如何利用激光与机器视觉技术，实现汽车轮胎生产线直径、花纹深度等关键尺寸的微米级高节拍全自动检测？【非接触测量, 质量控制】

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，其结构看似简单，实则包含多层材料与复杂几何设计。我们平时看到的轮胎，主要由胎面、胎肩、胎侧和胎圈等部分组成。

• 胎面：就是轮胎与路面直接接触的部分，上面有各种花纹，这些花纹可不只是为了好看，它们决定了轮胎的抓地力、排水性能和噪音水平。胎面的宽度和花纹深度直接影响车辆的行驶稳定性、制动距离和燃油经济性。

• 胎侧：轮胎侧面，通常印着各种参数信息，比如轮胎的型号、速度等级等。它的形状和弹性对乘坐舒适性很重要。

• 胎圈：轮胎内部边缘，负责将轮胎牢固地固定在轮辋上，确保轮胎在高速旋转或受到冲击时不会脱落。

在轮胎生产过程中，为了保证汽车的行驶安全和性能，轮胎的直径、胎面宽度、胎面花纹深度、圆度、跳动量等关键尺寸必须进行严格的高精度控制。想象一下，如果轮胎的直径不准确，车辆行驶时就会出现偏向、抖动，就像一个人左右脚大小不一，走起路来肯定别扭。而胎面花纹深度不足，就好像鞋底磨平了，抓地力会大幅下降，在湿滑路面上尤其危险。因此，对这些尺寸的测量，需要达到微米级别的精度，并且要能适应生产线上的高速节奏，实现全自动化。

2. 轮胎尺寸的监测参数与评价方法

在轮胎制造中，为了确保产品质量，我们需要对一系列关键尺寸进行监测和评估。这些参数的定义和评价方法是行业内公认的。

• 轮胎直径：这是指轮胎外缘的最大距离。通常我们会测量多个点的直径，并计算其平均值，同时关注最大值和最小值，以评估轮胎的整体尺寸和均匀性。直径的偏差会影响车辆的里程表读数、车速表准确性，甚至影响车辆的悬挂系统。

• 胎面宽度：指胎面两端之间的距离。这个参数对轮胎的接地面积和承载能力至关重要。测量时通常在轮胎周向的多个位置进行，取其平均值。

• 胎面花纹深度：这是胎面凸起花纹与沟槽底部之间的垂直距离。它是衡量轮胎使用寿命和湿地抓地力的关键指标。评价方法通常是选择胎面不同位置的多个点进行测量，并计算平均值或最小深度。

• 径向跳动：指的是轮胎旋转时，其外圆表面在径向方向上的波动量。就像一个完美的圆盘在旋转时，其圆心到圆周的距离始终不变；如果轮胎有径向跳动，就意味着它的“圆”不够完美。过大的径向跳动会导致车辆行驶中的垂直振动，影响舒适性。

• 侧向跳动：指的是轮胎旋转时，其侧壁在轴向方向（与轮轴平行）上的波动量。可以想象成一个旋转的盘子，如果盘子本身有点歪斜，那么它的边缘就会在左右方向上晃动。过大的侧向跳动会导致车辆的横向振动，影响操控稳定性。

• 圆度：用来描述轮胎横截面形状与理想圆形的符合程度。如果轮胎的圆度不佳，例如有些地方扁平或凸出，即便直径符合要求，也会在行驶中产生不均匀的应力，影响轮胎寿命。

这些参数的测量通常需要非接触式的方法，以避免对轮胎表面造成损伤，并能实现高速、全自动的在线检测。

3. 实时监测/检测技术方法

在汽车轮胎生产线上，实现高精度、全自动的尺寸测量，主要依赖于多种先进的非接触式传感技术。这些技术各有特点，就像不同的工具应对不同的任务一样。

(1) 市面上各种相关技术方案

a. 光幕式测径技术

想象一下，你面前有一道由无数平行光线组成的“光墙”。当一个物体穿过这道光墙时，它会挡住一部分光线。光幕式测径仪的原理就类似于此，它由一个光源发射器和一个接收器组成。发射器发出密集的平行光束，形成一个“光幕”。当轮胎通过这个光幕时，轮胎的边缘会遮挡住一部分光束。接收器通过计算被遮挡的光束数量，或者分析光强度变化，就能精确地计算出轮胎的外部尺寸，比如直径。

