基于點激光的輪胎凹凸檢測機研發

鄧海珊

(瑾鳴機械（上海）有限公司，上海 201103)

1 輪胎凹凸檢測的現狀與分析

1.1 影響輪胎凹凸的主要因素

輪胎凹凸發生的部位主要集中在輪胎兩側，胎壁和胎冠位置，尤其是胎體簾布層與胎冠銜接的位置出現異常現象居多（圖1）。通過對輪胎成型過程的觀察和分析，發現輪胎在成型鼓膠片反包，成型機膠片糾偏，成型機膠片裁斷工序可直接形成胎坯貼合不良。特別是在輪胎成型工序胎體簾布層進行反包過程時，容易發生反包高度不一致，橡膠接頭貼合嚴實，接頭壓合不牢固等現象。成型階段的質量缺陷在硫化過程中就越發明顯，比如膠片接頭產生移位，甚至簾線局部斷裂。輪胎硫化是在外部高溫，內部高壓力的環境下進行，其中外部模具溫度將近200 ℃左右；內壓充高壓氮氣壓力達到2.8 MPa，膠囊內部飽和蒸汽也控制在180 ℃的高溫和1.8 MPa的壓力，在該高溫高壓狀態下，胎坯被包裹的橡膠完全處于熔融狀態，當膠囊內壓持續不斷擠壓氣密層，夾層之間的氣泡在壓力作用下由里向外溢流出，導致輪胎兩側的簾布承受來自膠囊傳導的壓力可能發生應力集中，甚至在該過程中，橡膠在熔融狀態下釋放后流動性容易導致簾線斷裂。

圖1 輪胎結構組成圖

1.2 動平衡機初篩

輪胎進行動平衡檢測過程同步進行凹凸檢測，裝有線激光的上下兩組激光傳感器，在輪胎旋轉時線激光器測量輪胎上下兩側面的相對坐標數據（圖2）；線激光呈現的采樣數據是二維空間數據，線激光能夠將輪胎的側面每一個坐標值呈現。計算機將按照設定的算法進行數據分析，初略篩選不合格輪胎流入二次檢查區。

圖2 線激光檢測原理圖

輪胎在動平衡檢測的旋轉線速度速度一般在80 km/h，動平衡機上的輪胎，被上下兩片輪輞以對壓的方式卡住輪胎上下止口。保證了輪胎與輪輞之間形成密閉的充氣空間。在輪胎進行動平衡檢測時，輪胎的充氣壓力保持在0.2 MPa。這樣的輪胎自動旋轉一周，以輪胎旋轉周期進行采樣計算。采集的每一個輪胎的側面數據整理成一個空間二維曲面，是以輪胎為圓心的，等直徑的點構成一條曲線。線激光同步生成多條同心曲線。計算機在20 s內讀取——分析——判斷數據，并通過PLC判斷N/G。

1.3 人工二次篩查

動平衡初篩的不良品可能存在機器的誤判。所以輪胎工廠往往對動平衡初篩的有凹凸缺陷的輪胎進行人工進行二次檢測確認。人工篩選的充氣設備是一臺具有左右兩片輪輞，具有充氣放氣功能，能夠自動低速旋轉功能的半制動設備；人工篩選的輪胎充氣壓力一般0.3 MPa,高于動平衡的輪胎充氣壓力。在0.3 MPa充氣壓力下，輪胎凹凸偏差值明顯，甚至肉眼可見。常規操作流程如下：輪胎裝載——輪胎充氣——輪胎旋轉——人工檢測——人工判斷N/G——輪胎放氣——檢測結束。

人工篩查能夠降低線激光的誤判率，但是效率低，測量數值很困難，操作過程中存在人機操作安全隱患，要求操作人員技能水平很高，能夠感知運動中的輪胎凹凸程度，然后對發生凹凸部位采用器械測量。

