一種輪胎胎面磨損的簡潔實用測量方法

何亮亮，楊永躍，孫盼慶

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009）

胎面磨損[1]不僅直接影響輪胎使用壽命，同時關系到輪胎操縱、滑水、噪音等諸多使用性能。隨著輪胎工業的發展，現代環保標準對輪胎的使用壽命要求也越來越高，胎面磨損性能越來越成為輪胎制造商、研究者和使用者密切關注的焦點。傳統的測量大多采用接觸式觸針測量法，盡管它能夠直接讀出被測表面的粗糙度或微位移的數值，并可測量平面、軸、孔等各種形態的表面形貌及微位移，但由于要求觸針與表面有良好的接觸，觸針頂部的半徑、測量力、動特性及具體的結構等都會對測量帶來影響，會影響測量結果。而且測量速度慢、成本高，所以其使用范圍受到很大的限制。非接觸式光學測量[2]方法中的激光三角法，具有的高分辨率，無破壞，數據獲取速度快等優點，實現對工業生產領域工件的表面形貌測量在線檢測，相比較與以前采用的接觸式測量方法，具有更快的測量速度，而且成本更低，具有很廣闊的應用前景。

1 測試原理

1.1 激光三角法

激光三角法[3]是使用激光光源作為測量的光源，激光器的軸線、成像物鏡的光軸以及光電探測器，三者位于同一個平面內，將一個理想的光斑投射在被測表面上。該光斑將隨其投射點位置的深高度坐標變化而沿著激光器的軸向作同樣距離的位移。光斑同時又通過物鏡成像在光電探測器上，且成像位置與光斑的深度，位置有唯一的對應關系。測出光電探測器上所成實像的中心位置，即可求出光斑的高度坐標，從而得到被測表面該點處的深度參數[4-5]。通過對若干采樣的測量，就能得到被測表面形貌的一組數據。

1.2 輪胎胎面測量方法

選用激光位移視覺傳感器在線測量，高速高精度地截取輪胎表面輪廓，基于直射式激光三角法測量原理，反射光在攝像機CCD[6]上的位置隨著輪胎位置的改變而改變，通過檢測該變化就可以測量輪胎表面的凹凸量。系統實物圖如圖1所示。

圖1 實物圖Fig．1 Picture of the actual object

檢測結構圖如圖2所示，輪胎被輪胎固定座固定，并可以繞旋轉軸轉動，轉動的角度由角度編碼器輸入到數據采集模塊，在輪胎開始轉動時，激光傳感器開始采集a圈的數據，數據采集模塊得到角度編碼器輸出的角度和激光傳感器采集到的數據，這樣采集一圈就可以得到輪胎胎面的空間數據，等數據采集完一圈后激光傳感器向下微移，采集輪胎的b圈。這樣逐步微移激光傳感器，可以采集到一圈圈輪胎的空間坐標數據。

圖2 結構示意圖Fig．2 Structure schematic diagram

2 系統結構

2.1 測量單元

由于被測對象材質為橡膠，其表面粗糙，而且輪胎表面有凹凸花紋，所以本次測量對精度要求較高。，因此在系統設計中，選用了Keyence公司生產的高速、高精度CCD激光位移傳感器——LK-G150，此種型號的的傳感器通過高性能CPU進行控制，使其速度達到傳統型號的120倍，因此即使物體表面狀態變化無常也能進行精確測量，適用于輪胎表面的測量。

2.2 行動單元

如圖3所示，依據輪胎的大小應對輪胎胎面的掃描范圍有一定的限制，使用組合電控位移平臺承載傳感器，實現對激光傳感器運動范圍的調節，保證不同規格的被測輪胎均位于激光位移傳感器的測量范圍內。

圖3 位移平臺結構圖Fig．3 Displacement platform structure

電控位移平臺有電控直線位移平臺A，電控直線位移平臺B組合而成。通過電控平臺的組合協調動作，實現傳感器的行動掃描。 為避免導軌B沿導軌A行動時懸空，附以滾輪導軌支撐平衡。

