如何选用激光检测技术，实现轮胎制造中微米级不圆度、径向与侧向跳动的自动化精准测量？【生产线品控】

1. 基于轮胎的基本结构与技术要求

轮胎，作为车辆与地面接触的唯一部件，其几何形状的精确性直接关系到行驶安全、乘坐舒适性以及燃油经济性。我们可以把轮胎想象成一个高速旋转的精密环形部件，如果这个“环形”不够圆，或者表面不均匀，在高速旋转时就会产生震动、噪音，甚至影响车辆的操控稳定性。

从结构上看，轮胎主要由胎冠（与地面接触部分）、胎肩、胎侧和胎圈组成。这些部分在制造过程中，受到材料均匀性、成型工艺、硫化过程等多种因素影响，都可能出现形状上的偏差，也就是我们常说的“不圆度”。

在技术要求上，生产商和行业标准对轮胎的径向跳动（垂直方向的偏差）、侧向跳动（水平方向的偏差）、锥度（轮胎形状的锥形偏差）以及局部不平整度都有严格的控制要求。这些参数的微小偏差都可能导致轮胎在车辆上运行时出现问题，就像车轮在转动时，如果有一个点高出来一点，或者侧面偏出去一点，车辆就会抖动。因此，对轮胎不圆度进行在线、高精度检测，是确保产品质量和行驶性能的关键环节。

2. 针对轮胎的相关技术标准简介

为了确保轮胎的性能，行业内对轮胎的几何参数有一系列评价标准和方法。这些标准关注的主要是轮胎在旋转状态下，其表面与理想圆形或平面之间的偏差。

• 径向跳动 (Radial Runout)：指的是轮胎在径向（垂直于轮轴方向）上的不均匀性。想象一下轮胎在地上滚动，如果它的径向跳动大，就像一个椭圆形的轮子在转，车辆就会上下颠簸。测量时，通常通过固定传感器，检测轮胎旋转过程中其外表面到轮轴中心的距离变化。

• 侧向跳动 (Lateral Runout)：指的是轮胎在轴向（平行于轮轴方向）上的不均匀性。如果侧向跳动大，就像轮胎在转动时左右摇摆，会影响车辆的直线行驶稳定性。测量时，传感器会检测轮胎侧壁在旋转过程中相对于固定基准面的左右摆动。

• 锥度 (Conicity)：描述的是轮胎在径向和侧向上的几何不平衡导致的，类似圆锥形的不对称性。轮胎如果存在锥度，车辆在行驶时会倾向于向某一侧跑偏，需要驾驶员不断修正方向。评价时，需要对轮胎的整体形状进行3D测量和分析。

• 动平衡 (Dynamic Balance)：虽然不是直接的不圆度参数，但轮胎的不圆度是导致动平衡不良的重要原因之一。动平衡检测通常是在轮胎旋转时，测量其在不同平面上的不平衡量，并通过加配重块来消除。

这些参数的评价通常会设定一个基准圆或基准平面，然后计算轮胎实际轮廓与这些基准之间的最大偏差、均方根偏差等指标。

3. 实时监测/检测技术方法

对轮胎不圆度进行在线检测，需要高速、高精度的非接触式测量技术。目前市面上主流的技术方案主要包括激光三角测量（点式）、激光线扫描三角测量和结构光扫描，它们各有特点，适用于不同的应用场景。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 激光三角测量（单点式）

这种技术是利用激光束照射到被测物体表面，然后从另一个角度接收反射回来的光线，通过三角几何关系来计算物体距离。你可以把这想象成一个简单的几何问题：已知一个三角形的两条边长和夹角，就可以算出第三条边长。

• 工作原理与物理基础： 激光器发射一束点状激光，照射到轮胎表面。当激光束碰到物体表面时，会形成一个光斑。这个光斑的反射光通过一个接收透镜，聚焦到一个位置敏感探测器（PSD）或CMOS/CCD图像传感器上。如果轮胎表面有高低变化，激光光斑在探测器上的成像位置就会发生移动。传感器内部的处理器通过检测这个光斑位置的变化，结合预先标定好的几何参数，就可以精确计算出轮胎表面与传感器之间的距离。 其基本原理可以用简化公式表示： Z = D * tan(α) / (tan(α) + tan(β)) 其中，Z是被测物体的距离变化，D是激光发射器和接收器之间的距离，α是激光发射角，β是反射光进入接收器并成像在探测器上的角度。当Z发生变化时，β会相应变化，从而导致光斑在探测器上的位置发生移动。通过精确测量光斑位置，反推出Z值。

