隋 勇

（青島科技大學(xué)自動化學(xué)院，山東 青島 266042）

線掃描激光傳感器在動平衡檢測設(shè)備中的應(yīng)用

Applications of line scanning laser sensor in dynamic balancing test equipment

隋 勇

（青島科技大學(xué)自動化學(xué)院，山東 青島 266042）

介紹了線掃描激光傳感器的工作原理及其在動平衡檢測設(shè)備中的實際應(yīng)用情況。事實結(jié)果證明，線掃描激光傳感器應(yīng)用于輪胎檢測設(shè)備中，可以更加直觀的加強(qiáng)輪胎缺陷識別，輕易的標(biāo)識出輪胎自身表面缺陷位置，大大提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及明確了輪胎制作工藝改進(jìn)的方向。

偏心度；線掃描激光傳感器；動平衡

隨著對輪胎質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，偏心度作為輪胎出廠前一項重要檢測指標(biāo)，受到越來越多國內(nèi)外輪胎生產(chǎn)廠家的重視。輪胎偏心度測量是指通過激光傳感器對輪胎表面進(jìn)行檢測，檢測出輪胎自身表面由于成型或硫化等原因造成表面凹凸不平等缺陷的過程。對輪胎偏心度的檢測可以及時發(fā)現(xiàn)輪胎缺陷，防止不合格輪胎出廠，并通過對輪胎缺陷的分析及時發(fā)現(xiàn)輪胎生產(chǎn)工藝過程中出現(xiàn)的問題，從而提高輪胎質(zhì)量。

1 線掃描激光傳感器的工作原理

所謂線由點構(gòu)成，線掃描激光就是由一系列的點激光組成，線掃描激光傳感器可以同時掃描一條線，激光線發(fā)射到物體上，通過反射覆蓋檢測整個物體表面，即可立體的檢測處該物體表面形狀，與點激光相比，工作原理是類似的，首先介紹一下點激光傳感器的測試原理。如圖1所示。

由幾何關(guān)系可以得到：

圖1 激光實現(xiàn)采集距離的原理圖

式中，L為物體表面到透鏡的距離，L'為透鏡到線性光敏元件的距離。當(dāng)θ=45°，φ=90°，且x1、x2遠(yuǎn)小于Z1、Z2時，可以得到物體任意移動距離與其像點偏移量的關(guān)系：

由（圖2）線激光的發(fā)射可知，只有在最中心的光線才是垂直于物體的，越往兩側(cè)移動，光線與物體的傾斜程度越大，由此可知，每一點所檢測的實際有效距離為：

圖2 線激光傳感器位移數(shù)據(jù)修正圖

2 偏心度測量指標(biāo)和含義

輪胎偏心度測量是指輪胎在勻速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，利用傳感器測量輪胎表面輪廓及凹凸。輪胎偏心度主要包括胎面偏心度和上、下胎側(cè)偏心度。胎面偏心度是指輪胎直徑方向的偏心程度，一般由最大半徑與最小半徑之差來表示，即偏心度E1=Rmax-Rmin。胎側(cè)偏心度是由指在輪胎胎側(cè)方面向厚度的不均勻造成的，它是輪胎側(cè)面最大厚度與最小厚度之差。當(dāng)激光傳感器測量到輪胎胎面的距離，輪胎旋轉(zhuǎn)一周的最大位移變化量即為輪胎胎面偏心度。同理，當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)一周，傳感器到輪胎側(cè)面的位移變化量E2=Hmax-Hmin即為胎側(cè)偏心度。

3 線掃描激光傳感器在輪胎動平衡檢測設(shè)備中的應(yīng)用

我們所采用的線激光傳感器，主要由以下兩部分組成。

3.1 激光探頭

我們共使用了3個激光探頭對輪胎胎面、上胎側(cè)及下胎側(cè)進(jìn)行測量，如圖3所示。

圖3 激光實現(xiàn)采集效果圖

3.2 控制器

將現(xiàn)場信號處理后通過有線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一發(fā)送至上位機(jī)電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

4 線掃描激光傳感器使用載體——動平衡設(shè)備

測試條件：輪胎充上額定氣壓，不同的規(guī)格輪胎可以根據(jù)不同的需求設(shè)定；有堅固且穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)中心，按照設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)；由傳感器對輪胎表面形狀進(jìn)行采集處理，并自動計算出輪胎表面缺陷等級。

我們采用的線激光傳感器，對輪胎胎面及胎側(cè)缺陷進(jìn)行檢測，并且已將線激光傳感器成功應(yīng)用于實際動平衡檢測設(shè)備中。對輪胎表面偏心度進(jìn)行檢測，首先是要保證輪胎固定于一高精度旋轉(zhuǎn)平臺上，可以在輪胎內(nèi)部充入額定穩(wěn)定氣壓，然后開啟激光傳感器激光對輪胎表面進(jìn)行勻速檢測，待勻速旋轉(zhuǎn)檢測出一周的輪胎曲線信息后，便可以對輪胎進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。而動平衡設(shè)備，恰恰能夠提供這樣一個測試環(huán)境，動平衡設(shè)備可以在動平衡測試之前或測試之后，調(diào)整旋轉(zhuǎn)主軸至一穩(wěn)定速度后，進(jìn)行偏心度測試。

