胎坯激光掃描儀在全鋼載重子午線輪胎動平衡和均勻性質量提升中的應用

李國華，張 強，梅兆興，黃雅奇，易 武

（1.山東金宇輪胎有限公司，山東 廣饒 257335；2.青島雷德測控設備有限公司，山東 青島 266111）

隨著我國公路質量的提升，無論是轎車還是卡客車司機對汽車舒適性的要求越來越高，而輪胎作為汽車噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）的主要貢獻部件[1]，其動平衡和均勻性的質量提升迫在眉睫。在輪胎制造中，通常通過動平衡和均勻性檢測數據衡量輪胎過程能力，往往在出現問題后再追查問題產生的原因，而目前全鋼載重子午線輪胎的動平衡和均勻性質量大部分處于抽查階段，更增大了漏檢的風險，延長了問題解決的周期[2-3]。

本工作針對全鋼載重子午線輪胎的成型過程，采用胎坯激光掃描儀對胎坯生產進行過程監控，通過掃描胎坯輪廓形成色譜和徑向跳動度曲線，進而指導相關工程師有針對性地解決生產中存在的動平衡和均勻性問題，從而提升問題解決的準確性和效率[4-6]。

1 胎坯激光掃描儀功能

1.1 系統特性

胎坯激光掃描儀檢測主體為線激光傳感器，可以對成型鼓、胎坯、成品輪胎進行掃描儀離線檢測和在線檢測，并對被測量物體進行外觀3D輪廓測量，測量項目包括徑向跳動度、側向跳動度、鼓包、凹陷以及接頭量[7]。

1.2 軟件功能

利用胎坯激光掃描儀可以掃描被測物體的徑向跳動度及進行徑向跳動度1次、2次和綜合諧波的測量換算，具體如下：通過被測物體色譜經度選擇，讀出胎坯表面任意位置的周長及胎坯錐度值，通過色譜圖像自動辨別部件接頭及接頭高度量值，從而實現被測物品的3D輪廓預覽；利用胎坯激光掃描儀軟件導出被測胎坯胎面部位任何經度上的徑向跳動度和徑向跳動度1次諧波原始數據，可以繪制出該緯度下被測胎坯的徑向跳動度和徑向跳動度1次諧波曲線。

輪胎NVH研究會測得不同階次的徑向跳動度和徑向跳動度1次諧波數據進行分析，在本工作中，只選擇1次諧波進行研究。

在輪胎旋轉1周的過程中，徑向力是一個復雜的波形，可通過傅里葉級數的方法將其分解為多個諧波的疊加，滿足下式：

式中，f（x）為徑向力，n為輪胎轉動1周的諧波次數，L為輪胎轉動1周前進的距離，a0為f（x）的平均值，an由下式求得：

1.3 技術參數

主要技術參數為：測量范圍 （200～350）和（300～450） mm；工作距離 （200～600）和（750～1 150） mm；分辨率 1 280 px；采樣頻率 1 000～7 000 Hz；精度 ±0.1 mm；激光波長660 nm；功率 10 W；工作溫度 0～40 ℃；工作濕度（非凝結） 5%～75%。

2 成型設備與激光掃描儀使用參數設定

輪胎成型設備采用國產普通三鼓成型機，胎坯定型后成型機手動轉速為30 r·min-1。

以全鋼載重子午線輪胎為例進行胎坯徑向跳動度測試，并與硫化后成品輪胎徑向跳動度進行對比。測試前，要對胎坯激光掃描儀使用參數進行設定，以便能與不同轉速的成型機匹配，更準確、有效地測得胎坯跳動度數據。

胎坯激光掃描儀使用參數如表1所示。

表1 胎坯激光掃描儀使用參數

3 胎坯測試

3.1 測試前準備

按要求安裝設備，連接電源線和數據線，填寫電腦以太網IP地址，插入加密測試U盤，打開測試軟件；根據表1輸入設備使用參數，同時調整成型機手動轉速，確保胎坯轉速與掃描頻率相符，測試過程中不丟幀；然后將三角架放在胎坯正前方，調整距離；最后打開軟件進行預覽，確保整個胎冠處于掃描圖像正中央，如圖1所示。

圖1 胎坯激光掃描儀測試位置

3.2 輪廓測試

默認成型條碼號位置為0°位置，在胎冠0°位置粘貼一塊標示物用作指示；成型機設置在手動狀態，踩腳踏開關使胎坯在一定內壓下勻速旋轉，正反轉胎坯需要與成品輪胎胎側在動平衡和均勻性設備上的檢測旋轉方向一致，否則會得到方向相反的波形；開啟激光掃描儀開始掃描，待軟件掃描自動結束，停止胎坯旋轉。

3.3 圖像處理

胎坯掃描結束后得到胎坯原始色譜圖，處理圖像，剪接最穩定的一個跳動度波形作為后續分析波形；點擊“接頭測量”按鈕對胎面接頭位置、大小進行測量和標注，也可以進行3D色譜轉換，以更直觀地查看胎坯在成型鼓上的高低點和角度，便于后續有針對性地進行調整。

3.3.1 裁剪色譜

對波形進行編號保存，選擇最穩定的色譜（一般為中間色譜），點擊“旋轉數據”按鈕，將選取色譜左側標記處，此時軟件將旋轉掃描色譜，將裁剪位置默認為起始0°位置，再點擊“數據裁剪”按鈕，將色譜右邊標記剩余部分裁剪掉，然后得到完整的胎坯輪廓色譜，如圖2所示。

