如何实现500mm-1200mm轮胎的高速非接触式直径与圆度检测，达到微米级精度？【生产线自动化, 激光测量】

1. 基于轮胎的基本结构与技术要求

在轮胎生产线上高精度测量不同尺寸轮胎的直径，首先需要理解轮胎这种被测物的特性。想象一下，一个轮胎就像是一个由多层橡胶和帘线构成的复杂环形结构，它的表面通常是黑色的，有时带有花纹，这会影响光的反射。同时，生产线上轮胎的尺寸变化范围很大，从轿车轮胎到卡车轮胎，直径差异可能达数倍。

为了确保轮胎的质量和性能，生产线对直径测量的技术要求非常高：

• 高精度与重复性： 轮胎直径的微小偏差都可能影响车辆的行驶稳定性、操控性及燃油效率。因此，测量精度通常需要达到微米（μm）级别，并且在多次测量中结果应高度一致。

• 非接触性： 轮胎在生产线上是运动的，采用非接触式测量能避免对产品造成磨损或污染，同时保证测量速度。

• 高速测量： 生产线节奏快，传感器需要具备足够高的采样速度，以便在轮胎快速通过时也能捕捉到足够多的数据点，进行精确计算。

• 适应性强： 轮胎表面材质、颜色可能存在细微差异，且生产环境可能存在粉尘、震动、环境光干扰等因素，传感器必须能稳定工作。

• 宽量程与多尺寸适应： 能够测量从小型轮胎到大型轮胎的不同直径范围。

2. 针对轮胎的相关技术标准简介

为了确保轮胎的质量和性能，行业内对轮胎的各种参数都有严格的监测和评价标准。对于直径测量，主要关注以下几个方面：

• 外径（Overall Diameter）： 这是指轮胎在规定充气压力下，未加载时，从胎面中心线通过的垂直于轴线的最大外缘尺寸。它是轮胎最核心的尺寸参数之一，直接影响车速表读数、车辆离地间隙等。评价方法通常是在多个角度进行测量，取其平均值或最大/最小值来评估圆度。

• 胎圈直径（Bead Diameter）： 指轮胎与轮辋接触部分的直径，也称为名义轮辋直径。这是安装匹配性的关键尺寸。评价方法是通过测量胎圈区域的特定点位来确定其尺寸。

• 断面宽度（Section Width）： 轮胎充气后，胎面两外侧之间的距离。虽然不是直径，但与直径测量常常同时进行，反映轮胎的肥瘦。

• 圆度（Roundness）： 轮胎外径在不同周向位置上的变化量，是衡量轮胎是否“圆”的重要指标。圆度不良会导致车辆行驶时的振动和不平衡。评价方法是通过连续测量轮胎外周轮廓，计算其最大与最小半径的差值。

• 同心度（Concentricity）： 轮胎胎面中心线与胎圈中心线的相对位置，反映轮胎的制造精度。

这些参数的准确获取对于轮胎的性能、安全性和装配性至关重要。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在轮胎生产线上高精度测量直径，市面上有多种成熟的非接触式技术方案，它们各有千秋，就像针对不同路况选择不同型号的轮胎。

1. 点式激光三角测量技术

这种技术就像是你用手电筒去照一面墙，然后从侧面观察光点的位置变化。当墙壁离你远一点或近一点时，光点在你视野里的角度就会不一样。

• 工作原理和物理基础： 传感器内部包含一个激光发射器和一个接收光学系统（通常是CMOS或PSD阵列）。激光发射器将一束激光点投射到被测轮胎表面。当轮胎表面与传感器之间的距离发生变化时，反射回来的激光点在接收阵列上的位置也会发生偏移。通过精确测量这个光点在阵列上的偏移量，结合光学几何关系，就可以计算出传感器到轮胎表面的距离。 其核心是基于几何三角原理。假设激光发射器与接收器之间有一个固定的基线长度L，激光束以某一角度θ1发射到物体表面，反射光以另一角度θ2被接收器接收。当物体表面位置变化时，θ2会随之改变，导致光点在接收器上移动。 简化来说，如果激光发射器与接收器之间的基线为B，发射角度为α，接收角度为β，通过接收器上光点位置的变化ΔX，可以推导出距离变化ΔZ： ΔZ = (B * ΔX) / (sin(α) * ΔX + B * cos(α)) (这是一个简化形式，实际计算更复杂，涉及到光学设计参数和标定曲线。) 通过多次点测量或配合扫描机构，可以获取轮胎的轮廓数据，进而计算直径。

