如何在轮胎生产线上实现高速、微米级精度的径向跳动与侧向跳动在线检测？【非接触测量，质量控制】

1. 轮胎的基本结构与技术要求

想象一下，一个轮胎就像一件复杂的艺术品，它由多种材料层层叠叠、精确组合而成。它的核心结构包括：

• 胎面（Tread）：直接接触路面，提供抓地力、排水和耐磨性。

• 胎侧（Sidewall）：连接胎面和胎圈，负责支撑车辆重量和吸收震动。

• 胎体（Carcass）：由帘线层构成，是轮胎的骨架，承受内部气压和外部载荷。

• 带束层（Belts）：位于胎面下方，由高强度材料构成，用于增强胎面刚性，减少变形。

• 胎圈（Bead）：位于轮胎内缘，与轮辋紧密结合，防止轮胎从轮辋上脱落。

这些部件在制造过程中需要极其精确的配合和成型。如果任何一个环节出现微小的偏差，比如胎体帘线层铺设不均匀、带束层搭接不良或胎面胶厚度不一致，都可能导致轮胎在高速旋转时出现问题。这就好比一个精心制作的陶罐，如果其底部或侧壁的厚度不均匀，当它在转盘上旋转时就会摇晃，无法保持平稳。在轮胎这里，这些“摇晃”就体现在径向跳动和侧向力变异上，它们直接影响驾驶的平顺性、车辆的操控性以及轮胎的使用寿命。因此，精确控制这些几何和力学特性是提升轮胎质量的关键。

2. 针对轮胎的相关技术标准简介

为了确保轮胎的性能和安全，行业内对轮胎的几何尺寸和力学均匀性有一系列严格的监测参数和评价方法。

• 径向跳动 (Radial Runout)：指的是轮胎在旋转过程中，其外径表面与理想圆周之间的最大偏差。可以想象成一个不完全圆的轮子，在转动时，它的半径会周期性地变大变小。测量时，通常将轮胎固定在轮辋上，以恒定速度旋转，传感器沿径向测量胎冠表面与旋转中心的距离变化，记录其最大和最小值的差值。这个差值越小，轮胎就越“圆”，行驶起来就越平顺。

• 侧向跳动 (Lateral Runout)：指的是轮胎在旋转过程中，其胎侧表面与理想平面的最大偏差。这就像一个不完全垂直于轴线的圆盘，在旋转时，它的侧面会周期性地左右摇摆。测量时，传感器沿轴向测量胎侧表面（通常是胎侧的中心线）与基准平面的距离变化，记录其最大和最小值的差值。侧向跳动过大可能导致车辆跑偏或方向盘抖动。

• 径向力变异 (Radial Force Variation, RFV)：这是衡量轮胎在受载荷旋转时，沿径向产生的力大小变化的指标。即使径向跳动很小，如果轮胎内部材料的弹性或质量分布不均匀，也会导致径向力的周期性变化。这就像一个形状完美的橡皮球，如果它的内部有一个硬块，在滚动时，这个硬块接触地面时产生的压力会比其他部分大。RFV通常通过轮胎均匀性试验机来测量，在特定载荷下模拟轮胎在路面滚动，并记录其径向力的波动。

• 侧向力变异 (Lateral Force Variation, LFV)：指的是轮胎在受载荷旋转时，沿轴向产生的侧向力大小变化的指标。这类似于RFV，但方向是侧向。如果轮胎的结构不对称或制造不均匀，滚动时就会产生周期性的左右推力，导致车辆侧向晃动或跑偏。LFV同样通过均匀性试验机测量。

这些参数的精确控制，直接关系到轮胎在车辆行驶时的舒适性、稳定性、抓地力以及耐久性。

3. 实时监测/检测技术方法

在轮胎生产线上，采用非接触测量技术来实时控制径向跳动和侧向力变异，是提升产品质量的关键。市面上有多种成熟的技术方案，各有其特点和适用场景。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光三角测量技术（点式与线扫描式）

