高速轮胎生产线如何精确识别0.1mm微米级凹陷？【非接触式缺陷自动化检测】

1. 轮胎的基本结构与技术要求

轮胎是车辆与地面接触的唯一部件，它的结构复杂且对性能要求极高。我们可以把轮胎想象成一个由多层材料复合而成的精密“鞋子”，它不仅要承受车辆的全部重量，还要应对各种路况的冲击、磨损和温度变化。

从结构上看，一个典型的轮胎主要由胎面（与地面接触的部分，有花纹）、胎肩、胎侧、胎圈（固定在轮辋上的部分）、帘布层（提供强度）、带束层（稳定胎面）和内衬层等组成。这些部件协同工作，确保轮胎的弹性、强度、耐久性和抓地力。

在生产过程中，任何微小的缺陷都可能影响轮胎的整体性能，甚至带来安全隐患。其中，“凹陷”就是一种常见的表面缺陷。想象一下，如果鞋面上有一个不平整的坑洞，不仅穿起来不舒服，还可能在使用过程中因受力不均而加速损坏。对轮胎而言，凹陷可能意味着：

• 结构弱点： 凹陷区域的材料厚度或密度可能发生变化，导致局部应力集中，降低轮胎的承载能力和抗冲击性。

• 动平衡问题： 即使是很小的凹陷也可能导致轮胎在高速旋转时失去平衡，引起车辆振动，影响驾驶舒适性和安全性。

• 磨损不均： 凹陷会改变轮胎与地面的接触形状，导致胎面局部磨损加剧，缩短轮胎寿命。

• 美观性： 影响产品的外观质量，在消费者眼中降低产品价值。

因此，轮胎生产线对凹陷检测的技术要求是：非接触、高精度、高速度、全覆盖。非接触是为了避免二次损伤，高精度是为了捕捉微小缺陷，高速度是为了适应流水线节拍，全覆盖是为了不遗漏任何潜在问题区域。

2. 轮胎相关技术标准简介

为了确保轮胎的质量和性能，行业内制定了一系列严格的技术标准。这些标准通常会定义和评价轮胎的多种监测参数，以量化其特性并作为质量控制的依据。对于表面凹陷这类几何形貌缺陷，主要关注以下几个方面：

• 表面粗糙度与波纹度： 这反映了轮胎表面微观和宏观的平整程度。例如，标准的定义可能会区分小于某个波长的为粗糙度，大于某个波长的为波纹度。凹陷属于一种较大的波纹，其深度、宽度和斜率是评价的关键指标。评价方法通常涉及取样长度、截止波长等概念，通过测量轮廓线的起伏来计算。

• 尺寸精度与几何偏差： 这包括轮胎的整体直径、宽度、圆度等宏观尺寸，以及胎面花纹的深度、均匀性等。凹陷作为一种局部的几何形貌偏差，会被量化其相对周围表面的深度（例如，从基准平面算起的最大负向偏差）、影响区域的直径或面积。评价方法可能包括设定最大允许偏差值，超出即判定为不合格。

• 均匀性： 轮胎的均匀性至关重要，它包括径向力、侧向力、锥度等，这些都会影响车辆的操控和舒适性。虽然凹陷本身不直接是力学均匀性参数，但它可能导致材料分布不均，进而影响这些力学性能。检测通常通过旋转测量，记录整个圆周上的力学响应波动，并通过凹陷的几何信息来分析其对均匀性的潜在影响。

• 外观缺陷： 除了上述可量化的几何尺寸，标准还会对一些肉眼可见的表面缺陷，如划痕、裂纹、气泡、杂质以及凹陷等进行定性或半定量的分类和判定。例如，根据凹陷的大小、深度、位置，将其分为轻微、中度、严重等级，并给出相应的处理建议，如修复、降级或报废。

这些参数的定义和评价方法旨在提供一套统一的语言和工具，以便在轮胎的研发、生产和质检环节中，能够客观、准确地评估产品是否达到设计要求和使用性能标准。

3. 实时监测/检测技术方法

在轮胎生产线上实现非接触高精度凹陷检测，需要依赖先进的测量技术。目前市面上有很多成熟的解决方案，主要基于光学原理，通过发射光束并分析其反射或透射特性来获取物体表面的几何信息。

