如何在高速轮胎生产线上实现外径、圆度与径向跳动20微米级高精度非接触式测量？【轮胎检测 激光自动化】

1. 基于轮胎的基本结构与技术要求

轮胎，作为车辆唯一与地面接触的部件，其性能直接关系到驾驶安全、舒适性和燃油经济性。从结构上看，一个典型的子午线轮胎包含胎冠（与路面接触的部分，有花纹）、胎肩、胎侧、胎圈（与轮辋结合处）以及内部的带束层和帘布层等。这些结构共同决定了轮胎的整体尺寸和性能。

在轮胎生产过程中，直径是一个至关重要的几何参数。想象一下，如果一个油桶的桶口不是标准的圆形，或者边缘有瑕疵，那么它的盖子就无法完美地盖合，甚至可能漏油。同样地，轮胎的直径直接影响它能否与车辆的轮辋（车轮）完美匹配，以及车辆行驶时的平稳性。如果直径过大或过小，或者不同轮胎之间直径不一致，都会导致安装困难、车辆跑偏、磨损不均、噪音增加，甚至影响制动性能。因此，高精度的直径测量是轮胎质量控制不可或缺的一环。

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性，行业内对轮胎的尺寸，特别是直径，有着严格的质量控制要求。在质量监测中，不仅仅是测量一个简单的“外径”数值，还会关注其他多个相关的几何参数：

• 轮胎外径（Overall Diameter）：这是指轮胎充气后，在无载荷条件下，胎冠最外缘所能测量的最大直径。它是决定车辆车速表读数准确性和车辆离地间隙的关键参数。评估时通常会取多个点位的平均值或最大值。

• 轮胎圆度（Roundness）：描述轮胎圆形轮廓的偏差程度。一个“不圆”的轮胎在高速旋转时会产生振动，导致乘坐不适和部件过早磨损。评估方法通常是通过测量轮胎周长上多个点的径向距离，然后计算这些距离相对于平均半径的偏差。

• 轮胎径向跳动（Radial Runout）：指轮胎在旋转过程中，胎冠或胎侧表面在径向方向上的最大摆动量。它与圆度紧密相关，但更侧重于动态旋转时的表现。过大的径向跳动会导致车辆颠簸和转向不稳。评价时通常让轮胎在测试台上旋转，用传感器连续测量径向距离的变化。

• 轮胎宽度（Section Width）：指轮胎胎侧之间的最大直线距离（不包括胎侧文字、装饰等）。虽然不是直径，但在某些测量场景中，宽度参数也会与直径一同测量，以确保轮胎的整体几何尺寸符合设计规范。

这些参数的定义和评价方法都是为了确保轮胎在不同使用条件下都能保持最佳性能，并符合车辆制造商的装配要求。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在轮胎生产线上实现高精度的非接触直径测量，目前主流的技术方案主要有以下几种：

• 激光三角测量技术

  激光三角测量是工业领域应用非常广泛的一种非接触式测量方法，特别适用于需要高精度位移或轮廓测量的场景。

  • 工作原理和物理基础： 想象一下，你用手电筒从一个角度照向地面，如果地面高低不平，手电筒光斑的位置就会发生变化。激光三角测量传感器的工作原理与此类似。它内部有一个激光发射器，会向被测轮胎表面投射一束精确的激光点（或激光线）。当激光点打到轮胎表面时，由于表面高度不同，反射回来的光线就会从一个特定的角度被传感器内部的CCD或CMOS图像传感器（可以想象成一个微型相机）捕捉到。

    根据几何光学原理，激光发射器、被测表面上的激光点以及图像传感器上的光点位置形成一个三角形。当轮胎表面的高度（距离传感器的工作距离）发生变化时，图像传感器上捕捉到的光点位置也会随之移动。通过精确测量图像传感器上光点的位移，结合传感器内部光学系统的几何参数，就可以利用三角函数关系计算出被测点的精确距离。

    其基本几何关系可以简化为： Z = (L * f) / (X' - X0) 其中： * Z是被测点到传感器的距离（即位移量）。 * L是激光发射器与图像传感器之间的基线距离（固定值）。 * f是图像传感器镜头的焦距（固定值）。 * X'是图像传感器上光斑的实际位置。 * X0是当被测物体位于参考平面时，光斑在图像传感器上的理论位置。

