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如何在复杂黑色汽车轮胎表面,实现微米级精度、每分钟数十个的非接触式轮廓与关键几何尺寸在线检测?【生产质量控制】

2025/10/23

1. 汽车轮胎的基本结构与技术要求

汽车轮胎,作为车辆与地面接触的唯一部件,其结构和性能直接关系到驾驶安全、操控性与舒适性。理解其基本结构和技术要求,是进行轮廓测量的基础。

想象一下,轮胎就像一个精密制造的橡胶“盔甲”,它主要由以下几个部分组成:

  • 胎面(Tread): 这是轮胎与地面直接接触的部分,上面有各种花纹和沟槽。这些花纹就像鞋底的纹路一样,负责提供抓地力、排水、散热和抗磨损。

  • 胎肩(Shoulder): 位于胎面边缘,连接胎面和胎侧。

  • 胎侧(Sidewall): 轮胎的侧壁,上面通常印有品牌、型号、尺寸、生产日期等信息,同时它还负责吸收路面冲击。

  • 胎圈(Bead): 轮胎的内圈部分,与轮辋紧密结合,确保轮胎不会脱离轮辋。

  • 帘布层(Carcass Ply): 轮胎的骨架,提供强度和支撑力。

由于这些复杂结构和关键功能,轮胎轮廓测量的核心技术要求主要集中在以下几个方面:

  • 胎面花纹深度和形状的精确性: 这是判断轮胎磨损程度、排水性能和抓地力的关键。如果花纹深度不足或形状异常,就像鞋底磨平了,会大大降低车辆在湿滑路面的安全性。

  • 胎侧的平整度和完整性: 胎侧的任何凸起、凹陷或损伤都可能预示着轮胎内部结构的问题,影响其承载能力和爆胎风险。

  • 轮胎整体尺寸的一致性: 包括外径、宽度等,这直接影响车辆的行驶稳定性、里程表准确性和燃油效率。

  • 径向和侧向跳动: 轮胎在高速旋转时,其表面与理想圆周或平面之间的偏差。就像一个不够圆的轮子,会导致车辆行驶时的抖动和不平稳。

2. 针对汽车轮胎的相关技术标准简介

为了确保轮胎的质量和性能,行业内制定了一系列严格的监测参数和评价方法。这些参数的测量和评估,是轮胎制造、质量控制和售后服务的重要依据。

  • 胎面花纹深度: 指的是胎面主沟槽底部到胎面最外表面的垂直距离。就像我们检查尺子的刻度,测量时通常会在轮胎的不同位置(例如四个主要花纹沟的中心)选取多个点进行测量,然后计算平均值或关注最小深度,以判断轮胎的磨损状况和是否达到安全更换标准。

  • 胎面磨损均匀性: 评价的是轮胎在滚动过程中,胎面各个部分的磨损是否一致。如果磨损不均匀,就像鞋子一边磨得快,一边磨得慢,会影响轮胎的使用寿命和车辆的行驶性能。评估时,会测量轮胎圆周上多个点的胎面深度,然后分析这些深度数据之间的差异。

  • 沟槽宽度与形状: 这是指胎面花纹中各个沟槽的几何尺寸和横截面形态。这些沟槽的精确形状和尺寸,对轮胎的排水、散热和噪音性能至关重要。测量时,通常会通过高精度轮廓扫描设备获取沟槽的截面数据,然后进行详细的几何分析。

  • 径向跳动(Radial Runout): 当轮胎在车上旋转时,其外圆周表面到旋转中心点的距离是变化的。径向跳动就是指这个距离在旋转一周内的最大与最小差值。就像一个不完全规整的圆盘在转动,会引起车辆上下方向的振动。

  • 侧向跳动(Lateral Runout): 同样是轮胎旋转时,其侧面(胎侧)相对于其理想旋转平面的摆动量。就像一个有点歪斜的盘子在转动,会引起车辆左右方向的摆动。径向和侧向跳动过大都会影响驾驶舒适性和轮胎寿命。

