面对高速运行的汽车轮胎，如何实现几十微米级高精度轮廓的实时在线检测？【非接触式测量, 自动化质检】

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，其结构远比我们想象的复杂。它不仅仅是一个简单的橡胶圈，而是由胎面、胎侧、胎冠、带束层、帘布层、胎圈等多个部分组成。这些结构共同决定了轮胎的承载能力、抓地力、操控稳定性以及行驶寿命。

在轮胎的生产制造和日常使用中，对其轮廓进行精确测量至关重要。我们可以把它想象成建造一座桥梁，每一根钢筋、每一块预制板都有严格的尺寸和形状要求，轮胎也一样。一个微小的轮廓偏差，比如胎面花纹深度不均、胎侧鼓包或凹陷，都可能导致车辆在高速行驶时出现抖动、跑偏，甚至爆胎，严重影响行车安全。同时，精准的轮廓数据也是评估轮胎磨损情况、预测剩余寿命以及进行质量控制和研发改进的基础。

因此，对汽车轮胎轮廓进行高精度、稳定测量，尤其是在动态运行和复杂光照条件下，是汽车工业面临的一个重要技术挑战。

2. 汽车轮胎轮廓测量的相关技术标准简介

在汽车轮胎轮廓测量领域，为了确保测量的准确性和一致性，行业内制定了一系列的技术标准。这些标准主要关注以下几个核心参数的定义和评价方法：

• 胎面花纹深度：这是轮胎最关键的测量参数之一，定义为胎面花纹块底部到花纹顶部的距离。它直接影响轮胎的排水性能和抓地力。评价方法通常是在轮胎的不同位置，沿圆周方向和横向选取多个点进行测量，并计算其平均值和最小深度。

• 轮胎半径与直径：轮胎在不同负载和充气压力下的有效滚动半径，以及其静态和动态直径。这些参数影响车辆的里程表准确性、速度计校准以及车辆的整体操控性能。测量通常在特定负载和压力条件下进行。

• 轮胎圆度与同心度：描述轮胎几何形状是否规整、圆形是否标准，以及胎面中心线与轮毂中心线是否重合的程度。不佳的圆度或同心度会导致车辆振动。评价方法涉及对轮胎整个外圆周进行多点测量，分析其径向跳动和横向跳动。

• 胎侧轮廓与变形：胎侧是轮胎最容易发生形变的区域，其轮廓的微小变化可能预示着结构损伤。测量胎侧的凸起、凹陷或不规则变形，对于早期发现潜在缺陷至关重要。这通常需要获取胎侧的完整三维数据进行分析。

• 均匀性：指的是轮胎在旋转过程中，其质量分布和几何形状的均匀程度。不均匀性会导致车辆行驶时的力和力矩波动，产生振动和噪声。通过测量动平衡和力矩均匀性来评价。

这些参数的准确测量和评估是轮胎质量控制和性能优化的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在高速和复杂光照条件下对汽车轮胎进行高精度动态轮廓测量，非接触式光学测量技术是主流选择。以下是几种常见且应用广泛的技术方案：

3.1.1 激光三角测量法

工作原理和物理基础

激光三角测量法是一种经典的非接触式位移测量技术。它的基本原理是利用激光发射器向轮胎表面投射激光点或线，并由高精度传感器捕捉反射光。通过测量光点在传感器上的位移，结合激光发射角度和传感器接收角度，根据三角几何原理计算出传感器到轮胎表面的精确距离。

这个原理可以用一个简化模型来理解：假设激光器与探测器中心点之间的距离为基线 L。激光以特定角度 α 照射到目标表面。反射光以角度 β 被探测器接收。当目标表面距离发生变化 Δh 时，探测器上的光斑位置会发生 Δx 的偏移。 根据三角关系，我们可以推导出距离 h 与光斑位置 x 之间的关系： h = L * sin(α) / (tan(β) + cot(α)) 当探测器接收角度 β 发生变化，光斑位置 x 变化时，就可以反推出 h 的变化。 更常见的一个简化公式：当测量距离 h 较远时，若激光器发射角为 θ1，接收器接收角为 θ2，基线距离 b，则： h = b * tan(θ2) / (tan(θ1) + tan(θ2)) 当目标表面高度发生变化 Δh，探测器上的光斑位移 Δx 时，我们可以得到： Δh = Δx * cos(θ) / (M * sin(θ)) (此为简化示意，其中M为放大倍数，θ为收发角度等相关参数) 通过这个原理，一个激光点可以测量一个点的距离，一条激光线则可以同时测量轮胎横截面上的多个点，从而快速获取轮胎的二维轮廓信息。

