整个图案的变形）来分析图案的畸变情况。通过复杂的图像处理和算法，精确地重建物体的三维点云数据，从而形成轮胎表面的完整三维形貌。

核心性能参数

这类传感器通常具有很高的分辨率，能够捕捉到丰富的表面细节。测量视野可以从几十毫米到一米甚至更宽，Z轴（深度）测量范围也能达到数百毫米。Z轴重复精度可以达到微米级别，X轴分辨率在亚毫米级别。扫描速度通常在每秒数千次到上万次扫描。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 数据丰富：一次扫描可以获取完整的点云数据，提供物体表面的三维全貌。

  • 高精度和高分辨率：能够捕捉到轮胎表面复杂的形状和微小的缺陷。

  • 对复杂形状适应性强：特别适合检测不规则形状的轮胎表面的多种缺陷类型。

  • 强大的软件平台：通常与强大的三维处理软件配合，便于数据分析和缺陷识别。

• 局限性：

  • 成本较高：设备复杂，通常包含高分辨率相机和高精度投影仪，导致成本较高。

  • 数据处理量大：生成的三维点云数据量巨大，对计算能力要求高，处理时间可能较长。

  • 环境光敏感：投射的结构光图案容易受到环境光的干扰，需要控制好检测环境。

  • 扫描速度相对受限：虽然扫描频率高，但对于完整三维重建，处理时间可能仍是瓶颈。

共聚焦色谱测量技术

共聚焦色谱测量，可以理解为“用彩虹光束给物体表面做深度扫描”。它不像普通的激光点那样只用一种颜色的光，而是用包含了各种颜色的白光。

工作原理和物理基础

传感器发出的白光会先通过一个特殊的色散光学系统，这个系统能把白光分解成不同颜色的光，并让不同颜色的光（也就是不同波长的光）聚焦在不同的距离上。想象一下，红光聚焦得远一点，蓝光聚焦得近一点。当这些彩虹般的光线照射到轮胎表面并反射回来时，只有那些正好聚焦在物体表面上的特定波长的光，才能穿过一个微小的共聚焦孔径，被检测器接收。如果轮胎表面有高低，那么被接收到的光的颜色就会变化，因为只有那个高度上聚焦的颜色才能通过孔径。

根据检测器接收到的光线的波长，系统就能精确计算出物体表面的距离，从而绘制出高精度的表面轮廓。它的核心物理基础是色散效应和共聚焦原理。色散效应让不同波长光聚焦在不同深度，共聚焦原理则通过小孔径过滤掉非聚焦光，确保只有焦平面上的光才能进入探测器，从而实现高精度的轴向定位。

核心性能参数

这类传感器以其极高的测量精度和分辨率著称，分辨率可达纳米或亚微米级别（例如0.05微米），线性度非常优秀。但其测量范围相对较小，通常只有几毫米到几十毫米。测量频率可以很高，达到几十kHz。光斑直径极小，能测量微观细节。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 极高精度和分辨率：能够检测到轮胎表面极其微小的凹陷、划痕或纹理变化。

  • 对表面类型不敏感：对黑色橡胶、镜面、透明等各种复杂表面都能进行稳定测量。

  • 无阴影效应：由于光路设计，不易产生阴影区。

  • 非接触测量：不损伤被测物体。

• 局限性：

  • 测量范围小：通常只能测量几毫米到几十毫米的深度，不适合大尺寸凹陷的整体扫描。

  • 成本非常高昂：由于精密的光学器件和复杂的设计，设备成本很高。

  • 速度相对较慢：虽然测量频率高，但对于大面积扫描，需要二维扫描平台配合，整体检测耗时较长，不适合高速大面积在线检测。

  • 易受振动影响：对环境振动比较敏感，需要稳定的安装环境。

（2） 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几种代表性品牌及其采用的技术方案：

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术) 日本基恩士在工业自动化领域具有领先地位，其LJ-X8000系列等产品采用激光三角测量原理，专注于提供高速、高精度的在线三维轮廓测量解决方案。它通过投射激光线并使用相机捕捉反射光，快速获取物体表面的轮廓数据。该系列产品重复精度可达0.5微米（X, Z轴），采样速度高达每秒160000次扫描，每条线可达3200个测量点。其优势在于对表面颜色和光泽度变化具有良好的适应性，尤其适用于轮胎等橡胶制品的凹陷、缺陷和尺寸在线检测，市场占有率高，用户基础广泛。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量技术) 英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器也是一款高性能的激光三角测量设备，在工业测量领域表现突出。该传感器测量范围广，最高分辨率可达0.01mm，线性度最优可达±0.03mm，更新频率为1kHz，能够快速响应测量变化。此外，ZLDS115还具有出色的温度稳定性，温度偏差仅为±0.03% FS/°C，并达到IEC IP65防护等级，保证了在工业环境中的可靠性。该传感器支持模拟和数字输出，方便集成到不同系统中，同时内置多种滤波器，可灵活进行数据处理。