3.1 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非常常用的非接触式距离测量技术，其原理可以形象地理解为：我们用一束细细的激光“尺子”去测量一个点的高度。当激光束投射到物体表面时，会形成一个光斑。如果物体表面有高低变化，这个光斑的反射角度也会随之改变。传感器内部有一个接收器（比如CCD或CMOS图像传感器），它会捕捉这个反射光斑的位置。通过光斑在接收器上的位置变化，结合激光发射器、接收器和光斑之间的几何关系，就可以精确计算出物体表面的高度信息。

假设激光发射器与接收器之间有一段基线距离L，激光束以某一角度α发射到物体表面，反射光斑在接收器上的位置相对于中心点偏移了Δx。那么，通过简单的三角函数关系，物体表面到传感器基准面的距离h可以由以下公式推导得出（简化版，实际更复杂）：

h = L * sin(α) / (cos(α) + Δx / f)

其中f是接收器焦距。当物体表面存在凹陷时，光斑的反射位置会发生变化，从而计算出凹陷区域的深度。

这种技术的优点是：测量速度快，可以做到每秒数千次甚至上万次的测量，非常适合高速运动的生产线；精度高，可以达到微米级别；同时，由于是单点或单线测量，设备体积相对小巧，易于集成到现有产线中。例如，可以通过多个激光点传感器组成阵列，或者通过移动扫描的方式，对轮胎表面进行完整的轮廓扫描，进而识别凹陷。

然而，它也存在局限性：对于高反光或透明的物体表面，激光可能散射或穿透，导致测量不稳定；对于复杂的几何形状，可能需要多角度测量以避免阴影区域；如果被测物体的颜色、材质发生变化，可能需要调整传感器参数以保证测量精度。典型的性能参数包括：测量范围从几毫米到数百毫米，分辨率可达0.01%至0.001%量程，测量频率高达数十kHz。

结构光三维扫描技术

结构光三维扫描就像是用一个“投影仪”向轮胎表面投射一些有规律的图案（比如条纹、点阵），然后用一个或多个高分辨率相机去拍摄这些图案在轮胎表面上的“变形”。当轮胎表面平整时，图案看起来是规则的；但如果表面有凹陷或凸起，这些图案就会发生扭曲或弯曲。相机捕捉到这些扭曲的图案后，通过复杂的图像处理算法，结合光学三角测量原理，就能精确地重建出轮胎表面的三维点云数据。每个点都包含X、Y、Z坐标信息，就像给轮胎表面拍了一张超高清的三维“照片”。通过分析这些点云数据，就能识别和量化凹陷的深度、形状和位置。

这种技术的优势在于能够一次性快速获取整个区域的三维数据，对于复杂曲面和较大面积的凹陷检测效率很高，数据完整性强，可以实现非常精细的形貌分析。其精度通常可以达到几十微米甚至更低，相机分辨率可达数百万像素，测量速度快，单次扫描可在数秒内完成。缺点是设备通常比单点激光传感器体积大、成本高，且对环境光照比较敏感，需要相对稳定的光照条件。

共聚焦位移测量技术

共聚焦位移测量技术则是一种更高精度的“光学显微镜”，它能以纳米级的分辨率测量物体表面。它的工作原理是利用白光共聚焦原理：传感器发射一束白光，通过一个特殊的物镜将白光的不同波长聚焦到不同的深度。只有当物体表面刚好处于某一特定波长的焦点上时，反射回来的光才能通过一个微小的“光阑”（可以理解为一个极小的孔洞），被探测器接收到。通过扫描不同波长的光，并记录哪个波长的光被接收器捕捉到，就可以精确地判断出物体表面的高度。当扫描到凹陷区域时，被接收的波长会发生变化，从而精准测量出凹陷的深度。

这种技术的最大特点是分辨率极高，通常可达纳米级别，测量范围相对较小，一般在几十毫米以内。它能测量极小的光斑，非常适合检测微小特征和不规则表面，对不同材质的表面（包括高光泽、透明、粗糙表面）都有很好的适应性。缺点是测量速度相对较慢，成本较高，且测量范围有限，不适合大规模、快速的宏观形貌检测，更常用于高精度的局部微观缺陷分析。

