【行业应用】激光位移传感器在轮胎制造行业中的应用

2023-12-14 15:25

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摘要：本文在介绍激光位移传感器测距工作原理的基础上，详细介绍它在轮胎工业中的应用实例及影响测量精度工业现场的应用条件。

关键词：激光位移传感器；轮胎参数；在线测量；

1 引言

随着对轮胎质量愈来愈严格的要求，轮胎制造厂家迫切需要采样速度快、测量距离远、重复精度高的测量传感器和检测装置，这些传感器和装置可以离线或在线测量，尽可能减少停机时间，提高生产效率并可以最大程度地避免错误判断的发生。苏州创视智能有限公司生产的激光位移传感器已成功应用于轮胎制造工业10年，使它成为橡胶与轮胎行业测量解决方案方面的权威。

过去使用接触式或机械式传感器的最大缺点就是为保证测量的一致性，要求轮胎有“干净”的测量路径。当轮胎以60r／min的速度旋转时，轮胎上的字母或浮凸物就会破坏接触式传感器，由于传感器不必要的反弹就会影响测量数值的准确性和重复性。经过优化设计的激光测量传感器不受材料表面的纹理、颜色、粗糙度和速度及不同环境光的影响，具有传感器不磨损、不反弹、高速采集数据等特点。由于橡胶表面是黑色且能吸收大多数橡胶表面的光线，因此要求激光传感器有足够的光能来获得高质量的激光点图像，有快速响应的增益控制来适应表面反射率的变化。即高性能的传感器要求激光有一个较小的光点直径和快速频率响应，其目的是从不平坦表面获得可靠的测量数据，这些表面例如有各种复杂形状的挤出胎面断面和有字母的轮胎胎侧。

在轮胎典型生产工艺——压延、挤出、成型过程中，橡胶材料都是黑色、未硫化、表面反光、发热且粘性的物质，测量数据必须真实反映应用的形状和物料的尺寸，它不受热表面环境、测量角度、材料的纹理、亮度、斜度、速度和温度的影响。当在高速运转的轮胎均匀性试验机上进行测量时，非接触传感器必须提供高速采样频率，以检测轮胎表面的缺陷。由于创视智能激光传感器对过程变化的快速响应，因此最适宜前述这些类型的应用，它能够进行高速测量并保持测量过程数据的一致性。

2 激光传感器工作原理

用于橡胶和轮胎行业的大多数非接触传感器采用激光三角测量方法来准确测量物体及其表面尺寸，激光三角测量位移原理图如图1所示。

如图1所示，半导体激光器LD发出的光经透镜L1会聚照射在被测物表面O点(即物光点)，其散射光由L2接收，会聚到线型光电位敏元件PSD上的O’(即像光点)，O与O’共轭，此时PSD两端输出电源i1=i2，0’称为PSD的光电中心，而0点称为激光的位移零点。当被测的物体相对激光发位移X而使物光点偏移位移零点时，像光点也产生位移x’而偏移PSD的光电中心，这时，i1≠i2，根据PSD的工作原理，若x’为像光斑的光能中心，则i1和i2之差随X’增大而增大，故只要测得i1和i2，则可求得物体的位移x。测量值在控制器里经数字处理后模拟、数字或串口通讯输出。该技术有时候称做“结构光”，等同于一个自动小断面显微镜。非接触三角传感器有两种主要形式的检波器，都是固态、集成电路芯片，封装非常可靠、坚固，可以在极其恶劣的环境下使用，第一种是PSD位置感应检波器，第二种是CCD数字式检波器。CCD检波器的主要缺点是采集速度远低于PSD检波器。在橡胶和轮胎工业，PSD检波器用在极其高的数据采集系统中，它的设计专用于频率响应高、光能补偿控制快、光点直径小等场合。TS激光传感器对光能变化提供快速补偿，这是在轮胎行业应用的一个重要特点。TS激光传感器的主要技术参数：测量范围5～2500mm，检测距离10～250mm，超高重复精度0.02μm，线性精度±0.02% of F.S.，采样速度最高可达160kHz，激光光点有点光斑、宽光斑、超宽光斑，光源有红光版本和蓝光版本。探头可独立提供模拟信号输出与以太网/RS485标准输出，可直接连接上位机，无需控制器。TS激光传感器适宜于在轮胎工业中的应用，它可以代替刻度指示仪、LVDT、容性、感性和超声波等测量传感器。

