大約在2000年，百特威斯測量系統(tǒng)公司（現(xiàn)在的施泰力-百特威斯公司）和其它幾個志同道合的公司，開始開發(fā)線激光傳感器。線激光器有許多其它的名字，如“片光”、“激光條紋”和“光切”。這些傳感器項目以精細(xì)激光線橫穿輪廓外形，以一定角度拍一張照片，并轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)為可用于測量的幾何值。這在輪胎工業(yè)中的應(yīng)用得以立即顯現(xiàn)，標(biāo)志著新檢測產(chǎn)品的誕生。
圖1、根據(jù)幾個幾何參數(shù)設(shè)計的線激光傳感器
回顧過去的15年，我們可以看到，線激光傳感器的應(yīng)用已迅速取代了現(xiàn)有技術(shù)成為全球范圍所接受的方法。本文是線激光傳感器在輪胎工業(yè)中應(yīng)用旅程的15 年回顧，并把重點放在高速傳感器的應(yīng)用上。
圖2、超過3,300個線激光傳感器正在應(yīng)用于輪胎鼓包和凹陷測量系統(tǒng)
基本的傳感器設(shè)計參數(shù)
傳感器是圍繞幾何參數(shù)和元件參數(shù)設(shè)計的。幾何參數(shù)包括靶距、景深、線寬、扇形角度、三角測量角度和傳感器自身尺寸。當(dāng)激光線變寬，扇形角度變大，傳感器更傾向吸收極度寬度。同樣，當(dāng)三角測量角度變大，三角測量吸收增加，傳感器則很少能夠看到凹進(jìn)的輪廓特征。隨著靶距的增加，反射回探測器的光量會以距離的平方降低，隨之功率就需要量增加。但額定功率等級是重要的，依照眼安全法規(guī)要求會需要增加防護(hù)級別，同時還要遵守安全標(biāo)簽和操作實務(wù)。
元件參數(shù)包括那些有關(guān)激光二極管、照相機(jī)檢測器和光學(xué)器件。激光二極管依據(jù)波長、功率、線寬和散度來選擇。探測器最流行的兩種類型包括電荷耦合器件 (CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。CCD探測器最適合應(yīng)用低頻的連續(xù)二維輪廓（通常限于50 Hz）。CMOS探測器最適合于3D表面掃描，最大頻率在800到8,000Hz范圍內(nèi)，然而這一性能以更高成本為代價。在這兩種情況下，像素陣列數(shù)確定原始數(shù)據(jù)的分辨率。通過應(yīng)用程序的各種方法，子像素處理增強(qiáng)了分辨率。子像素閾值轉(zhuǎn)換法可兩倍地提高分辨率，重心算法可以提高分辨率，甚至超過基本像素數(shù)的10倍。
數(shù)據(jù)變換和多傳感器陣列
線激光傳感器的基本價值是它能夠?qū)D像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成幾何數(shù)據(jù)。此種轉(zhuǎn)換，從灰度級像素數(shù)到標(biāo)刻度的x，y，z坐標(biāo)空間，使用數(shù)字集合數(shù)學(xué)工具使復(fù)雜的測量變?yōu)榭赡堋Ｊ褂梦⒚准壭?zhǔn)裝置做此校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，增加跨越傳感器視野 (FoV) 的實驗室認(rèn)證目標(biāo)，以繪制到探測器像素的空間坐標(biāo)。一旦校準(zhǔn)，傳感器表達(dá)的每個像素當(dāng)作傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)值。
圖3、輪胎成型機(jī)可以裝備線激光傳感器對帶束層、胎面中心和拼接處進(jìn)行檢測
許多產(chǎn)品利用多傳感器組合成復(fù)雜的陣列，如c幀或o幀。使用我們稱之為“注冊”的處理方法，將每個傳感器的數(shù)據(jù)集整合在一起。采用實驗室認(rèn)證測量塊規(guī)陣列來設(shè)置傳感器之間的偏移量以完成注冊。使用專利方法將偏移量放在三軸上，包括寬度和高度偏移，再加上一個旋轉(zhuǎn)偏移。
側(cè)壁凸起和凹陷測量
截至2000年，輪胎均勻性機(jī)和專用的幾何測量站使用需要非常靠近輪胎來進(jìn)行測量的電容探針來測試凸起（鼓包）、凹陷和徑向跳動，但時常會撞到輪胎，造成生產(chǎn)中斷。定點激光器獲得市場份額，因為它們能在與輪胎更大的距離，并可改變位置測量多個軌道，盡管在額外周期時間需更的高成本。高速線激光傳感器提供一個大靶距、胎側(cè)壁覆蓋面寬廣和周向分辨率高的強(qiáng)大功能集。整個側(cè)壁外形可以捕獲并以一個更完整的評估呈現(xiàn)出來。整個行業(yè)全線采用這種技術(shù)只花了幾年的時間。此應(yīng)用的技術(shù)競爭優(yōu)勢得益于傳感器分辨率和線性度、系統(tǒng)周期時間和可靠性，以及軟件分析功能。
3D輪胎數(shù)字化
通過將多個傳感器組合成一個c幀，我們可以高速度數(shù)字化捕獲輪胎外表面輪廓（從左胎唇到右胎唇的胎面形狀），并在少于10秒獲得完全充氣輪胎的1億點數(shù)據(jù)集。這使輪胎試驗中心實現(xiàn)為輪胎的截面寬度、截面高度、冠半徑、肩半徑、刻紋周長和位置以及磨耗指標(biāo)高度等參數(shù)進(jìn)行簡化的日常測試。這個數(shù)字化的平臺也可以用于模具更改后做的首件檢查。完整的輪胎數(shù)字化提供具保存價值的檔案記錄，即使輪胎已離開工廠很久后也可以追蹤索查。
輪胎成型機(jī)械測量
綠色輪胎可以與硫化輪胎使用高速傳感器完全相同的方式進(jìn)行掃描和測量。可以為成形綠色輪胎的徑向跳動、橫向跳動、周長和胎面接口鼓包進(jìn)行評估。這些都與成型效果一起，是硫化輪胎均勻性和平衡性的影響因素。傳感器可用于每個成型鼓檢查每層寬度位置和接口。系統(tǒng)也被工業(yè)化應(yīng)用于胎體鼓檢查內(nèi)襯層和胎體重疊拼接層，在帶束上的胎面鼓檢查帶束寬度、軸心和拼接對齊方式。
離線胎面擠出測量
高速度傳感器也用于掃描胎面樣本，用于測量模具優(yōu)化和質(zhì)量記錄的斷點。相對于單定點激光掃描，3D輪廓曲線儀獲取500條數(shù)據(jù)并壓縮它們以提供更具代表性的樣本。
大趨勢
很難看到輪胎行業(yè)每年的很大變化，然而，當(dāng)我們回頭看著超過15年的變化時，整個輪胎材料、施工、設(shè)備、工藝、測試和性能的進(jìn)步無疑是顯著的。許多輪胎制造商通過投資于新工廠和研發(fā)中心，正在向十大巨頭挑戰(zhàn)。橫跨所有這些，還有日益成長的數(shù)據(jù)倉儲和開發(fā)測量技術(shù)的工業(yè)4.0方案。
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