  • 胎侧凸起/凹陷: 胎侧表面出现的局部异常凸起或凹陷。这通常是轮胎在生产过程中出现缺陷或使用中受到损伤的迹象,可能导致安全隐患。评估时,会通过扫描或目视检查来识别并测量这些异常区域的高度或深度。

3. 实时监测/检测技术方法

(1)市面上各种相关技术方案

在汽车轮胎轮廓测量领域,非接触式测量技术因其高效、无损和高精度的特点而受到广泛应用。以下介绍几种主流的非接触式测量方案:

  • 激光三角测量技术

激光三角测量是一种非常普遍且高效的非接触式测量原理。它的工作原理可以形象地理解为:传感器内部有一个激光发射器,就像一个手电筒,它会发射出一束激光束(可以是点状或线状)投射到被测轮胎表面,形成一个明亮的光斑或光线。同时,传感器内部还有一个图像接收器(比如一个微型相机,通常是CCD或CMOS传感器),它从一个特定的角度来“观察”这个光斑。

当轮胎表面距离传感器远近发生变化时,由于几何三角关系,光斑在图像接收器上的成像位置也会随之移动。传感器通过精确捕捉光斑位置在接收器上的微小位移,结合固定的基线距离(激光发射器与接收器之间的距离)和入射角度,就能通过三角几何计算出被测物体到传感器的距离。

其核心物理基础在于三角函数关系。在一个简单的模型中,如果知道激光发射器和接收器的基线距离 L、激光入射角 α,以及光斑在接收器上形成的偏转角 θ,那么被测点相对于一个参考平面的距离 d 可以大致表示为:

d = L * sin(α) / (tan(θ) + tan(α))

在实际应用中,传感器会通过精确的标定,将接收器上的像素位置变化直接映射为实际的距离值。

核心性能参数的典型范围:

这类传感器通常能达到微米级的测量精度,优质的系统精度可达±0.015mm,一般在±0.02mm~±0.1mm范围内。它们的扫描速度非常快,线激光扫描仪能达到每秒数千条轮廓的频率。测量范围广,可以从几毫米到几米不等。

技术方案的优缺点:

  • 优点:

    • 非接触式: 对轮胎表面无损伤,适用于柔软或敏感材料。

    • 测量速度快: 特别是线激光扫描仪,能快速获取大量轮廓数据,非常适合在线批量检测,能跟上生产线的节拍。

    • 精度较高: 能够满足大多数工业应用对尺寸测量的要求。

    • 成本适中: 相较于一些更高端的技术,激光三角测量方案通常具有更好的性价比。

    • 结构相对简单: 便于集成到自动化系统中。

  • 缺点:

    • 表面适应性: 对被测物体的表面颜色、光泽度和纹理较为敏感。深色、高反光或透明的轮胎表面可能导致激光信号衰减、散射,影响测量效果,产生“死区”或数据噪点。

    • 环境光干扰: 外部光源可能会影响传感器对反射光斑的识别。

    • 倾斜角限制: 对于过于倾斜的表面,反射光可能无法被接收器有效捕捉,导致测量盲区。

成本考量:

整体而言,激光三角测量方案在非接触式测量技术中属于中等成本范畴,是工业自动化领域应用最广泛的测量技术之一。

  • 线光谱共焦技术

线光谱共焦技术是一种利用光的波长特性来测量距离的方法。它发射一道宽带白光,这束光经过特殊光学元件(就像一个能把各种颜色的光分开的棱镜)后,不同波长的光会被聚焦到不同的深度位置。当这些光束照射到轮胎表面时,只有恰好聚焦在表面上的特定波长的光能最强地反射回来。传感器通过分析反射光的强度谱,找出能量最强的那个波长,然后根据这个波长与聚焦深度的对应关系,就能精确计算出轮胎表面每一个点的距离,最终形成二维轮廓。

核心性能参数的典型范围:

这类技术通常能提供极高的Z轴分辨率,可以达到亚微米甚至纳米级别(如小于0.05微米),但X轴测量宽度相对较小(如20毫米)。轮廓获取频率可以达到每秒数千条。

技术方案的优缺点:

  • 优点:

    • 极高精度和分辨率: 尤其适用于对微小特征和表面粗糙度的精确测量。

    • 表面适应性强: 对轮胎表面的颜色、光泽度(例如高光泽胎侧或哑光胎面)和倾斜度不敏感,测量稳定性极高。

    • 抗环境光干扰能力强: 能够稳定地在复杂光照环境中工作。

    • 非接触无损: 对被测物无任何物理接触。

  • 缺点:

    • 测量范围相对较小: 通常适用于几毫米到几十毫米的范围。

    • 成本较高: 相较于激光三角测量,设备通常更为昂贵。

    • 扫描速度: 虽然可以进行线扫描,但在某些应用中,其整体数据获取速度可能不如线激光扫描仪快。

成本考量:

线光谱共焦技术属于高端测量方案,设备成本相对较高。

  • 结构光投影技术

结构光投影技术的工作方式就像用一个特殊的投影仪把一系列已知图案(比如条纹、点阵或编码的图案)投射到轮胎表面。当这些图案投射到具有三维形状的轮胎上时,它们会发生畸变。传感器(通常是两台或更多的相机)从不同的角度同时捕捉这些畸变后的图案图像。通过复杂的图像处理和三角测量算法,系统可以分析图案的畸变程度,从而计算出轮胎表面上每一个点的三维坐标。最终,这些大量的点会汇聚成一个高密度的三维点云,完整地重建出轮胎的轮廓和表面形貌。

核心物理基础: 结构光投影技术本质上是三角测量原理的扩展,它通过投射已知图案来简化立体匹配问题,从而快速获取大量点的三维信息。其深度计算仍然基于视差原理,即:

Z = (B * f) / (dX)

其中,Z是被测点的深度,B是两个相机之间的基线距离,f是相机焦距,dX是图像中对应点在两个相机图像上的视差(位置差异)。结构光通过编码图案,使得dX的计算更加准确和高效。

核心性能参数的典型范围:

这类传感器能够提供高密度、高精度的三维点云数据,测量精度可达微米到几十微米(如0.019毫米)。扫描速度快,可在数秒内完成一次整个部件的扫描。测量视场灵活,有多种型号可选。

技术方案的优缺点:

  • 优点:

    • 快速获取完整三维数据: 能够在短时间内对复杂形状的轮胎获取高密度的三维点云,实现全尺寸扫描。

    • 高精度: 能够精确捕捉轮胎的复杂形状和微小特征。

    • 适用于自动化检测: 易于集成到自动化检测单元和机器人系统中,进行批量质量控制。

    • 数据丰富: 输出数据可用于逆向工程、尺寸分析和缺陷检测。

  • 缺点:

    • 对环境光敏感: 外部光线可能干扰投射图案的识别,影响测量精度。

    • 表面特性影响: 高反光或吸光的表面可能导致图案识别困难。

    • 需要多视角扫描: 对于复杂的轮胎形状,可能需要多个传感器或移动扫描来覆盖所有区域。

    • 设备成本较高: 相较于单点或线激光传感器,结构光系统通常投资更大。

成本考量:

结构光投影技术属于中高端测量方案,设备和系统集成成本较高。

(2)市场主流品牌/产品对比

以下是针对汽车轮胎轮廓测量领域,几个采用上述非接触技术的知名品牌及其解决方案对比:

  • 加拿大高迈克(采用激光三角测量技术)

    • 加拿大高迈克公司以其高度集成化的智能3D线激光扫描仪闻名。他们的Gocator系列产品集成了扫描、测量和控制功能于一体,用户无需外部控制器,就能直接获取和处理三维轮廓数据。在轮胎轮廓测量中,它可以高速、高分辨率地对轮胎胎面、胎侧、沟槽深度等进行精确测量。其典型的Z轴重复精度可达0.8微米至2.0微米,X轴分辨率为6微米,扫描速度高达每秒10千赫。这种高性能使其非常适合在线批量检测,能够快速准确地捕捉轮胎的详细几何信息。