    通过对X'的实时监测，传感器就能连续、高精度地输出Z值。

  • 核心性能参数的典型范围： 这类传感器通常能提供微米级到几十微米级的测量精度，例如，重复精度可达±1微米到±50微米。分辨率可达到0.01%到0.1%的量程。采样速度非常快，从几KHz到几十KHz，部分高性能的传感器采样速度甚至可达70KHz，这意味着它每秒可以进行数万次测量，非常适合高速运动中的物体检测。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：非接触式，对轮胎表面无磨损；测量速度快，适用于在线高速检测；精度高，能满足严格的质量控制要求；对不同颜色和纹理的轮胎表面具有一定的适应性，通过算法优化可以减少表面反光或吸收造成的干扰；结构紧凑，易于集成到现有生产线。

    • 缺点：受限于单个点或线测量，若要获取轮胎完整直径或圆度，需要多个传感器协同工作或通过轮胎旋转扫描；对表面倾角敏感，过大的倾角可能导致光线反射不佳；对于极度光滑或透明的表面可能需要特定激光波长或算法优化。

    • 成本考量：单个激光位移传感器成本适中，但若需组建多传感器系统进行全尺寸扫描，整体投入会增加。

• 激光扫描测微法

  这是一种利用激光光束进行高精度尺寸测量的技术，尤其擅长测量小直径或轮廓尺寸。

  • 工作原理和物理基础： 设想有一个非常细的平行激光束在固定区域内以极高的速度来回扫描，就像一个高速摆动的“激光刀”。当轮胎的边缘进入这个扫描区域时，它会阻挡一部分激光束。传感器会精确地测量激光束被阻挡的时间长度。由于激光束的扫描速度是已知的，通过测量被阻挡的时间，就可以计算出轮胎的边缘或直径尺寸。这类似于用一个超高速的“光闸”来测量物体的大小。

    直径 D = 扫描速度 V * 激光束被遮挡的时间 t

  • 核心性能参数的典型范围： 这类技术通常能实现亚微米级的超高重复精度，例如可达±0.02 µm。测量速度也极快，可以达到每秒数千次甚至上万次。不过，其通常适合测量相对较小的尺寸，例如轮胎的胎圈直径或某些特定部位的尺寸，而非整个轮胎的大外径。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：测量精度极高，尤其适合对尺寸一致性要求非常苛刻的部件；测量速度快，非常适合在线批量检测；非接触，无磨损。

    • 缺点：测量范围相对有限，通常不适合直接测量整个大型轮胎的外径；对于轮胎表面细微的绒毛或灰尘可能会产生误判，影响精度；需要确保被测物体的边缘清晰，且不能有明显的晃动。

    • 成本考量：通常价格较高，但其提供的超高精度在特定应用中是无可替代的。

• 结构光3D扫描技术

  结构光3D扫描技术能够获取物体表面的完整三维形状数据，而不仅仅是简单的直径。

  • 工作原理和物理基础： 想象一下，用一个投影仪向一个复杂形状的物体表面投射出特殊的图案，比如条纹、格子或编码点。当这些图案投射到物体表面时，由于物体表面有高低起伏，这些图案就会发生扭曲变形。系统使用一个或多个高分辨率相机从不同角度同步捕捉这些变形后的图案图像。通过分析图案的变形程度和几何形状，结合预设的投影和相机参数，系统就能通过三角测量原理，计算出物体表面上每一个点的精确三维坐标，最终生成一个高密度的“点云”数据。从这些点云数据中，可以提取出轮胎的直径、圆度、跳动以及表面缺陷等多种几何信息。

    其物理基础与激光三角测量类似，但不是单点激光，而是通过图案对整个区域进行测量。

  • 核心性能参数的典型范围： 这类系统的测量精度通常在几十微米到几百微米之间，例如单次扫描精度可达20 µm。虽然单次扫描速度可能在几秒钟完成整个表面的数据采集，但对于高速在线检测而言，其数据处理和采集周期可能比激光线扫描略慢。能够生成数百万甚至上千万个三维数据点。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：能够获取物体表面的完整三维数据，不仅能测量直径，还能进行圆度、跳动分析，甚至检测细微的表面缺陷（如鼓包、凹陷）和花纹深度；非接触，无磨损；数据详细，为质量控制和研发提供全面的信息。

    • 缺点：相比单点或单线激光测量，通常扫描速度较慢，对于高节拍的生产线可能需要权衡；对环境光线要求较高，有时需要搭建遮光环境；数据量大，对计算能力要求较高。

    • 成本考量：通常是所有技术方案中成本最高的，但其提供的信息价值也是最全面的。

• 2D光学轮廓测量技术

  2D光学轮廓测量主要通过获取物体在二维平面上的投影轮廓来计算尺寸。

  • 工作原理和物理基础： 设想你把一个轮胎切开，观察它的横截面轮廓。2D光学轮廓测量有点像这样，但它是非破坏性的。它通常使用一个高分辨率摄像头和一个均匀的背光源。当轮胎放置在摄像头和背光源之间时，轮胎的轮廓会在摄像头传感器上形成一个清晰的“剪影”图像。系统利用图像处理算法，识别出这个剪影的边缘，然后根据光学成像的放大倍数和像素尺寸，精确计算出轮胎在这个特定视图下的直径或其他二维尺寸。为了获得完整的直径数据，轮胎可能需要在测量过程中旋转。