这是一种非常常见的非接触位移测量技术，广泛应用于工业领域。它的核心思想是利用激光束的反射位置变化来计算距离。

工作原理和物理基础：

想象你用手电筒斜着照向一个物体，然后从旁边用眼睛观察。如果物体离手电筒近了，光斑在你视线中的位置就会移动。激光三角测量就是基于这个原理：

1. 点式激光位移传感器：一个激光发射器向被测物体表面发射一束聚焦的激光点。物体表面反射的激光被一个接收器（通常是CCD或CMOS传感器）从一个固定的角度接收。接收器与激光发射器之间有一个已知的基线距离。当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，反射光斑在接收器上的位置会发生移动。通过测量光斑在接收器上的位置，并结合几何三角关系，就可以精确计算出传感器与物体表面的距离。

   其基本几何关系可以简化为： 在一个三角形中，已知激光发射点、接收透镜的中心和被测物体表面上的激光点。当物体表面沿激光发射方向移动距离Δh时，反射光斑在接收器上的位置会移动距离Δx。 距离Z（从传感器到被测物体）与光斑在接收器上位置X_sensor的关系可近似表示为： Z = (L * f) / (X_sensor + L * tan(α)) 其中，L是发射器与接收器之间的基线距离，f是接收透镜的焦距，α是激光束的入射角。通过这个公式，传感器内部的处理器能实时解算出距离值。

   核心性能参数典型范围： 点式传感器：分辨率通常可达微米甚至亚微米级别（例如0.1微米到几十微米），线性度在±0.01%到±0.1%之间，测量频率可高达数千赫兹甚至更高。测量范围从几毫米到数百毫米不等。

   技术方案的优缺点： * 优点：测量精度极高，响应速度快，非接触，对大部分材料表面都适用。体积可以非常小巧，适合在空间受限的区域安装。可选择不同波长激光（如蓝光）来应对高温、反光或透明材料。 * 缺点：每次只能测量一个点，要获取轮廓或进行区域扫描需要传感器移动或多传感器阵列。受表面颜色、光泽度等影响较大，需要通过优化设置或选用特定波长激光来解决。 * 适用场景：非常适合在轮胎旋转时对胎冠或胎侧的某一点进行高速、高精度位移测量，从而计算径向跳动或侧向跳动。多点组合可形成轮廓扫描。

2. 线扫描式激光轮廓仪：与点式传感器不同，它不是投射一个激光点，而是投射一条激光线到物体表面。这条激光线在物体表面形成的轮廓，被接收器（通常是二维CMOS阵列）捕捉。同样基于三角测量原理，传感器能够实时获取物体表面的二维轮廓数据。

   核心性能参数典型范围： Z轴（深度）分辨率可达0.1微米到几微米，X轴（宽度）分辨率几微米到几十微米。测量速率可达每秒几千到几万个轮廓。测量范围宽广，从几毫米到几百毫米。

   技术方案的优缺点： * 优点：能快速获取物体表面的完整二维轮廓，一次性提供大量几何信息。测量速度快，适用于在线高速检测。可以方便地进行尺寸、形状、平面度等多种参数的测量。 * 缺点：数据量庞大，需要强大的处理能力。同样受表面特性影响，且对安装精度要求高。 * 适用场景：非常适合在轮胎高速旋转时，通过一条或多条激光线扫描轮胎胎冠、胎侧的轮廓，实时获取轮胎的完整三维几何数据，从而精确计算径向跳动、侧向跳动、胎面沟槽深度、胎侧鼓包/凹陷等详细信息。

3.1.2 结构光扫描技术

这是一种通过投影图案来获取三维形貌的技术，与激光三角测量有所不同。

工作原理和物理基础： 设想你往一个物体上投射一个带有条纹或方格的图案，就像幻灯片一样。如果物体表面是平坦的，图案看起来是正常的；但如果物体表面有起伏，图案就会发生弯曲和变形。结构光扫描就是利用高分辨率相机拍摄这些变形的图案，然后通过复杂的图像处理算法和三角测量原理，重建出物体表面的三维点云数据。这种方法可以一次性获取大量的表面点数据。

