3D 激光測量系統(tǒng)在輪胎裁斷接頭檢測的應(yīng)用

趙璞

(韓泰輪胎有限公司，浙江 嘉興 314000)

1 3D激光測量應(yīng)用背景

半鋼子午線輪胎（PCR）均勻性， 如 RFV（Radial Force Variation，徑向力波動(dòng)）、LFV（Lateral Force Variation，側(cè)向力波動(dòng)）、CON（Conicity，圓錐度效應(yīng)力 ）、RRO（Radial Run-out，徑向尺寸偏差）、LRO（Lateral Run-out 側(cè)向的尺寸偏差）、BPS(Bumpy side，輪胎胎側(cè)在一定角度范圍內(nèi)的側(cè)向尺寸偏差)等各項(xiàng)指標(biāo)的性能直接影響汽車的行駛安全性，提高輪胎的均勻性，確保輪胎在高速行駛條件下的安全性能，對(duì)輪胎企業(yè)具有重要意義。BPS 不良品是指輪胎在一定壓力充氣狀態(tài)下，胎側(cè)部位局部發(fā)生鼓包或凹陷大于0.8 mm的現(xiàn)象。輪胎鼓包或者凹陷等缺陷是汽車在行駛過程的不安全因素之一，輪胎半制品簾線簾布在裁斷設(shè)備生產(chǎn)時(shí)的接頭搭接量大小，特別是過大或過小會(huì)影響輪胎的鼓包或凹陷的缺陷。本文重點(diǎn)討論如何通過檢測裁斷工程簾布接頭搭接量，管控接頭搭接量在制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，確保合格的裁斷半制品材料輸入到后段成型工程，避免因材料接頭缺陷導(dǎo)致輪胎BPS 不良品發(fā)生。對(duì)于這方面的質(zhì)量管控，很多汽車主機(jī)廠商也都提出了很明確的技術(shù)和防錯(cuò)體系要求。

目前部分輪胎生產(chǎn)企業(yè)裁斷工程簾布生產(chǎn)設(shè)備的接頭檢測采用人工手動(dòng)抽查，或背光方式（光源+攝像頭）在線自動(dòng)檢測。手動(dòng)檢測只能進(jìn)行抽查，無法做到100%檢測能力，存在漏檢，也容易造成不良品流入到后段工序。背光方式自動(dòng)檢測設(shè)備只能檢測簾布的寬度、錯(cuò)邊、開裂等，無法檢測簾布裁斷的接頭搭接量大小。本文主要討論的是 3D 激光 三角反射法測量系統(tǒng)在輪胎生產(chǎn)企業(yè)裁斷設(shè)備生產(chǎn)簾布接頭檢測的應(yīng)用。

2 3D激光三角反射測量介紹

目前激光的測量原理主要有脈沖法（激光回波法）、相位法和三角反射法3種，前2種方法對(duì)激光的硬件要求高，應(yīng)用于中長遠(yuǎn)距離的測量，多用于軍事領(lǐng)域。而激光三角測距法因其成本低，多用于短距離測量，精度最高可達(dá)微米精度，多用于工業(yè)測量。

激光三角測距法主要是通過一束激光以一定的入射角度照射被測目標(biāo)，激光在目標(biāo)表面發(fā)生反射和散射，在另一角度利用透鏡對(duì)反射激光匯聚成像，光斑成像在CCD（Charge-coupled Device，感光耦合組件）位置傳感器上。當(dāng)被測物體沿激光方向發(fā)生移動(dòng)時(shí)，位置傳感器上的光斑將產(chǎn)生移動(dòng)，其位移大小對(duì)應(yīng)被測物體的移動(dòng)距離，因此可通過算法設(shè)計(jì)，由光斑位移距離計(jì)算出被測物體與基線的距離值。由于入射光和反射光構(gòu)成一個(gè)三角形，對(duì)光斑位移的計(jì)算運(yùn)用了幾何三角定理，故該測量法被稱為激光三角測距