5 線掃描激光傳感器在實際中應(yīng)用的優(yōu)勢

點激光傳感器，已經(jīng)大量的投入到設(shè)備的使用當(dāng)中，但是點激光掃描的缺陷，也開始逐漸顯現(xiàn)出來。

做為點激光傳感器，是將激光傳感器發(fā)射的激光直接照射在輪胎表面上的一點上，并保持激光傳感器靜止，通過輪胎的旋轉(zhuǎn)對輪胎上的同一位置實現(xiàn)遠(yuǎn)近距離的比較，從而實現(xiàn)輪胎表面缺陷的檢測。點激光傳感器對于輪胎表面缺陷測量位置的選擇需要很高的要求，即要求盡量的避免采集到輪胎表面的花紋和商標(biāo)字體，這對操作人員有很高的要求，但是即使這樣也很難完全避免誤將花紋和字體做為缺陷來處理，同時對于輪胎缺陷的位置，一般會出現(xiàn)在輪胎的胎肩位置，但是我們選擇的位置不一定正好能夠采集到缺陷上，所以就存在著檢測漏洞即盲區(qū)存在。線激光傳感器應(yīng)用于輪胎檢測設(shè)備中，在國內(nèi)尚為首例，我們已經(jīng)成功研發(fā)并且應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備中。相對于點激光傳感器線激光傳感器具有以下應(yīng)用優(yōu)勢。

5.1 測量范圍寬

線激光傳感器等同于上百個個點激光傳感器，它射出的激光是一條線，因此可以測量一片范圍內(nèi)的所有點，即同步采集后經(jīng)軟件還原，再以顏色的深淺來區(qū)分輪胎表面的高低，最終就可以3D效果呈現(xiàn)在給大家。而正因為如此，在輪胎旋轉(zhuǎn)測量時，就可以同步采集到輪胎表面的一個環(huán)形，實現(xiàn)對輪胎表面整個可能出現(xiàn)缺陷的位置進(jìn)行覆蓋式掃描采集，不會因為只測量一個點而漏掉沒有掃描到的輪胎缺陷。

如圖4所示分別通過三個激光探頭掃描到的輪胎表面圖像信息，其中利用顏色深淺區(qū)分出探頭離輪胎距離的遠(yuǎn)近，顏色的變化表明輪胎自身表面的變化。

圖4 線掃描激光傳感器掃描輪胎效果圖

5.2 成像直觀

點掃描激光傳感器只能采集到一條曲線，并不能看出所處的輪胎位置。線掃描激光傳感器通過上位機(jī)軟件對信號進(jìn)行采集處理后，可以直觀的體現(xiàn)輪胎表面的特征，而且可以通過計算標(biāo)識出輪胎表面的鼓包、凹陷和一次諧波，在圖片上可以更形象的看出所在位置。通過對輪胎的條碼信息保存相對應(yīng)的圖片信息，尤其是有輪胎缺陷的輪胎，可以通過調(diào)用輪胎條碼信息查詢?nèi)毕輬D片，分析缺陷原因，即使在沒有打標(biāo)的情況下，也能查找出輪胎的外觀缺陷位置，從而進(jìn)行有針對性的處理對策。

圖5為上、下胎側(cè)及胎冠的整個掃描信息，將上、下胎側(cè)及胎冠分別以編碼器Z脈沖為數(shù)據(jù)采集零點，將采集到的整個信息以平鋪的形式展開即為以上形式。

圖5 線掃描激光傳感器掃描輪胎后圖形報表

5.3 測試精度高

根據(jù)我們以往的設(shè)備應(yīng)用，作為檢測設(shè)備的幾何尺寸測量，我們之前使用的均為點激光傳感器，而我們最新采用的線激光傳感器，測試精度明顯比點激光傳感器高很多。

我們采用了同一條輪胎，在同樣的測試條件下，分別用點激光傳感器和線激光傳感器對此輪胎進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表1表2。

如圖5及表1所示，圖5為點掃描激光傳感器測試的偏心度測試數(shù)據(jù)，表1為線掃描激光傳感器測試的偏心度測試數(shù)據(jù)。一般以點掃描激光傳感器測試輪胎時，上、下胎側(cè)及胎面的測試數(shù)據(jù)精度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1以內(nèi)，測試鼓包、凹陷的數(shù)據(jù)精度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5，而自從更改為線掃描激光傳感器后，上、下胎側(cè)及胎面的測試數(shù)據(jù)精度由標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1以內(nèi)提升為0.5以內(nèi)，而測試鼓包、凹陷的數(shù)據(jù)精度由原先的標(biāo)準(zhǔn)偏差0.5提升到了0.02以內(nèi)。數(shù)據(jù)精度有了大幅度提高。

表1 點掃描激光傳感器測試數(shù)據(jù)表

表2 線掃描激光傳感器測試數(shù)據(jù)表

6 結(jié)論

線激光傳感器在輪胎偏心度中的應(yīng)用，既提高了輪胎偏心度的準(zhǔn)確速度，提高了設(shè)備的測量效率，又保護(hù)了輪胎免受劃傷及防止傳感器變形。通過對輪胎偏心度的測量可以及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的存在的問題，從而能夠改善提高輪胎質(zhì)量。

［1］ 劉金琪，高保成，田永林. 汽車輪胎偏心度測量及其控制系統(tǒng)［J］. 電氣傳動自動化，2002，03.

［2］ 譚寧. 輪胎偏心度測量機(jī)測量數(shù)據(jù)處理［J］. 輪胎工業(yè)，2005，（8）： 493～495.

（XS-05）

TQ330.4

1009-797X（2015）02-0058-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.02.009

隋勇（1982-），男，就讀于青島科技大學(xué)自動化學(xué)院。

2014-04-01