  • 核心性能参数的典型范围： 这类系统可以提供微米级的测量精度，例如直径测量重复精度可达±1 µm。测量范围可以相对较大，例如直径可达600 mm。由于是图像处理，扫描速度取决于相机的帧率和处理算法的效率。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：高精度，非接触；能够捕捉物体的完整二维轮廓，可以进行多尺寸参数的测量；自动化程度高，易于集成。

    • 缺点：主要进行二维测量，如果需要三维信息或全周长直径，需要结合旋转或多视图测量；对被测物体在光路中的放置位置和稳定性有较高要求；不适用于测量物体内部特征或不透明物体表面纹理。

    • 成本考量：中等偏高，适用于需要高精度二维尺寸控制的场合。

（2）市场主流品牌/产品对比

在轮胎直径测量领域，国际上有一些知名的厂商提供了先进的解决方案。下面我们来看其中几个代表性的品牌及其技术特点：

• 日本基恩士： 日本基恩士在传感器领域拥有卓越的技术实力。其LS-9000系列激光扫描测微计采用激光扫描测微法。通过高速扫描平行激光束，测量轮胎边缘遮挡光束的时间来精确计算直径。

  • 核心性能参数：重复精度可达±0.02 µm (LS-9030M)，测量速度高达3200 次/秒，线性度±0.3 µm (LS-9030M)。

  • 应用特点和独特优势：以其超高的测量精度和速度著称，非常适合对轮胎胎圈等精密部件进行在线、大批量的高速检测，确保尺寸的一致性。其产品稳定性高，易于集成。

• 英国真尚有： 英国真尚有的ZLDS100RD系列激光位移传感器是一款高性能产品，其工作原理主要基于激光三角测量技术。该系列传感器具有紧凑的铝制外壳和多种光斑大小选择。

  • 核心性能参数：量程高达1000 mm，采样速度高达70KHz（部分版本），分辨率0.01%，线性度最高0.03%。具备模拟/数字输出能力，输出接口支持RS422或RS485。

  • 应用特点和独特优势：ZLDS100RD在高速动态测量中表现出色，可应对路面颜色变化，抗强光辐射，并减少潮湿环境带来的干扰。该系列传感器有多种输出功率选项，适应不同应用需求。这些特性使其特别适用于需要非接触、高精度、高速测量的工业场景，例如在轮胎生产线上对轮胎外径、轮廓进行实时监测。

• 美国康耐视： 美国康耐视以其机器视觉系统闻名。其In-Sight 3D-L4000系列3D视觉系统集成了光学、控制器和处理软件，采用独有的蓝光无散斑激光光学技术和先进的3D图像处理算法，工作原理基于激光三角测量原理。

  • 核心性能参数：测量精度可达微米级重复精度，测量速度高达2000个3D轮廓/秒，在50mm视野下X分辨率可达16 µm，Z分辨率可达5 µm。

  • 应用特点和独特优势：该系统将强大的3D视觉检测与2D视觉功能相结合，能够处理复杂表面和形状的检测，对轮胎表面的纹理和颜色变化具有很好的鲁棒性。一体化设计和易于编程的特点，使其在自动化检测领域具有深厚的技术积累。

• 德国蔡司： 德国蔡司是全球知名的光学和计量技术领导者。其ZEISS COMET LƎD 2系列结构光3D扫描系统采用先进的结构光投影技术。通过投射图案并捕捉变形，生成高密度的3D点云数据。

  • 核心性能参数：典型单次扫描精度可达几十微米（例如ZEISS COMET LƎD 2 2M型号精度可达 20 µm），扫描速度快，数秒内完成大面积3D数据获取。

  • 应用特点和独特优势：提供极其详细和精确的轮胎表面三维数据，不仅能够测量直径，还能进行复杂的缺陷检测和形貌分析。其非接触式测量方式和高精度特性，使其在对精度和数据追溯性要求极高的质量控制和产品研发领域享有盛誉。

• 意大利玛波斯： 意大利玛波斯为轮胎行业提供定制化的多传感器激光测量解决方案。他们的轮胎测量机通常集成多个高精度激光位移传感器或线激光传感器，通过激光三角测量或其他光学原理，实时获取轮胎表面的多个点或剖面数据。