• 物理基础：这种方法基于光的遮挡效应。当物体遮挡光束时，接收端的光强会减弱或光束数量会减少。通过精确标定光束间距或光强变化与尺寸的对应关系，即可计算出物体尺寸。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：可覆盖从几毫米到数百毫米，甚至更大的范围，以适应不同尺寸的轮胎。

  • 分辨率：通常能达到微米甚至亚微米级别（例如0.1 µm）。

  • 重复精度：在稳定环境下可达到亚微米级别（例如0.5 µm）。

  • 测量速率：通常在几千赫兹（kHz）的水平，能满足高速生产线的要求。

• 优点：测量速度快，精度高，对轮胎表面颜色和纹理变化不敏感，尤其适合测量规则形状的边缘尺寸，如外径。设备结构相对简单，易于维护。

• 缺点：只能测量物体的外部轮廓尺寸，无法获取物体表面的3D形貌信息，对复杂花纹或内部结构无能为力。如果轮胎表面有毛刺或异物，可能会影响测量准确性。

• 适用场景：主要用于轮胎外径、宽度等简单轮廓尺寸的在线快速、高精度测量。

• 成本考量：中等偏高，但考虑到其稳定性和精度，长期运行成本效益较高。

b. 激光三角测量法

激光三角测量法是工业测量中最常用的一种非接触式测量技术，它就像我们用两只眼睛看物体来判断距离一样。传感器会向轮胎表面发射一束激光（可以是点激光或激光线），当这束激光照射到轮胎表面时，会形成一个光斑。轮胎表面的高低起伏，会使得这个光斑的位置发生变化。传感器内部的接收器（通常是CMOS或CCD图像传感器）会捕捉到这个光斑反射回来的光线。

通过几何三角原理，我们可以根据光斑在接收器上位置的变化，精确地计算出光斑到传感器的距离，也就是轮胎表面某一点的高度信息。当激光束是点状时，一次只能获取一个点的高度；如果是激光线，就能一次性获取到一条线上的所有点的高度信息，从而得到轮胎的2D横截面轮廓。如果让轮胎旋转起来，同时用激光线传感器进行连续扫描，就能构建出整个轮胎表面的3D点云数据。

工作原理与物理基础：假设激光发射器、接收器和被测点构成一个三角形。设激光器与接收器中心点的基线距离为 L。激光器发射光束与基线的夹角为 α。反射光斑在接收器上的位置偏差为 Δx。接收器上像素点到中心点的距离为 x。接收器到基线的距离为 f。

通过简单的三角几何关系，可以推导出被测点到基线的距离（Z轴高度）与光斑位置的关系。

Z = (f * L) / (x_0 - x) 其中，x_0 是理论基准点在接收器上的位置。或者更通用的形式：Z = L * sin(θ1) / (sin(θ1 + θ2) + (x * cos(θ1) / f))其中，θ1 是激光器出射角，θ2 是接收器接收角，f 是接收器焦距。简化后，Z轴位移量ΔZ与光斑位移Δx之间存在近似线性关系：ΔZ ≈ k * Δx。

通过对这些连续的高度数据进行处理，我们就能计算出轮胎的直径、圆度、胎面花纹深度等复杂尺寸参数。

• 核心性能参数：

  • 采样速度：点激光位移传感器可高达数千赫兹甚至近万赫兹，线激光轮廓仪可达数万赫兹。

  • Z轴重复精度：通常在微米级别，甚至可以达到亚微米级别。

  • X轴测量范围（视野）：根据型号不同，从几十毫米到近千毫米不等。

  • X轴分辨率：2D或3D激光轮廓仪通常在每条轮廓线上有数百到数千个测量点。

• 优点：能够获取被测物体表面的完整2D轮廓或3D形貌数据，实现多参数测量。对复杂曲面和花纹具有良好的适应性。测量精度高，速度快，非常适合在线全自动检测。可以同时测量直径、胎面宽度、花纹深度、圆度、跳动等多种参数。