電控位移平臺A，采用線性滑塊導軌，長行程滾珠螺桿傳動，步進電機驅動，標配計算機通訊接口，設置光電開關定零位，兩端限位防撞開關。

2.3 計量單元

計量單元主要是由計量光柵和角度編碼器組成。其主要作用是對直線位移平臺和輪胎旋轉角度進行計量，被測輪胎的中心角的計量是利用安裝在車輪定位中心軸上的相對角度編碼器完成，測量傳感器的位移是通過安裝在電控位移平臺上的直線光柵完成計量。

2.3.1 角度編碼器

為了滿足高精度輪胎旋轉角度定位的要求，使用角度編碼器[7]，角度編碼器可以將角位移轉換成一連串電數字脈沖的旋轉式傳感器，利用角度編碼器在1～360度間用激光傳感器獲得取輪胎胎面的胎面數據。

2.3.2 直線光柵

為了獲得輪胎胎面的數據，需要對激光傳感器的位移進行精確控制和定位，設計采用直線光柵尺作為測量基準，是一種測量反饋裝置，其主要工作原理是光柵的光學原理[8]。輸出數字脈沖信號，具有抗干擾能力強、響應速度快、測量精度高、分辨率高等優點。

2.4 數據采集單元

在本系統中，根據高實時性的要求，選用臺灣研華科技公司生產的PCI-1784U卡，該卡是一款采用PCI總線的4軸正交解碼器和讀數器卡，含有4個32-bit正向/反向計數器，最大的正交輸入頻率為2 MHz，計數器模式下的最大輸入頻率為 8MHz。

3 輪胎胎面測試軟件流程

輪胎磨損測量主要是對輪胎磨損前和磨損后的數據進行比對，所以首先將沒有磨損過的標準輪胎進行胎面掃描獲取輪胎胎面數據。然后將此標準輪胎進行一段時間的磨損，然后再將其放置在輪胎測試平臺上利用測試未磨損的標準輪胎胎面的方法掃描磨損后的輪胎胎面數據。

對輪胎胎面磨損前和磨損后要進行兩次測量，測量流程相同。在系統進行測試之前，首先要對位移平臺進行歸零，系統歸零可以保證系統每次測量的起始點都是固定的，這樣可以為坐標轉換盒多次測量數據對比提供可靠依據。系統歸零之后控制位移平臺Y，開始做步長為y的微小位移，然后輪胎開始旋轉，用角度編碼器和激光傳感器獲得角度位置相對應的測試數據，測完一圈之后輪胎停止旋轉，位移平臺做步長為y的微小位移，開始采集下一圈輪胎的角度數據和胎面數據。胎面測試流程如圖4所示。

得到輪胎胎面磨損前和磨損后的數據后，將相同空間位置的數據做差值，差值的大小用不同灰度的灰度值來表示，再將這些灰度值在相應的坐標位置上體現出來，就可以直觀得出車輪胎面的磨損情況。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

4 測試數據

將輪胎一圈分成360度，讓輪胎轉動，可以在不同的角度獲取輪胎胎面的深度信息，表1為一段輪胎胎面磨損數據， 從 0°15′0″到 4°15′0″時輪胎磨損情況，θ為從起始點開始輪胎旋轉角度，X為輪胎寬度信息，Y1為理論輪胎胎面深度，Y2為磨損后的輪胎胎面深度，在輪胎轉動到2°30′0″時輪胎磨損情況數據量最大，達到2.08mm。

5 測試結果

激光傳感器固定在某θ點后，系統開始測量，讓輪胎勻速轉動，傳感器采集數據點，然后用軟件顯示該輪胎轉動一周的點。將采集到的首個數據置在坐標0處，轉動一周采集的點如圖5所示。

在輪胎未磨損的情況下進行輪胎胎面數據采集，系統設定激光器下移步長為0.5mm，傳感器采集一圈數據，將整個輪胎胎面數據采集后于理論數據比較，可以得到輪胎胎面磨損情況。如圖6所示。

圖5 輪胎掃描Fig.5 Tire scanning

圖6 胎面磨損結果圖Fig.6 Tread wear results figure

6 結 論

文中介紹了一種輪胎胎面磨損的簡潔實用測量方法，并設計了輪胎胎面測量系統，通過實驗獲得了一些相應的數據。這種測量方法具有結構簡單、測試速度快、實時處理能力強、使用靈活方便等優點的。

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