• 美国康耐视 (采用结构光三维扫描技术) 美国康耐视作为机器视觉领域的领导者，其DSMAX系列3D激光位移传感器采用结构光三维扫描技术。它通过投射可编程的结构光图案并利用高分辨率相机捕捉变形图像，重建物体的高精度三维点云数据。其测量视野宽度可达1000毫米，Z轴测量范围可达1100毫米，Z轴重复精度低至0.6微米，扫描速度高达每秒10 kHz。美国康耐视的优势在于其强大的三维视觉处理能力和易于集成的软件平台，特别擅长处理复杂零件的缺陷检测、尺寸测量和装配验证，尤其适合形状不规则的轮胎表面缺陷检测，能够获取更全面的表面信息。

• 德国米铱 (采用共聚焦色谱测量技术) 德国米铱的optoNCDT 2400系列共聚焦位移传感器提供极高的测量精度和分辨率。它利用共聚焦色谱测量原理，发出白光并使其不同波长的光聚焦在不同距离上，通过接收特定波长的反射光来精确计算距离。该系列产品测量范围通常为5毫米，线性度可达±1.25微米，分辨率高达0.05微米，测量频率可达70 kHz。德国米铱共聚焦传感器的优势在于对不同表面颜色、光泽度或反射率的变化不敏感，尤其适用于对轮胎表面微小凹陷或纹理进行高精度非接触式深度测量，在对精度要求极致的特定场景中表现出色。

（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

选择最适合自动化生产线的轮胎凹陷检测方案，需要综合考量多方面的技术指标，并根据实际需求进行权衡。

• 测量精度与分辨率

  • 实际意义：精度决定了传感器能多准确地反映凹陷的真实尺寸和深度；分辨率则代表传感器能区分的最小高度变化。

  • 影响：如果精度不足，小凹陷可能被遗漏，或大凹陷的尺寸判断不准确，导致漏检或误判。

  • 选型建议：对于轮胎凹陷检测，通常要求精度达到毫米甚至亚毫米级别。如果主要检测宏观凹陷（如深度大于0.5毫米），可以选择精度在0.01-0.1毫米的传感器；如果需要检测更细微的缺陷（如深度小于0.1毫米的微小凹坑或划痕），则需要选择分辨率更高的微米级传感器，如共聚焦传感器。

• 测量范围与视野

  • 实际意义：测量范围指传感器能够测量的最大深度或距离；视野则指传感器一次能覆盖的横向区域大小。

  • 影响：测量范围不足可能无法检测到深凹陷或无法安装在合适距离；视野太小则需要更多传感器或复杂的扫描机构，增加系统复杂度和成本。

  • 选型建议：根据被测轮胎的整体尺寸和可能出现凹陷的区域大小来选择。对于大范围的轮胎表面扫描，激光三角测量传感器（测量范围可达数百至数千毫米）或结构光三维扫描系统（视野宽度可达1米）更具优势。共聚焦传感器测量范围较小，更适合对局部微观区域进行高精度检测。

• 测量速度与响应频率

  • 实际意义：测量速度指传感器每秒能进行多少次测量；响应频率指传感器输出测量结果的速率。

  • 影响：生产线通常有固定的节拍。如果传感器速度慢于生产线节拍，就会导致生产效率下降或漏检。

  • 选型建议：对于高速自动化生产线，优先选择更新频率高的激光三角测量传感器或扫描速度快的结构光三维扫描系统。共聚焦传感器虽然自身测量频率高，但如果需要扫描整个轮胎表面，则总耗时可能较长，需考虑集成方式。

• 环境适应性

  • 实际意义：包括传感器对温度、湿度、灰尘、振动、环境光以及被测物表面特性（颜色、光泽度）的耐受能力。

  • 影响：恶劣环境会导致传感器性能下降、测量不稳定甚至设备损坏。轮胎表面黑色、曲面、弹性等特性会影响光的吸收和反射，进而影响测量结果。

  • 选型建议：轮胎生产车间常有灰尘、烟雾和一定温湿度变化，应选择防护等级高、工作温度范围宽的传感器。对于黑色、低反射率的橡胶表面，激光三角测量和结构光方案可能需要配合优化光源或特殊算法；共聚焦传感器对表面特性不敏感，但在高温环境下需选择特殊版本。

• 成本

  • 实际意义：包括传感器本身的采购成本、系统集成成本、维护成本以及长期运行的TCO（总拥有成本）。

  • 影响：预算是任何项目都无法绕开的约束。选择过于昂贵的方案可能导致投资回报率低下。

  • 选型建议：激光三角测量方案通常成本相对适中，是自动化生产线上的主流选择。结构光系统由于涉及更复杂的硬件和软件，成本会更高。共聚焦系统则属于高端精密测量设备，成本最高，一般只用于对精度有极致要求的特定环节或实验室环境。