  • 英国真尚有(采用激光三角测量技术)

    • 英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器是一款高性能、多功能的测量设备,同样基于光学三角测量原理。它以其广泛的测量范围和高精度在工业测量领域占有一席之地。ZLDS116的最大测量距离可达10米,测量范围可达8米,精度最高可优于0.08%(具体取决于测量范围)。其5毫秒的快速响应时间使其适合动态测量,并且能够测量高达1300°C的高温物体。ZLDS116具有IP66级高防护等级和空气净化系统,能在恶劣的生产环境中稳定工作,而且是自主传感器,无需频繁校准。它在轮胎轮廓测量中,尤其适用于需要远距离、高速度和高环境适应性的场景,例如测量大型轮胎的整体直径、跳动,或者在恶劣环境下对轮胎部件进行位置和尺寸监控。

  • 德国微法(采用线光谱共焦技术)

    • 德国微法在测量领域享有盛誉,其scanCONTROL LCI系列线光谱共焦传感器利用线光谱共焦技术,提供极高的测量精度和分辨率。该技术对轮胎表面的光泽度、颜色和倾斜度不敏感,这意味着它在测量黑色、反光或复杂纹理的轮胎表面时,能够保持出色的稳定性和准确性。其Z轴分辨率小于0.05微米,X轴测量宽度可达 20 毫米,轮廓频率最高达每秒4千赫。德国微法的方案特别适用于对轮胎胎面花纹的微观几何形状、胎侧标识细节等进行高精度、无干扰的在线批量轮廓检测。

  • 美国法如(采用结构光投影技术)

    • 美国法如公司的 Cobalt Array Imager采用蓝光结构光投影技术,专注于提供高密度、高精度的三维点云数据。该设备通过向轮胎表面投射一系列蓝光图案,并由高分辨率相机捕捉畸变图像,从而精确重构轮胎的完整三维轮廓和表面形貌。其测量精度最高可达0.019毫米,可在数秒内完成一次扫描,测量视场灵活可选。法如的解决方案优势在于能够快速获取全尺寸轮胎或轮胎部件的全面三维数据,适用于自动化质量控制和批量检测,尤其擅长捕捉复杂形状和微小特征,输出数据可用于更深入的逆向工程和尺寸分析。

(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

选择合适的非接触式测量方案时,需要综合考虑多个关键技术指标,这些指标直接影响测量结果的可靠性、效率和适用性。

  • 测量精度(Accuracy)和重复精度(Repeatability):

    • 实际意义: 精度代表测量值与真实值之间的接近程度,重复精度则衡量多次测量同一目标时结果的一致性。想象一下,如果一个尺子每次量出来都差一点,或者每次量同一个东西结果都不一样,那它就不能用来做精密工作。

    • 影响: 高精度和高重复性是确保测量数据可靠性的基石。对于轮胎胎面沟槽深度、胎侧形状等关键尺寸,哪怕0.1毫米的误差也可能导致安全隐患或产品不合格。重复性差的设备会使质量控制失去意义。

    • 选型建议: 对于高要求、关键尺寸的测量,例如胎面花纹深度、胎侧精确轮廓,应优先选择精度达到微米甚至亚微米级的设备(如线光谱共焦)。对于一般尺寸检查,精度在几十微米到0.1毫米的激光三角测量设备通常也足够。

  • 分辨率(Resolution):

    • 实际意义: 传感器能够检测到的最小尺寸变化量。它决定了你能看到多小的细节。

    • 影响: 分辨率越高,传感器能够识别轮胎上更细微的特征、缺陷或花纹细节。例如,要检测胎侧上极其微小的凸起或模具痕迹,就需要极高的分辨率。

    • 选型建议: 如果需要捕捉轮胎的微观形貌、细小缺陷或精细的花纹边缘,建议选择分辨率高的传感器(如线光谱共焦或部分高性能激光三角)。对于宏观轮廓检测,较低分辨率的设备也能满足需求。