3 应用实例

TS-C系列激光传感器在轮胎工业无论是在线还是离线都有广泛的应用。它的光点直径比其他大多数激光传感技术的都小，因而成为测量小变化和复杂表面的理想选择，下面是其在一些轮胎行业中的具体应用。

(1)压延机胶片厚度的测量

使用TS-C激光传感器的厚度测量可为压延胶片提供完整的断面信息。该厚度测量既可在固定位置上完成，也可作为扫描系统来完成。一套扫描系统可以使用双探头对射安装方式，一个传感器在压延胶片上方，另一个传感器在压延胶片下方，这个系统能为任何类型的压延机提供一种精确且准确的厚度实时监测方法，因为数据采集快和小的光点直径，流水线的变化和胶片的振动都不会影响测量厚度数值。在某些情况下，二个传感器安装在机械滑动架上，来回地扫描移动，监视胶片厚度的变化，机械滑动架必须坚固，避免振动所引起的测量误差。另一种方法就是在一个参考表面(如参考辊)上使用一个或两个固定位置的传感器进行测量，这种方法与二个传感器对立安装方法比较，简单、明了，但精确度要依赖于参考辊，由于轴承的磨损和参考辊表面的变化，就要求定时进行补偿。

(2)复合挤出断面的测量

TS-C激光传感器由于具有较长的检测距离，非常适宜于这种形式的测量，挤出胶片的速度、温度以及环境的变化对于测量数值不受影响。复合挤出胎面断面形状的测绘既可以为口型板的制造、修理提供实际可靠的依据，减少口型板试验次数，提高挤出机开机率，又可以将实际胎面断面形状与设计形状进行比较，找出缺陷点，反馈调整挤出机设备，同时对挤出胎面对称性、冷却前后挤出胎面断面形状的变化进行分析，在半成品就可以对轮胎均匀性、锥度等重要指标进行监控，防止由于半成品质量的变化而导致成品轮胎质量的波动。由于TS-C激光传感器具有超高的采集速率(典型为160kHz)，因此可以用于挤出联动线在线测试应用，且已经被大多数著名轮胎厂使用所证明。

(3)接头的偏移与重叠

在轮胎生产过程中，胎体、钢丝帘布等各种半成品接头是影响轮胎均匀性的一个重要原因。在轮胎裁断机和成型机上进行接头的监测，可以在生产过程中对误差及其发展趋势进行尽可能迅速的检测，从而避免了大量已硫化轮胎的报废或降级。

基于非接触激光的测量能提高接头偏差与重叠检测的准确度，实际应用已经证明比其他传感器有更好的准确度。高速激光传感器(采集速率为160kHz)也使得在物料准备和轮胎成型过程中对接头进行测量而不致影响设备循环工作时间。压延帘布经过裁断机按照一定的宽度和角度裁断后需要接头，激光传感器就能在线实时、准确检测接头宽度，从而发现由于接头而造成的各种质量问题。

(4)生胎的径向和侧向跳动

在轮胎制造过程中对生胎进行径向和侧向跳动测量，就能在轮胎早期制造过程中提供是否需要采取纠正措施等必要信息，减少次品率。在轮胎成型过程中对生胎进行测量，就能分析和量化内衬层、胎体和胎面等部件的过接头和欠接头。利用对接头的“智能”特征分析，可识别出轮胎半成品制造过程中的问题，降低轮胎废品率，提高均匀性。TS-C激光传感器有很高的准确度和可重复性，为圆度、对称度等关键参数的统计打下良好基础。