核心性能参数典型范围： 测量精度最高可达数十微米。单个扫描区域的测量速度通常在数秒内完成。点云密度极高，能够获取数百万个测量点。

技术方案的优缺点： * 优点：能够获取高密度、高精度的全三维表面数据，非常适合复杂自由曲面的高精度测量和缺陷检测。 * 缺点：对环境光线敏感，通常需要暗室或特定照明条件。单次扫描速度相对激光线扫描较慢，更适用于离线或低速的精细检测。成本相对较高。 * 适用场景：适合在实验室环境下对轮胎进行精细的三维几何分析，或者在生产线末端对轮胎进行全面、高精度的质量评估，特别是对胎侧鼓包、凹陷等细微缺陷的检测。

3.1.3 机器视觉图像处理技术

这种技术更侧重于图像的分析和识别，而非直接的距离测量。

工作原理和物理基础： 机器视觉系统就像一个装备了智能大脑的“眼睛”。它使用工业相机捕捉轮胎在特定照明条件下的二维图像，然后利用内置或外部计算机的图像处理软件，运行预设的算法来分析这些图像。这些算法可以识别轮胎的边缘、检测特定的图案、寻找缺陷，或者测量图像中特定特征的尺寸。例如，通过识别轮胎的内外边缘，可以计算其宽度、直径，并跟踪这些尺寸在旋转过程中的变化来推断跳动。

核心性能参数典型范围： 分辨率取决于相机型号，通常为百万像素级别。检测速度取决于图像处理的复杂度和传输速度，可实现高速在线检测。测量精度在亚毫米到几十微米级别，受像素大小和光学配置影响。

技术方案的优缺点： * 优点：功能多样，除了尺寸测量，还能进行缺陷检测、字符识别、定位等。成本效益相对较高，配置和集成较为灵活。 * 缺点：主要基于二维图像，获取深度信息需要复杂的立体视觉配置。精度受限于图像像素和光学畸变，可能不如纯激光测量系统。对光照条件要求较高。 * 适用场景：适用于轮胎生产线上相对简单的几何尺寸检测（如胎面宽度、胎侧高度）、存在/缺失检测以及明显的缺陷识别。在计算径向或侧向跳动时，可以通过跟踪轮胎边缘在图像中的位置变化来实现。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在非接触测量技术领域表现突出的主流品牌，它们在轮胎生产质量控制中发挥着重要作用。

• 德国米乔尔集团 德国米乔尔集团以其scanCONTROL系列激光轮廓扫描仪闻名，主要采用激光三角测量法（线扫描式）。其设备能够将一条激光线投射到轮胎表面，并通过高分辨率接收元件捕捉散射光，实时生成高精度的2D轮廓或3D图像。该品牌的核心优势在于极高的测量精度和速度，其测量速率可达10000个轮廓/秒，Z轴分辨率可达0.1微米，X轴分辨率为几微米，线性度低至±2微米，非常适合高动态过程中的表面轮廓和尺寸测量。

• 英国真尚有 英国真尚有ZLDS103激光位移传感器是一款典型的激光三角测量法（点式）设备。它通过发射一个激光点并检测其在传感器上的反射位置来计算距离。该产品体积紧凑，尺寸仅45*30.5*17mm，非常适合空间受限的工业环境。ZLDS103提供10/25/50/100/250/500mm等多种量程选择，线性度达到±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率最高可达9400Hz，确保在高速测量时依然保持超高精度。它还支持可选的蓝光或UV激光器，能更好地适应高温或有机材料测量。其高精度和高频率的特点使其成为轮胎径向跳动和侧向力变异点式测量的理想选择，通常需要多个传感器组合或配合旋转机构来获取完整信息。

• 日本基恩士 日本基恩士的LJ-X8000系列激光轮廓测量仪也是基于激光三角测量与高速图像处理相结合（线扫描式）。它通过扫描激光线获取轮胎轮廓数据，并利用内部高速专用处理器进行实时分析。其显著特点是极高的轮廓获取速度，最高可达16000个轮廓/秒，Z轴重复精度可达0.25微米。日本基恩士的优势在于其强大的内置图像处理和分析功能，无需外部计算机即可实现复杂的测量，且用户界面友好，易于操作和编程，适用于在线高速生产线的批量检测。