  • 测量范围(Measurement Range)和工作距离(Standoff Distance):

    • 实际意义: 测量范围是传感器能有效测量的最大与最小距离差,工作距离是传感器最佳工作位置。这就像一个人的手臂能伸多远、能拿多近。

    • 影响: 范围太小可能无法覆盖整个轮胎,或者在安装时需要非常靠近轮胎,带来干涉风险。工作距离不合适可能影响精度或安装灵活性。

    • 选型建议: 对于整个轮胎的宏观轮廓测量(如直径、整体跳动),需要选择测量范围广的设备(如激光三角测量传感器,其测量范围可达数米)。对于局部高精度测量,可以选择测量范围相对较小的线光谱共焦传感器。同时,要考虑实际安装空间,选择工作距离合适的传感器。

  • 扫描速度/响应时间(Scan Speed / Response Time):

    • 实际意义: 扫描速度是传感器每秒能获取多少条轮廓数据(对于线激光),或完成一次测量所需的时间(对于结构光)。响应时间是传感器对输入信号变化作出反应的速度。

    • 影响: 在线检测场景中,速度是效率的关键。生产线每分钟可能要通过数十个轮胎,传感器必须能在短时间内完成测量并输出数据,否则会拖慢整个生产节拍。

    • 选型建议: 对于高速在线检测,应优先选择扫描速度快、响应时间短的线激光扫描仪或结构光扫描仪。例如,每秒数千条轮廓的扫描速度能满足大多数生产线需求。

  • 表面适应性(Surface Adaptability):

    • 实际意义: 传感器对不同颜色、光泽度(如高反光、哑光、深色)和材质(如黑色橡胶)的轮胎表面的适应能力。

    • 影响: 轮胎表面通常是黑色橡胶,可能吸光,部分区域(如胎侧)可能有模具脱模剂残留,导致表面反光不均。这些特性可能导致某些测量技术(如部分激光三角)出现测量盲区或数据不稳定。

    • 选型建议: 如果轮胎表面特性复杂、光泽度变化大,应优先考虑对表面特性不敏感的技术,如线光谱共焦传感器,或选择具有多功率激光选项的激光三角传感器。结构光技术也需要关注其对反光面的处理能力。

  • 环境适应性(Environmental Robustness):

    • 实际意义: 传感器在恶劣环境(如粉尘、振动、温度变化、环境光)下工作的能力。

    • 影响: 轮胎生产车间常伴有粉尘、振动和环境光干扰。这些因素可能影响传感器的光学元件、电子部件和测量信号,导致测量不稳定或设备损坏。

    • 选型建议: 选择具有高防护等级(如IP66/IP67)、抗振动设计、宽工作温度范围、甚至配备空气净化系统或水冷系统的传感器。同时,对于环境光干扰大的场景,线光谱共焦或带有专用滤光片的激光传感器表现更佳。

(4)实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在汽车轮胎轮廓测量的实际应用中,尽管非接触式传感器技术不断进步,仍然可能遇到一些挑战。

  • 问题1: 轮胎表面特性导致的测量不稳或数据缺失

    • 原因与影响: 轮胎的黑色橡胶材质吸光性强,胎侧可能带有反光或哑光的生产标记、模具脱模剂残留,甚至在生产过程中会有一些粉尘附着。这些因素都会影响激光或结构光的反射效果,导致传感器接收到的信号强度不足、散射严重,从而在测量数据中出现不连续点、“死区”或者测量值波动大,降低整体精度和可靠性。

    • 解决建议:

      • 选择合适的测量技术: 对于高光泽或吸光表面,线光谱共焦技术通常表现更优,因为它对表面特性不敏感。

      • 优化传感器参数: 如果使用激光三角测量,可以尝试调整激光功率,以适应不同表面。

      • 多角度测量与数据融合: 通过在不同角度安装多个传感器,可以覆盖单一传感器可能出现的盲区。然后,利用软件对多路数据进行融合和后处理,以生成更完整、更准确的轮胎三维轮廓。

