如何利用非接触测量技术，实现±50微米级的轮胎均匀性在线检测，提升生产质量与效率？【智能制造】

1. 轮胎的基本结构与均匀性要求

轮胎，作为车辆与地面接触的唯一部件，其结构复杂且对性能要求极高。它由多种材料层叠而成，主要包括胎面、胎肩、胎侧、胎圈、帘布层、带束层等。这些部件协同工作，承载车辆、缓冲震动、传递驱动与制动扭矩，并提供转向力。

在轮胎生产中，"均匀性"是一个核心技术指标，它直接关系到轮胎的性能、舒适性、安全性和使用寿命。想象一下，如果一个车轮不是完美的圆形，或者它的表面高低不平，就像一个有些变形的饼，那么当它在地面上滚动时，车辆就会产生颠簸、抖动、噪音，甚至影响操控稳定性，加速磨损。

对于轮胎而言，均匀性主要体现在以下几个方面：

• 轮胎圆度：这包括径向圆跳动（Radial Run-out）和侧向圆跳动（Lateral Run-out）。径向圆跳动是指轮胎旋转时，胎面中心线距离旋转中心的半径变化量；侧向圆跳动则是指轮胎侧壁在旋转平面内的摆动量。通俗地说，就是轮胎是否“够圆”以及旋转时是否“晃动”。

• 胎面轮廓：指的是胎面花纹的形状、深度、宽度以及不同花纹块之间的相对位置。这些参数的均匀性直接影响轮胎的抓地力、排水性能和磨损特性。比如，如果胎面花纹深度不一致，会导致轮胎磨损不均，缩短寿命，甚至影响雨雪天的抓地力。

生产过程中，原材料的微小差异、成型工艺的波动、硫化过程中的变形等都可能导致轮胎均匀性不达标。因此，在制造环节进行高精度、高效率的非接触式测量，是确保轮胎均匀性的关键。

2. 轮胎相关技术标准简介

为了客观评价轮胎的均匀性，行业内制定了一系列监测参数和评价方法。这些参数不仅仅是简单的尺寸测量，更涉及到轮胎动态性能的预测。

• 径向力变动 (RFV - Radial Force Variation)：评价轮胎在滚动过程中产生的径向力大小和方向的变化。不均匀的RFV会导致车辆在行驶过程中产生上下跳动感。

• 侧向力变动 (LFV - Lateral Force Variation)：评价轮胎在滚动过程中产生的侧向力大小和方向的变化。不均匀的LFV会导致车辆在行驶过程中产生左右摆动感，影响转向稳定性。

• 锥度 (Conicity)：衡量轮胎在滚动时产生侧向力的倾向。如果轮胎存在锥度，车辆会倾向于向某一侧跑偏。

• 鼓包/凹陷 (Bulge/Depression)：胎面或胎侧局部的异常凸起或凹陷，可能由内部结构缺陷或成型不良引起。

• 胎面深度均匀性：胎面花纹深度在整个圆周和宽度方向上的变化量。

• 断面宽度和外径：轮胎最基本的几何尺寸，其均匀性是其他性能的基础。

这些参数的评价通常通过让轮胎在一定载荷和速度下滚动，利用高精度传感器实时采集数据，并通过专门的算法进行分析和计算得出。这些数据是判断轮胎质量，进行分类和优化生产工艺的重要依据。

3. 实时监测/检测技术方法

在轮胎生产线上，为了快速、准确地评估轮胎的圆度和胎面轮廓，多种非接触式测量技术应运而生。激光与视觉方案是其中的主流。

（1）市面上各种相关技术方案

激光三角测量技术

激光三角测量是一种广泛应用于工业非接触式位移和轮廓测量的技术，尤其适合于轮胎圆度和胎面轮廓的精确检测。

工作原理和物理基础：这种技术的核心思想是利用激光束的几何特性和三角原理。传感器内部包含一个激光发射器和一个图像接收器（如CCD或CMOS），它们之间保持固定的基线距离L。激光发射器向被测物体表面发射一束激光光点或激光线。当激光光点或光线照射到物体表面时，会形成一个光斑。图像接收器以一个特定的角度α接收从物体表面反射回来的光。

由于物体表面距离传感器的远近不同，反射光斑在图像接收器上的位置也会发生变化。通过测量光斑在图像接收器上的位置变化Δx，并结合已知的基线L和接收角度α，就可以利用三角函数关系精确计算出物体表面的距离H。

