高速线激光传感器在轮胎制造中的应用指南

大约在2000年，百特威斯测量系统公司（现在的施泰力-百特威斯公司）和其它几个志同道合的公司，开始开发线激光传感器。线激光器有许多其它的名字，如“片光”、“激光条纹”和“光切”。这些传感器项目以精细激光线横穿轮廓外形，以一定角度拍一张照片，并转换图像数据为可用于测量的几何值。这在轮胎工业中的应用得以立即显现，标志着新检测产品的诞生。

图1、根据几个几何参数设计的线激光传感器

回顾过去的15年，我们可以看到，线激光传感器的应用已迅速取代了现有技术成为全球范围所接受的方法。本文是线激光传感器在轮胎工业中应用旅程的15 年回顾，并把重点放在高速传感器的应用上。

图2、超过3,300个线激光传感器正在应用于轮胎鼓包和凹陷测量系统

基本的传感器设计参数

传感器是围绕几何参数和元件参数设计的。几何参数包括靶距、景深、线宽、扇形角度、三角测量角度和传感器自身尺寸。当激光线变宽，扇形角度变大，传感器更倾向吸收极度宽度。同样，当三角测量角度变大，三角测量吸收增加，传感器则很少能够看到凹进的轮廓特征。随着靶距的增加，反射回探测器的光量会以距离的平方降低，随之功率就需要量增加。但额定功率等级是重要的，依照眼安全法规要求会需要增加防护级别，同时还要遵守安全标签和操作实务。

元件参数包括那些有关激光二极管、照相机检测器和光学器件。激光二极管依据波长、功率、线宽和散度来选择。探测器最流行的两种类型包括电荷耦合器件 (CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)。CCD探测器最适合应用低频的连续二维轮廓（通常限于50 Hz）。CMOS探测器最适合于3D表面扫描，最大频率在800到8,000Hz范围内，然而这一性能以更高成本为代价。在这两种情况下，像素阵列数确定原始数据的分辨率。通过应用程序的各种方法，子像素处理增强了分辨率。子像素阈值转换法可两倍地提高分辨率，重心算法可以提高分辨率，甚至超过基本像素数的10倍。

数据变换和多传感器阵列

线激光传感器的基本价值是它能够将图像数据转换成几何数据。此种转换，从灰度级像素数到标刻度的x，y，z坐标空间，使用数字集合数学工具使复杂的测量变为可能。使用微米级校准装置做此校准转换，增加跨越传感器视野 (FoV) 的实验室认证目标，以绘制到探测器像素的空间坐标。一旦校准，传感器表达的每个像素当作传感器坐标系统的坐标值。

图3、轮胎成型机可以装备线激光传感器对带束层、胎面中心和拼接处进行检测

许多产品利用多传感器组合成复杂的阵列，如c帧或o帧。使用我们称之为“注册”的处理方法，将每个传感器的数据集整合在一起。采用实验室认证测量块规阵列来设置传感器之间的偏移量以完成注册。使用专利方法将偏移量放在三轴上，包括宽度和高度偏移，再加上一个旋转偏移。

侧壁凸起和凹陷测量

截至2000年，轮胎均匀性机和专用的几何测量站使用需要非常靠近轮胎来进行测量的电容探针来测试凸起（鼓包）、凹陷和径向跳动，但时常会撞到轮胎，造成生产中断。定点激光器获得市场份额，因为它们能在与轮胎更大的距离，并可改变位置测量多个轨道，尽管在额外周期时间需更的高成本。高速线激光传感器提供一个大靶距、胎侧壁覆盖面宽广和周向分辨率高的强大功能集。整个侧壁外形可以捕获并以一个更完整的评估呈现出来。整个行业全线采用这种技术只花了几年的时间。此应用的技术竞争优势得益于传感器分辨率和线性度、系统周期时间和可靠性，以及软件分析功能。

3D轮胎数字化

通过将多个传感器组合成一个c帧，我们可以高速度数字化捕获轮胎外表面轮廓（从左胎唇到右胎唇的胎面形状），并在少于10秒获得完全充气轮胎的1亿点数据集。这使轮胎试验中心实现为轮胎的截面宽度、截面高度、冠半径、肩半径、刻纹周长和位置以及磨耗指标高度等参数进行简化的日常测试。这个数字化的平台也可以用于模具更改后做的首件检查。完整的轮胎数字化提供具保存价值的档案记录，即使轮胎已离开工厂很久后也可以追踪索查。

轮胎成型机械测量

绿色轮胎可以与硫化轮胎使用高速传感器完全相同的方式进行扫描和测量。可以为成形绿色轮胎的径向跳动、横向跳动、周长和胎面接口鼓包进行评估。这些都与成型效果一起，是硫化轮胎均匀性和平衡性的影响因素。传感器可用于每个成型鼓检查每层宽度位置和接口。系统也被工业化应用于胎体鼓检查内衬层和胎体重叠拼接层，在带束上的胎面鼓检查带束宽度、轴心和拼接对齐方式。

离线胎面挤出测量

高速度传感器也用于扫描胎面样本，用于测量模具优化和质量记录的断点。相对于单定点激光扫描，3D轮廓曲线仪获取500条数据并压缩它们以提供更具代表性的样本。

大趋势

很难看到轮胎行业每年的很大变化，然而，当我们回头看着超过15年的变化时，整个轮胎材料、施工、设备、工艺、测试和性能的进步无疑是显著的。许多轮胎制造商通过投资于新工厂和研发中心，正在向十大巨头挑战。横跨所有这些，还有日益成长的数据仓储和开发测量技术的工业4.0方案。

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