• 缺点：受轮胎表面颜色、光泽度（反射率）影响较大，深色、高反光或透明材料可能需要特殊波长激光（如蓝光、UV激光）或更复杂的算法来处理。数据量大，需要强大的数据处理能力。

• 适用场景：适用于轮胎制造全流程的尺寸和缺陷检测，尤其是在成型、硫化后对关键几何参数的精密测量。

• 成本考量：通常较高，特别是高性能的2D/3D激光轮廓仪，但其功能全面，可替代多种单一功能的检测设备，具有很高的价值。

c. 机器视觉图像处理技术

机器视觉技术就像给生产线安装了一双“火眼金睛”。它通过工业相机拍摄轮胎的高分辨率图像，然后利用强大的图像处理软件对这些图像进行“分析”。软件中内置的算法，就像一个经验丰富的质检员，能够识别轮胎的边缘、花纹、字符，并提取出它们的几何特征。通过预先校准好的像素-物理尺寸转换关系，系统就能精确地计算出轮胎的直径、花纹深度等尺寸。更先进的系统还会结合深度学习技术，让机器像人一样学习和理解复杂的视觉信息，从而更好地应对轮胎表面纹理多样、光照变化等复杂情况。

• 物理基础：基于光学成像原理和数字图像处理技术。相机获取物体在二维平面上的投影图像，通过图像传感器（CCD/CMOS）将光信号转化为数字信号。后续算法对图像进行边缘检测、特征提取、模式识别等处理，最终计算几何尺寸。

• 核心性能参数：

  • 图像分辨率：从百万像素到数千万像素，分辨率越高，理论测量精度越高。

  • 测量精度：可达亚像素级别，具体精度取决于光学系统、焦距、照明、校准以及算法性能，可实现微米级。

  • 处理速度：取决于图像分辨率和算法复杂度，通常能达到每秒处理多幅图像。

  • 内置功能：支持缺陷检测、尺寸测量、OCR（光学字符识别）等。

• 优点：功能全面，除了尺寸测量，还能同时进行表面缺陷检测、字符识别等。对复杂形状和纹理的适应性强，尤其擅长处理非规则特征。通过深度学习可应对复杂多变的实际情况。

• 缺点：对光照条件要求高，环境光变化会影响测量精度。测量精度受相机分辨率、镜头畸变和校准精度影响较大。计算量大，实时性可能不如纯激光测量系统在某些极端高速场景下。

• 适用场景：适用于轮胎表面质量检测、胎面花纹深度、胎侧字符、外观缺陷以及直径等尺寸的综合性检测。

• 成本考量：较高，尤其是包含高性能相机、智能软件和深度学习功能的系统。

d. 光学扫描测量技术

这种技术可以看作是光幕式测径的一种高级变体，它不是简单地利用一道固定的光幕，而是采用高速、高精度的“飞行光束”进行扫描。传感器会发射一束或多束非常细小的激光光束，这些光束以极高的速度在测量区域内来回扫描。当光束扫描到轮胎的边缘时，它会被遮挡；当光束越过边缘时，它又会重新出现。传感器接收器会精确地检测到光束被遮挡和重新出现的“瞬间”。通过测量这些瞬间之间的时间差，结合光束的扫描速度，就能计算出轮胎的尺寸。

• 物理基础：基于光的遮挡和时间-距离转换原理。发射器发出高速扫描的激光束，当光束被物体边缘阻挡时，光接收器会感知到光强的骤变。通过精确计时光束从一个边缘扫到另一个边缘所需的时间，结合光束的已知扫描速度，即可计算出物体在该扫描方向上的尺寸。

