在汽车轮胎生产线，如何利用非接触式激光测量技术，实现黑色橡胶外径及径向跳动的微米级高速在线检测？【智能质检】

1. 汽车轮胎的基本结构与直径测量技术要求

汽车轮胎，作为车辆与地面接触的唯一部件，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，轮胎主要由胎面、胎肩、胎侧、胎圈、带束层和帘布层等部分组成，就像一圈圈精心编织和塑形的复合材料“肌肉”。在生产线上，轮胎的直径测量是至关重要的一环，它不仅是产品合格与否的基本判据，更是影响车辆动态性能、制动效能和行驶稳定性的关键参数。

对于轮胎直径的测量，主要有以下几个技术要求：

• 高精度： 轮胎直径的微小偏差都会影响车辆的行驶平稳性和磨损均匀性。因此，测量精度通常需要达到亚毫米甚至微米级别。

• 快速稳定： 汽车轮胎产线是高速运行的，每个轮胎的检测时间非常有限。传感器需要能够在毫秒级甚至更短的时间内完成测量并输出结果，同时保证在工业现场复杂环境下的稳定性，减少因震动、粉尘或环境光变化带来的干扰。

• 非接触性： 轮胎在生产过程中可能处于高温状态，或为软质橡胶材料，接触式测量可能导致表面磨损、变形或测量误差。非接触式测量能有效避免这些问题。

• 适应性强： 轮胎表面通常是黑色、哑光或有花纹的橡胶材料，这对激光传感器的反射特性和抗干扰能力提出了挑战。同时，产线环境可能存在粉尘、水汽甚至高温，传感器需具备良好的防护等级和环境适应性。

2. 汽车轮胎相关技术标准简介

针对汽车轮胎的质量控制，行业内制定了一系列严格的技术标准，其中对直径及相关几何参数的监测是核心内容。这些标准涵盖了从生胎到成品轮胎的各个阶段。

在直径测量方面，主要关注以下几个参数：

• 轮胎外直径（Overall Diameter）： 指轮胎在额定充气压力下，无负荷状态时的最大外径。这是最基本的几何参数，直接影响车辆的行驶里程表读数、传动比选择和车身间隙。

• 轮胎截面直径（Section Diameter）： 指轮胎在额定充气压力下，无负荷状态时，通过胎面中心线平面的截面最大宽度。

• 径向跳动（Radial Runout）： 衡量轮胎圆度的一个关键指标。想象一下，如果轮胎不是一个完美的圆形，而是有点“椭圆”，那么它在滚动时就会上下跳动。径向跳动就是指轮胎旋转一周时，其胎面外缘与旋转中心之间的距离变化量。过大的径向跳动会导致车辆振动、乘坐不适和轮胎早期磨损。

• 侧向跳动（Lateral Runout）： 衡量轮胎侧面平整度的一个指标。如果轮胎的侧面在滚动时有“晃动”，就像一个有点歪斜的盘子在转动，这就是侧向跳动。过大的侧向跳动会导致车辆横向振动和操控性下降。

这些参数的评价方法通常涉及在特定条件下（如额定载荷、额定气压、特定转速）对轮胎进行旋转测量，并通过多点采样或全轮廓扫描来获取数据，然后通过特定的算法进行计算和评估，确保轮胎的几何尺寸和形状符合设计要求。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在汽车轮胎直径的实时、高精度测量领域，目前主流的技术方案各有千秋，主要包括激光三角测量、激光扫描测量、结构光三维扫描以及线性可变差动变压器（LVDT）等。

a. 激光三角测量技术

想象一下，你站在一棵树旁边，用尺子测量你到树的距离。现在，如果这棵树移动了，你仍然可以测量出新的距离。激光三角测量的工作原理有点类似。它通过向被测物体表面发射一束细小的激光光点，当激光点照射到物体表面时，会形成一个反射光点。传感器内部有一个接收器（通常是CMOS或PSD），它会“看到”这个反射光点。

工作原理和物理基础： 激光器发出的光束经过发射透镜后，以一定的角度投射到被测物体表面形成光斑。反射回来的光斑通过接收透镜聚焦到光敏元件（如CMOS线阵或PSD位置敏感探测器）上。当被测物体与传感器之间的距离发生变化时，反射光斑在光敏元件上的位置会发生相应的位移。

基于几何学的三角测量原理，传感器可以通过测量光斑在光敏元件上的位移量，并结合已知的光学系统参数（如基线距离、焦距、投射角度等），精确计算出传感器与被测物体表面之间的距离。