2 輪胎凹凸檢測機介紹

2.1 輪胎凹凸檢測機組成

輪胎凹凸檢測機采用PLC控制，輪胎兩側各配置一組點激光器，主機采用臥式水平布置結構，具有自動裝載輪胎，對輪胎進行自動充氣，自動輪胎檢測功能（圖3）。激光測量的信息通過信息運算模塊，直接傳送給PLC，執行機構按照指令判斷。輪胎凹凸檢測機具有多配方位置功能，可以依輪胎規格，選擇安裝對應的輪輞，在工控機上調用運行對應的輪胎配方信息。其中操作過程，只需要人工將輪輞放置在托胎輥上，按啟動按鈕即可。程序自動運行直到程運行序結束，該過程測量結果將在觸摸屏上顯示。

圖3 輪胎凹凸檢測機布局圖

2.2 輪胎凹凸檢測機布局

輪胎凹凸檢測機布局如圖3所示。

2.3 輪胎凹凸檢測機實現了全自動檢測

相比傳統的操作流程大部分流程被機器取代，操作簡單，信息全部數顯，可以實現對接MES工廠大數據管理。操作人員只要在控制面板上選擇輪胎信息，然后PLC運行該信息。將輪胎放置在輥筒裝置上，按下程序啟動按鈕——托胎裝置自動將輪胎的中心線與輪輞的中線心重合——充氣輪輞自動插入輪胎兩側——限位裝置自動伸縮到位——輪胎自動充入壓縮空氣——胎壓穩定后——輪胎自轉一周——HMI畫面顯示測量數據——輪胎放氣——輪輞脫離輪胎止口——卸載輪胎——凹凸檢測結束。從裝載輪胎到卸載輪胎全程機械自動化。包括數據采集，傳感器位置調整信息都可以在配方信息中設置，調取配方時初始化運行。

2.4 數據顯示可視化

測量的輪胎凹凸數據在HMI顯示，根據輪胎檢測算法，將輪胎左右兩側圓周360°分成10區，每個扇形區域測量一個凸起的高度值和一個凹陷的最低值，并且以標注極值點的角度坐標。極值測量數據超過了目標目標值用紅色自動標記。HMI數據顯示如圖4所示：

圖4 輪胎HMI畫面圖

可以根據不同的輪胎規格在HMI屏上增添配方和修改參數。便跟配方參數保存然后寫入PLC即可。HMI顯示主要參數有輪胎充氣壓力，激光測量范圍，凹凸點位置（角度），凹凸值大小等參數。

3 輪胎凹凸檢測機，重要結構與選型計算

3.1 主機架是輪胎凹凸檢測機最重要的部件

機架采用Q235A焊接，焊后去應力退火。主機機架設計呈現U型結構，方便自動裝載和觀察輪胎檢測過程。該結構最大的破壞力來自輪胎充氣時，輪胎作用在輪輞上的推力反向施加在立柱兩側，因此立柱必須具有足夠的強度抵抗變形。通過力學分析發現，機架的整體應力集中發生在兩個支撐立柱的根部。單根立柱受力分析按照懸臂梁進行強度校核。立柱的抗擾度性能是最為關鍵，當立柱強度不夠時，機架的兩個立柱將發生嚴重形變呈現V型趨勢，在機架的兩側立柱與輪輞固定的位置發生最大形變，機架因變形會影響輪胎充氣和檢測效果。因此保證主機架的良好剛性，是本機設計成功的重要保障。機械設計采用Solidworks2016建模，ansys14.0進行靜態力學分析。最終計算獲取材料等效應力σmax=85 MPa,最大形變量Lomax=0.8 mm。

3.2 軸承選型與布置

輪胎充氣后進行旋轉運動，因此靠近輪輞側軸承不但需要滿足圓周旋轉同時需要軸向承載。綜合考慮輪輞端選擇選擇推力調心滾子軸承29412-NSK，末端選用雙列角接觸軸承3212A-NSK；左右側軸承對稱布置，如圖5所示：