作者簡介：趙璞（1981-），男，本科，工程師，主要從事設(shè)備技改以及設(shè)備維保等工作。

收稿日期：2020-04-22法。3D激光測量也是依賴于三角測量來重建三維場景，3D激光傳感器內(nèi)部主要由一臺(tái)激光發(fā)射器以及一臺(tái)3D相機(jī)組成，激光發(fā)射器將激光平面(光片)投射到被測量的物體上，反射光線通過3D相機(jī)采集，倘若被測物體不移動(dòng)，則3D相機(jī)記錄的僅僅是單一的一個(gè)輪廓線條；當(dāng)被測物體移動(dòng)（或者傳感器整體移動(dòng)），那么3D相機(jī)就會(huì)連續(xù)地獲得每個(gè)輪廓的點(diǎn)坐標(biāo)信息，再通過PC端的軟件算法獲取被測物表面連續(xù)高低落差產(chǎn)生的三維立體效果圖形，如圖一所示。激光三角測量是一種機(jī)器視覺技術(shù)，通過將激光光源與相機(jī)配對(duì)來捕獲三維測量數(shù)據(jù)（光源與相機(jī)配對(duì)關(guān)系事先標(biāo)定）。激光光束和相機(jī)都是指向被測目標(biāo)(如圖1),采用已知的激光源和相機(jī)傳感器之間的角偏移(α),使用三角測量獲取深度的差異。圖1 激光三角測量利用相機(jī)的固定角度偏移和激光位置，可以推導(dǎo)出被測物表面與相機(jī)傳感器之間的直線距離。

圖1 3D 激光測量示意圖

對(duì)于“激光測距傳感器”在工業(yè)的應(yīng)用，其中最具代表的就是“激光位移傳感器”，它就是采用“激光三角法”的原理，最大的特點(diǎn)就是精度高、頻響快、量程適中。憑借其優(yōu)異的性能，激光位移傳感器越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的在線實(shí)時(shí)精密測量，包括對(duì)物體表面細(xì)微輪廓、幾何尺寸大小、各種形狀及自由曲面的測量。隨著汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，顧客對(duì)輪胎提出更高的安全及品質(zhì)性能要求，輪胎半制品材料生產(chǎn)過程的品質(zhì)管控就顯得尤為重要。通過三角激光測量裝置來測量簾布裁斷接頭搭接量的大小，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理來提升輪胎品質(zhì)。

3 簾布接頭品質(zhì)管理項(xiàng)目定義

在介紹3D激光測量設(shè)備在簾布裁斷設(shè)備應(yīng)用前，先簡單介紹一下，簾布接頭主要品質(zhì)管理如圖2所示，接頭搭接量大小（如圖2中的a ）：簾布材料1和材料2搭接處的接頭尺寸；簾布寬度尺寸（如圖2中的b），簾布錯(cuò)邊（如圖中的c），簾布開裂（如圖2中的接頭開裂部分）。

圖2 簾布接頭示意

4 3D激光在簾布接頭測量應(yīng)用

輪胎簾布裁斷機(jī)接頭3D激光檢測裝置如圖3所示，該系統(tǒng)的組成部分包括物料上下方各一對(duì)3D傳感器，分布于物料寬度的左右外緣，其作用為分別采集膠料上表面和下表面的正常高度以及搭接部位的高度信息，當(dāng)接頭位置經(jīng)過傳感器時(shí)候，通過高度差異突變判定其為接頭位置，通過編碼器計(jì)算該突變產(chǎn)生的時(shí)間以及產(chǎn)線速度來換算出接頭搭接量的大小。

圖3 3D 激光測量設(shè)備

本次檢測裝置采用的傳感器內(nèi)部選用了德國SICK高端RANGER系列的3D相機(jī)以及德國ZLASER的激光發(fā)射器作為核心硬件以保證整體系統(tǒng)可以滿足0.3 mm的測量精度要求。3D傳感器頭通過分析材料表面高度段差來判斷接頭位置，在3D數(shù)據(jù)分析中，單側(cè)材料接頭會(huì)有明顯的凸起和邊界特性。本系統(tǒng)通過上下兩個(gè)傳感器定位材料接頭來計(jì)算接頭量，并且在料的寬度方向每1 mm都有一個(gè)接頭量的測量結(jié)果，可以獲取到簾布材料從一側(cè)到另一側(cè)全部的接頭趨勢。本次接頭檢測設(shè)備采用4套3D 激光傳感器，上下各2套，上下一組傳感器測量的最大寬幅是300 mm（可以根據(jù)被測物的寬度來調(diào)整傳感器的數(shù)量），4套3D傳感器可以滿足600 mm的寬幅，如果從設(shè)備性價(jià)比生產(chǎn)作業(yè)角度出發(fā)，調(diào)整傳感器的安裝寬度，去測量700 mm內(nèi)的寬度材料也是可以的（如圖4）。3D傳感器 安裝在龍門架上，為了確保檢測精度，材料輸送必須采用多個(gè)聚氨酯膠輥來傳動(dòng)（如圖5），確保材料在一定張力情況下平穩(wěn)輸送，將上下傳感器的激光線照射在此位置中間來采集數(shù)據(jù)。本裝置不但可以檢測簾布裁斷接頭搭接量，還可以檢測寬度和錯(cuò)邊量（或斷差量）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖4 測量700 mm內(nèi)寬度材料