其基本物理公式可以简化表示为：H = L * sin(θ) / sin(α + θ - φ) （其中φ为激光发射角度，α为接收角度，θ为光斑在接收器上的位置转换角度）对于简化的直角三角模型，当激光垂直照射，接收器倾斜时：H = L * tan(α) （其中L为基线长度，α为光斑在接收器上的角度对应值）或者更通用的，基于光斑在图像传感器上的偏移量Δx：H = (L * f) / (X_sensor + Δx) （其中f为接收镜头焦距，X_sensor为传感器零点位置，Δx为光斑偏移量）。实际应用中，由于镜头畸变和系统非线性，通常会通过标定获得更复杂的转换函数或查找表。

核心性能参数的典型范围：* 精度：微米级，通常在几微米到几十微米之间。* 分辨率：可达测量量程的万分之一到万分之五。* 测量频率：从几百赫兹到数十千赫兹不等，高端型号可达数千赫兹甚至更高，确保在物体高速运动时也能采集到密集的数据点。* 测量范围（量程）：从几毫米到数百毫米，可根据应用需求选择。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度、高分辨率：能够检测到轮胎表面细微的几何偏差。 * 高速测量：适合在线检测，不影响生产节拍。 * 非接触式：避免对轮胎表面造成损伤，减少磨损，延长设备寿命。 * 灵活性高：单个激光位移传感器可以测量一个点，通过多个传感器阵列或配合运动机构可以扫描出完整的轮廓。 * 对环境适应性强：很多传感器设计有较高的防护等级和宽广的工作温度范围。* 缺点： * 受表面特性影响：轮胎的颜色、材质、光泽度（特别是湿润或沾染异物时）可能会影响激光的反射效果和测量稳定性。 * 对环境光敏感：强烈的环境光可能干扰传感器的接收。 * 测量范围限制：单个传感器测量范围有限，对于宽大的胎面轮廓需要多个传感器拼接或扫描。

适用场景、局限性和成本考量：激光三角测量方案非常适合在轮胎生产线上对绿色轮胎、半成品和成品轮胎进行快速、高精度的圆度（如径向跳动、侧向跳动）和胎面轮廓（如花纹深度、宽度）检测。它能有效发现轮胎在成型和硫化过程中产生的尺寸偏差和几何缺陷。局限性在于对于非常复杂、多变的表面，可能需要更密集的扫描点或更复杂的数据处理算法。成本相对适中，单个高精度传感器价格不菲，但系统集成成本取决于所需的传感器数量和数据处理系统的复杂程度。

结构光三维扫描技术

结构光三维扫描是一种基于视觉的测量技术，通过向物体表面投射特定编码的光图案，然后用相机捕捉这些图案在物体表面的变形情况，从而重建物体的三维形状。

工作原理和物理基础：结构光系统通常由一个投影仪和一个或多个相机组成。投影仪向被测轮胎表面投射一系列预设的、已知几何形状的光栅图案（如条纹、点阵或编码图案）。当这些图案投射到具有起伏的轮胎表面时，会因表面形状的变化而发生变形。相机从一个或多个已知角度捕获这些变形后的图案图像。通过分析图像中图案的畸变情况，系统可以根据三角测量原理（与激光三角测量类似，但处理的是整个图案而非单个光点/线）计算出表面上每个点的三维坐标。常用的编码方式包括相移法、格雷码、彩色编码等，这些编码能帮助系统唯一识别每个像素点对应的投影光线，从而准确计算其深度信息。

核心性能参数的典型范围：* 测量精度：通常能达到亚毫米级，精细系统可达几十微米。* 扫描速度：全场扫描可在数秒内完成，快速获取整个轮胎表面的高密度三维数据。* 数据输出：高密度点云数据，可直接用于CAD模型对比、缺陷分析。

技术方案的优缺点：* 优点： * 全场三维数据获取：一次扫描即可获得大面积、高密度的表面三维数据。 * 对复杂形状适应性强：特别适合检测轮胎表面复杂的几何形状，如花纹、刻字等。 * 非接触测量：对被测物无损伤。 * 直观高效：通过点云数据，可以直观地分析表面偏差、变形、鼓包、凹陷等。* 缺点： * 对表面反射率敏感：过于光滑或过于暗淡的表面可能会影响图案的捕捉质量。 * 对环境光敏感：强烈的环境光会干扰投射图案，影响测量精度。 * 计算量大：处理高密度点云数据和复杂图案解码需要较强的计算能力。 * 可能不如单点激光位移传感器在局部点位上的超高频测量能力：结构光更侧重于一次性获取大面积数据。