• 核心性能参数的典型范围： 测量范围通常从几毫米到数百毫米甚至上千毫米；分辨率可达微米甚至亚微米级别；测量频率从几KHz到几十KHz，甚至更高；线性度通常在0.01%到0.1% FSO（Full Scale Output，满量程输出）之间。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量精度高，响应速度快，非接触式，适用于高速运动物体的距离测量。光斑小，可以测量精细的表面特征。对于表面颜色变化和粗糙度有一定的适应性。

  • 局限性： 单点测量方式，若要获取完整轮廓或直径，需要传感器自身或配合外部机械进行扫描，或者使用多个传感器组合。对于高光泽或透明表面可能存在测量挑战。

  • 成本考量： 中等偏高，但随着技术成熟度提升，成本效益比越来越好。

2. 激光线轮廓测量技术（3D激光扫描）

想象一下，你不再用手电筒照一个点，而是用一把激光“尺子”照在轮胎上，这条“尺子”在轮胎表面会形成一条亮线。通过分析这条线的形状变化，就能知道轮胎表面的三维形状。

• 工作原理和物理基础： 传感器向被测轮胎表面投射一条激光线，而不是一个点。当这条激光线投射到物体表面时，会因物体表面的高低起伏而发生变形。一个高分辨率的CMOS图像传感器会从特定角度捕捉这条变形的激光线图像。传感器内部的处理器通过对这条激光线在图像中位置的精确计算（同样基于三角测量原理，但扩展到线），能够实时生成一系列密集的三维点云数据。这些点云数据包含了轮胎截面的高度和位置信息，直接从这些数据中就可以提取出轮胎的直径、截面形状、圆度等复杂几何尺寸，甚至检测表面缺陷。

• 核心性能参数的典型范围： X轴（扫描宽度）测量范围可达几十到几百毫米；Z轴（高度）测量范围可达几十到几百毫米；X分辨率可达几十微米；Z重复精度可达亚微米或几微米级别；扫描速率从几百Hz到几KHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 能一次性获取物体表面的完整三维轮廓信息，测量效率高。数据丰富，可同时进行多种尺寸测量和缺陷检测。通常集成了处理器，可独立完成数据处理和结果输出，部署和集成简便。

  • 局限性： 相比点式测量，单个点的精度可能略低，但整体轮廓精度高。对于某些特定角度的深孔或陡峭边缘可能存在阴影区域。

  • 成本考量： 通常较高，因为集成了复杂的图像处理和计算能力。

3. 激光阴影法（光学测微仪）

这种方法就像是让轮胎从一个非常精准的“光幕”前通过，光幕被轮胎遮挡的部分形成阴影。通过测量这个阴影的宽度，就能知道轮胎的直径。

• 工作原理和物理基础： 传感器包含一个平行光源（通常是绿色LED或激光）和一个高分辨率CMOS接收器。光源发出均匀的平行光束，形成一个“光幕”。当轮胎通过这个光幕时，它会阻挡一部分光线，在接收器上形成一个清晰的阴影轮廓。接收器通过捕捉这个阴影图像，并利用图像处理技术精确识别阴影的边缘位置。通过测量被遮挡的宽度，就可以直接计算出轮胎的外径或内径。其核心是基于光的透射和图像分析，亚像素级的边缘检测算法是实现高精度的关键。 在理想情况下，直径D = (N_pixel_full - N_pixel_shadow) * Pixel_Resolution，其中N_pixel_full是总像素数，N_pixel_shadow是阴影区域像素数。

• 核心性能参数的典型范围： 测量范围（最大测量宽度）从几毫米到几十毫米；重复精度可达亚微米级别；采样速度可达几KHz到几十KHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量精度和重复性极高，非接触式，测量速度快。不受工件表面颜色、光泽度或振动影响，尤其适用于圆柱形或圆盘状物体的外径测量。