• 核心性能参数： 这种传感器的测量频率可以非常高，一些高端型号的测量频率可以达到10kHz。精度和分辨率通常能达到微米级别，部分系统可以达到亚微米级别。测量范围（量程）从几毫米到数百毫米不等。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量速度快，精度高，体积小巧，易于集成到狭小空间。对环境适应性较强，可选择不同波长激光应对各种表面材质。成本相对较低，适合进行局部高精度点测量。

  • 缺点： 每次只能测量一个点，如果需要获取轮胎的完整轮廓，必须配合高精度的机械扫描装置（如旋转台或直线移动轴）进行点阵扫描。这会增加系统复杂性和整体测量时间。对轮胎表面颜色、光泽度的变化敏感，可能需要特定波长的激光或特殊算法进行补偿。

• 适用场景： 适合对轮胎特定点位的径向跳动、侧向跳动进行高精度实时监测，例如在动平衡机上辅助测量不平衡点，或者在生产线末端对关键尺寸进行抽样检测。对于需要在有限空间内进行高速、高精度位移测量的场景尤其适用。

b. 激光线扫描三角测量（视觉检测范畴）

这种技术是激光三角测量原理的扩展，它不再是测量一个点，而是同时测量一条线上的所有点，快速获取被测物体的二维轮廓。

• 工作原理与物理基础： 激光器发射一条线状激光束，投射到轮胎表面形成一条激光线。当轮胎表面有高低起伏时，这条激光线在三维空间中也会呈现出相应的起伏形状。一个高速高分辨率的二维相机（通常是CMOS或CCD）会从特定角度捕捉这条被物体表面调制过的激光线图像。系统通过分析图像中激光线的形状和位置变化，利用三角测量原理，计算出这条线上每个点的三维坐标，从而重构出轮胎在该扫描截面上的二维轮廓。

• 核心性能参数： 扫描速度可以非常快，例如每秒获取数万个轮廓（profile）。Z轴（高度）重复精度可达亚微米级，X轴（扫描宽度）分辨率可达几十微米。扫描宽度通常从几毫米到几百毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 能够高速、非接触式地获取轮胎的二维横截面轮廓数据，相比单点测量效率更高。可以快速检测胎面和侧壁的径向跳动和侧向跳动。许多智能传感器内置了数据处理和特征提取功能，简化了系统集成。

  • 缺点： 对轮胎表面的镜面反射或阴影区域可能存在数据缺失或误差。通常需要高速旋转轮胎才能获取完整的3D信息（通过多条2D轮廓拼接），对设备同步性要求高。

• 适用场景： 非常适合在轮胎生产线上进行全检，快速获取轮胎胎冠、胎肩和部分胎侧的横截面轮廓，用于分析径向和侧向跳动，以及其他几何尺寸缺陷。

c. 结构光扫描（视觉检测范畴）

结构光扫描是一种更为全面的三维视觉测量技术，它能一次性或通过几次扫描获取物体表面的高密度三维点云数据。

• 工作原理与物理基础： 与激光点或线扫描不同，结构光扫描仪通过投影仪向轮胎表面投射一系列已知的特定光图案（例如条纹、格栅或随机散斑）。同时，一个或多个高分辨率相机从不同角度捕捉这些图案在轮胎表面形成的变形图像。由于轮胎表面的形状不规则，这些投射上去的图案会发生扭曲、变形。系统通过分析这些图案的几何变化（比如条纹的弯曲程度、间距变化），结合三角测量原理和复杂的图像处理算法（如相移法），可以计算出轮胎表面上每一个点的三维坐标。最终，将这些海量的三维点连接起来，就能精确重构出轮胎的完整三维几何模型。

• 核心性能参数： 能够获取数百万甚至上亿个数据点，点距可达几十微米。测量精度通常在几十微米到几百微米之间，具体取决于测量体积。单次扫描采集时间从数秒到几十秒不等。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 获取的数据密度极高，能够提供轮胎表面完整的3D几何信息，可以全面分析不圆度、跳动、锥度以及其他复杂曲面缺陷。对于形状复杂的轮胎，能够捕捉更多细节。

  • 缺点： 采集速度相对较慢，对于高速在线检测而言，可能无法满足节拍要求。对环境光线和振动敏感，通常需要在较为稳定的环境中使用。设备成本通常较高。

• 适用场景： 主要用于轮胎研发、产品原型检测、模具检测或抽样质量控制，需要获取轮胎整体高精度3D几何数据的情况。在生产线上实现100%在线检测时，通常需要部署多台设备或优化扫描策略以提高效率。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几个在轮胎不圆度在线检测领域有代表性的品牌及其技术方案：