简化的距离计算公式可以表示为： d = (L * f * sin(theta)) / (P * sin(phi) + f * cos(phi)) 其中，d是被测距离，L是基线长度（激光器与接收器之间的距离），f是接收透镜焦距，theta是激光投射角，phi是接收角，P是光斑在接收器上的位移。实际应用中，传感器会通过内部标定将光斑位置直接映射为距离值。

核心性能参数： * 测量范围： 激光三角测量传感器的测量范围通常从几毫米到数米不等，具体取决于传感器设计和应用需求。 * 分辨率： 分辨率可达微米级。 * 响应时间/采样率： 响应时间通常为0.5毫秒到数毫秒。 * 精度： 精度通常优于满量程的0.1%。

技术方案的优缺点： * 优点： 非接触式测量，避免了对轮胎表面的损伤；测量速度快，适用于在线高速检测；体积相对小巧，易于集成到现有产线中；相对于复杂的3D扫描系统，成本效益更高。对单一方向的距离测量精度较高。 * 缺点： 每次只能测量一个点，要获取轮胎直径需要部署多个传感器同时测量，或者通过旋转轮胎结合单传感器扫描，这会增加系统的复杂度和成本；对轮胎表面颜色、光泽度变化敏感，例如黑色橡胶吸光性强，可能影响反射信号的强度；环境光干扰可能需要额外的抗干扰措施。

b. 激光扫描测量技术

这种技术就像拿着一支激光笔，但笔尖不是一个点，而是一条很细的线，并且这条线能够非常快速地在轮胎表面“画”过。传感器会记录下这条激光线在轮胎表面形成的所有点的高度信息，从而勾勒出轮胎的横截面轮廓。

工作原理和物理基础： 激光扫描测量器向被测物体表面投射一条激光线（而非点），并使用一个高速、高分辨率的CMOS传感器或相机，以特定角度捕获这条激光线在物体表面反射形成的图像。由于物体表面的凹凸不平，激光线在图像中会发生变形。系统通过分析图像中激光线的形状和位置变化，同样基于三角测量原理，以极高的速度和精度对物体横截面轮廓进行2D扫描。通过对这些轮廓上的多个点位进行拟合和计算，可以精确测量轮胎的直径、截面形状甚至胎面花纹。

核心性能参数： * 扫描宽度： 扫描宽度通常从几十毫米到数百毫米不等，决定了单次扫描能覆盖的范围。 * 重复精度： 重复精度可达亚微米或数微米级别。 * 扫描速度： 扫描速度非常快，最高可达数万次/秒。 * 分辨率： 轮廓显示分辨率可达 0.001微米。

技术方案的优缺点： * 优点： 极高的测量速度，适用于在线高速批量检测；能够一次性获取整个横截面轮廓的高密度数据，不仅测量直径，还能检测轮廓偏差、胎面花纹深度等多种参数；数据处理和分析功能强大，可提供更全面的质量控制信息。 * 缺点： 相较于单点激光测距仪，设备成本更高；对安装位置和环境稳定性要求较高；数据量大，需要更强的处理能力。

c. 结构光三维扫描技术

这是一种更“聪明”的扫描方式，它不是投射简单的激光点或线，而是像投影仪一样，向轮胎表面投射一系列复杂的、有特定图案的光线（比如条纹图案或编码光栅）。通过观察这些图案在轮胎表面发生的三维变形，就能计算出轮胎表面每一个点的精确位置。

工作原理和物理基础： 结构光三维扫描仪通过一个投影器向轮胎表面投射预设的、精确的条纹图案或其他编码光栅。同时，两个或多个高分辨率相机从不同角度同步捕获这些图案在轮胎表面变形后的图像。基于三角测量原理和图像处理算法，系统通过分析图案的变形来计算轮胎表面上每个点的三维坐标。最终生成高密度的3D点云或多边形网格数据，从而可以精确提取轮胎的直径、圆度、形状以及其他几何特征。

核心性能参数： * 测量精度： 高精度模式下可达数微米级别，体积测量精度可达0.03毫米。 * 测量速度： 每个测量周期通常为数秒，可快速获取全场数据。 * 点距： 可配置，小至数十微米。

