非接觸式激光鋼絲圈內直徑測量儀的設計

李建黎，李雪東

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

隨著人們生活水平的提高，人們對乘車舒適度的要求越來越高[1-2]。輪胎鋼絲圈內直徑橢圓度直接影響輪胎動平衡均勻性[3-4]，從而影響乘車舒適度，因此各汽車廠家對輪胎鋼絲圈內直徑的要求越來越嚴格。

傳統鋼絲圈內直徑測量儀的檢測原理是通過測量鋼絲圈內圈周長的方法計算出內直徑，通過多次測量得到內直徑的最大值、最小值和平均值。這種接觸式測量法需要撐開鋼絲圈，會使鋼絲圈表面覆膠產生擠壓而發生形變，影響直徑準確度，而且同一鋼絲圈重復測量時周長數據不同，計算出的內直徑平均值失真，無法測量橢圓度，影響輪胎品質。為了解決這個難題，我公司研發設計了非接觸式激光鋼絲圈內直徑測量儀，取得了良好效果，現將產品設計情況簡介如下。

1 系統構成

非接觸式激光鋼絲圈內直徑測量儀包括新研發的圓形激光三角測量傳感器（簡稱激光傳感器）、定位傳感器的機械部件以及電控部分，如圖1所示。

圖1 非接觸式激光鋼絲圈內直徑測量儀示意

2 工作原理

2.1 測量部分

激光傳感器由激光發射器、激光接收系統、電荷耦合器件（CCD）線性相機和測量電路組成，如圖2所示。該傳感器每次測量可獲得1條徑向360°的內部幾何特征輪廓線，測量可以通過軟件觸發，軟件可以根據測量值計算出檢測鋼絲圈所需的所有重要參數。

圖2 激光傳感器示意

激光發射器可360°發射激光，將可見紅色激光射向鋼絲圈內表面，經鋼絲圈反射的激光通過接收系統反饋到CCD的成像芯片中，根據不同的距離及激光反射強度，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這束激光。根據相機CCD成像芯片中的返回點位置及光學強度信息，通過相機處理及芯片的數字信號處理器能計算出每個測量點在笛卡爾坐標系下的坐標位置。同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理，及微處理分析，計算出相應的輸出值，并在用戶設定的模擬量窗口內按比例輸出標準數據信號。

機械部件通過伺服電機驅動激光傳感器實現垂直方向的運動，從而實現激光傳感器與鋼絲圈之間的精準定位，達到測量目的。鋼絲圈檢測平臺水平放置，保證檢測平臺與激光傳感器相互垂直，保證激光傳感器的檢測精度。

2.2 電控部分

電控部分包含可編程邏輯控制器（PLC）控制系統和工控機系統。其中PLC控制系統具有可靠性高和抗干擾能力強的特點，可高效穩定地控制機械部件的動作時序及定位；工控機系統連接激光傳感器，激光傳感器測量的數值傳輸給工控機，通過軟件計算可得到所需的檢測結果，并通過人機交互界面傳輸給終端。圖3—6分別示出了鋼絲圈直徑測量監控系統界面、統計報表界面、查詢報表界面和配方列表界面，配方列表顯示鋼絲圈標準內直徑等設計數據，可用于與鋼絲圈內直徑測量結果進行對比。

圖3 鋼絲圈直徑測量監控系統界面

圖4 統計報表界面

圖5 查詢報表界面

圖6 配方列表界面

3 測量過程

非接觸式激光鋼絲圈內直徑測量儀的測量過程如下。

（1）將鋼絲圈水平放置在鋼絲圈檢測平臺上。

（2）PLC控制伺服電機動作，電機驅動模組帶動激光傳感器勻速下降。

（3）激光傳感器下降到設定位置，當激光線可以掃描到鋼絲圈內表面時激光傳感器開始觸發檢測。

（4）伺服電機繼續控制激光傳感器勻速下降，速度相對較慢，此時激光傳感器不間斷觸發，采集鋼絲圈內表面所有數據參數。

（5）激光傳感器的激光線接近鋼絲圈底面時便停止下降，停止觸發。測量的數據傳輸給工控機系統，通過軟件計算出相應的檢測結果，并通過人機交互頁面傳輸給終端。

（6）伺服電機控制激光傳感器勻速上升，返回到起始位置，測量結束。

4 結語

非接觸式激光鋼絲圈內直徑測量儀的主要原理是通過PLC控制伺服電機動作帶動激光傳感器，到達測量位置后進行連續掃描及數據采集，通過軟件算法處理返回特征點，計算特征點的周長、直徑橢圓度等，可以實現柔性、動態、非接觸、高精度的檢測，達到在不破壞鋼絲圈結構的情況下一次性精確測量鋼絲圈內直徑和橢圓度的目的，克服了傳統接觸式鋼絲圈直徑測量儀檢測精度差、重復檢測使內直徑數據失真、無法測量鋼絲圈內直徑橢圓度的缺點。