• 日本基恩士 (采用激光线扫描三角测量技术) 日本基恩士的LJ-V7000系列激光轮廓测量仪在业界非常知名，它能够高速获取轮胎的二维横截面轮廓。其Z轴测量范围最高可达120毫米，X轴扫描宽度最高可达240毫米，Z轴重复精度最高可达0.2微米，采样速度最高可达64,000次/秒。基恩士的产品以其高速、高精度的轮廓捕捉能力和稳定性著称，非常适合在自动化生产线上进行轮胎的实时全检，快速识别几何缺陷。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量（单点式）技术) 英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器是一款小巧的测量设备，尺寸仅4530.517mm。它采用单点激光三角测量原理，线性度可达±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率最高9400Hz。其量程选择丰富，提供10/25/50/100/250/500mm等多种选择，并提供可选的蓝光或UV激光器，增强了对不同颜色和材质轮胎表面的适应性。ZLDS103的优势在于其紧凑设计，便于在狭窄或空间受限的生产环境中灵活安装，同时提供高速、高精度的点位移测量。它适用于需要精确测量轮胎局部跳动、厚度或通过扫描实现轮廓重建的应用。

• 加拿大伦福德 (采用激光线扫描三角测量技术) 加拿大伦福德的Gocator 2500系列智能传感器同样采用了激光线扫描三角测量技术，但其独特之处在于高度集成的“智能”特性。以G2506型号为例，其Z轴测量范围可达30毫米，X轴扫描宽度可达9毫米，Z轴重复精度可达0.5微米，测量速度高达10 kHz。Gocator系列传感器的核心优势是内置强大的测量工具和算法，可以直接在传感器内部进行数据处理和特征提取，无需外部控制器，极大地简化了系统的部署和集成，为在线批量检测提供了完整的3D检测方案。

• 德国蔡司 (采用结构光扫描技术) 德国蔡司的ZEISS COMET L3D 2结构光扫描仪以其获取高密度、高精度三维表面数据的能力而闻名。其测量体积可灵活选择，例如最大可达500 x 375 x 250毫米，点距可低至0.06毫米，测量精度最高可达0.03毫米，单次扫描即可获取数百万个数据点。蔡司的优势在于能够全面捕捉轮胎复杂曲面的详细信息，并提供强大的软件支持进行数据分析。尽管单次扫描时间可能较长（数秒），但其提供的数据质量和完整性非常适合研发、质量控制和复杂缺陷分析。

（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

在选择用于轮胎不圆度在线检测的设备时，我们需要综合考虑多个关键技术指标，以确保测量系统能够满足实际生产需求。

• 精度与分辨率：

  • 实际意义： 精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率是能检测到的最小变化量。对于轮胎不圆度检测，微米甚至亚微米级的精度和分辨率至关重要，它直接决定了我们能否识别出细微的径向跳动、侧向跳动或表面缺陷。如果精度不够，一些肉眼难以察觉但影响性能的缺陷就可能被漏检。

  • 对测量效果影响： 高精度意味着测量数据更可靠、更接近真实情况。高分辨率则能捕捉到更精细的表面起伏变化。

  • 选型建议： 如果您的产品对不圆度要求极高（例如高性能轮胎），应优先选择精度达到几个微米，分辨率在0.1微米以下的传感器。

• 测量速度/频率：

  • 实际意义： 传感器每秒能进行多少次测量或获取多少个轮廓。对于在线检测，尤其是在高速生产线上，传感器必须能够跟上轮胎的转速和生产节拍，确保在轮胎旋转一周内获得足够密度的测量数据。

  • 对测量效果影响： 速度慢会导致数据点稀疏，可能遗漏缺陷；速度快则能获取更全面的数据，但对数据处理能力要求更高。

  • 选型建议： 对于高速旋转的轮胎，单点传感器需要至少几千赫兹的测量频率，而线扫描仪则需要每秒获取数千到数万个轮廓。

• 测量范围（量程）：

  • 实际意义： 指传感器能测量的最大和最小距离。需要确保传感器的测量范围能够覆盖轮胎在旋转过程中可能出现的位移量。

  • 对测量效果影响： 量程过小可能导致传感器超出测量范围而无法获取数据；量程过大则可能牺牲精度。

  • 选型建议： 根据轮胎的尺寸和可能的最大跳动量来选择合适的量程。

• 环境适应性：

  • 实际意义： 包括防护等级（IP等级，如IP67表示防尘防水）、工作温度范围、抗振动和抗冲击能力。轮胎生产车间往往存在灰尘、水汽、油污、温度波动和机械振动。

  • 对测量效果影响： 环境恶劣会影响传感器的长期稳定性和测量准确性，甚至导致设备故障。

  • 选型建议： 选择具有高防护等级（至少IP65，最好IP67）、宽工作温度范围和良好抗振动/冲击能力的传感器。

• 光源类型：

  • 实际意义： 激光波长。常见的有红光、蓝光和UV光。不同波长的激光对不同材质和颜色的物体表面有不同的穿透和反射特性。例如，黑色橡胶对红光吸收较多，反射较弱；而蓝光对黑色表面的反射效果通常更好。