• 核心性能参数：

  • 测量范围（FOV）：从几十毫米到数百毫米。

  • 精度：可达微米级别。

  • 重复性：通常可达到亚微米级别。

  • 扫描速度：极高，可达到数千次扫描/秒。

• 优点：测量速度极快，精度非常高，特别适合对圆形或轴类部件进行高节拍、高精度在线直径和几何尺寸测量。对表面纹理和颜色变化不敏感，鲁棒性好。

• 缺点：与光幕式类似，主要用于测量外部轮廓尺寸，难以获取复杂3D形貌。对轮胎的内部结构或复杂花纹深度测量能力有限。

• 适用场景：非常适合在高速生产线上对轮胎的外径、宽度等关键尺寸进行快速、高精度在线检测。

• 成本考量：较高，因其采用了精密的光学扫描系统和高速处理单元。

(2) 市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几个在轮胎尺寸测量领域表现突出的国际品牌进行对比。

• 德国米铱 (采用光幕式测径技术) 德国米铱在精密非接触测量领域享有盛誉，其光幕式测径仪是高精度在线直径测量的典范。它能够利用平行光束对轮胎边缘进行精确捕捉，测量速率可达2 kHz或4 kHz。在核心性能上，其分辨率高达0.1 µm，重复精度可达0.5 µm，线性度为±0.01% FSO。这使得它在对轮胎的直径、宽度等进行实时监控时，能够提供极其稳定和可靠的数据。其产品坚固耐用，能适应恶劣的工业环境，特别适合需要极高精度和稳定性的在线批量检测。

• 英国真尚有 (采用激光位移传感器，基于激光三角测量原理) 英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器，是一款超小型测量设备，尺寸仅4530.517mm。它基于激光三角测量原理，能够提供高达9400Hz的测量频率，分辨率达到0.01%，线性度±0.05%。这种高精度和高速度的组合，使得ZLDS103在通过多点部署或配合扫描运动的情况下，能够有效实现轮胎轮廓扫描和关键尺寸测量，如胎面深度、局部变形等。其紧凑的体积和IP67的防护等级，使其非常适合安装在空间受限或环境恶劣的轮胎生产线上。此外，该传感器提供红色、蓝光或UV激光等多种激光光源选项，可以更好地适应不同材料和表面的测量需求。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量法，2D轮廓) 日本基恩士的2D激光轮廓测量仪在自动化领域备受推崇。它采用激光三角测量法，向轮胎表面发射一条激光线，一次性获取轮胎横截面的2D轮廓数据。其采样速度高达 64 kHz，Z轴重复精度达到 0.5 µm，X轴测量范围（视野）可根据型号从 24mm 到 960mm 不等，单条轮廓可达 2400 个测量点。这种超高速和高精度使其非常适合汽车轮胎等高速生产线上的在线轮廓和直径检测，能够快速准确地获取胎面花纹深度、宽度、甚至圆度等参数。

• 美国康耐视 (采用机器视觉图像处理技术) 美国康耐视是机器视觉领域的领导者，其智能相机能够通过高分辨率图像结合深度学习技术，对轮胎进行复杂的尺寸测量和质量检测。它能捕捉高达数百万像素的图像，并利用先进的算法精确识别轮胎边缘、花纹等特征，实现亚像素级别的测量精度。美国康耐视的优势在于其强大的视觉处理能力和深度学习工具，能够处理轮胎表面复杂的纹理和光照变化，不仅能测量直径，还能同时进行表面缺陷检测、胎侧字符识别等综合性质量控制。

• 加拿大格利普斯 (采用3D激光线扫描和三角测量技术) 加拿大格利普斯专注于3D智能传感器技术，其产品以一体化和卓越的3D测量性能著称。它通过投射蓝光激光线并结合双相机三角测量，实时生成轮胎表面的高分辨率3D点云数据。Z轴重复精度达到0.5 µm，扫描速度高达1000 Hz，X轴分辨率在1280至4096点/轮廓之间。这使得它能够构建完整的轮胎3D模型，从而精确计算直径、圆度、胎面花纹深度、甚至更复杂的表面几何特性。它特别适合需要全方位、高精度几何信息，并能应对复杂曲面和表面特性的在线批量检测应用。

