一种轮胎胎面磨损的简洁实用测量方法

何亮亮，杨永跃，孙盼庆

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009）

胎面磨损[1]不仅直接影响轮胎使用寿命，同时关系到轮胎操纵、滑水、噪音等诸多使用性能。随着轮胎工业的发展，现代环保标准对轮胎的使用寿命要求也越来越高，胎面磨损性能越来越成为轮胎制造商、研究者和使用者密切关注的焦点。传统的测量大多采用接触式触针测量法，尽管它能够直接读出被测表面的粗糙度或微位移的数值，并可测量平面、轴、孔等各种形态的表面形貌及微位移，但由于要求触针与表面有良好的接触，触针顶部的半径、测量力、动特性及具体的结构等都会对测量带来影响，会影响测量结果。而且测量速度慢、成本高，所以其使用范围受到很大的限制。非接触式光学测量[2]方法中的激光三角法，具有的高分辨率，无破坏，数据获取速度快等优点，实现对工业生产领域工件的表面形貌测量在线检测，相比较与以前采用的接触式测量方法，具有更快的测量速度，而且成本更低，具有很广阔的应用前景。

1 测试原理

1.1 激光三角法

激光三角法[3]是使用激光光源作为测量的光源，激光器的轴线、成像物镜的光轴以及光电探测器，三者位于同一个平面内，将一个理想的光斑投射在被测表面上。该光斑将随其投射点位置的深高度坐标变化而沿着激光器的轴向作同样距离的位移。光斑同时又通过物镜成像在光电探测器上，且成像位置与光斑的深度，位置有唯一的对应关系。测出光电探测器上所成实像的中心位置，即可求出光斑的高度坐标，从而得到被测表面该点处的深度参数[4-5]。通过对若干采样的测量，就能得到被测表面形貌的一组数据。

1.2 轮胎胎面测量方法

选用激光位移视觉传感器在线测量，高速高精度地截取轮胎表面轮廓，基于直射式激光三角法测量原理，反射光在摄像机CCD[6]上的位置随着轮胎位置的改变而改变，通过检测该变化就可以测量轮胎表面的凹凸量。系统实物图如图1所示。

图1 实物图Fig．1 Picture of the actual object

检测结构图如图2所示，轮胎被轮胎固定座固定，并可以绕旋转轴转动，转动的角度由角度编码器输入到数据采集模块，在轮胎开始转动时，激光传感器开始采集a圈的数据，数据采集模块得到角度编码器输出的角度和激光传感器采集到的数据，这样采集一圈就可以得到轮胎胎面的空间数据，等数据采集完一圈后激光传感器向下微移，采集轮胎的b圈。这样逐步微移激光传感器，可以采集到一圈圈轮胎的空间坐标数据。

图2 结构示意图Fig．2 Structure schematic diagram

2 系统结构

2.1 测量单元

由于被测对象材质为橡胶，其表面粗糙，而且轮胎表面有凹凸花纹，所以本次测量对精度要求较高。，因此在系统设计中，选用了Keyence公司生产的高速、高精度CCD激光位移传感器——LK-G150，此种型号的的传感器通过高性能CPU进行控制，使其速度达到传统型号的120倍，因此即使物体表面状态变化无常也能进行精确测量，适用于轮胎表面的测量。

2.2 行动单元

如图3所示，依据轮胎的大小应对轮胎胎面的扫描范围有一定的限制，使用组合电控位移平台承载传感器，实现对激光传感器运动范围的调节，保证不同规格的被测轮胎均位于激光位移传感器的测量范围内。

图3 位移平台结构图Fig．3 Displacement platform structure

电控位移平台有电控直线位移平台A，电控直线位移平台B组合而成。通过电控平台的组合协调动作，实现传感器的行动扫描。 为避免导轨B沿导轨A行动时悬空，附以滚轮导轨支撑平衡。

电控位移平台A，采用线性滑块导轨，长行程滚珠螺杆传动，步进电机驱动，标配计算机通讯接口，设置光电开关定零位，两端限位防撞开关。

2.3 计量单元

计量单元主要是由计量光栅和角度编码器组成。其主要作用是对直线位移平台和轮胎旋转角度进行计量，被测轮胎的中心角的计量是利用安装在车轮定位中心轴上的相对角度编码器完成，测量传感器的位移是通过安装在电控位移平台上的直线光栅完成计量。

2.3.1 角度编码器

为了满足高精度轮胎旋转角度定位的要求，使用角度编码器[7]，角度编码器可以将角位移转换成一连串电数字脉冲的旋转式传感器，利用角度编码器在1～360度间用激光传感器获得取轮胎胎面的胎面数据。

2.3.2 直线光栅

为了获得轮胎胎面的数据，需要对激光传感器的位移进行精确控制和定位，设计采用直线光栅尺作为测量基准，是一种测量反馈装置，其主要工作原理是光栅的光学原理[8]。输出数字脉冲信号，具有抗干扰能力强、响应速度快、测量精度高、分辨率高等优点。