  • 局限性： 测量范围相对较小，通常用于测量较小的物体或需要极其高精度的场景。对于非常规形状或复杂轮廓的测量能力有限，主要用于外径或内径。

  • 成本考量： 较高，属于精密测量设备。

4. 旋转式激光扫描测径技术

这就像是一个快速旋转的激光束，它画出一个平面，轮胎穿过这个平面时，激光束被“砍断”的时间有多长，就决定了轮胎的直径。

• 工作原理和物理基础： 传感器内部包含一个激光源（如氦氖激光）和一个高速旋转的棱镜或扫描机构。旋转棱镜将激光束快速扫描通过一个测量区域，形成一个精确的激光平面。当被测轮胎进入这个扫描区域时，它会阻挡激光束。高分辨率的光电探测器会持续监测激光束的状态。通过测量激光束被轮胎遮挡的时间长度，并结合激光扫描的已知恒定速度，可以精确计算出轮胎的外部直径。 其基本公式是：直径 D = 激光扫描速度 V_scan * 激光束被遮挡时间 T_blockage。

• 核心性能参数的典型范围： 测量范围通常从几毫米到几百毫米；重复精度可达亚微米级别；测量速度高达几千次/秒。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和分辨率，高速在线检测。测量结果不受轮胎表面颜色、光泽度或轻微振动的影响。坚固耐用，适合恶劣工业环境。

  • 局限性： 主要用于圆形物体的外径测量，对于复杂的三维形状获取能力有限。安装和对准要求较高。

  • 成本考量： 较高，属于高端精密测量设备。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在轮胎直径测量领域有代表性的国际品牌，涵盖上述不同技术方案：

• 日本基恩士

  • 技术方案： 激光阴影法（光学测微仪）

  • 核心特点： LS-9000系列以其极高的测量精度和重复性闻名，重复精度可达±0.05 μm。它采用透射光原理，通过CMOS相机捕捉轮廓图像并进行亚像素级边缘检测，特别擅长在线批量检测。对工件表面颜色和光泽度不敏感，抗环境光干扰能力强。

  • 适用场景： 对小尺寸零件外径有极致精度要求的场景，例如高精度测量轮胎的某些特定结构尺寸。

• 英国真尚有

  • 技术方案： 点式激光三角测量

  • 核心特点： ZLDS100RD系列是一款性能均衡的激光位移传感器，采用紧凑的铝制外壳。它提供多种光斑大小选项，可以根据测量精度需求选择小至小于0.06mm的光斑，或者适应粗糙表面的大于1mm的大光斑。凭借高达70KHz（部分版本）的采样速度、0.01%的分辨率和最高0.03%的线性度，使其在高速运动中也能实现高精度测量。同时，它具备优秀的抗环境干扰能力，如抗太阳强光、潮湿路面稳定测量，输出接口兼容性强，支持RS422或RS485数字输出。该系列提供多个量程中点选择，分别为45mm、310mm、355mm、440mm、375mm和745mm。

  • 适用场景： 轮胎在高速运动中的动态距离监测，通过多点测量或配合机械扫描实现直径计算，尤其适合需要适应复杂环境和多种量程需求的场景。

• 德国米开米克

  • 技术方案： 点式激光三角测量

  • 核心特点： optoNCDT 2300系列是高性能激光位移传感器的代表，与英国真尚有ZLDS100RD采用相同的点式激光三角测量原理。其测量速度高达49kHz，分辨率低至0.03 μm，线性度可达±0.02% FSO，在速度和精度上表现出色。尤其值得一提的是，其蓝光激光技术对于有机材料和粗糙的轮胎表面表现更佳。

  • 适用场景： 追求极致测量速度和精度的非接触式距离测量，蓝光激光对轮胎表面特性有更优异的适应性，常用于工业自动化和质量控制。

• 加拿大泰勒达因高创

  • 技术方案： 激光线轮廓测量（3D激光扫描）

  • 核心特点： Gocator 2500系列是智能3D激光线轮廓传感器，集成了控制器和处理软件，能够直接输出高密度的三维点云数据。它采用蓝光激光，能够同时进行直径、截面几何尺寸和缺陷检测。X轴视野可达150mm，Z重复精度达 0.8 μm，扫描速率5kHz。

  • 适用场景： 需要同时获取轮胎三维完整轮廓、进行复杂尺寸测量和缺陷检测的在线高速检测。一体化设计简化了系统集成。

• 意大利玛波斯

  • 技术方案： 旋转式激光扫描测径技术

  • 核心特点： P3000系列激光扫描测径仪以其卓越的测量精度和高速扫描能力脱颖而出，重复精度可达±0.05 μm，测量速度高达2000次/秒。它利用旋转棱镜扫描激光束，通过测量光束被遮挡的时间来精确计算直径。这种方法不受轮胎表面颜色、光泽度或振动的影响，工业设计坚固耐用。