(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

选择合适的测量设备就像选择合适的工具一样，需要根据具体任务来定。在轮胎尺寸测量中，以下几个关键指标是您必须关注的：

1. 精度 (Accuracy) 和重复精度 (Repeatability)：

   • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，重复精度是指在相同条件下多次测量同一对象时，结果之间的一致性。在轮胎行业，通常需要微米级的精度。

   • 影响：直接影响产品质量控制的严格程度。如果精度不够，就可能将不合格产品误判为合格，或者将合格产品误判为不合格，造成浪费。重复精度则决定了检测系统的稳定性，避免因系统自身波动造成误判。

   • 选型建议：对于关键尺寸如直径、胎面深度，应选择具有微米甚至亚微米级重复精度的传感器。例如，如果生产公差是±0.1毫米，那么传感器的重复精度至少要达到10微米以内才能有效进行质量控制。

2. 分辨率 (Resolution)：

   • 实际意义：指传感器能够检测到的最小尺寸变化量。例如，0.01%的分辨率意味着在100mm的量程内，能够检测到10微米的变化。

   • 影响：决定了测量结果的精细程度。高分辨率可以捕捉到更微小的尺寸差异和表面细节。

   • 选型建议：分辨率应至少是所需测量精度的5-10倍。例如，要实现10微米级的精度，分辨率最好能达到1-2微米。

3. 测量范围 (Measurement Range / Field of View, FOV)：

   • 实际意义：指传感器能够有效测量的最大和最小距离或宽度。

   • 影响：直接决定了传感器是否能覆盖待测轮胎的所有尺寸范围。例如，一个测量范围只有几十毫米的传感器无法直接测量直径达几百毫米的轮胎。

   • 选型建议：根据您要测量的轮胎型号和最大最小尺寸来选择合适的量程。对于直径测量，可能需要多传感器组合或大视野的线激光/视觉系统；对于胎面深度，则选择量程适中的高精度点激光传感器即可。

4. 测量/扫描速度 (Sampling/Scanning Speed)：

   • 实际意义：指传感器每秒能进行多少次测量或捕获多少条轮廓。

   • 影响：直接决定了检测系统能否跟上生产线的节拍。高速生产线要求极高的测量速度，否则会导致生产瓶颈。

   • 选型建议：根据生产线的实际节拍（例如每分钟生产多少个轮胎）和每个轮胎需要采集的数据量来计算所需的速度。通常，采样速度达数千赫兹甚至数万赫兹的传感器才能满足在线检测需求。

5. 环境适应性 (Environmental Robustness)：

   • 实际意义：指传感器在恶劣工业环境中（如温度、湿度、粉尘、振动等）正常工作的能力。例如IP67防护等级意味着防尘防水。

   • 影响：影响设备的长期稳定性和维护成本。如果传感器不耐用，可能频繁故障或需要大量防护措施。

   • 选型建议：轮胎生产车间常有粉尘、橡胶碎屑，甚至水雾。选择防护等级高、工作温度范围广、抗振动抗冲击能力强的传感器至关重要。

6. 软件和集成能力 (Software & Integration Capabilities)：

   • 实际意义：指传感器是否提供易于使用的软件接口和强大的数据处理功能，以及能否方便地与现有自动化系统（如PLC、MES）集成。

   • 影响：影响系统的开发难度、调试时间以及后期数据分析和决策的效率。

   • 选型建议：优先选择提供标准通信接口（如RS232/485、Ethernet/IP、Profinet等）和强大软件支持的品牌。对于复杂测量任务，还需要考虑传感器是否内置或支持强大的算法（如圆拟合、边缘检测、缺陷识别等）。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最好的设备，实际应用中也可能遇到一些意想不到的问题，就像驾车时突然遇到路况变化。了解这些问题并提前准备解决方案，能让您的测量系统运行更顺畅。

1. 轮胎表面特性影响 (Surface Feature Impact)：

   • 问题：轮胎是黑色的橡胶制品，表面通常不平整，有花纹、字符，甚至在生产过程中可能存在脱模剂、粉尘等。这些因素会影响激光的反射，导致信号弱、光斑扩散或形成虚假反射，进而影响测量精度。

