激光傳感器在輪胎工業(yè)中的應(yīng)用

近二十年來PSD（位敏檢測器）激光測量傳感器已經(jīng)成功地接受輪胎制造業(yè)的挑戰(zhàn)。在應(yīng)用中要求傳感器迅速而靈敏，產(chǎn)量高，采樣率多和使用距離長。 隨著輪胎規(guī)格變得更嚴(yán)格，對于供應(yīng)商來說輪胎的生產(chǎn)形成一種新的挑戰(zhàn)，它需要更快，更尖端發(fā)展，以及無論是在線還是離線應(yīng)用時(shí)都有著更準(zhǔn)確的測量和檢測系統(tǒng)。 制造商需要的是無須以犧牲準(zhǔn)確度為代價(jià)就能可靠的檢測輪胎的裝置和更高的產(chǎn)量，以及高的采樣率和更長的距離。 對于輪胎工業(yè)來說生產(chǎn)和產(chǎn)量就意味著一切。他們只能允許很少甚至沒有停工時(shí)間，后備庫存必須保持最低量。同時(shí)次品的手工復(fù)查也必須減到最小。 在這些應(yīng)用中，非接觸式激光測量傳感器要優(yōu)于傳統(tǒng)接觸/機(jī)械隨動(dòng)機(jī)，更甚于更早的那種每次測量時(shí)可重復(fù)性和產(chǎn)量都會(huì)變化的電容傳感器。 接觸式或機(jī)械隨動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)是這類傳感器需要在輪胎上清潔的通道進(jìn)行持續(xù)的測量。 當(dāng)輪胎轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分鐘（rpm）時(shí)輪胎上的刻字或花紋會(huì)破壞接觸探針。而這些刻字和花紋也會(huì)由于不必要的反彈而嚴(yán)重降低其可重復(fù)性。與之相反，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)募す鉁y量傳感器不受表面紋理，顏色，速度或者不同環(huán)境的光的條件的影響。與接觸式傳感器相比，激光傳感器與探針磨損或反彈無關(guān)，可在較高的速率下收集數(shù)據(jù)。 在橡膠應(yīng)用中的性能要求 由于橡膠是黑色，它吸收表面上幾乎所有的光，這樣為了獲得高質(zhì)量的激光點(diǎn)像以及迅速對表面反射率做出調(diào)整，測量裝置需要足夠的光功率。 通常即便激光器具有最好的傳感器性能也要求激光的光斑比較小，頻率響應(yīng)要很快，以便從具有刻字和各種復(fù)雜形狀的胎面或側(cè)壁之類的斷面中獲得可靠的數(shù)據(jù)。 橡膠的待加工原料，典型的如從擠出機(jī)，壓延機(jī)或在輪胎成型過程中的未加工或未硫化的材料，通常還是熱而且粘的，具有黑色光澤表面，同時(shí)釋放出煙霧。測量得到的數(shù)據(jù)必須反映真實(shí)形狀尺度和輪廓。 它不應(yīng)受熱的，煙的環(huán)境或表面的影響，也不應(yīng)受測量角度或材料的紋理，亮度，斜面，速度或溫度的影響。 當(dāng)在高速的TUO（輪胎均一性）機(jī)器上測量旋轉(zhuǎn)的輪胎時(shí)，非接觸式傳感器必須迅速提供樣本以確保沒有漏過檢測任何缺損。 由于無接觸激光測量能迅速對過程變化做出反應(yīng)，因此對于這類應(yīng)用是理想的，它可以在整個(gè)生產(chǎn)過程中進(jìn)行高速不間斷的測量。 如何進(jìn)行三角測量 在橡膠和輪胎工業(yè)中大多的非接觸式傳感器用光學(xué)激光三角測量法來準(zhǔn)確測量物體或表面。 在這種技術(shù)中一束光從傳感器發(fā)射到被測表面。它相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)光斷面顯微鏡，有時(shí)作為一種結(jié)構(gòu)化的光會(huì)被提及。在表面，激光發(fā)射光斑在一點(diǎn)上。在與激光形成的某個(gè)角度上，用透鏡形成影像或在這個(gè)影像平面的光斑照片，位置傳感的檢測器就置于這個(gè)影像平面。如果表面進(jìn)一步遠(yuǎn)離傳感器，檢測器的光斑變換到不同的點(diǎn)上。通過確定光斑的位置和測量相關(guān)的角度，傳感器到表面的距離可被確定。 有兩種主要的檢測器類型用于非接觸式三角測量傳感器。