圖5 采用多個(gè)聚氨酯膠輥

本次檢測設(shè)備的系統(tǒng)主要構(gòu)成部分，西門子 PLC控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)邏輯控制；3D視覺檢測裝置：掃描采集3D數(shù)據(jù)，包括3D相機(jī)和激光器；三色信號(hào)燈：檢測出材料不合格(寬度、錯(cuò)邊量)——紅燈；工業(yè)交換機(jī)：提供遠(yuǎn)程支援工作局域網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)：裝載軟件的處理機(jī)構(gòu)；顯示器：用于顯示上位機(jī)程序運(yùn)動(dòng)；編碼器：安裝簾布材料傳動(dòng)聚氨酯膠輥，用于給3D相機(jī)數(shù)據(jù)采集信號(hào)；系統(tǒng)拓?fù)鋱D（如圖6），及軟件界面（如圖7 接頭檢測軟件界面）。

圖6 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖7 接頭搭接量軟件界面

當(dāng)初準(zhǔn)備引入3D激光測量檢測裝置，是為了測量簾布裁斷接頭搭接量大小，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，我們又?jǐn)U展去測量裁斷簾布材料的寬度、錯(cuò)邊等，并且通過該測量設(shè)備，采樣了86組生產(chǎn)過程中簾布接頭、寬度、錯(cuò)邊測量數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有的簾布裁斷設(shè)備的過程能力指數(shù)（CPK）進(jìn)行了分析。簾布材料寬度的設(shè)備過程能力指數(shù)（CPK）是5.58，表明在該臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品寬度品質(zhì)合格率＞99.999 999 8%，該臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)的簾布材料寬度品質(zhì)特優(yōu)等；錯(cuò)邊（Dogear）的設(shè)備過程能力指數(shù)（CPK）是：1.67，表明在該臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品錯(cuò)邊品質(zhì)合格率＞99.999 97%，該臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)簾布材料的錯(cuò)邊品質(zhì)良好，狀態(tài)穩(wěn)定；但接頭搭接量的設(shè)備過程能力指數(shù)（CPK）是：1.06（圖8），表明在該臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品接頭搭接量大小品質(zhì)合格率＞99.73%，該臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)簾布材料的搭接量狀態(tài)：一般，需要進(jìn)行改善。通過采集大量的簾布接頭搭接量的數(shù)據(jù)，并基于Minitab進(jìn)行的方差分析法得出結(jié)論是簾布材料接頭量大小對(duì)輪胎均勻性的RFV、HAR等有強(qiáng)相關(guān)性（P值 <0.05），如圖9和表1所示。通過上述數(shù)據(jù)分析，我們得出：目前簾布裁斷設(shè)備的簾布接頭搭接量大小的是薄弱點(diǎn)，我們通過對(duì)每臺(tái)裁斷設(shè)備影響材料接頭的現(xiàn)象和原因進(jìn)行深入分析，并逐一對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備薄弱點(diǎn)進(jìn)行改善，加強(qiáng)我們對(duì)簾布裁斷接頭搭接量的品質(zhì)管控，減少由于簾布接頭搭接量大小等品質(zhì)隱患產(chǎn)生的輪胎鼓包或凹陷等品質(zhì)缺陷，提升了我司的輪胎品質(zhì)，并得到了OE 廠家的認(rèn)可。

圖8 接頭搭接量 工程能力（CPK）

圖9 接頭搭接量的Minitab 方差分析

5 結(jié)語

本次3D激光測量裝置在簾布裁斷設(shè)備上的應(yīng)用后，讓我司輪胎品質(zhì)得到提高，提升了OE汽車主機(jī)廠商的滿意度。目前我司對(duì)簾布裁斷的搭接量大小的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是采用4±1根簾線來管理，通過目前的試驗(yàn)結(jié)果來分析3±1mm管理基準(zhǔn)更有利輪胎品質(zhì)，這個(gè)管理標(biāo)準(zhǔn)向后需要我們再去充分檢討和認(rèn)證。由于3D激光測量設(shè)備在簾布裁斷設(shè)備的應(yīng)用取得了良好的效應(yīng)，我們又將其擴(kuò)散到鋼絲帶束層裁斷機(jī)去測量鋼絲帶束層寬度、角度、錯(cuò)邊等。未來我們還將與設(shè)備制造廠商一起討論將其應(yīng)用于輪胎制造的其他工程領(lǐng)域。

表 1 簾布裁斷不同搭接量大小對(duì)U/F 的影響分析