适用场景、局限性和成本考量：结构光三维扫描非常适合轮胎的全面质量控制，可以对成品轮胎的胎面、胎侧、胎肩进行高精度三维检测，包括整体几何尺寸、胎面花纹深度、花纹块完整性、胎侧字符识别和缺陷检测（如鼓包、凹陷、表面撕裂等）。它能提供轮胎表面的完整数字孪生模型。局限性在于对高速移动的物体实时捕捉困难，通常需要轮胎停下或以匀速通过扫描区域。系统集成和软件开发成本相对较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们聚焦于轮胎圆度及胎面轮廓的非接触式测量，主要对比激光三角测量和结构光三维扫描这两种光学技术。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术) 日本基恩士以其创新的传感器技术闻名。其LJ-X8000系列激光轮廓仪采用激光三角测量原理，通过向轮胎表面投射一条激光线，并使用CMOS传感器接收反射光，从而高速高精度地重建轮胎表面轮廓。

  • 核心技术参数：采样速度最高可达64,000次/秒，Z轴重复精度可达0.1微米，X轴分辨率可达2.5微米。支持蓝色或红色激光，测量范围广。

  • 应用特点：LJ-X8000系列特别适合在线生产线上对轮胎胎面花纹深度、侧壁鼓包/凹陷、裂纹、磨损以及各种尺寸偏差进行高速、高精度的外部几何缺陷检测。

  • 独特优势：极高的采样速度和分辨率，配合强大的图像处理算法，能实现快速精确的在线质量控制。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量技术) 英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器是一款超小型测量设备，尺寸仅4530.517mm，通过多传感器阵列或配合运动机构，可以实现精确的轮廓扫描和圆度测量。其原理同样是激光三角测量。

  • 核心技术参数：线性度达到±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率最高9400Hz。提供10/25/50/100/250/500mm等多种量程选择。支持标准红色激光，可选蓝光或UV激光。

  • 应用特点：ZLDS103的紧凑设计使其非常适合集成到空间受限的自动化检测设备中。在轮胎检测中，可用于高精度测量轮胎的径向/侧向跳动，以及通过点对点扫描来获取胎面轮廓数据。

  • 独特优势：体积小巧，易于集成；高测量频率和高分辨率使其在高速和精密测量场景中表现出色，尤其适合局部高精度测量或多点同步测量。

• 瑞典海克斯康 (采用结构光三维扫描技术) 瑞典海克斯康通过收购AICON 3D Systems等品牌，在光学三维测量领域实力雄厚。其AICON ScanRuler系列（结构光三维扫描系统）能够对轮胎表面进行快速全场三维扫描。

  • 核心技术参数：测量精度可达亚毫米级，在几秒内完成整个轮胎表面的三维数据采集，输出高密度三维点云数据。

  • 应用特点：该系统适用于轮胎表面复杂几何形状的微小偏差检测，如鼓包、凹陷、变形、表面纹理缺陷以及进行标记读取等。

  • 独特优势：能够提供轮胎表面的完整三维数据，进行全局性质量评估和CAD对比分析，对于复杂缺陷和精细几何尺寸的检测具有独特优势，且完全非接触。

（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

在为轮胎均匀性检测选择激光或视觉测量方案时，需要综合考虑多个技术指标，以确保方案既满足精度要求，又符合生产效率和成本预期。

1. 精度 (Accuracy) 与分辨率 (Resolution)：

   • 实际意义：精度指测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率指设备能分辨出的最小变化量。对于轮胎圆度和轮廓测量，精度决定了能否检测出微小的变形或偏差；分辨率则影响测量结果的精细程度。