• 意大利马波斯 意大利马波斯的T100轮胎几何测量系统专注于轮胎行业，采用多点激光三角测量技术。该系统通过多个激光传感器对轮胎进行高速、高精度的三维扫描，同步采集数据以生成完整的点云或轮廓数据。它能够全面分析径向和侧向跳动、胎侧鼓包/凹陷、胎冠形状、胎圈位置等几何特性。其优势在于专为轮胎行业设计，集成了先进的激光传感器技术和专业的分析软件，测量周期通常在数秒内完成一个轮胎的全面检测，精度可达微米级别，确保高精度和高可靠性。

• 瑞典海克斯康 瑞典海克斯康的AICON SmartScan系列产品采用结构光扫描技术。它通过向轮胎表面投影已知图案（如条纹），然后用两个或多个高分辨率相机捕捉这些图案的变形，并利用计算机视觉算法重建轮胎表面的三维点云数据。这种方法可以捕捉极其精细的表面几何特征和微小变形。其测量精度最高可达数十微米，能获取数百万个测量点，尤其擅长复杂自由曲面的高精度测量，适用于轮胎的详细几何分析和缺陷检测。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的非接触测量设备，就像为一场精密的足球比赛挑选球员，每个位置都需要最适合的选手。对于轮胎生产中的径向跳动和侧向力变异控制，以下几个技术指标至关重要：

• 精度与线性度：

  • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，线性度则衡量传感器输出信号与实际位移之间是否呈严格的直线关系。在轮胎测量中，哪怕是微米级的偏差也可能影响驾驶体验。

  • 影响：如果传感器精度或线性度不足，即便测量值显示轮胎合格，实际可能存在问题，导致漏检；反之，也可能误判合格产品为不合格。

  • 选型建议：对于高端轮胎或对质量要求极高的生产线，应优先选择精度和线性度指标优异的传感器（如线性度接近±0.05%），确保测量结果的准确性。对于一般精度要求，可适当放宽，但仍需确保满足行业标准。

• 分辨率：

  • 实际意义：传感器能分辨出的最小位移变化量。分辨率越高，传感器对轮胎表面微小起伏和跳动的捕捉能力就越强。

  • 影响：分辨率不足会导致细微的几何缺陷无法被检测到，从而影响最终的轮胎均匀性。

  • 选型建议：通常建议选择微米级甚至亚微米级分辨率的传感器。对于需要捕捉细微变化的场景，例如胎侧鼓包或微小跳动，高分辨率是不可或缺的。

• 测量频率（响应时间）：

  • 实际意义：传感器每秒能进行多少次测量。对于高速旋转的轮胎，高测量频率意味着可以在轮胎转动一圈的过程中采集到更多的数据点，从而更完整、更准确地还原轮胎的实际轮廓。

  • 影响：测量频率过低可能导致“采样不足”，无法捕捉到高速旋转轮胎上的所有几何细节和瞬间跳动峰值，就像用慢速相机去拍飞速驶过的汽车，很多瞬间的画面会被错过。

  • 选型建议：对于在线高速检测，测量频率应至少达到几千赫兹才能确保数据点的密集度。线扫描式传感器需要关注轮廓获取速度。

• 测量范围（量程）：

  • 实际意义：传感器能够测量的距离或位移的最小到最大范围。

  • 影响：测量范围过小，可能无法覆盖轮胎生产过程中可能出现的跳动或变形的最大值，导致超出测量范围而无法获取数据；过大则可能牺牲部分精度。

  • 选型建议：根据轮胎尺寸、预期的最大径向/侧向跳动量以及传感器与轮胎的安装距离来选择合适的量程。

• 光斑大小/激光线宽度：

  • 实际意义：激光点或激光线在被测物体表面形成的实际尺寸。

  • 影响：光斑或激光线太大会“模糊”细节，导致对微小特征或尖锐轮廓的检测精度下降。

  • 选型建议：越小的光斑或越细的激光线通常能提供更高的细节分辨能力，适合精细的轮廓扫描和微缺陷检测。

• 环境适应性：

  • 实际意义：传感器在恶劣工业环境（如粉尘、潮湿、振动、温度变化）下稳定工作的能力。防护等级（如IP67）、工作温度范围和抗振动/冲击能力是关键。

  • 影响：环境适应性差的传感器在生产线上容易损坏、数据不稳定或寿命缩短。

  • 选型建议：轮胎生产环境通常比较严苛，应选择防护等级高、工作温度范围广、抗振动抗冲击能力强的传感器，例如IP67防护等级的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最佳的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些挑战，就像驾驶一辆高性能跑车，也需要懂得如何应对复杂的路况。