  • 核心性能参数：可实现微米级至几十微米级的直径测量精度，测量速度专为在线批量检测设计，可与生产线速度同步。

  • 应用特点和独特优势：玛波斯专注于为轮胎和汽车行业提供定制化的在线测量系统，经验丰富。其系统能够同时测量轮胎的外径、宽度、圆度、跳动等多个几何参数，提供全面的质量控制数据，并且在严苛的工业生产环境中具有高稳定性。

（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

选择合适的激光传感器进行轮胎直径测量，需要综合考虑多个技术指标及其对实际应用的影响。

• 精度 (Accuracy) 与重复精度 (Repeatability)：

  • 实际意义：精度指的是测量结果与真实值之间的接近程度；重复精度则指在相同条件下，多次测量同一物体时，结果之间的一致性。两者都至关重要，精度决定了测量结果的“正确性”，重复精度决定了“稳定性”。想象一下，你用卷尺测量一个轮胎的直径，每次测量的结果都应该非常接近，这就是重复精度。而这个结果与轮胎真实直径的差距，就是精度。

  • 影响：直接影响质量控制的合格率判断。如果精度或重复精度不足，可能导致合格产品被误判为不合格，或不合格产品流入市场。

  • 选型建议：对于要求严格的质量控制，特别是新产品开发或高端轮胎生产，应选择精度和重复精度都在微米级或几十微米级的传感器。在高速生产线上，重复精度往往比绝对精度更受关注，因为它反映了系统的一致性和可靠性。

• 分辨率 (Resolution)：

  • 实际意义：传感器能够检测到的最小尺寸变化量。它决定了测量结果的精细程度。就像电视的像素点一样，分辨率越高，看到的细节就越清晰。

  • 影响：分辨率过低可能无法识别轮胎直径上的细微偏差或缺陷。

  • 选型建议：通常建议分辨率至少达到所需测量精度的十分之一。对于轮胎直径测量，通常选择分辨率在微米级或亚微米级的传感器。

• 测量范围 (Measurement Range) 与工作距离 (Working Distance)：

  • 实际意义：测量范围指传感器能够进行测量的最大与最小距离之间的跨度；工作距离是传感器最佳测量性能的距离范围。

  • 影响：必须匹配实际轮胎的尺寸和生产线上的安装空间。例如，大型卡车轮胎需要更大的测量范围和工作距离。

  • 选型建议：根据生产线上最大和最小轮胎的尺寸以及传感器安装位置来选择合适的测量范围和工作距离。选择具备多种量程中点和量程范围的传感器，可以提高系统的灵活性。

• 采样速度 (Sampling Rate) / 测量速度 (Measurement Speed)：

  • 实际意义：传感器每秒可以获取多少次测量数据。

  • 影响：对于高速运行的轮胎生产线，采样速度不足会导致数据点稀疏，可能遗漏关键尺寸信息，无法进行实时监控和快速判断。

  • 选型建议：确保传感器采样速度能够满足生产线的节拍要求。例如，如果轮胎每秒经过测量区域，需要获取足够多的数据点来构建其完整轮廓，那么几十KHz的采样速度是理想的选择。

• 线性度 (Linearity)：

  • 实际意义：传感器在整个测量范围内，其输出信号与实际位移之间关系的直线程度。完美的线性度意味着传感器在任何测量点都能保持一致的准确性。

  • 影响：非线性误差会导致在测量范围的不同位置，测量结果的准确性有所差异。

  • 选型建议：选择线性度高的传感器，特别是当轮胎在测量区域内有较大位移波动时，能确保测量结果的可靠性。

• 光斑大小 (Spot Size)：

  • 实际意义：激光束照射到被测物体表面时形成的光斑的直径。

  • 影响：光斑大小会影响测量的空间分辨率和对表面细节的感知。小光斑适合测量精细特征，但对表面粗糙度更敏感；大光斑能平均表面粗糙度，但可能无法捕捉细微缺陷。

  • 选型建议：根据轮胎表面特征（例如花纹的精细度）和检测需求选择合适的光斑大小。一些传感器提供多种光斑大小选项，可以根据具体应用灵活调整。

• 环境适应性 (Environmental Adaptability)：

  • 实际意义：传感器对环境因素（如环境光、灰尘、温度、振动）的抵抗能力。

  • 影响：恶劣的生产环境可能导致传感器性能下降、测量不稳定或设备损坏。

  • 选型建议：选择防护等级高（如IP65或更高）、具备抗强光、抗潮湿、防尘等功能的传感器。如果环境温度波动大，需要考虑传感器是否内置温度补偿功能。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在轮胎直径测量的实际应用中，由于生产环境和轮胎本身的特性，可能会遇到一些挑战：