技术方案的优缺点： * 优点： 能够获取轮胎的完整高密度3D几何数据，不仅限于直径，还能进行形状、位置、缺陷等全面分析；非接触式测量，对轮胎无损；在质量控制和逆向工程方面有强大优势，易于自动化集成。 * 缺点： 测量速度相对激光扫描或单点激光较慢，不适用于极高速的在线流体测量；设备成本通常较高，系统集成和数据处理复杂。

d. 线性可变差动变压器 (LVDT) 技术

LVDT就像一个非常精确的“探头”，它有一根可伸缩的杆。当你用这根杆轻轻接触轮胎表面，杆就会根据轮胎表面的高低发生伸缩。传感器会把这种机械的伸缩量，非常准确地转换成一个电信号。

工作原理和物理基础： LVDT是一种高精度的接触式位移传感器。它主要由一个固定在线圈骨架中的主线圈和两个次级线圈，以及一个在骨架内自由移动的磁性软铁芯组成。当探头杆（与铁芯相连）与轮胎表面接触并发生位移时，磁芯在主线圈和次级线圈之间移动。主线圈通过交流电激励，铁芯的移动会改变其与两个次级线圈的耦合程度，从而导致两个次级线圈中感应电动势（电压）的变化。通过测量这两个次级线圈电压的差值，LVDT能够将精确的机械位移转换为线性的电信号。对于轮胎直径测量，通常需要安装多个LVDT探头，以特定配置接触轮胎表面，通过测量相对位移并结合已知基准，计算出轮胎的直径。

核心性能参数： * 测量范围： 一般从微米级到几十毫米。 * 分辨率： 可达0.01微米甚至更高。 * 线性度： 在整个测量范围内通常优于±0.15% FSO（满量程输出）。 * 重复精度： 通常在0.1微米以内。

技术方案的优缺点： * 优点： 极高的测量精度和稳定性，对表面材质、颜色、光泽度等不敏感，抗环境电磁干扰能力强；耐用可靠，适用于严苛的工业环境；多点同步测量系统易于数据集成和处理。 * 缺点： 接触式测量，可能对软质轮胎表面造成微小压痕或磨损，且存在探头磨损问题；测量速度相对较慢，不适合超高速在线检测；需要机械接触，可能影响轮胎的自然状态。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是在轮胎直径测量领域中具有代表性的品牌及其产品：

• 日本基恩士 (采用激光扫描测量技术)

  • 核心技术： LS-9000系列激光扫描仪，采用高速激光线扫描技术，能够以极高的速度获取轮胎的2D横截面轮廓。

  • 核心参数： LS-9030型号扫描宽度30毫米，测量范围±15毫米；LS-9070型号扫描宽度70毫米，测量范围±35毫米。重复精度可达0.1微米。扫描速度最高64000次/秒，显示分辨率0.001微米。

  • 应用特点与优势： 以其卓越的测量速度和精度著称，特别适合需要在线、高速、批量检测轮胎轮廓和直径的场景。它不仅能测直径，还能同时检测轮廓偏差，功能强大且操作简便。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量技术)

  • 核心技术： ZLDS116激光位移传感器，基于光学三角测量原理，通过激光点在物体表面的反射来精确计算距离。

  • 核心参数： 最大测量距离达10米，测量范围可达8米，精度最高可优于0.08%（取决于测量范围）。响应时间仅5毫秒，适合动态测量。防护等级IP66，并配备空气净化系统，可在恶劣环境下使用。

  • 应用特点与优势： ZLDS116以其广泛的测量范围和高精度、快速响应的特性，为轮胎直径测量提供了灵活的解决方案。它可以通过多传感器协同或配合旋转机构来实现全直径测量。其鲁棒的设计和环境适应性使其在严苛的工业产线中也能稳定工作，尤其适合需要快速、精确单点距离测量，并通过系统集成实现直径计算的场景。

• 德国米铱 (采用蓝光激光三角测量技术)

  • 核心技术： optoNCDT 1750BL系列蓝光激光位移传感器，同样采用激光三角测量原理，但使用波长更短的蓝光激光。

  • 核心参数： optoNCDT 1750BL-20型号测量范围20毫米，分辨率0.05微米；optoNCDT 1750BL-100型号测量范围100毫米，分辨率0.2微米。线性度优于±0.0075% FSO，采样率最高2.5 kHz。

  • 应用特点与优势： 蓝光激光技术能提供更小的测量光斑和更高的精度，尤其在测量粗糙、有光泽、或深色（如黑色橡胶）表面时，能获得更稳定的信号和更精确的结果，有效克服了传统红光激光在这些表面上的局限性。传感器体积小巧，易于集成，适用于对精度和表面适应性要求较高的单点或多点协同测量方案。

