非接触式激光钢丝圈内直径测量仪的设计

李建黎，李雪东

（山东玲珑轮胎股份有限公司，山东 招远 265400）

随着人们生活水平的提高，人们对乘车舒适度的要求越来越高[1-2]。轮胎钢丝圈内直径椭圆度直接影响轮胎动平衡均匀性[3-4]，从而影响乘车舒适度，因此各汽车厂家对轮胎钢丝圈内直径的要求越来越严格。

传统钢丝圈内直径测量仪的检测原理是通过测量钢丝圈内圈周长的方法计算出内直径，通过多次测量得到内直径的最大值、最小值和平均值。这种接触式测量法需要撑开钢丝圈，会使钢丝圈表面覆胶产生挤压而发生形变，影响直径准确度，而且同一钢丝圈重复测量时周长数据不同，计算出的内直径平均值失真，无法测量椭圆度，影响轮胎品质。为了解决这个难题，我公司研发设计了非接触式激光钢丝圈内直径测量仪，取得了良好效果，现将产品设计情况简介如下。

1 系统构成

非接触式激光钢丝圈内直径测量仪包括新研发的圆形激光三角测量传感器（简称激光传感器）、定位传感器的机械部件以及电控部分，如图1所示。

图1 非接触式激光钢丝圈内直径测量仪示意

2 工作原理

2.1 测量部分

激光传感器由激光发射器、激光接收系统、电荷耦合器件（CCD）线性相机和测量电路组成，如图2所示。该传感器每次测量可获得1条径向360°的内部几何特征轮廓线，测量可以通过软件触发，软件可以根据测量值计算出检测钢丝圈所需的所有重要参数。

图2 激光传感器示意

激光发射器可360°发射激光，将可见红色激光射向钢丝圈内表面，经钢丝圈反射的激光通过接收系统反馈到CCD的成像芯片中，根据不同的距离及激光反射强度，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这束激光。根据相机CCD成像芯片中的返回点位置及光学强度信息，通过相机处理及芯片的数字信号处理器能计算出每个测量点在笛卡尔坐标系下的坐标位置。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，及微处理分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内按比例输出标准数据信号。

机械部件通过伺服电机驱动激光传感器实现垂直方向的运动，从而实现激光传感器与钢丝圈之间的精准定位，达到测量目的。钢丝圈检测平台水平放置，保证检测平台与激光传感器相互垂直，保证激光传感器的检测精度。

2.2 电控部分

电控部分包含可编程逻辑控制器（PLC）控制系统和工控机系统。其中PLC控制系统具有可靠性高和抗干扰能力强的特点，可高效稳定地控制机械部件的动作时序及定位；工控机系统连接激光传感器，激光传感器测量的数值传输给工控机，通过软件计算可得到所需的检测结果，并通过人机交互界面传输给终端。图3—6分别示出了钢丝圈直径测量监控系统界面、统计报表界面、查询报表界面和配方列表界面，配方列表显示钢丝圈标准内直径等设计数据，可用于与钢丝圈内直径测量结果进行对比。

图3 钢丝圈直径测量监控系统界面

图4 统计报表界面

图5 查询报表界面

图6 配方列表界面

3 测量过程

非接触式激光钢丝圈内直径测量仪的测量过程如下。

（1）将钢丝圈水平放置在钢丝圈检测平台上。

（2）PLC控制伺服电机动作，电机驱动模组带动激光传感器匀速下降。

（3）激光传感器下降到设定位置，当激光线可以扫描到钢丝圈内表面时激光传感器开始触发检测。

（4）伺服电机继续控制激光传感器匀速下降，速度相对较慢，此时激光传感器不间断触发，采集钢丝圈内表面所有数据参数。

（5）激光传感器的激光线接近钢丝圈底面时便停止下降，停止触发。测量的数据传输给工控机系统，通过软件计算出相应的检测结果，并通过人机交互页面传输给终端。

（6）伺服电机控制激光传感器匀速上升，返回到起始位置，测量结束。

4 结语

非接触式激光钢丝圈内直径测量仪的主要原理是通过PLC控制伺服电机动作带动激光传感器，到达测量位置后进行连续扫描及数据采集，通过软件算法处理返回特征点，计算特征点的周长、直径椭圆度等，可以实现柔性、动态、非接触、高精度的检测，达到在不破坏钢丝圈结构的情况下一次性精确测量钢丝圈内直径和椭圆度的目的，克服了传统接触式钢丝圈直径测量仪检测精度差、重复检测使内直径数据失真、无法测量钢丝圈内直径椭圆度的缺点。