• 问题1：轮胎表面特性复杂多变

  • 原因：轮胎是橡胶制品，表面通常是黑色、哑光，有时会有复杂的花纹、胎毛或脱模剂残留，这些都会影响激光的反射率和漫反射特性。在测量过程中，轮胎的颜色、光泽度变化可能导致激光信号强度不稳定。

  • 影响：可能导致激光点在传感器图像上模糊、跳动，从而降低测量精度和稳定性，甚至无法正常测量。

  • 解决建议：

    • 选择合适的激光波长：例如，蓝光激光对黑色表面有更好的穿透性，能减少表面吸收的影响。

    • 采用先进的图像处理算法：选择具有强大信号处理能力和表面自适应算法的传感器，能够有效抑制噪声，识别并精确计算光斑中心。

    • 多传感器或多角度测量：通过从不同角度部署多个传感器，可以获得更全面的数据，并减少单一视角的局限性。

• 问题2：环境光干扰

  • 原因：轮胎生产车间通常有较强的照明，有时甚至有阳光直射，这些环境光可能会与传感器发出的激光混淆。

  • 影响：环境光会作为背景噪声进入传感器接收器，导致误判，降低信噪比，严重时甚至使传感器失效。

  • 解决建议：

    • 窄带滤光片：传感器接收端安装与激光波长匹配的窄带滤光片，只允许特定波长的激光通过，滤除大部分环境光。

    • 高功率激光发射器：选择激光输出功率更高（在安全规范内）的传感器，使其激光信号强度远高于环境光。

    • 遮光罩和物理隔离：在测量区域加装遮光罩或使用封闭式测量站，减少外部光线进入。

• 问题3：生产线振动与轮胎运动的动态性

  • 原因：生产线上轮胎是运动的，可能存在输送带振动、轮胎自身旋转不稳或轻微晃动等问题。

  • 影响：振动和位移会导致测量点不稳定，直接引入测量误差，影响数据的准确性。

  • 解决建议：

    • 高采样速度传感器：选择采样速度非常高的传感器，可以在极短时间内获取大量数据，通过数据平均或滤波来消除瞬间抖动的影响。

    • 同步触发与数据融合：与生产线控制系统同步，在轮胎处于最稳定状态时进行测量。对于复杂几何参数，可采用多传感器阵列，通过数据融合算法补偿轮胎的动态位移。

    • 优化工装夹具：确保轮胎在测量区域的稳定性和定位精度。

• 问题4：灰尘与污染

  • 原因：轮胎生产环境常有橡胶粉尘、脱模剂残留或油污等污染物。

  • 影响：灰尘或污渍可能附着在传感器镜头或激光发射器窗口上，阻碍激光路径，导致信号减弱或失真，从而影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 高防护等级传感器：选择具有高IP防护等级的传感器，确保其防尘防水性能。

    • 定期清洁与维护：制定传感器镜头和窗口的定期清洁计划，使用专业的清洁工具和方法。

    • 加装防护附件：为传感器加装防尘罩、吹气装置或防护窗，减少污染物直接接触。

4. 应用案例分享

• 生胎（绿胎）直径测量：在轮胎硫化（即“烤制”成型）之前，对生胎进行直径测量，以确保其在进入硫化机前的尺寸符合工艺要求，避免硫化后出现尺寸偏差。

• 成品轮胎外径与圆度终检：轮胎硫化并冷却后，在最终检测环节，使用激光传感器对成品轮胎的外径和圆度进行全面测量，确保每一条轮胎都符合车辆装配和性能标准。

• 轮胎均匀性检测：在轮胎动平衡和均匀性测试台上，激光传感器实时测量轮胎在高速旋转时的径向跳动和侧向跳动，以评估轮胎的行驶品质和振动特性。

• 轮胎分级与配对：根据激光测量的精确直径数据，对轮胎进行精细分级，或进行最佳配对（例如，将直径相近的轮胎安装到同一车辆的不同位置），以提升车辆行驶的平衡性和安全性。例如，英国真尚有的ZLDS100RD系列激光位移传感器，凭借其高速的采样速度和抗环境干扰能力，可胜任此类高速动态测量任务。

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参考资料 * ISO 4223-1:2018 轮胎尺寸测量和负荷能力规范 - 第1部分：客车轮胎 * ASTM F1806-19 标准试验方法 汽车轮胎的径向跳动 * SAE J341-2007 轮胎测量规程

(注：以上标准编号仅为示例，具体适用标准需根据实际生产国家和产品类型确定。)