• 问题1：轮胎表面特性对测量的影响

  • 原因与影响：轮胎表面通常是黑色橡胶，吸光性强，有时还有花纹、文字、脱模剂残留，导致表面反射率不均匀、散射效果差或局部反光，这会干扰激光或视觉传感器的信号接收，引起数据跳动或测量盲点。

  • 解决建议：

    • 优化光源：对于激光传感器，可选择波长更短、穿透力更强的蓝光或UV激光器，它们对黑色橡胶表面的反射效果通常优于传统红光激光。

    • 调整角度：调整传感器与轮胎表面的入射角和接收角，尽量避免镜面反射或过度散射。

    • 软件滤波：对采集到的数据进行实时滤波处理，去除异常值，平滑数据曲线。

• 问题2：生产环境的干扰

  • 原因与影响：轮胎生产线上常有粉尘、烟雾、水汽、环境光线变化以及机械振动。这些都可能遮挡光路、改变光传播路径或导致传感器本身产生位移，从而引入测量误差。

  • 解决建议：

    • 物理防护：为传感器安装防护罩、气幕吹扫装置，保持光学窗口清洁。选择IP67等高防护等级的传感器。

    • 光路优化：尽量避免环境光线直射传感器或被测区域，必要时增加遮光罩。

    • 抗振动设计：优化传感器安装支架的结构，采用减振材料，或在软件中加入振动补偿算法。

• 问题3：高速测量下的数据处理挑战

  • 原因与影响：高精度、高频率的非接触测量会产生海量的原始数据。如果后端处理系统性能不足，可能导致数据处理延迟、瓶颈，无法实现实时反馈和控制。

  • 解决建议：

    • 高性能硬件：选用工业级高性能计算机或专用图像处理器（GPU），甚至采用边缘计算设备进行数据预处理。

    • 优化算法：采用更高效的数据处理和分析算法，例如并行计算、多线程处理。

    • 数据压缩与传输：优化数据传输协议和压缩方式，确保数据能够快速、可靠地从传感器传输到处理单元。

• 问题4：设备的校准与维护

  • 原因与影响：传感器在长期运行后，可能因环境变化、部件老化等原因导致测量精度漂移。不定期校准会导致测量结果失真，影响产品质量。

  • 解决建议：

    • 定期校准：建立标准校准流程，使用经过认证的标准件或校准板定期对传感器进行校准，确保其精度符合要求。

    • 预防性维护：定期检查传感器的光学窗口、连接线缆和安装状况，及时清理灰尘，确保设备处于最佳工作状态。

    • 智能诊断：部分高端传感器具备自诊断功能，可实时监控自身健康状况并发出预警。

4. 应用案例分享

• 轮胎半成品胎体成型精度检测：在轮胎硫化（即“烤熟”定型）之前，对半成品胎体的径向和侧向轮廓进行精确扫描，及时发现并纠正胎体帘线层铺设不均匀等问题，避免缺陷进入下一道工序。例如，可以使用多个高精度点式激光传感器，如英国真尚有ZLDS103，对胎体轮廓进行扫描。

• 轮胎终检全尺寸与均匀性测量：在轮胎生产线末端，利用多传感器阵列对每一个成品轮胎进行高速、全面的三维几何扫描，精确测量径向跳动、侧向跳动、胎冠轮廓、胎侧鼓包/凹陷等参数，并与力学均匀性试验机数据联动，确保出厂轮胎符合所有质量标准。

• 轮胎磨耗测试与分析：在轮胎研发和耐久性测试中，非接触传感器可实时监测轮胎表面在不同行驶条件下的磨损情况和花纹深度变化，为轮胎配方和结构优化提供精确数据支持。

• 轮胎模具磨损与变形检测：除了检测轮胎本身，非接触测量技术也可用于定期检查轮胎硫化模具的几何精度和磨损情况，确保模具状态良好，从源头控制轮胎的成型质量。

参考资料：

• ISO 1000：轮胎——尺寸、气压、负荷能力和速度符号——术语和定义

• ASTM F1806：测量乘用车轮胎径向和侧向力变异的标准试验方法