它們都是固態(tài)的，與具有粗糙結(jié)構(gòu)的電路芯片集成，只要適當(dāng)?shù)亟M裝傳感器外殼，即使在惡劣的環(huán)境中，其仍具有可靠的性能。 第一種傳感器類型是PSD或者稱為位置敏感檢測器；第二種是CCD也稱為帶電的耦合設(shè)備。 PSD是一種簡單的元素檢測器，它把入射光轉(zhuǎn)換成連續(xù)的位置數(shù)據(jù)。本質(zhì)上說它是一種模擬裝置。PSD傳感器應(yīng)用于很高的數(shù)據(jù)要求時(shí)，譬如普遍應(yīng)用于橡膠和輪胎工業(yè)中。PSD傳感器是為高頻率響應(yīng)，迅速控制光的功率和小的光斑而設(shè)計(jì)的。它們對光的等級的變化提供一個(gè)非常迅速的補(bǔ)償，這個(gè)特征在橡膠的應(yīng)用中是重要的。 CCD檢測器實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)碼照相機(jī)的形式，通過一維和二維來完成。通常一維的CCD排列用于單點(diǎn)測量。二維的樣式與激光線性傳感器同時(shí)使用，這種傳感器可以在一個(gè)簡單的圖象框架中測量二維的外形。CCD檢測器的首要缺點(diǎn)是與操作速度有關(guān)，這個(gè)速度一般要比從PSD獲得的小。 以PSD為基礎(chǔ)的激光傳感器對于輪胎和橡膠應(yīng)用是理想的，它正逐步替代刻度盤指示器，線性變量微分變壓器，電容，感應(yīng)和超聲的傳感器。 生產(chǎn)應(yīng)用 PSD三角測量傳感器在輪胎工業(yè)中無論是半成品還是生產(chǎn)線上都有著廣泛的應(yīng)用。它具有比大多其他傳感科技要小的光斑，對于測量微小變化和斷面是理想的選擇。以下是在生產(chǎn)應(yīng)用的一些例子。 壓延橡膠厚度的測量 大多厚度測量是在固定位置完成的，用兩種相反的激光，一個(gè)在材料上面另一在下面。 應(yīng)用微分傳感器產(chǎn)品，對于任何類型的材料均可精確和準(zhǔn)確測量厚度的變化。由于樣品速率高和光斑小，任何通過的線的變化或材料的震動(dòng)都不會(huì)影響厚度的測量值。 在某些情況中，兩種傳感器被安裝在一個(gè)機(jī)械的滑板和“C”形的框架中，在那可以來回掃描以監(jiān)測材料的寬度的變化。這個(gè)框架必須嚴(yán)格防止由于振動(dòng)而引入測量誤差。 其他方面的應(yīng)用需要一個(gè)或多個(gè)安裝好的以滾軸等作為參考的傳感器。這種方法雖然簡單且更直接，但它的準(zhǔn)確性依賴于所用的精密滾軸。對于軸承磨損和在精密滾珠上積累的污垢必須有所補(bǔ)償。而且高速使用膨脹的遠(yuǎn)離參考點(diǎn)的材料也存在著危險(xiǎn)。 擠壓成型和導(dǎo)向 由于具有長程和持久性，對這類型的測量激光傳感器是理想的。這種測量與擠出橡膠的速度和溫度也無關(guān)。 被擠出的橡膠通過模具形成特定的形狀，例如輪胎的胎面部分。在擠壓過程中輪廓的在線測量允許通過改正一些參數(shù)，如厚度、寬度和輪廓，來控制加工以形成合適的形狀。表面特征，如棱線，中心線和邊緣，也可以被檢測。它主要能給操作者模具是如何磨損及何時(shí)改變等信息。 胎面擠壓成的外形通?？梢栽跀D壓的過程中通過機(jī)械掃描來完成。在很多應(yīng)用中需要的速度比機(jī)械掃描可取得的要高。 為了適應(yīng)這個(gè)需要，一些生產(chǎn)者發(fā)展了一種高速光學(xué)掃描點(diǎn)三角測量傳感器。這種傳感器可以隨著2D掃描線上的每個(gè)點(diǎn)而迅速調(diào)整激光功率。這就確保每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)得到恰當(dāng)?shù)恼丈洹? 重疊和接縫檢測 輪胎不均一的原因一般是在輪胎的鋪疊操作中不正確的層重疊和側(cè)面的接合。通過在輪胎制造機(jī)器中的在線檢測，譬如誤差和趨勢的迅速檢測，避免了報(bào)廢大量的已硫化了的輪胎。在這個(gè)應(yīng)用中，激光傳感器比其它類型的傳感器更準(zhǔn)確。 檢測環(huán)保輪胎的徑向和橫向彎曲面 為了減少廢品，必須及早的在生產(chǎn)過程中監(jiān)測產(chǎn)品的彎曲面并在輪胎成型中對其進(jìn)行測量；它也提供必要的信息來執(zhí)行正確的操作。