白光干涉测量技术

白光干涉测量技术可以看作是“用光的波纹来测量高低”。它将一束白光分成两路，一路射向待测的轮胎表面，另一路射向一个已知非常平整的参考镜。当这两束光线反射回来并重新汇合时，如果它们的路径长度（光程）差别在白光的相干长度之内，它们就会发生干涉，产生明暗相间的条纹。就像在水面扔两块石头会产生波纹叠加一样。通过分析这些干涉条纹的强度和相位变化，就可以极其精确地计算出轮胎表面每一个点的三维形貌，包括粗糙度、波纹度以及微米甚至纳米级的凹陷。

白光干涉仪在垂直分辨率上具有压倒性优势，水平分辨率也能达到亚微米级别。测量视场可配置，可以快速进行区域扫描。它主要应用于对表面质量要求极高的研发和实验室环境中，能够提供极其详尽的表面形貌数据，精确量化极微小的凹陷深度和几何形状。其缺点是设备通常庞大且昂贵，对环境振动和温度变化敏感，不适用于高速、大范围的在线生产线检测，更多用于离线检测或小批量高精度检测。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款在非接触测量领域具有代表性的品牌及其技术方案：

• 日本基恩士 日本基恩士在工业自动化和检测领域处于领先地位。他们的LJ-V7080 2D激光位移传感器采用激光三角测量原理。这款传感器向目标投射激光线，通过CMOS传感器接收反射光，实时计算出物体横截面的高度和轮廓。其测量范围为5 ±0.8毫米（Z轴），重复精度高达0.005微米，采样速度可达64kHz，线性度为±0.05%量程，单次轮廓数据点多达3200点。日本基恩士的优势在于其产品的测量速度和精度极高，尤其适合轮胎生产线上的高速在线凹陷和轮廓检测，同时具备强大的抗环境光干扰能力和良好的易用性。

• 英国真尚有 英国真尚有ZLDS103激光位移传感器是一款采用激光三角测量原理的超小型测量设备。它通过发射单点激光束并接收反射光斑位置来测量距离。ZLDS103的尺寸仅45*30.5*17mm，设计紧凑，特别适合安装在空间受限的场所。它提供10/25/50/100/250/500mm等多种量程选择，线性度达到±0.05%，数字输出分辨率高达 0.01%，测量频率最高可达9400Hz。该传感器还提供标准红色半导体激光（660nm波长）及可选蓝光（450nm波长）或UV激光器（405nm波长），以适应不同材料和温度环境，并具备IP67防护等级和-10°C至+60°C的宽工作温度范围，环境适应性强。英国真尚有的优势在于体积小巧、高精度、高速测量能力以及多样的量程和激光选项，使其在需要非接触式高精度位移、尺寸和表面轮廓检测的工业应用中表现出色。

• 德国米克罗恩 德国米克罗恩专注于高精度传感器技术。他们的confocalDT 2421系列共聚焦位移传感器采用共聚焦位移测量原理。该系统基于白光共聚焦技术，通过测量不同波长在物体表面产生的焦点位置来获取高精度测量。其测量范围最小可达0.1毫米，最大30毫米，分辨率最高可达纳米级，线性度最低0.03%量程，测量频率最高70kHz。德国米克罗恩的优势在于其在测量精度和分辨率方面的卓越表现，特别适用于检测轮胎表面微小的凹陷、划痕和纹理，对不同表面材质和复杂几何形状具有强大的适应性。

• 瑞典海克斯康 瑞典海克斯康是全球领先的计量与制造解决方案供应商，其GOM ATOS Q三维扫描仪采用结构光三维扫描技术。该系统通过向物体表面投射已知图案的条纹光，并使用高分辨率相机捕捉变形后的图像，重建出物体表面的三维点云数据。其测量精度最高可达0.015毫米，相机分辨率最高800万像素，测量体积可灵活配置，单次扫描可在数秒内快速获取完整表面数据。瑞典海克斯康的GOM ATOS系列以高精度、高分辨率的三维数据获取能力闻名，特别适合对复杂曲面（如轮胎表面）的凹陷、变形和质量控制，提供全面的尺寸和形貌分析。