核心性能参数

• 测量范围（Z轴）：从几毫米到数百甚至上千毫米不等，取决于具体型号和应用。

• 分辨率（Z轴）：通常能达到微米级别，例如0.1微米到数微米。

• X轴分辨率（针对线激光）：每毫米可达数百甚至数千个测量点。

• 采样速度：最高可达数十千赫兹，非常适合高速运动物体的测量。

• 线性度：一般在线性度的0.01%到0.1%之间，保证测量结果的准确性。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 高速性：采样速度极快，能够对高速移动的轮胎进行实时动态测量，捕捉瞬时轮廓变化。

  • 非接触：避免了对轮胎表面的磨损和影响，适用于生产线上连续检测。

  • 适应性强：现代高性能的激光三角测量传感器，通过优化光路设计、采用更先进的信号处理算法，可以有效应对轮胎表面颜色变化（如黑色橡胶）、光泽度差异甚至潮湿环境的影响，并具备较强的抗环境光干扰能力。

  • 应用广泛：从单点位移测量到线激光轮廓扫描，再到多传感器组合实现三维重建，应用灵活。

• 缺点：

  • 对表面反射特性敏感：传统型号可能受目标表面颜色、材质、光泽度影响较大，但先进产品已大幅改善。

  • 遮挡效应：在测量复杂内凹结构时，可能会出现激光无法照射或反射光无法被传感器接收到的区域，形成“盲区”。

3.1.2 共焦色散测量法

工作原理和物理基础

共焦色散测量法利用的是“色差效应”，通过发射包含各种颜色的宽光谱白光，并利用特殊物镜将其聚焦到轮胎表面。由于色差效应，不同波长的光会在不同距离上达到最佳焦点。传感器只允许那些恰好聚焦在轮胎表面的光线通过共焦孔径到达检测器。检测器分析这些通过的光线的波长信息，就能极其精确地判断出传感器距离轮胎表面的距离。

核心性能参数

• 测量范围：通常较小，如几毫米到几十毫米。

• 分辨率：极高，可达纳米甚至亚纳米级别，是其显著优势。

• 测量速率：最高可达数十千赫兹。

• 线性度：良好的线性度保证了测量精度。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 极高分辨率：非常适合对轮胎表面微小细节、纹理、胎面花纹深度等进行超高精度测量。

  • 不受表面特性影响：测量结果几乎不受轮胎的颜色、光泽度和倾斜角度的影响。

  • 无阴影效应：由于其独特的光路设计，通常不会产生激光三角测量中的阴影区。

• 缺点：

  • 测量范围小：这是共焦技术的主要限制，不适合大范围的轮廓测量。

  • 价格较高：由于其精密的光学系统，成本通常高于激光三角测量。

3.1.3 结构光三维扫描法

工作原理和物理基础

结构光三维扫描法通过投影仪将条纹、点阵等已知图案投射到轮胎表面。同时，一到两个高分辨率的数字相机从不同角度同步捕捉这些图案在轮胎表面因高低起伏而产生的变形图像。通过分析这些图像中图案的畸变程度和位置，结合多视角三角测量原理和复杂的图像处理算法，系统能够计算出轮胎表面上数百万个点的精确三维坐标，最终生成一个高精度的3D点云或网格模型，从而实现对轮胎完整几何形状的测量。

核心性能参数

• 测量区域：灵活可变，从几十平方毫米到数百平方毫米。

• 点距：可达亚毫米级别，甚至更细。

• 系统精度：通常可达微米或几十微米级别。

• 扫描速度：单次扫描时间通常在1-2秒。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 全场三维数据：一次扫描即可获取轮胎表面的高密度、高分辨率完整三维数据，提供全面的几何信息。