   • 原因分析：黑色表面对激光吸收率高，反射弱；不规则表面会使反射光束散射，而非定向反射；异物或粉尘会遮挡激光或产生干扰。

   • 解决建议：

     • 使用蓝光或UV激光：与传统的红光激光相比，蓝光或UV激光在测量黑色、深色或有机材料（如橡胶）时，通常具有更好的反射效果和更稳定的测量数据。

     • 优化照明和角度：对于机器视觉系统，可以调整照明方式（如环形光、背光、偏振光）和相机角度，以增强对比度，减少反光和阴影的影响。

     • 空气吹扫/防护罩：在传感器前端安装空气吹扫装置，持续吹气以清除传感器窗口和被测区域的粉尘和碎屑。

2. 振动和位移 (Vibration and Displacement)：

   • 问题：生产线上的机械振动、轮胎在传输过程中的轻微晃动或定位不准，都可能导致测量结果的波动，影响精度。

   • 原因分析：振动直接改变传感器与被测物之间的相对距离；轮胎在运动中可能发生偏离或摆动。

   • 解决建议：

     • 坚固的安装支架：确保传感器安装在稳固、抗振的支架上，尽量减少机械振动传递。

     • 同步触发：使用编码器或其他传感器实时监测轮胎的位置或运动状态，并精确同步测量触发信号，确保在轮胎最稳定的瞬间或特定位置进行测量。

     • 多传感器冗余测量与数据平均：部署多个传感器从不同角度同时测量，并对数据进行平均或算法融合，可以有效降低单一传感器偶然波动的影响。

3. 温度变化 (Temperature Variation)：

   • 问题：生产车间环境温度波动，或轮胎在不同工序间温度差异较大，可能引起传感器自身性能漂移或轮胎材料热胀冷缩，导致测量误差。

   • 原因分析：温度变化会影响光学元件的性能、电子元件的稳定性，以及被测橡胶的物理尺寸。

   • 解决建议：

     • 温度补偿：选择带有内置温度补偿功能的传感器。

     • 环境控制：在传感器附近或整个测量区域，尽可能维持恒定的温度。

     • 定期校准：在生产过程中，根据环境变化或一定时间间隔，对测量系统进行定期校准。

4. 数据处理和存储 (Data Processing and Storage)：

   • 问题：高速、高精度测量会产生海量数据，如何高效处理、存储和分析这些数据，并及时反馈生产，是一个挑战。

   • 原因分析：传感器采样率高，数据量大，如果处理能力不足，可能造成数据延迟或丢失；存储不当则可能导致数据难以追溯或分析。

   • 解决建议：

     • 高性能控制器/工业PC：配备高性能的工业控制器或PC，确保有足够的处理能力进行实时数据计算和分析。

     • 边缘计算：在传感器端或生产线侧进行初步数据处理和过滤，减少传输到中央系统的数据量。

     • 数据管理系统：建立完善的数据管理系统，对测量数据进行结构化存储，并利用SPC（统计过程控制）等工具进行实时质量监控和趋势分析。

4. 应用案例分享

• 轮胎成型尺寸控制：在轮胎尚未硫化成型之前，通过在线激光位移传感器或轮廓仪，实时测量生胎的直径、宽度和胎面形状，确保各部件的精确组装和尺寸符合设计要求，有效减少后续硫化不良品的产生。例如，可以使用高测量频率的激光位移传感器，快速获取轮胎表面的轮廓数据。

• 硫化后轮胎关键尺寸全检：在轮胎硫化（即“烤熟”）后，利用多套高精度激光测径仪和3D激光轮廓仪，对每个下线的轮胎进行直径、圆度、径向/侧向跳动、胎面花纹深度、宽度等所有关键尺寸的100%全自动检测，确保每一条轮胎都符合严格的质量标准。

• 模具磨损与变形监测：通过定期对轮胎硫化模具的型腔进行3D扫描测量，精确获取模具的几何尺寸和表面形貌，从而监测模具的磨损或变形情况，及时发现并更换不合格模具，确保批量生产的轮胎尺寸稳定性。这种应用场景下，传感器的紧凑性是一个重要的考虑因素。