• 美国康耐视 (采用3D机器视觉与激光投影技术)

  • 核心技术： 3D-L4000系列3D激光轮廓仪，结合3D机器视觉和激光线投影技术，获取物体表面的3D点云数据。

  • 核心参数： Z轴测量范围可达数百毫米，重复精度通常在数微米到数十微米级别，扫描速度最高可达18 KHz。Z轴分辨率在高分辨率模式下可达数微米。

  • 应用特点与优势： 康耐视在机器视觉领域具有领先地位，其解决方案不仅能进行精确的直径测量，还能利用获取的完整3D点云数据进行缺陷检测、体积测量等复杂的质量控制任务。它能有效应对复杂表面和环境光变化，提供全面的几何信息，适用于需要多功能、高精度3D检测的场合。

• 瑞典海克斯康 (采用结构光三维扫描技术)

  • 核心技术： GOM ATOS Q系列结构光三维扫描仪，通过投射精确的条纹图案并由双相机捕获变形图像来重建物体3D模型。

  • 核心参数： 测量精度在高精度模式下可达数微米级别，例如体积测量精度可达0.03毫米。测量速度快，每个测量周期仅需数秒即可获取全场数据。点距可配置，小至数十微米。

  • 应用特点与优势： 海克斯康系统提供极高密度的完整3D几何数据，远超单一的直径测量，还能进行形状、位置、缺陷等全面而精细的分析。其非接触式测量方式对软质轮胎无损，广泛应用于汽车行业的质量控制和逆向工程，特别适合对轮胎整体几何特征进行高精度、全面的离线或近线检测。

（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来测量轮胎直径，需要综合考虑多个关键技术指标，这些指标直接影响测量效果和系统的稳定性。

• 精度与分辨率：

  • 实际意义： 精度（Accuracy）指测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率（Resolution）指传感器能识别的最小位移变化。对于轮胎直径测量，通常需要达到亚毫米甚至微米级的精度，以满足严格的质量标准。分辨率越高，传感器捕捉微小变化的能力越强。

  • 选型建议： 根据轮胎直径的公差要求来选择。例如，如果要求直径测量误差在±0.1毫米以内，那么传感器的精度至少应优于此值。对于高性能轮胎，可能需要选择分辨率达到0.01-0.05毫米甚至更高的传感器。

• 测量范围与工作距离：

  • 实际意义： 测量范围是传感器能测量的最大和最小距离之间的跨度。工作距离是传感器最佳测量性能所在的距离。轮胎直径较大且生产线上有一定空间限制，传感器需要有足够大的测量范围来覆盖轮胎的直径变化，并能适应安装空间。

  • 选型建议： 确定产线中传感器到轮胎表面的实际距离，并预留一定的裕量。例如，若轮胎直径约0.6米，传感器需能覆盖此范围内的位移变化。

• 响应时间与采样率：

  • 实际意义： 响应时间是传感器从接收到信号到输出结果所需的时间。采样率是每秒能进行多少次测量。在高速运行的轮胎产线上，传感器需要快速响应以跟上产线节拍，确保每个轮胎都能被及时准确地检测。

  • 选型建议： 对于每秒通过数个轮胎的产线，需要选择响应时间在几毫秒，采样率在几百赫兹到几千赫兹的传感器。

• 抗干扰能力与防护等级：

  • 实际意义： 轮胎产线环境通常复杂，存在灰尘、水汽、环境光变化、振动等干扰因素。传感器的抗干扰能力和防护等级（如IP66、IP67）直接影响其在恶劣环境下的稳定性和寿命。

  • 选型建议： 优先选择具有高防护等级（IP66及以上）和具有相应防护设计的传感器，以防止粉尘和水汽侵入。对于强环境光干扰的场景，可考虑选择蓝光激光传感器或具有高级滤波算法的设备。

• 表面适应性：

  • 实际意义： 轮胎表面通常是黑色橡胶，吸光性强，且可能有花纹、油污等，这会影响激光的反射效果。传感器对不同颜色、光泽度、粗糙度的表面适应性是关键。

  • 选型建议： 针对黑色橡胶表面，蓝光激光传感器或具有高级信号处理算法的红光激光传感器会表现更好。对于复杂的轮廓和多种表面特性，激光扫描或3D结构光系统能提供更全面的解决方案。