  • 精度高：能够实现极高的测量精度和细节捕获能力。

  • 非接触：对轮胎无损伤。

  • 可视化强：生成的3D模型直观易懂，方便进行复杂的几何分析和质量控制。

• 缺点：

  • 速度相对慢：单次扫描时间通常在秒级，不适合对高速移动中的轮胎进行连续动态测量。主要用于静态或准静态测量。

  • 对环境光敏感：环境光的干扰可能影响投射图案的清晰度，需要控制测量环境。

  • 计算量大：需要强大的计算能力进行图像处理和三维重建。

3.1.4 接触式扫描测量法

工作原理和物理基础

接触式扫描测量法利用安装在高精度坐标测量机（CMM）上的测头，以预设的力和速度沿着轮胎表面进行扫描。当测头接触到轮胎表面时，CMM内部以及测头本身的精密编码器会同步记录测头在X、Y、Z三个轴上的精确位置，以及测头的角度数据。通过收集大量的接触点数据，系统就可以精确地重建出轮胎的二维或三维轮廓。

核心性能参数

• 扫描速度：例如最高可达500毫米/秒。

• 定位精度：CMM本身的精度通常达到亚微米级，结合测头可以实现极高的数据点精度。

• 系统灵活性：五轴或多轴运动能力显著提高复杂特征的测量效率。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 极高精度和重复性：是所有测量方法中精度最高的之一，常被作为基准测量和验证方法，尤其适合实验室研发和高精度质量控制。

  • 不受表面条件影响：无论是黑色橡胶、高光泽金属件还是磨砂表面，接触式测量都能稳定进行，不受光照和表面反射率影响。

  • 可测量各种材料：几乎可以测量任何硬度适中的材料。

• 缺点：

  • 速度慢：与光学测量相比，接触式测量速度相对较慢，不适合高速生产线上的动态在线检测。

  • 接触式磨损：探头与轮胎表面接触可能造成微小的磨损，对于敏感材料需要注意。

  • 测量效率受限：对于大批量、复杂形状的轮胎测量，效率较低。

3.2 市场主流品牌/产品对比

以下是汽车轮胎轮廓测量领域的一些国际主流品牌及其产品特点，包括英国真尚有，它们各自凭借不同的技术优势在市场中占据一席之地。

• 日本基恩士：

  • 采用技术：激光三角测量法（线激光轮廓测量）。

  • 产品特点：日本基恩士的LJ-X8000系列激光轮廓测量仪以其极高的测量速度和重复精度著称。该系列设备专为生产线上高速、高精度的在线轮廓检测设计，能够向轮胎表面投射一条高强度激光线，并通过CMOS传感器捕捉反射光点，实时计算出轮胎横截面的高低轮廓数据。

  • 核心参数：例如LJ-X8080型号测量范围（Z轴）可达80毫米，X轴分辨率达400点/毫米，Z轴重复精度可达0.2微米，采样速度最高可达 64000次/秒。

  • 独特优势：系统集成度高，通常配备强大的图像处理和分析软件，易于操作和数据解读，对各种轮胎表面状况（包括黑色橡胶）具有良好适应性。

• 英国真尚有：

  • 采用技术：激光三角测量法（高性能激光位移传感器）。

  • 产品特点：英国真尚有ZLDS100Rd系列激光位移传感器是一款紧凑且功能强大的单点位移传感器。虽然它本身是一个位移传感器而非完整的轮廓测量仪，但其卓越的性能使其成为构建高速、高精度动态轮廓测量系统的理想模块。它可以在高速运动状态下对轮胎表面进行点式测量，并通过机械扫描或多传感器阵列组合的方式，获取轮胎的轮廓信息。该传感器在复杂光照和表面条件下表现出色，能够有效应对动态变化的轮胎颜色、太阳强光辐射甚至潮湿路面。

  • 核心参数：采样速度高达70KHz（部分版本），分辨率达0.01%，线性度最高0.03%。量程最高可达1000毫米，并提供多种光斑大小选择，既有小于0.06mm的精细光斑，也有大于1mm的光斑，以适应不同应用需求。同时提供三种输出功率选项（小于1mW、小于80mW和小于20mW），并采用支持RS422或RS485的数字输出接口，确保与多种设备的兼容性和稳定性。