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

选择合适的非接触式凹陷检测设备时，需要综合考虑以下几个关键技术指标：

• 精度（重复精度、线性度）：

  • 实际意义： 精度直接决定了能够检测到的凹陷的最小尺寸和深度。重复精度是指多次测量同一位置时结果的一致性，线性度则表示在整个测量范围内测量值与真实值之间的偏差。如果一个凹陷的深度是10微米，而传感器精度只有50微米，那么这个凹陷就可能被“漏掉”或者测量不准确。

  • 影响： 精度不足会导致误判，可能将合格品判为不合格，或将不合格品放行，直接影响产品质量和报废率。

  • 选型建议： 对于轮胎凹陷检测，尤其是对细微缺陷有严格要求的区域，应优先选择重复精度在微米级的传感器。在初期，可以结合实际允许的最小缺陷尺寸来确定所需的精度。例如，如果最小可接受凹陷深度为0.1mm，那么选择精度在0.01mm量级的传感器会更可靠。

• 分辨率：

  • 实际意义： 分辨率是传感器能够分辨出的最小距离变化量。它决定了测量结果的精细程度。可以理解为一张图片有多少像素点，分辨率越高，细节呈现越清晰。

  • 影响： 分辨率太低，即使凹陷深度达到传感器的精度要求，也可能无法精确地量化其形状和深度细节，影响后续的缺陷分析。

  • 选型建议： 考虑到轮胎凹陷的形貌往往不规则，选择高分辨率的传感器有助于更准确地捕捉凹陷的几何特征。数字输出分辨率通常优于模拟输出。

• 测量频率/采样速度：

  • 实际意义： 测量频率是指传感器每秒能进行多少次测量。在生产线上，轮胎是高速运动的，高测量频率意味着可以在单位时间内获取更多的测量点，从而形成更密集的轮廓数据，避免“漏检”。

  • 影响： 测量频率过低可能导致在高速扫描时，相邻测量点之间距离过大，导致微小或狭长的凹陷被遗漏。

  • 选型建议： 结合生产线速度和所需的检测密度来选择。对于高速滚动的轮胎，通常需要数千赫兹甚至更高的采样频率才能保证检测的全面性。

• 测量范围/量程：

  • 实际意义： 测量范围指传感器能够进行有效测量的最大和最小距离。

  • 影响： 量程过小，可能无法覆盖轮胎表面预期的起伏范围；量程过大，在同等分辨率下，实际可用的精度会相对降低。

  • 选型建议： 根据轮胎的直径、需要检测的凹陷深度范围以及传感器安装距离来确定。选择合适的量程，既要能覆盖所有可能的高度变化，又要尽量缩小量程以提升测量精度。

• 光斑尺寸：

  • 实际意义： 光斑尺寸是指激光束在物体表面形成的实际测量区域大小。

  • 影响： 光斑尺寸过大，可能会“平滑”掉微小的凹陷，导致检测不到；光斑尺寸过小，扫描效率可能降低，需要更长的测量时间或更多的传感器。

  • 选型建议： 检测微小凹陷时，应选择光斑尺寸小的传感器。但也要权衡扫描效率，在保证检测精度的前提下，选择合适的光斑尺寸以优化检测速度。

• 环境适应性（防护等级、工作温度）：

  • 实际意义： 生产线环境可能存在粉尘、油污、震动、温度波动等，传感器的防护等级和工作温度范围决定了其在恶劣工况下的可靠性和稳定性。

  • 影响： 环境适应性差的传感器容易受损，导致测量不稳定或故障，影响生产连续性。

  • 选型建议： 必须选择防护等级高、工作温度范围宽的工业级传感器，以确保其在实际生产环境中的长期稳定运行。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在轮胎生产线上应用非接触高精度凹陷检测技术时，可能会遇到一些挑战：

1. 问题：轮胎表面颜色/材质不均，影响测量稳定性。

   • 原因： 轮胎表面可能存在不同颜色区域（如胎面花纹与侧壁字样）、反光特性不一致（如硫化过程中形成的哑光与亮光区域），或者碳黑含量差异导致的光吸收特性变化。这会使得激光的反射强度不一，影响传感器的信号接收和测量精度。