2.4 数据采集单元

在本系统中，根据高实时性的要求，选用台湾研华科技公司生产的PCI-1784U卡，该卡是一款采用PCI总线的4轴正交解码器和读数器卡，含有4个32-bit正向/反向计数器，最大的正交输入频率为2 MHz，计数器模式下的最大输入频率为 8MHz。

3 轮胎胎面测试软件流程

轮胎磨损测量主要是对轮胎磨损前和磨损后的数据进行比对，所以首先将没有磨损过的标准轮胎进行胎面扫描获取轮胎胎面数据。然后将此标准轮胎进行一段时间的磨损，然后再将其放置在轮胎测试平台上利用测试未磨损的标准轮胎胎面的方法扫描磨损后的轮胎胎面数据。

对轮胎胎面磨损前和磨损后要进行两次测量，测量流程相同。在系统进行测试之前，首先要对位移平台进行归零，系统归零可以保证系统每次测量的起始点都是固定的，这样可以为坐标转换盒多次测量数据对比提供可靠依据。系统归零之后控制位移平台Y，开始做步长为y的微小位移，然后轮胎开始旋转，用角度编码器和激光传感器获得角度位置相对应的测试数据，测完一圈之后轮胎停止旋转，位移平台做步长为y的微小位移，开始采集下一圈轮胎的角度数据和胎面数据。胎面测试流程如图4所示。

得到轮胎胎面磨损前和磨损后的数据后，将相同空间位置的数据做差值，差值的大小用不同灰度的灰度值来表示，再将这些灰度值在相应的坐标位置上体现出来，就可以直观得出车轮胎面的磨损情况。

图4 软件流程图Fig.4 Software flow chart

4 测试数据

将轮胎一圈分成360度，让轮胎转动，可以在不同的角度获取轮胎胎面的深度信息，表1为一段轮胎胎面磨损数据， 从 0°15′0″到 4°15′0″时轮胎磨损情况，θ为从起始点开始轮胎旋转角度，X为轮胎宽度信息，Y1为理论轮胎胎面深度，Y2为磨损后的轮胎胎面深度，在轮胎转动到2°30′0″时轮胎磨损情况数据量最大，达到2.08mm。

5 测试结果

激光传感器固定在某θ点后，系统开始测量，让轮胎匀速转动，传感器采集数据点，然后用软件显示该轮胎转动一周的点。将采集到的首个数据置在坐标0处，转动一周采集的点如图5所示。

在轮胎未磨损的情况下进行轮胎胎面数据采集，系统设定激光器下移步长为0.5mm，传感器采集一圈数据，将整个轮胎胎面数据采集后于理论数据比较，可以得到轮胎胎面磨损情况。如图6所示。

图5 轮胎扫描Fig.5 Tire scanning

图6 胎面磨损结果图Fig.6 Tread wear results figure

6 结 论

文中介绍了一种轮胎胎面磨损的简洁实用测量方法，并设计了轮胎胎面测量系统，通过实验获得了一些相应的数据。这种测量方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点的。

[1]尹光杰，腾国兴．激光传感器在轮胎工业中的应用[J]．传感器与执行器，2006（5）：55-57．

YI Guang-jie，TENG Guo-xing．The application of laser sensors in the tire industry[J]．Sensors and Actuators，2006（5）：55-57．

[2]WANG Zhi-qian，XIE Mu-jun，QIAO Yan-feng．Study of a non-contactpositionmeasuringmethod[J]．Optical Technique，2003，29（4）：431-433．

[3]王晓嘉，高隽，王磊．激光三角法综述[J]．仪器仪表学报，2004（25）：602-606．

WANG Xiao-jia，GAO Jun，WANG Lei．Summary of laser triangulationmethod[J]．Journal of Scientific Instrument，2004（25）：602-606．

[4]王彦勋，孙宏凯，牛连杰．激光三角扫描法检测微刻槽[J]．计量技术，2002（6）：11-13．

WANG Yan-xun，SUN Hong-kai，NIU Lian-jie． Laser triangulation scanning method detection micro groove[J]．Measurement Technology，2002（6）：11-13．

[5]迟桂纯．激光三角法微位移测量技术 [J]．工具技术，1997，31（6）：37-40．

CHIGui-chun．Laser triangulation displacementmeasurement technology[J]．Tool Technology，1997，31（6）：37-40．

[6]CHEN Ji，WANG Xin，CAO Da-jiu，et al．Development of high-speed CCD laser displacement sensor[J]．Optics and Precision Engineering，2008，16（4）：611-616．

[7]王彩霞，李梅．基于FPGA的增量式光电角度编码器信号处理系统[J]．微计算机信息（嵌入式与SOC），2010，26（8-2）：125-126，205．

WANG Cai-xia，LI Mei．Based on the FPGA incremental photoelectric angle encoder signal processing systems[J]．Computer Information（Embedded and SOC），2010，26（8-2）：125-126，205．

[8]何安国，喻洪麟，朱传新，等．光栅莫尔条纹细分及辨向方法研究[J]．光电工程，2007，34（10）：45-50．

HE An-guo，YU Hong-lin，ZHU Chuan-xin，et al．Grating Moire fringe subdivision and identified themethod[J]．Opto-Electronic Engineering，2007，34（10）：45-50．