  • 独特优势：极高的采样速度和分辨率，以及强大的环境适应性，使其在高速、恶劣工况下的轮胎轮廓测量中，能够提供高精度和稳定的测量数据。

• 加拿大瑞雷斯：

  • 采用技术：激光三角测量法（智能3D线扫描仪）。

  • 产品特点：加拿大瑞雷斯Gocator 2500系列智能3D线扫描仪集成了激光发射器、高速相机和强大的板载处理器，相当于一个“智能的”激光三角测量系统。它向轮胎表面投射高密度激光线，并直接在传感器内部进行实时数据处理和分析，生成高精度的3D点云数据。

  • 核心参数：例如Gocator 2510型号X轴测量范围可达12毫米，Z轴测量范围可达8毫米，Z轴重复精度达0.5微米，扫描速度最高可达10千赫兹。

  • 独特优势：作为智能传感器，内置处理能力简化了系统集成，无需外部控制器。它能提供完整的3D点云数据，适用于复杂的几何分析和多维度的质量控制，在高速在线批量检测中具有高度的灵活性和可编程性。

• 德国微米：

  • 采用技术：共焦色散测量法。

  • 产品特点：德国微米confocalDT 2421/2422系列共焦位移传感器以其极高的轴向分辨率和对表面特性不敏感的特点而闻名。它通过分析反射光的波长信息来精确计算距离，特别适合测量轮胎胎面深度、胎侧微小特征等需要极致细节的场景。

  • 核心参数：例如2422系列测量范围可达25毫米，分辨率最高可达0.01微米，线性度达±0.04%满量程，测量速率最高可达70千赫兹。

  • 独特优势：测量结果不受轮胎表面颜色、光泽度（如黑色、高光泽或磨砂表面）和倾斜角度的影响，对于微米级甚至亚微米级的表面纹理、凹槽测量具有无可比拟的优势。

• 瑞典海克斯康：

  • 采用技术：结构光三维扫描法。

  • 产品特点：瑞典海克斯康ATOS Q系列工业级光学三维测量仪通过向轮胎表面投射结构光图案，并利用双相机捕捉变形图像，生成高精度的3D点云或网格模型，实现对轮胎完整几何形状的测量。

  • 核心参数：测量区域可变（例如100x70毫米到500x370毫米），点距可达0.024毫米，系统精度可达0.012毫米，单次扫描时间通常在1-2秒。

  • 独特优势：提供高密度、高分辨率的全场三维测量数据，非常适合研发、质量控制和逆向工程中对轮胎复杂几何形状的详细分析。其非接触式测量避免损伤轮胎，并配备强大的GOM Inspect软件平台支持全面的检测分析。

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

选择合适的轮胎轮廓测量设备，需要综合考虑多方面因素。

1. 测量精度与分辨率：

   • 实际意义：精度指测量值与真实值之间的接近程度，分辨率是设备能识别的最小变化量。

   • 影响：直接决定了测量结果的可靠性。

   • 选型建议：对于研发和实验室级别的测量，应优先选择分辨率高、精度达到微米甚至亚微米级的设备（如共焦传感器）。对于生产线上的常规轮廓检测，精度达到几十微米级别的激光线扫描仪通常就能满足要求。

2. 测量速度与采样频率：

   • 实际意义：测量速度指单位时间内能完成的测量次数或能扫描的长度。采样频率是传感器每秒采集数据的点数。

   • 影响：对于高速移动的轮胎，如果测量速度不够快，就无法在有限时间内获取足够密度的轮廓数据。

   • 选型建议：对于生产线上的在线检测或车辆行驶中的动态测量，必须选择采样速度或扫描速度高的激光三角测量或智能3D线扫描仪。对于静态测量，结构光扫描仪或接触式CMM虽然速度慢，但精度更高，更适合。