  • 适用场景： 对圆形物体外径测量有极高精度和速度要求，且环境较为恶劣的在线检测场合，如高精度钢管、线缆和轮胎的外径检测。

（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，就像是挑选一双合脚的鞋，需要仔细衡量各个方面的参数。

• 测量范围 (Measurement Range / Field of View)： 指传感器能够测量的最大和最小距离差，或能覆盖的尺寸范围。

  • 实际意义： 决定了传感器能适应多大尺寸的轮胎。如果量程太小，无法覆盖所有尺寸；如果太大，可能会牺牲精度。

  • 对测量效果影响： 范围不匹配会导致无法测量或测量精度下降。

  • 选型建议： 根据生产线上最大和最小轮胎的直径，留出一定的裕量来选择测量范围。例如，如果最小轮胎直径是500mm，最大是900mm，传感器需要能覆盖至少400mm的距离变化。对于激光线轮廓传感器，还需要考虑其X轴视野能否覆盖轮胎的宽度。

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

  • 精度： 测量值与真实值之间的接近程度。

  • 重复精度： 在相同条件下，多次测量同一物体得到的测量结果之间的一致性。

  • 实际意义： 精度决定了测量结果的“真”度，重复精度决定了测量结果的“稳”度。在轮胎直径测量中，通常要求微米级别甚至更高的精度。

  • 对测量效果影响： 低精度或低重复性会导致误判，影响产品质量控制。

  • 选型建议： 根据轮胎生产的质量控制要求来选择。通常情况下，重复精度比绝对精度更重要，因为它反映了传感器的稳定性。对于直径测量，一般要求重复精度达到轮胎直径公差的1/5到1/10。

• 分辨率 (Resolution)： 传感器能够识别的最小距离变化量。

  • 实际意义： 决定了传感器能“看清”多微小的细节。例如，0.01%分辨率意味着在100mm的量程内，可以分辨出10微米的距离变化。

  • 对测量效果影响： 分辨率不足会使得微小的尺寸偏差无法被检测到。

  • 选型建议： 至少要达到或优于所需的测量公差。例如，如果要求直径测量精度达到±0.1mm，那么分辨率至少要优于0.1mm。

• 采样速度 / 扫描速率 (Sampling Rate / Scan Rate)： 传感器每秒钟能进行测量或扫描的次数。

  • 实际意义： 决定了传感器在轮胎快速移动时能否捕捉到足够多的数据点。生产线速度越快，对采样速度要求越高。

  • 对测量效果影响： 采样速度低会导致数据点稀疏，测量结果可能不准确或无法捕捉到快速变化的细节。

  • 选型建议： 根据轮胎在生产线上的最快运动速度和所需的测量点密度来计算。例如，如果轮胎每秒移动1米，需要每毫米一个测量点，那么采样速度至少需要1000Hz。

• 光斑大小 (Spot Size) / 激光线宽度 (Laser Line Width)： 激光束在物体表面的投影尺寸。

  • 实际意义： 小光斑可以测量更精细的特征和边缘，但可能对表面粗糙度更敏感；大光斑则对粗糙表面有更好的适应性，但会牺牲细节分辨能力。

  • 对测量效果影响： 光斑过大会模糊轮胎花纹等细节，影响边缘检测精度；光斑过小可能导致测量不稳定或受表面微小瑕疵影响。

  • 选型建议： 对于光滑表面或需要高精度边缘检测，选择小光斑；对于粗糙或纹理复杂的轮胎表面，可以选择稍大光斑或蓝光激光（对粗糙表面适应性更好）。激光线轮廓传感器则需要关注激光线宽度和均匀性。

• 线性度 (Linearity)： 传感器输出信号与被测量真实值之间的线性关系偏差。

  • 实际意义： 线性度越高，传感器的测量结果在整个量程内越接近真实值，偏差越小。

  • 对测量效果影响： 线性度差会导致测量结果在不同距离或尺寸下出现系统性误差。

  • 选型建议： 追求高精度的应用通常要求线性度在0.1% FSO以内，甚至更高。

• 抗环境干扰能力： 传感器抵抗环境光、粉尘、震动、温度变化等因素影响的能力。

  • 实际意义： 生产线环境复杂，传感器需要能在这些不利条件下稳定工作。

  • 对测量效果影响： 干扰会导致测量结果不稳定、出现跳动或错误。

  • 选型建议： 选择防护等级高（如IP65/IP67），具有环境光抑制技术，或针对特定环境（如潮湿、多尘）优化的传感器。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在轮胎生产线上部署激光传感器进行直径测量，就像在高速公路上驾驶高性能跑车，虽然设备很棒，但也要注意路况和驾驶技巧。