(5)轮胎胎侧检测

TS-C激光传感器在设计时一直专注于在以下各方面对轮胎成品表面凸出与凹陷等各项缺陷检测方法的解决方案：提供超高分辨率精确且可靠数据，从而对轮胎胎侧进行精确的凸出与凹陷缺陷分析；提供高速的测量，消除轮胎排气孔和字母对测量造成的影响；不损失任何数据就可以对斜面进行测量；各项测量不受待测目标中高分子成分的影响。

由于过去测量系统的各种技术限制，常常造成轮胎经某个测量系统鉴定为有缺陷轮胎，而人工复查显示该轮胎并不是有缺陷轮胎这样的误判现象，因此许多轮胎制造商不信任轮胎胎侧缺陷测量系统，结果需要人工检验，花费昂贵。有些测量系统甚至无法将轮胎胎侧凸出与凹陷缺陷区别出来。LMI轮胎胎侧检测系统采用最先进的激光传感器和分析软件，使误判大量减少，甚至在大多数时候彻底消除误判。多轨迹测量能对整个轮胎进行全面测量，允许对有复杂字母和图像图案的胎侧进行有效分析。

(6)轮胎均匀性试验机

轮胎均匀性试验机(TUO)需要使用许多传感器，虽然一些轮胎均匀性试验机，例如AkronSpecial Machinery公司生产的TTOC—II和TSOS系统采用激光传感器，但大多数系统使用容性传感器，这种传感器有较大的光点直径，有时候会造成虚假不合格品；其他系统采用接触式探测器，当轮胎旋转时，探测器就会在轮胎表面反跳，产生误差或者使用低端激光传感器不能完成高端激光传感器的高采集速率和复杂的激光控制。实践证明，轮胎均匀性试验机设备中使用激光传感器后，比传统的接触式测量和容性传感器系统有更好的准确度和更快的循环时间。基于微处理器的一些系统，例如6.0mm直径的点与0.02mm直径的点相比，会造成采集数据精确度低，限制系统的应用；CCD传感器由于较慢的采样速率，需要较大的循环周期时间才能保证数据的处理。TUO系统监视传感器来的信号，识别凹陷类型、宽度、斜坡尺寸和其他几何参数。当轮胎以60r／min的速度旋转，每一轮廓需要4000多个采集数据，这相当于一台标准均匀性试验机测试的五个轮廓的数据量，目前测量周期已减少到175。

(7)轮胎不圆度的测量

激光传感器也用来测量轮胎径向跳动的不圆度，DSP数据处理软件可以减少气孔、凹槽等因素的影响，仅测量胎面的顶部，生成非常准确的不圆度分析。

(8)胎面磨损分析

轮胎制造商需要原型胎的精确磨损数据，用以改进其设计。汽车制造商需要各种轮胎的比较测量，目的在于选择最佳轮胎。作为传统胎面花纹深度测量的延伸，基于非接触激光的测量还能提供轮胎完整的磨损断面，以及不规则磨损的量化指标，这一点对路面噪音问题和局部磨损现象的识别，例如花纹凹陷、胎肩磨损和中央磨损至关重要，是一种通过对新胎的高精度表面测量中清晰可见的侧向跳动和径向跳动来诊断制造问题的有效工具。

4 结论

为了保证持续的市场竞争力的不断增加，轮胎制造商完全依赖于可靠的产品质量和生产过程质量控制，这就要求有可靠的测量方法和尽量减少停机时间。由于这些原因，以速度、精确度、可靠性著称的TS-C激光传感器正起着愈来愈大的作用。TS-C激光传感器还可以用于高速公路路况的测量，如路面的裂纹、塌陷、斜度等参数。创视智能有限公司除了研发生产激光位移传感器外，还有精度更高的光谱共焦位移传感器和白光干涉薄膜测厚传感器。

了解更多应用场景请搜索创视智能官方网站www.tronsight.com

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