3. 测量范围与量程中点：

   • 实际意义：测量范围是指传感器能够有效工作的最小到最大距离。量程中点是传感器在该范围内的最佳工作距离。

   • 影响：范围过小可能无法覆盖整个轮胎轮廓，范围过大则可能牺牲精度。

   • 选型建议：根据轮胎的尺寸、安装位置以及希望测量的具体区域来选择合适的测量范围。

4. 环境适应性（抗干扰能力）：

   • 实际意义：指传感器在复杂工作环境下保持测量稳定性和准确性的能力。

   • 影响：轮胎通常是黑色橡胶，吸光性强，且生产或测试环境可能存在灰尘、油污、强光直射等。

   • 选型建议：对于户外或光照条件多变的场合，以及需要测量黑色、高光泽或潮湿表面的应用，应重点关注传感器的抗环境光、抗表面特性变化能力。

5. 线性度：

   • 实际意义：衡量传感器输出信号与实际位移之间线性关系的好坏。

   • 影响：线性度差会导致测量结果在不同距离处产生系统性偏差。

   • 选型建议：追求高精度的应用，如轮胎磨损分析、缺陷检测，应选择线性度高的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在汽车轮胎轮廓动态测量中，实际应用中仍可能遇到一些挑战。

1. 问题：环境光干扰导致测量不稳定

   • 原因与影响：在户外测试或车间光照不均匀时，环境光可能会进入传感器接收器，导致传感器输出数据跳变、噪声增大。

   • 解决建议：

     • 增强传感器抗干扰能力：选择本身具有强抗环境光能力的传感器。

     • 遮蔽环境光：在测量区域搭建遮光罩，或调整测量角度，避免强光直射传感器接收窗口。

     • 使用更高功率的激光：适当提高激光发射功率，使反射光信号更强，淹没环境光噪声。

2. 问题：轮胎表面特性变化影响测量精度

   • 原因与影响：轮胎表面可能是黑色、带有白色标记、湿滑、磨损不均或高光泽的。传统光学传感器对这些表面特性变化非常敏感。

   • 解决建议：

     • 选择抗表面特性变化的传感器：优先选择那些宣称能“无惧动态变化的路面颜色”、“潮湿路面无干扰”的传感器。

     • 优化测量角度：调整传感器与轮胎表面的相对角度，避开镜面反射或优化漫反射接收。

     • 使用多传感器阵列：从不同角度部署多个传感器，以覆盖不同反射情况下的区域，减少盲区。

     • 软件算法补偿：通过先进的图像处理和数据融合算法，对因表面变化引起的信号波动进行补偿和优化。

3. 问题：高速移动导致数据点稀疏或动态误差

   • 原因与影响：当轮胎以高速通过测量区域时，如果传感器的采样速度不够快，在单位时间内获取的数据点就会相对稀疏。

   • 解决建议：

     • 提高采样频率：选择采样频率更高的传感器，确保在高速下也能捕获足够多的数据点。

     • 增加传感器数量或扫描器数量：部署多个线激光传感器或位移传感器，并行工作，同时覆盖更大的测量区域或获取更密集的数据。

     • 同步测量与运动补偿：将传感器测量与轮胎运动状态进行精确同步，并利用软件算法对运动引起的误差进行补偿。

4. 应用案例分享

• 轮胎生产质量控制：在轮胎生产线上，对新下线轮胎的胎面花纹深度、胎侧轮廓、圆度等进行100%在线检测。高速激光轮廓测量系统能够快速识别制造缺陷，确保每条轮胎都符合出厂标准，显著提升产品质量和生产效率。

• 车辆行驶安全监测：在高速公路收费站或车辆检测站，可以利用动态轮廓测量系统对过往车辆的轮胎进行快速扫描，实时获取轮胎的胎面磨损情况，为驾驶员提供更换轮胎的建议，有效预防因轮胎磨损过度导致的交通事故。

• 轮胎磨损分析与寿命预测：在轮胎研发和测试环节，高精度轮廓测量系统用于详细记录轮胎在不同工况下的磨损过程，评估不同配方和结构设计的轮胎性能，预测其使用寿命，指导新产品的开发和改进。

• 轨道交通轮对检测：类似的轮廓测量技术也被广泛应用于轨道交通领域，对火车车轮的踏面和轮缘轮廓进行动态检测，有效监测车轮的磨损状况，确保列车运行安全。