圖5 凹凸檢測機軸承安裝布置圖

3.3 凹凸檢測機自動化裝載輪胎

操作人員首先用掃描工具讀取輪胎條形碼——將輪胎放置在托輥上——按啟動按鈕——PLC調取配方信息——系統自動匹配輪胎規格。PLC發指令給凹凸檢測機，伺服控制系統按照接收的指令將托胎輥自動升降置零位。然后托胎裝置自動上升，將充氣輪輞中心與輪胎中心對齊。為了讓每一條輪胎都能通過程序自動實現輪胎中心與輪輞中心找齊。但是遇到相同的輪胎鋼圈可能有不一樣的輪胎外徑的情況，由于輪胎的中心高不同。我們設計了托胎機構，通過伺服電機驅動滾珠絲杠驅動托胎輥架上下運動。而托胎滾筒的位置是相對固定，讓輪胎的直徑和輪胎的寬度作為唯一變量，通過函數關系將變量做成配方輸入PLC進行存儲。因此水平方向適應輪胎寬度，設置兩個輪輞的相對距離可以自動調整。在豎直方向要設置高度補償參數，解決輪胎自動化裝胎。如圖6所示：

圖6 凹凸檢測機圖

輪胎放置在托胎輥表面。托胎輥架需要上升的高度可以按照下面的數學公式計算，然后通過參數列表寫入PLC程序自適應調整；

公式中：

H—輪胎高度補償值；

H—托胎輥道中心到凹凸檢測機輪輞中心距離；

R—被檢測輪胎的半徑；

r—托胎輥半徑；

L—凹凸檢測機兩托胎輥的間距。

3.4 伺服驅動選型設計

在伺服電機驅動下，輪胎自動旋轉，近似勻速圓周運動。點激光器均勻的采集點數坐標信息，伺服電機加減速時間維持在0.2 s，啟停過程的測量數據可能存在少量的重疊，因此這部分測量點需要設計特殊的算法。要求選用伺服電機驅動。按照輪胎旋轉帶動的負載慣量選擇合適的伺服電機功率2.9 kW，額定轉速1 500 r/min，配置精密行星減速機速比i=20。

3.5 激光器LK-G155介紹

選擇點激光器LK-G155，具有自動感測物體表面，并將激光強度調整到最佳測量狀態，并且同步各層的波形可提高測量精度的功能。能夠結合MRC算法，整合多重反射產生的波形,最后形成一個相似度最高的波形。激光器LK-G155能夠以超快的速度測量移動的目標物,目標物的最大移動速度可達6.4 m/s。其基本參數如表1所示：

表1 激光器LK-G155性能參數

LK-G155測量原理：采用三角形檢測原理，通過檢測反射波的變化，測量目標物的相對位置。LKG155激光器內置65 000數據點儲存空間，以便可靠地補償50 kHZ超高速采集數據。測量過程中，在某些時候需要縮短從高速移動物體中獲取數據的工作時間。在這種情況下，通過暫時將數據儲存到內部儲存器中，然后在下一次測量開始前讀取數據，即可實現對所有數據的高速處理。檢測原理如圖7所示：

圖7 LK-G155激光器測量原理圖

4 輪胎凹凸檢測機性能參數及其配置

全自動輪胎凹凸檢測機具有自動化檢測，高精度測量等優點，常規配置清單見表2所示：

表2 激光凹凸檢測機配置參數表

5 結束語

輪胎凹凸自動檢測機從完全的人工檢測到實現機械化檢測，該過程完成了自動裝卸輪胎，顯著減輕了操作人員頻繁工作的勞動強度。人機接合，一鍵式操作自動運行安全可靠性高。激光測量和PLC輔助計算相結合，測量效果也明顯優于人工檢測,而且數字化顯示測量結果可以工廠MES對接管理。輪胎凹凸自動檢測機的核心源于算法的精心設計。研發過程一波三折，選擇合適的激光器耗費了大量精力，點激光彌補了線激光檢測的諸多缺點。最終選擇伺服電機作為動力驅動實現了機械自動化和參數配方設計。檢測結果融合了多種幾何算法，凹凸檢測機可以成功避開輪胎側面的花紋和花紋上的文字和數字這種特殊曲面測量。輪胎側面的區域凹陷也是遇到的一個檢測難題，最終我們通過改善運算模塊，通過優化算法，提高數據迭代算力，幫助客戶成功解決了生產難題。輪胎全自動凹凸缺陷檢測機的研發具有一定的市場應用價值。特別是在工人技能水平和人工流動性與日俱增的今天，減輕勞動強度，一鍵式操作的設備深受工人的熱衷追求。