选型建议总结：对于自动化生产线上的轮胎凹陷检测，如果目标是大范围、高速、中高精度的缺陷检测（如深度0.1毫米以上），激光三角测量技术是最具性价比且成熟的方案。它能在保证一定精度的前提下兼顾速度和成本。如果需要更全面、更高分辨率的三维形貌数据，并能处理更复杂形状的缺陷，且预算充足，结构光三维扫描是更好的选择。而共聚焦色谱测量则适用于对微观缺陷、极高精度有要求，且对测量范围和速度不那么敏感的特定检测点，例如研发环节的精密分析。

（4） 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在轮胎凹陷自动化检测的实际应用中，可能会遇到以下几个常见问题：

• 轮胎表面反光与颜色不均

  • 原因和影响：轮胎表面通常是深色且可能存在不均匀的光泽（如新胎表面的脱模剂残留或老化），这会导致激光光斑反射信号强度不一，甚至出现过曝或信号不足，从而影响测量稳定性与精度。

  • 解决建议：

    1. 选用抗反光能力强的传感器：有些传感器采用多点或多线激光、或者特殊的光学设计和算法来优化对这类表面的适应性。

    2. 调整光源与角度：通过优化激光器的投射角度和接收器的接收角度，尽量减少镜面反射和杂散反射的影响。

    3. 表面预处理：在不影响轮胎性能的前提下，可考虑对检测区域进行简单的表面处理，如喷涂一层薄薄的漫反射涂层（在实验室环境中常见，生产线上可能不适用）。

    4. 环境光控制：搭建检测罩，尽量屏蔽外部环境光的干扰。

• 生产线振动

  • 原因和影响：生产线上设备的运行、轮胎的输送都可能产生振动，这些振动会使传感器与被测轮胎之间的相对位置发生微小变化，直接导致测量结果抖动，降低精度和重复性。

  • 解决建议：

    1. 加固传感器安装支架：使用重型、稳固的安装结构，减少振动传递。

    2. 选用抗振动性能好的传感器：一些高端传感器内部设计有抗振动机构或算法，能够更好地抵御外部振动。

    3. 软件滤波处理：在数据采集后，通过内置或上位机软件的数字滤波器（如滑动平均、卡尔曼滤波等）对测量数据进行平滑处理，消除部分随机振动带来的误差。英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器内置多种滤波器，支持用户自定义设置，可灵活进行数据处理，有助于提高测量精度。

• 灰尘和污垢

  • 原因和影响：轮胎生产环境可能存在橡胶粉尘、油污等，这些物质会附着在传感器光学镜头或被测轮胎表面，阻碍激光投射和反射，导致测量失真甚至完全失效。

  • 解决建议：

    1. 高防护等级传感器：选择达到IP65或更高防护等级的传感器，有效防止灰尘和水溅进入设备内部。

    2. 定期清洁：制定严格的传感器光学镜头清洁维护计划，确保镜面清洁。

    3. 气幕保护：在传感器镜头前加装气幕（air curtain）或防护罩，通过持续送气形成正压，阻止灰尘落在镜头上。

    4. 环境改善：在可能的情况下，改善车间环境，减少粉尘产生。

• 数据处理与集成难度

  • 原因和影响：高频高速的测量会产生大量数据，需要高效的算法进行实时处理和分析。同时，传感器与生产线PLC、上位机系统之间的通信和数据集成也可能面临挑战。

  • 解决建议：

    1. 选择有成熟软件平台的产品：许多主流品牌提供配套的分析软件和开发套件，可以简化数据处理和算法开发。

    2. 标准化接口：确保传感器提供与现有自动化系统兼容的标准化输出接口（如工业以太网、RS485、模拟量等）。

    3. 寻求专业集成商：对于复杂的系统集成，可以寻求专业的系统集成商协助，他们具有丰富的经验，能够提供定制化的解决方案。

    4. 边缘计算或工控机：在生产线旁边部署工业PC或边缘计算设备，对传感器数据进行预处理和算法分析，减轻主控系统的负担。

4. 应用案例分享

• 轮胎胎面异物及凹陷检测：在轮胎硫化后，通过高速激光位移传感器阵列扫描胎面，快速检测胎面上的微小异物（如金属屑、沙石）、气泡导致的凹坑或硫化不充分造成的凹陷，确保胎面平整和完整性。例如，采用英国真尚有的激光位移传感器，能够快速、准确地识别胎面缺陷。

• 轮胎侧壁鼓包与刻痕检测：利用激光或结构光传感器对轮胎侧壁进行三维扫描，检测生产过程中可能出现的鼓包、凹陷、划痕或字符缺陷，这些缺陷可能影响轮胎的结构强度和外观质量。

• 轮胎均匀性与几何尺寸测量：在轮胎成型或终检环节，采用多传感器协同工作，实时测量轮胎的整体直径、宽度、圆度以及胎面与胎侧的几何轮廓，确保轮胎尺寸符合设计标准，并评估其均匀性。