      • 表面清洁: 在测量前,确保轮胎表面清洁,避免粉尘、油污等影响测量结果。

  • 问题2: 环境光干扰

    • 原因与影响: 生产车间内通常有明亮的照明灯具、日光透过窗户,或者其他生产设备的指示灯光,这些环境光可能会与测量传感器发出的光束波长重叠,导致传感器将环境光误识别为反射光信号,从而引入噪声,降低测量精度和稳定性。

    • 解决建议:

      • 物理遮蔽: 在传感器工作区域加装遮光罩或防护罩,隔离大部分环境光。

      • 选择抗干扰能力强的传感器: 某些线光谱共焦传感器或具备特殊滤波机制的激光传感器,在设计上就对环境光有较强的抑制能力。

      • 使用光学滤光片: 在传感器的接收端安装与测量激光波长匹配的窄带滤光片,只允许特定波长的光通过,大幅度减少环境光的影响。

      • 提高采样频率和信号处理: 通过高速采样并结合先进的信号处理算法(如平均、滤波),可以有效滤除随机的环境光噪声。

  • 问题3: 轮胎在测量过程中的振动和定位不稳

    • 原因与影响: 轮胎在传送带上高速运动时,不可避免地会产生微小的振动,或者夹具的固定不够稳固,导致轮胎在测量瞬间的相对位置发生细微变化。这种不稳定性会直接反映在测量结果上,造成数据波动大,重复性差,无法精确反映轮胎的真实轮廓。

    • 解决建议:

      • 增强机械稳定性: 优化轮胎的夹持和定位机构,确保其在测量过程中能够被牢固且精确地固定。为整个测量系统设计稳定的基座,并加装减振装置,以隔离外部振动。

      • 选用高响应速度传感器: 响应时间短的传感器,能够以更高的频率捕捉数据,从而在轮胎发生微小振动时,也能尽可能多地获取真实瞬间的位置信息。

      • 引入补偿或校正机制: 结合额外的视觉定位系统或编码器,实时监测轮胎的精确位置和速度,并通过软件算法对测量数据进行实时补偿和校正。

      • 多点平均或动态跟踪: 通过在短时间内获取多个测量点的数据,并进行平均处理,可以有效减小随机振动带来的误差。一些高级系统还支持动态跟踪功能,实时调整传感器的测量窗口。

4. 应用案例分享

  • 胎面花纹深度在线检测: 在轮胎生产线的末端,高速线激光扫描仪对每个下线的轮胎进行全周扫描,精确测量主沟槽深度和磨损均匀性,确保产品符合设计标准和国家安全法规。

  • 轮胎磨损评估与翻新: 在轮胎翻新工厂或汽车维修站,结构光扫描仪或线激光传感器对旧轮胎进行三维轮廓扫描,评估胎面剩余厚度、磨损模式和损伤情况,为翻新决策提供数据依据。

  • 轮胎模具精度检测: 在轮胎模具制造过程中,使用线光谱共焦传感器对模具型腔进行高精度轮廓测量,以纳米级精度检测模具表面的微观形貌和尺寸偏差,确保模具的制造精度。

  • 轮胎动态平衡与跳动分析: 在轮胎装配到轮辋后,通过激光三角测量传感器实时测量轮胎在旋转测试台上的径向和侧向跳动,分析其几何不平衡性,指导动平衡配重调整,提升车辆行驶性能。例如,英国真尚有的ZLDS116激光位移传感器,凭借其高达10米的测量距离,可以胜任大型轮胎的整体测量。

  • 轮胎气门嘴安装位置检测: 利用激光传感器精确测量轮胎上气门嘴安装孔的中心位置、深度和边缘轮廓,确保气门嘴的正确安装,防止漏气。

在选择轮胎轮廓测量设备时,需要根据具体的应用需求综合考虑各种因素。希望本文提供的信息能帮助您选择最适合您需求的测量方案。



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