• 输出接口：

  • 实际意义： 传感器需要与工厂的PLC、DCS或其他控制系统进行数据交互。多样化的输出方式（模拟量、数字量、工业总线）能够简化集成，方便数据传输和系统控制。

  • 选型建议： 确保传感器提供的输出接口与现有控制系统兼容，如0-10V/4-20mA模拟量、RS485、Profibus DP等。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在汽车轮胎产线实际应用中，激光传感器进行直径测量时可能会遇到一些常见问题：

• 轮胎表面特性引起的测量误差：

  • 问题： 轮胎是黑色哑光橡胶，吸光性强，导致激光反射信号弱，信噪比低，测量不稳定或精度下降。有时轮胎表面可能有脱模剂或油污，影响反射光斑的质量。

  • 原因： 传统红光激光对深色表面的反射效率较低。表面不均匀性导致光斑散射。

  • 解决建议：

    • 采用蓝光激光传感器： 蓝光激光波长更短，在黑色或粗糙表面上的反射和散射特性更好，能够提供更清晰的反射光斑和更高的信噪比。

    • 增加激光功率： 在允许的条件下适当提高激光功率，以增强反射信号。

    • 优化安装角度： 调整传感器与轮胎表面的入射和接收角度，尽量避免镜面反射和强吸收，寻找最佳测量位置。

    • 表面清洁： 定期检查并清洁轮胎表面，去除可能影响测量的油污或杂质。

• 环境光干扰：

  • 问题： 生产线上的日光灯、LED灯、甚至阳光直射都可能产生杂散光，混淆激光传感器的接收器，导致测量不准确。

  • 原因： 传感器接收器无法有效区分激光信号和环境光。

  • 解决建议：

    • 加装遮光罩： 在传感器周围设置物理遮光罩，阻挡大部分环境光。

    • 采用窄带滤波片： 在传感器接收端安装与激光波长匹配的窄带滤波片，只允许特定波长的激光通过，滤除大部分杂散光。

    • 高频调制激光： 采用调制激光（将激光束以特定频率闪烁），传感器只识别该频率的信号，有效抑制恒定或低频的环境光。

• 粉尘、水汽或油雾污染：

  • 问题： 轮胎生产过程中可能产生橡胶粉尘、水汽或油雾，附着在传感器镜头上，影响激光的发射和接收，导致测量精度下降甚至失效。

  • 原因： 污染物遮挡了光学路径。

  • 解决建议：

    • 高防护等级： 选择IP66或更高防护等级的传感器外壳，有效密封内部元件。

    • 空气净化系统/气帘： 传感器可配备（或外接）空气吹扫系统或气帘，通过持续的气流在镜头表面形成保护层，防止污染物附着。

    • 定期清洁： 定期检查并用无尘布和专用清洁剂小心擦拭传感器光学窗口。

• 振动和安装稳定性：

  • 问题： 生产线设备的振动、轮胎在输送过程中的轻微晃动，都可能导致传感器与轮胎之间的相对位置发生微小变化，从而引入测量误差。

  • 原因： 传感器或被测物体的机械稳定性不足。

  • 解决建议：

    • 坚固的安装支架： 确保传感器安装在足够坚固、抗振动的支架上，并固定牢靠。

    • 减振措施： 在安装支架和设备之间加入减振垫或减振器。

    • 数据平滑处理： 在数据采集后，通过软件算法进行数据滤波、平均化处理，以消除随机振动带来的瞬时误差。

4. 应用案例分享

• 轮胎径向跳动检测： 在轮胎成型和硫化后的检验环节，将轮胎安装在旋转工装上，通过多组激光位移传感器对轮胎径向（即轮胎外圆周方向）进行连续测量，实时获取轮胎圆度信息，评估径向跳动是否符合标准。

• 轮胎外径及断面尺寸检测： 在轮胎总成装配线，通过激光扫描仪或多点激光位移传感器阵列，快速测量轮胎的外径和横截面宽度，确保其与车辆匹配要求一致，避免因尺寸偏差导致安装困难或性能问题。例如，使用英国真尚有 ZLDS116 激光位移传感器，能够实现非接触式高精度测量。

• 轮胎一致性测量： 在轮胎动平衡或均匀性测试台上，激光传感器与高精度旋转编码器协同工作，对轮胎胎面和胎侧的微观几何尺寸进行高频采样，用于分析轮胎的质量分布和受力均匀性，提升驾驶舒适度。