   • 影响： 导致测量数据波动大，出现“跳点”，或在某些区域测量数据缺失，影响凹陷识别的可靠性。

   • 解决建议：

     • 使用蓝光或UV激光传感器： 蓝光或UV激光对某些深色或有机材料的穿透性和反射性更好，能有效降低表面颜色和材质变化带来的影响。例如，英国真尚有ZLDS103系列传感器提供可选的蓝光或UV激光器，以应对不同材质和颜色的测量需求。

     • 采用多光源或自适应光源： 结合不同波长或强度光源，通过算法动态选择最优光源或补偿信号。

     • 增加图像处理算法的鲁棒性： 引入背景减除、噪声滤波、多帧平均等技术，提高从复杂信号中提取有效数据的能力。

2. 问题：生产线振动和轮胎跑偏，影响测量精度和稳定性。

   • 原因： 生产线设备的运转、轮胎在输送过程中的微小振动或中心线偏差，会导致传感器与被测轮胎之间的相对位置发生瞬时变化。

   • 影响： 测量结果叠加了振动和跑偏带来的误差，导致凹陷深度测量不准，甚至可能将正常的表面波动误判为凹陷。

   • 解决建议：

     • 优化产线机械稳定性： 对输送带、定位机构进行优化，提高机械刚性和运行平稳性，减少物理振动源。

     • 采用高频传感器和运动补偿算法： 选用测量频率更高的传感器，能在短时间内获取更多数据点，并通过软件算法对轮胎的整体振动和跑偏进行实时补偿或滤波。

     • 集成多传感器融合系统： 例如，结合额外的定位传感器（如编码器或辅助位移传感器）来监测轮胎的实际位置和速度，并与凹陷检测数据进行同步校准。

3. 问题：数据量庞大，实时处理和存储压力大。

   • 原因： 高精度、高速的非接触检测会产生海量的原始数据，对数据处理器的计算能力和存储系统的容量提出很高要求。

   • 影响： 数据处理速度跟不上采集速度，可能导致数据堆积、系统延迟，甚至崩溃，无法实现实时反馈。

   • 解决建议：

     • 采用边缘计算： 在传感器端或靠近传感器的地方进行初步数据处理和特征提取，只将关键信息上传到中央系统。

     • 优化数据压缩和传输协议： 采用高效的数据压缩算法和低延迟的工业通信协议来加快数据传输。

     • 利用并行计算和GPU加速： 在数据处理服务器端，通过多核CPU或GPU进行并行计算，显著提升处理速度。

4. 应用案例分享

• 轮胎鼓泡/凹陷检测： 在轮胎硫化成型后，利用激光传感器阵列对整个胎面和胎侧进行高速扫描，生成三维轮廓数据。通过与标准模型进行比对，精确识别并量化表面是否存在鼓泡或凹陷等缺陷，确保轮胎外观和结构符合质量要求。

• 轮胎花纹深度及磨损检测： 激光位移传感器可集成到轮胎测试设备中，实时测量轮胎花纹的深度。通过连续监测，不仅能验证新胎花纹是否符合设计，也能用于旧胎磨损分析，评估其剩余使用寿命。

• 轮胎尺寸和圆度测量： 在轮胎生产线的末端，通过多个高精度激光传感器对轮胎外径、宽度、圆度等关键几何尺寸进行在线测量。例如，英国真尚有ZLDS103系列凭借其紧凑的尺寸和高精度，能够方便地集成到这类测量系统中。这些数据可用于控制生产过程中的模具精度和成型工艺，确保产品尺寸一致性。

• 轮胎均匀性检测中的几何形貌辅助： 在进行轮胎均匀性测试时，结合激光扫描得到的几何形貌数据，可以更全面地分析轮胎的动态性能。几何缺陷（如凹陷）可能导致力学性能波动，通过这种结合检测能更准确地定位问题根源。

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参考资料：

• ISO 2230:2002 轮胎—术语

• ISO 10113:2006 轮胎—动态径向刚度测定方法

• ASTM E1847 - 15e1 轮胎非破坏性检验的标准实施规程

• GB/T 4501-2009 轮胎—术语