線掃描激光傳感器在動平衡檢測設備中的應用

隋 勇

（青島科技大學自動化學院，山東 青島 266042）

線掃描激光傳感器在動平衡檢測設備中的應用

Applications of line scanning laser sensor in dynamic balancing test equipment

隋 勇

（青島科技大學自動化學院，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備中的實際應用情況。事實結果證明，線掃描激光傳感器應用于輪胎檢測設備中，可以更加直觀的加強輪胎缺陷識別，輕易的標識出輪胎自身表面缺陷位置，大大提高了數據的準確性以及明確了輪胎制作工藝改進的方向。

偏心度；線掃描激光傳感器；動平衡

隨著對輪胎質量要求越來越嚴格，偏心度作為輪胎出廠前一項重要檢測指標，受到越來越多國內外輪胎生產廠家的重視。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現輪胎缺陷，防止不合格輪胎出廠，并通過對輪胎缺陷的分析及時發現輪胎生產工藝過程中出現的問題，從而提高輪胎質量。

1 線掃描激光傳感器的工作原理

所謂線由點構成，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。

由幾何關系可以得到：

圖1 激光實現采集距離的原理圖

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θ=45°，φ=90°，且x1、x2遠小于Z1、Z2時，可以得到物體任意移動距離與其像點偏移量的關系：

由（圖2）線激光的發射可知，只有在最中心的光線才是垂直于物體的，越往兩側移動，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據修正圖

2 偏心度測量指標和含義

輪胎偏心度測量是指輪胎在勻速旋轉狀態下，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。胎側偏心度是由指在輪胎胎側方面向厚度的不均勻造成的，它是輪胎側面最大厚度與最小厚度之差。當激光傳感器測量到輪胎胎面的距離，輪胎旋轉一周的最大位移變化量即為輪胎胎面偏心度。同理，當輪胎旋轉一周，傳感器到輪胎側面的位移變化量E2=Hmax-Hmin即為胎側偏心度。

3 線掃描激光傳感器在輪胎動平衡檢測設備中的應用

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、上胎側及下胎側進行測量，如圖3所示。

圖3 激光實現采集效果圖

3.2 控制器

將現場信號處理后通過有線網絡統一發送至上位機電腦進行數據處理分析。

4 線掃描激光傳感器使用載體——動平衡設備

測試條件：輪胎充上額定氣壓，不同的規格輪胎可以根據不同的需求設定；有堅固且穩定的旋轉中心，按照設定的速度旋轉；由傳感器對輪胎表面形狀進行采集處理，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，對輪胎胎面及胎側缺陷進行檢測，并且已將線激光傳感器成功應用于實際動平衡檢測設備中。對輪胎表面偏心度進行檢測，首先是要保證輪胎固定于一高精度旋轉平臺上，可以在輪胎內部充入額定穩定氣壓，然后開啟激光傳感器激光對輪胎表面進行勻速檢測，待勻速旋轉檢測出一周的輪胎曲線信息后，便可以對輪胎進行數據分析。而動平衡設備，恰恰能夠提供這樣一個測試環境，動平衡設備可以在動平衡測試之前或測試之后，調整旋轉主軸至一穩定速度后，進行偏心度測試。

5 線掃描激光傳感器在實際中應用的優勢

點激光傳感器，已經大量的投入到設備的使用當中，但是點激光掃描的缺陷，也開始逐漸顯現出來。

做為點激光傳感器，是將激光傳感器發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，通過輪胎的旋轉對輪胎上的同一位置實現遠近距離的比較，從而實現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存在。線激光傳感器應用于輪胎檢測設備中，在國內尚為首例，我們已經成功研發并且應用于現場設備中。相對于點激光傳感器線激光傳感器具有以下應用優勢。

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的所有點，即同步采集后經軟件還原，再以顏色的深淺來區分輪胎表面的高低，最終就可以3D效果呈現在給大家。而正因為如此，在輪胎旋轉測量時，就可以同步采集到輪胎表面的一個環形，實現對輪胎表面整個可能出現缺陷的位置進行覆蓋式掃描采集，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分出探頭離輪胎距離的遠近，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軟件對信號進行采集處理后，可以直觀的體現輪胎表面的特征，而且可以通過計算標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的圖片信息，尤其是有輪胎缺陷的輪胎，可以通過調用輪胎條碼信息查詢缺陷圖片，分析缺陷原因，即使在沒有打標的情況下，也能查找出輪胎的外觀缺陷位置，從而進行有針對性的處理對策。

圖5為上、下胎側及胎冠的整個掃描信息，將上、下胎側及胎冠分別以編碼器Z脈沖為數據采集零點，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

根據我們以往的設備應用，作為檢測設備的幾何尺寸測量，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行測試，測試數據如表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據，表1為線掃描激光傳感器測試的偏心度測試數據。一般以點掃描激光傳感器測試輪胎時，上、下胎側及胎面的測試數據精度標準偏差為0.1以內，測試鼓包、凹陷的數據精度標準偏差為0.5，而自從更改為線掃描激光傳感器后，上、下胎側及胎面的測試數據精度由標準偏差為0.1以內提升為0.5以內，而測試鼓包、凹陷的數據精度由原先的標準偏差0.5提升到了0.02以內。數據精度有了大幅度提高。

表1 點掃描激光傳感器測試數據表

表2 線掃描激光傳感器測試數據表

6 結論

線激光傳感器在輪胎偏心度中的應用，既提高了輪胎偏心度的準確速度，提高了設備的測量效率，又保護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現生產中的存在的問題，從而能夠改善提高輪胎質量。

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（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自動化學院。

2014-04-01