圖2 胎坯輪廓色譜

3.3.2 色譜標注

得到胎坯輪廓色譜后，點擊“徑向跳動測量”按鈕，在面板上輸入需要測量的寬度和經度位置；根據分析者的需求，選取徑向跳動度1次諧波、徑向跳動度1次和2次諧波或全部波形，電腦自動標注所需波形的振幅和最高點出現的角度（見圖3）。

圖3 胎坯中心徑向跳動振幅和角度

3.3.3 徑向跳動度原始數據的提取

選取特定緯度上的徑向跳動度數據后，點擊“導出excel”，所選胎坯特定經線上的徑向跳動度會以原始數據的形式保存在電子表格內，數據為2 000—4 000個（主要與軟件設定參數有關）。為了能與成品輪胎的徑向跳動度數據形成對比，將相似或非必要數據進行“濾波”，最終得到128個特效值（見表2）[8]。

表2 胎坯中心徑向跳動度特效值 mm

3.4 接頭測試功能

根據截取的色譜圖像，選擇“接頭檢測”，將鼠標移動到中心位置，可以測得胎面接頭的跳動度。判定胎面接頭跳動度需要數據和色譜圖像雙重判定。通過數據的角度和大小可以判定胎面接頭量是否符合工藝要求（胎面接頭量一般為－2～0 mm）。另外也可以通過色譜圖像分布判定胎面在裁斷后的收縮狀態。因國內全鋼載重子午線輪胎胎面大部分為裁斷胎面，使用百葉車盛放，在胎面定長裁斷以后，受到熱脹冷縮以及胎面膠彈性特性的影響，胎面會在自然存放過程中出現自收縮現象，其非均勻性收縮一般在胎面兩端收縮量較大，尺寸變厚，寬度變大。胎面貼合后胎面接頭周圍單位面積質量較大，硫化后此處一般為動平衡中靜不平衡的重點位置，也是跳動度的高點位置。通過色譜圖像可以清楚地判別胎面過分收縮部位的長度和位置，便于后續工藝改進。

同理，將鼠標移動到胎肩部位，可以測得零度結構的零度帶束層接頭搭接以后的高度，從而判別零度帶束層搭接長度是否符合工藝、搭接對質量的影響量及零度帶束層接頭在胎坯整體角度的位置分布等。

3.5 鼓板測試功能

鼓板測試功能主要測試成型主鼓、帶束鼓鼓板的跳動度，可大幅提升鼓板同軸測試的精度和效率。測試方法如下：取得完成圖像后，點擊“鼓板檢測”，圖像會自動進行處理，通過濾波功能過濾瓦塊間隙，留下瓦塊的真實數據并進行拼接，每個瓦塊每個點的跳動度都以色差的形式表現出來，可為瓦塊的精度調整提供精準的數據；之后可再次掃描確認精度調整前后的狀態及數據。該方法比用百分表校準效率提高50%，使用百分表一般1個瓦塊只測試1個點，而激光掃描儀能對瓦塊的整個面進行評價，精度由點到面，提升了2個層次。

3.6 三維模式

圖像處理后，點擊“三維模式”，軟件將圖像以立體形式呈現，并能進行三維旋轉，可多角度查看異常點的角度、位置以及量值，便于后續改進，同時改進后的評價更為直觀。

4 成品輪胎的檢測、分析與質量改進

4.1 成品輪胎的檢測

被測胎坯硫化后，以成型條碼號為基準點在動平衡和均勻性設備上進行定點檢測，獲得成品輪胎中心徑向跳動度特效值（見表3）。

表3 成品輪胎中心徑向跳動度特效值 mm

4.2 徑向跳動度擬合分析

將胎坯與成品輪胎中心徑向跳動度特效值進行擬合，繪制擬合曲線（見圖4），通過計算擬合波形相似度為0.899 6。

圖4 胎坯與成品輪胎中心徑向跳動度擬合曲線

4.3 質量改進

對輔鼓鼓板、胎面復合件和胎坯進行掃描，根據掃描得到的異常點（見圖5）由維修保全工進行調整，直至胎坯達到工藝標準要求。

圖5 輔鼓鼓板、胎面復合件和胎坯掃描色譜

從圖5可以看出，在第10塊輔鼓鼓板處，無論是鼓板測試，還是胎面貼合后的測試或者胎坯壓合后的測試，都出現了明顯的跳動峰值（深紅色）。

根據胎坯跳動的峰、谷值角度對成型機精度進行有針對性地調整，調整后通過激光掃描儀評估胎坯質量，跳動度達到預期后再進行胎坯硫化，并對成品輪胎進行測試。

調整后胎坯與成品輪胎中心徑向跳動度擬合曲線如圖6所示。調整前后胎坯和成品輪胎中心徑向跳動度如表4所示。

圖6 調整后胎坯與成品輪胎中心徑向跳動度擬合曲線

表4 調整前后胎坯和成品輪胎徑向跳動度 mm

從圖6和表4可以看出，調整后胎坯和成品輪胎中心徑向跳動度擬合曲線的峰、谷值大幅減小，徑向跳動度明顯好轉[9-10]。

5 結語

使用胎坯激光掃描儀測試胎坯有兩大作用：第一可大幅縮短調試設備、工藝改進等試驗時間，提升效率；第二可通過胎坯徑向跳動度掃描預判成品輪胎徑向跳動度和徑向力，提前采取措施，避免輪胎批量質量問題的發生，將動平衡和均勻性質量檢查提前到成型工序。

隨著對輪胎動平衡和均勻性的質量要求越來越高，輪胎生產的規?；?、自動化程度也越來越高，輪胎過程質量檢測的要求、方法和精度也要提高到新的層次，本工作可為業內人員提供一個良好的思路。