非接觸式激光鋼絲圈內(nèi)直徑測量儀的設(shè)計(jì)

李建黎，李雪東

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

隨著人們生活水平的提高，人們對乘車舒適度的要求越來越高[1-2]。輪胎鋼絲圈內(nèi)直徑橢圓度直接影響輪胎動平衡均勻性[3-4]，從而影響乘車舒適度，因此各汽車廠家對輪胎鋼絲圈內(nèi)直徑的要求越來越嚴(yán)格。

傳統(tǒng)鋼絲圈內(nèi)直徑測量儀的檢測原理是通過測量鋼絲圈內(nèi)圈周長的方法計(jì)算出內(nèi)直徑，通過多次測量得到內(nèi)直徑的最大值、最小值和平均值。這種接觸式測量法需要撐開鋼絲圈，會使鋼絲圈表面覆膠產(chǎn)生擠壓而發(fā)生形變，影響直徑準(zhǔn)確度，而且同一鋼絲圈重復(fù)測量時周長數(shù)據(jù)不同，計(jì)算出的內(nèi)直徑平均值失真，無法測量橢圓度，影響輪胎品質(zhì)。為了解決這個難題，我公司研發(fā)設(shè)計(jì)了非接觸式激光鋼絲圈內(nèi)直徑測量儀，取得了良好效果，現(xiàn)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況簡介如下。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

非接觸式激光鋼絲圈內(nèi)直徑測量儀包括新研發(fā)的圓形激光三角測量傳感器（簡稱激光傳感器）、定位傳感器的機(jī)械部件以及電控部分，如圖1所示。

圖1 非接觸式激光鋼絲圈內(nèi)直徑測量儀示意

2 工作原理

2.1 測量部分

激光傳感器由激光發(fā)射器、激光接收系統(tǒng)、電荷耦合器件（CCD）線性相機(jī)和測量電路組成，如圖2所示。該傳感器每次測量可獲得1條徑向360°的內(nèi)部幾何特征輪廓線，測量可以通過軟件觸發(fā)，軟件可以根據(jù)測量值計(jì)算出檢測鋼絲圈所需的所有重要參數(shù)。

圖2 激光傳感器示意

激光發(fā)射器可360°發(fā)射激光，將可見紅色激光射向鋼絲圈內(nèi)表面，經(jīng)鋼絲圈反射的激光通過接收系統(tǒng)反饋到CCD的成像芯片中，根據(jù)不同的距離及激光反射強(qiáng)度，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這束激光。根據(jù)相機(jī)CCD成像芯片中的返回點(diǎn)位置及光學(xué)強(qiáng)度信息，通過相機(jī)處理及芯片的數(shù)字信號處理器能計(jì)算出每個測量點(diǎn)在笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置。同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，及微處理分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號。

機(jī)械部件通過伺服電機(jī)驅(qū)動激光傳感器實(shí)現(xiàn)垂直方向的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)激光傳感器與鋼絲圈之間的精準(zhǔn)定位，達(dá)到測量目的。鋼絲圈檢測平臺水平放置，保證檢測平臺與激光傳感器相互垂直，保證激光傳感器的檢測精度。

2.2 電控部分

電控部分包含可編程邏輯控制器（PLC）控制系統(tǒng)和工控機(jī)系統(tǒng)。其中PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可高效穩(wěn)定地控制機(jī)械部件的動作時序及定位；工控機(jī)系統(tǒng)連接激光傳感器，激光傳感器測量的數(shù)值傳輸給工控機(jī)，通過軟件計(jì)算可得到所需的檢測結(jié)果，并通過人機(jī)交互界面?zhèn)鬏斀o終端。圖3—6分別示出了鋼絲圈直徑測量監(jiān)控系統(tǒng)界面、統(tǒng)計(jì)報表界面、查詢報表界面和配方列表界面，配方列表顯示鋼絲圈標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)直徑等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可用于與鋼絲圈內(nèi)直徑測量結(jié)果進(jìn)行對比。

圖3 鋼絲圈直徑測量監(jiān)控系統(tǒng)界面

圖4 統(tǒng)計(jì)報表界面

圖5 查詢報表界面

圖6 配方列表界面

3 測量過程

非接觸式激光鋼絲圈內(nèi)直徑測量儀的測量過程如下。

（1）將鋼絲圈水平放置在鋼絲圈檢測平臺上。

（2）PLC控制伺服電機(jī)動作，電機(jī)驅(qū)動模組帶動激光傳感器勻速下降。

（3）激光傳感器下降到設(shè)定位置，當(dāng)激光線可以掃描到鋼絲圈內(nèi)表面時激光傳感器開始觸發(fā)檢測。

（4）伺服電機(jī)繼續(xù)控制激光傳感器勻速下降，速度相對較慢，此時激光傳感器不間斷觸發(fā)，采集鋼絲圈內(nèi)表面所有數(shù)據(jù)參數(shù)。

（5）激光傳感器的激光線接近鋼絲圈底面時便停止下降，停止觸發(fā)。測量的數(shù)據(jù)傳輸給工控機(jī)系統(tǒng)，通過軟件計(jì)算出相應(yīng)的檢測結(jié)果，并通過人機(jī)交互頁面?zhèn)鬏斀o終端。

（6）伺服電機(jī)控制激光傳感器勻速上升，返回到起始位置，測量結(jié)束。

4 結(jié)語

非接觸式激光鋼絲圈內(nèi)直徑測量儀的主要原理是通過PLC控制伺服電機(jī)動作帶動激光傳感器，到達(dá)測量位置后進(jìn)行連續(xù)掃描及數(shù)據(jù)采集，通過軟件算法處理返回特征點(diǎn)，計(jì)算特征點(diǎn)的周長、直徑橢圓度等，可以實(shí)現(xiàn)柔性、動態(tài)、非接觸、高精度的檢測，達(dá)到在不破壞鋼絲圈結(jié)構(gòu)的情況下一次性精確測量鋼絲圈內(nèi)直徑和橢圓度的目的，克服了傳統(tǒng)接觸式鋼絲圈直徑測量儀檢測精度差、重復(fù)檢測使內(nèi)直徑數(shù)據(jù)失真、無法測量鋼絲圈內(nèi)直徑橢圓度的缺點(diǎn)。