轮胎圆度误差检测系统的设计

    0 引 言

    轮胎在生产过程中，受生产设备及工艺流程等因素的影响，胎面轮廓与标准圆存在一定的圆度误差[1]。圆度误差较大的轮胎在使用过程中，会产生受力不均匀或表面磨损不均匀等现象，缩短轮胎使用寿命，甚至危及乘车人员的生命安全。所以必须对轮胎进行圆度误差检测，以确保人车安全。

    轮胎圆度误差检测主要有接触式、电容式和光电检测等方法。由于机械结构的限制，接触式和电容式检测方法有测量速度慢、对待测胎面清洁度要求高、重复性差、易磨损等缺点。激光三角检测法是目前常用的光电检测方法，与接触式及电容式检测法相比，激光三角检测法具有采样速度快、对轮胎表面特性不敏感、重复性好、寿命长等优点，在国外开发的比较早，少数公司已研制出产品并投入市场[2]。国内正在加紧这方面的研发工作，其中以青岛高校软控为最主要的开发者，其自主开发的 QLP 系列轮胎检测试验机已在国内部分轮胎生产企业中应用。

    为了改善我国轮胎圆度误差检测现状，提高轮胎检测设备的水平，本文基于激光三角法研制了一种嵌入式轮胎圆度误差检测系统。系统采用改良过的反向法误差分离技术消除偏心误差并完成轮胎轮廓信息的采集；分析了轮胎表面橡胶须及花纹特征并设计了滤波和拟合算法消除影响；最后用最小二乘法评定轮胎圆度误差。对直径 1100 mm 子午轮胎大花纹表面和小花纹表面的检测实验表明，系统可以有效消除偏心误差和轮胎表面特征的影响并能完成轮胎圆度误差的检测。

    1 检测系统结构和工作原理

    检测系统由待测轮胎、转盘及两套相隔 180° 的探测单元组成，两套探测单元完全相同，均由半导体激光器、成像透镜、CCD 传感器以及数据处理部分构成，如图 1 所示。检测时，轮胎固定于转盘上，圆心与转盘旋转中心重合，由激光器输出的激光在旋转轮胎表面形成一个光点，该光点通过成像透镜在 CCD 上形成一个像。当轮胎存在圆度误差时，轮胎表面会产生径向位移，轮胎上的光点也随之发生移动，通过光学系统成像关系可以得出光点在接收器上所成的像也会产生偏移量，通过偏移量可以计算出径向位移。轮胎旋转一周，得到轮胎轮廓信息，通过最小二乘法评定轮胎圆度误差。

    由于很难保证轮胎圆心与转轴中心重合，因此采集的轮廓信息具有一定的偏心误差，在后续信号处理中，必须将偏心误差从所测得信息中分离出来才能正确测得轮胎的圆度误差。目前广泛使用的三点法误差分离技术对传感器之间的夹角有较高的要求，存在谐波抑制问题，在某些场合，由于结构和安装空间的限制难以安装三个测头[3]，因此，本系统决定采用反向法测量原理。反向法是使用一个测头在一个位置完成测量位之后，将试件与测头同时转过 180°，而主轴位置不变，根据前后两次的测量信号可分离出系统的偏心误差。反向法在理论上比较简单，一次就可分离出主轴的径向系统误差。但在测量过程中，既要求工件转位，又要移动测头，安装、调整比较困难，测量效率较低，而且由于测量的中断，环境、位置的改变会给测量带来一定的误差。为了解决这一问题，对反向法加以改造，采用两套同样的设备相隔 180°同时对轮胎轮廓信息进行采集。