  • 对测量效果影响： 错误的光源可能导致测量信号弱，噪声大，甚至无法测量。

  • 选型建议： 对于轮胎这种以黑色橡胶为主的物体，优选蓝光激光传感器，以获得更稳定的测量信号。

• 集成与软件：

  • 实际意义： 传感器是否容易安装、调试，数据接口是否兼容现有系统（如RS232/RS485、以太网、模拟输出），以及配套软件的数据处理、分析和可视化能力。

  • 对测量效果影响： 良好的集成性和强大的软件功能可以大幅降低系统开发和维护成本，提高检测效率。

  • 选型建议： 考虑传感器是否支持标准的工业通信协议，是否有易于使用的SDK或API。对于希望简化集成的用户，加拿大伦福德的智能传感器内置处理能力是很好的选择。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在线检测过程中，即使选择了高性能的传感器，也可能遇到一些实际问题。

• 问题1：轮胎表面特性影响测量精度

  • 原因： 轮胎表面通常是黑色橡胶，吸光性强，表面纹理（如胎面花纹、磨损）复杂，或在生产过程中可能附着粉尘、脱模剂等，导致激光反射信号弱、散射严重或不均匀。

  • 影响： 测量数据噪声大，重复性差，甚至无法准确识别激光点或线，导致不圆度计算错误。

  • 解决建议：

    1. 选择合适的光源： 优先选择蓝光或UV激光传感器，因为这些波长的光在黑色橡胶表面的反射效果通常优于红光。

    2. 优化传感器安装角度： 调整激光器的入射角和接收器的接收角，避开镜面反射和强散射区域，尽量捕捉最稳定的反射信号。

    3. 表面清洁： 在测量前对轮胎表面进行简单清洁，去除灰尘、油污等可能干扰测量的杂质。

    4. 多传感器融合： 使用多个传感器从不同角度同时测量，通过数据融合算法弥补单一传感器可能出现的盲区或弱信号区域。

• 问题2：生产线振动和轮胎高速旋转带来的挑战

  • 原因： 轮胎在生产线上高速旋转时，可能存在一定的机械振动或定位误差。

  • 影响： 传感器获取的数据会包含因振动引起的误差，降低测量结果的准确性和稳定性。

  • 解决建议：

    1. 提高机械稳定性： 确保轮胎夹具和传感器安装支架的刚性，减少机械振动传递。

    2. 选择高频传感器： 采用测量频率足够高的传感器，可以在短时间内获取更多数据点，并通过数据滤波算法（如移动平均、卡尔曼滤波）去除噪声。例如，英国真尚有的ZLDS103具有高达9400Hz的测量频率，适合此类场景。

    3. 同步触发机制： 确保传感器与轮胎旋转编码器或其他触发信号精确同步，以保证每次测量都在轮胎的相同相对位置。

    4. 动态补偿： 对于可预测的振动，可以通过额外的位移传感器监测振动并进行实时数据补偿。

• 问题3：环境光干扰

  • 原因： 车间内复杂的照明条件（如日光灯、窗外阳光）可能与传感器的激光波长重叠，导致背景光噪声。

  • 影响： 传感器接收器难以分辨激光信号与环境光，降低信噪比，影响测量准确性。

  • 解决建议：

    1. 窄带滤光片： 选用内置窄带滤光片的传感器，只允许特定波长的激光光线通过，有效抑制环境光。

    2. 遮光措施： 在测量区域加装遮光罩或围挡，尽量减少环境光的干扰。

    3. 提高激光功率或降低曝光时间： 在确保安全的前提下，适当提高激光发射功率，或通过调整相机曝光时间来增加激光信号的相对强度。

4. 应用案例分享

• 轮胎制造过程中的在线质量控制： 在轮胎硫化成型后，或在动平衡工序前，利用激光位移传感器或激光线扫描仪，对每个轮胎进行100%的径向跳动和侧向跳动检测，及时发现并剔除不合格产品，确保最终产品符合出厂标准。

• 研发阶段的性能评估与优化： 在新轮胎设计或材料配方开发阶段，高精度的检测系统能够精确评估不同设计方案对轮胎不圆度的影响，为结构和工艺优化提供可靠的数据支持。

• 汽车装配线上的预检测： 在将轮胎安装到车辆轮毂上之前，通过快速扫描检测轮胎的关键几何尺寸和不圆度，可以避免将有缺陷的轮胎装配到车辆上，从而减少后期返工和质量投诉。

在选择轮胎不圆度检测设备时，需要综合考虑精度、速度、量程、环境适应性、光源类型和集成性等因素。不同品牌和技术方案各有优势，用户应根据自身需求和预算做出选择。