• 问题：轮胎表面颜色和光泽度不均

  • 原因和影响： 轮胎是橡胶制品，表面通常是黑色，但有时带有光亮的脱模剂残留，或者部分区域因磨损而哑光。这些变化会导致激光反射强度不一致，影响接收器接收信号的质量，进而影响测量稳定性和精度，就像照相机在光线不均匀的地方拍照容易曝光不准。

  • 解决建议：

    • 选择蓝光激光传感器： 蓝光激光对有机材料和黑色、粗糙表面的吸收率较低，反射更均匀，能有效提高测量稳定性。

    • 选择动态范围大的传感器： 具备自动曝光或高动态范围（HDR）功能的传感器能更好地适应不同反射率的表面。

    • 调整传感器参数： 适当调整激光功率、积分时间，以优化信号接收。

    • 清洁轮胎表面： 定期清理轮胎表面的脱模剂残留和油污，确保表面一致性。

• 问题：轮胎振动和位置摆动

  • 原因和影响： 轮胎在输送带上高速移动时，可能会有轻微的振动或位置摆动，就像在颠簸的路上开车。这会导致传感器接收到的测量点不稳定，直接影响直径计算的准确性。

  • 解决建议：

    • 提高采样速度： 选择采样速度更高的传感器，可以在短时间内获取更多数据点，通过数据平均或滤波来抵消随机振动的影响。

    • 优化固定夹具： 确保轮胎在测量区域内有稳固的定位和支撑，减少机械振动。

    • 使用多个传感器或线激光传感器： 多个点式传感器同时测量不同位置，或使用线激光传感器一次性获取轮廓，可以更好地捕捉整体形状，减少单点振动带来的误差。

    • 数据后处理： 采用平滑算法、中值滤波等数字信号处理方法来滤除噪声和异常数据。

• 问题：环境光干扰

  • 原因和影响： 生产车间可能存在天窗、灯光、甚至其他设备发出的强光，这些环境光会干扰激光传感器接收反射信号，就像白天拍照时，阳光太强会导致照片过曝。

  • 解决建议：

    • 选择抗环境光能力强的传感器： 部分传感器采用特殊的滤光片、调制解调技术或高亮度激光，能有效抑制环境光干扰。

    • 加装物理遮挡： 在传感器测量区域周围设置遮光罩或围栏，阻挡外部光源。

    • 优化光源波长： 选择不同于环境光主波长的激光器，并通过窄带滤光片仅接收特定波长的激光。

• 问题：不同尺寸轮胎的快速切换和测量

  • 原因和影响： 生产线通常需要生产多种型号和尺寸的轮胎，传感器需要快速适应这些变化，如果传感器参数调整不及时或不具备自适应能力，会导致测量效率低下或出错。

  • 解决建议：

    • 选择宽量程传感器： 确保传感器的测量范围能覆盖所有需要测量的轮胎尺寸。

    • 选择具备多配置存储或自动识别功能的传感器： 许多智能传感器可以预设多种测量程序，并根据条码扫描或其他识别方式自动切换。

    • 使用灵活的机械调整机构： 对于点式激光传感器，配合伺服电机等调节机构，可以快速调整传感器位置以适应不同直径的轮胎。对于线激光传感器，其视野通常已足够宽广。

4. 应用案例分享

• 轮胎一次硫化后的外径检测： 在轮胎成型后进行硫化，硫化后的轮胎需要进行初步的尺寸检验。可以使用激光传感器安装在出料口，对刚硫化完成的轮胎进行快速外径测量，确保其符合基本尺寸要求，避免不合格品进入后续工序。例如，英国真尚有的ZLDS100RD系列，凭借其高速测量和抗干扰能力，能够胜任这一环节。

• 轮胎动平衡前的尺寸配对： 动平衡是确保轮胎性能的关键步骤。在动平衡之前，可以利用高精度激光传感器测量轮胎的精确直径和圆度，从而将尺寸相近的轮胎进行配对，优化动平衡效果，提高车辆行驶的平稳性。

• 轮胎自动化分拣与仓储： 生产线末端，不同尺寸和型号的轮胎需要被准确分拣。激光传感器能够快速识别轮胎直径，配合视觉系统读取其他标识信息，实现自动化分拣，确保正确的轮胎进入相应的仓储区域或装运流程。