   • 影响：低精度和低分辨率可能导致无法发现细微的质量问题，影响轮胎性能甚至安全。

   • 选型建议：对于追求极致均匀性和高性能的轮胎（如高端乘用车轮胎），应选择具有较高精度和分辨率的传感器。对于一般工业用途，几十微米到百微米的精度可能已经足够。

2. 测量频率 (Measurement Frequency) 或扫描速度 (Scanning Speed)：

   • 实际意义：测量频率指传感器每秒能进行多少次测量，扫描速度指系统完成一次全场扫描所需时间。这直接影响生产线的节拍和效率。

   • 影响：低测量频率或慢扫描速度会拖慢生产线，或者导致在高速运动的轮胎上无法获取足够密集的有效数据点。

   • 选型建议：在线检测需要高测量频率的激光位移传感器或快速全场扫描的结构光系统。离线或抽样检测对速度要求可适当放宽。

3. 测量范围 (Measuring Range) 或视场 (Field of View)：

   • 实际意义：测量范围是传感器能测量的最大距离或深度，视场是单次测量能覆盖的区域大小。

   • 影响：测量范围过小可能无法覆盖整个轮胎的尺寸变化，需要增加传感器数量或复杂的机械扫描；视场不足则可能导致无法一次性检测整个目标区域。

   • 选型建议：根据轮胎的尺寸（直径、宽度）选择合适的测量范围。对于胎面轮廓，如果需要一次性获取较宽区域数据，结构光系统或多个激光轮廓传感器组成的阵列会更合适。

4. 线性度 (Linearity)：

   • 实际意义：衡量传感器在整个测量范围内输出信号与实际位移之间关系的线性程度。线性度越好，测量结果的系统误差越小，无需复杂的校准补偿。

   • 影响：线性度差会导致在测量范围不同位置的误差不一致，影响整体测量准确性。

   • 选型建议：确保线性度满足所需精度要求，通常线性度越好的传感器能提供更可靠的测量结果。

5. 激光类型与波长 (Laser Type and Wavelength)：

   • 实际意义：不同波长的激光对不同材质和颜色的物体表面有不同的反射特性。例如，蓝光激光对深色或高温表面具有更好的测量稳定性。

   • 影响：选择不当可能导致测量信号弱、噪声大，甚至无法测量。

   • 选型建议：对于黑色橡胶轮胎，蓝光或红光激光通常是好的选择。若轮胎表面颜色多变或在高温环境下检测，蓝光或UV激光可能提供更好的性能。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

1. 问题：轮胎表面反射率不均

   • 原因与影响：轮胎表面可能存在不同颜色（如花纹块与胎侧）、不同光泽度（如新胎与旧胎、湿润与干燥）、以及制造过程中可能残留的脱模剂等，导致激光或结构光图案在不同区域的反射强度不一致，影响传感器接收信号的质量，进而降低测量精度和稳定性。

   • 解决建议：

     • 选用对表面特性不敏感的激光波长（如蓝光激光对黑色表面效果更好）。

     • 采用动态增益控制或高动态范围（HDR）的图像传感器，以适应不同反射率区域。

     • 在测量前进行表面预处理，如清洁或喷涂一层薄薄的漫反射涂层（但可能影响效率和成本）。

2. 问题：环境光干扰

   • 原因与影响：生产车间内的照明、窗户射入的阳光等环境光，如果其光谱与测量激光或结构光图案接近，可能会被图像传感器误判为有效信号，产生噪声或错误数据。

   • 解决建议：

     • 在测量区域设置物理遮光罩或暗箱，隔离环境光。

     • 使用窄带滤光片，仅允许特定波长的光通过，滤除大部分环境光。

     • 采用调制激光或编码结构光技术，通过信号处理区分有效测量信号和环境光。

3. 问题：振动对测量的影响

   • 原因与影响：生产线上的机械振动或轮胎本身转动时的不平衡，可能导致测量系统与轮胎之间产生相对位移，引入测量误差。

   • 解决建议：

     • 将测量设备安装在稳固的基座上，并采取减振措施，如使用减振垫或气浮平台。

     • 选用高测量频率的传感器，在极短时间内完成数据采集，减少振动影响。

     • 利用多传感器同步测量和数据融合算法，对振动引起的误差进行补偿。

4. 问题：数据处理量大与实时性要求高

   • 原因与影响：高精度、高速测量会产生海量的三维点云数据，如果处理能力不足，可能导致数据分析滞后，无法满足生产线实时反馈和控制的需求。

   • 解决建议：

     • 采用高性能的工业计算机和多核处理器，配合GPU加速。

     • 优化数据处理算法，如并行计算、特征提取而非全量数据处理。

     • 利用边缘计算，在传感器端进行初步数据预处理，减少传输和中央处理器负担。

4. 应用案例分享

• 绿色轮胎成型质量控制：在轮胎硫化之前，利用激光位移传感器或结构光扫描系统，对绿色轮胎的外径、胎面宽度、胎侧厚度、胎体均匀性进行实时测量，及时发现成型缺陷，避免不合格品进入下一道工序。英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器凭借其小巧的体积和高精度，可以灵活地集成到各种检测设备中，实现对绿色轮胎的精确测量。

• 成品轮胎均匀性检测：在轮胎下线后，通过多组激光轮廓传感器对轮胎进行高速旋转扫描，精确测量其径向/侧向圆跳动、锥度、不平衡量以及胎面花纹深度和均匀性，确保产品满足出厂标准。

• 轮胎磨具磨损检测：利用高精度结构光三维扫描系统，定期对轮胎硫化模具的内腔进行三维扫描，检测模具磨损、变形或缺陷，确保生产出的轮胎具有精确的形状和花纹。

• 胎面花纹深度与磨损评估：在轮胎测试或售后市场，激光轮廓仪可以快速准确地测量胎面花纹深度，评估轮胎磨损情况，为车辆维护和更换提供数据支持。