當(dāng)在制造輪胎機(jī)械中測量環(huán)保輪胎，可以分析和測量內(nèi)層，側(cè)壁或者胎面的接合重疊。通過在固化和檢測之前識別和更正問題，可以保證得到更均一的終產(chǎn)品。對于創(chuàng)造一個(gè)好的測量如圓度和諧度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算的基準(zhǔn)，所提供的準(zhǔn)確度和可重復(fù)性是關(guān)鍵因素。 最終檢查的應(yīng)用 輪胎側(cè)壁檢查 當(dāng)需要把淘汰率或把高等級輪胎降級的可能性減到最小，側(cè)壁檢查過程必須檢測所有可疑的產(chǎn)品，譬如有凹陷和凸起的輪胎。這個(gè)過程牽涉到很多手工檢測，這就需要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。 很多輪胎制造受傳感器的測量限制的影響，因此必須加強(qiáng)他們的側(cè)壁凹凸測量系統(tǒng)的敏感性，這就需要貴的手工檢測。一些測量系統(tǒng)甚至不能分辨凹陷還是凸起。 目前最新的測量精確性和先進(jìn)的軟件分析克服了大多這些限制。例如PSD激光三角測量傳感器可提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)具有高分辨和高速度。 輪胎凸起是在輪胎生產(chǎn)過程中側(cè)壁材料的小接頭產(chǎn)生的不牢固的點(diǎn)。通常如果接頭沒有足夠的重疊，當(dāng)輪胎受到壓力膨脹時(shí)，就會(huì)像氣球一樣爆裂。這個(gè)凸起可以在任何位置，高度從0.3mm到3.0mm，寬度從5.0mm到7.0mm。 PSD激光傳感器可以在輪胎轉(zhuǎn)速為60rpm時(shí)快速檢測凸起或其它變形，測量凸起準(zhǔn)確率可達(dá)到±0.0254mm。 有效的凸起高度大約為0.3mm。由于很多凸起不是相關(guān)的繩而是氣泡，顧客現(xiàn)在可以要求高度限在0.2mm。 激光傳感器也可以在斜面上測量，其無數(shù)據(jù)損失也無角度預(yù)先復(fù)位的必要。它可提供在側(cè)壁上凸起，凹陷，窩的X/Y點(diǎn)和位置，也可以通過黑色的刻字，潤滑油或任何其它的障礙物來測量。 傳感器有一個(gè)小的光斑，它也可以濾出高頻率的信號，靜態(tài)檢測和測量凹凸的流動(dòng)頻率。 通常被當(dāng)作α失誤被提及的不準(zhǔn)確的正性實(shí)驗(yàn)也可以通過激光傳感器而減到最小。運(yùn)用電容探針或在輪胎上沒有到側(cè)壁的潔凈通道進(jìn)行幾何測試，這種α失誤率變大。通常輪胎有一個(gè)未被檢測出的凸起是無法接受的，這就會(huì)導(dǎo)致整批產(chǎn)品被回收或無效。 工業(yè)也對能提供完全的輪胎覆蓋和允許有效分析側(cè)壁的線性激光感興趣。它的不利因素是價(jià)格高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 均一輪胎機(jī)器 很多傳感器用于輪胎均一機(jī)器（TUO）中。雖然很多TUO，如TTOC－II和TSOS系統(tǒng)，用的是激光，但大多系統(tǒng)還是用有非常大的光斑電容探針，這有時(shí)就可能導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。 其它機(jī)器用接觸式探針，它在旋轉(zhuǎn)的輪胎表面上面彈而引起錯(cuò)誤，或者用低終端傳感器，它不如高終端那樣有高樣品率和高級的光控回路的激光。 激光傳感器和TUO機(jī)器結(jié)合，可提供比傳統(tǒng)接觸測量和電容傳感器系統(tǒng)精確得多且快速的周期。 例如一些微處理器系統(tǒng)的光斑大于6.0mm，而精確的激光傳感器僅僅只有0.02mm。大的光斑會(huì)影響讀取的精確性從而限制了應(yīng)用。由于慢的測量采樣率，一些CCD傳感器要求額外的循環(huán)時(shí)間來處理無關(guān)的數(shù)據(jù)。 在典型的TUO應(yīng)用，非接觸傳感器裝在鋁的C框架臂上。這個(gè)TUO系統(tǒng)通過傳感器來監(jiān)測信號，并能識別凹陷的類型，底部的寬度，斜坡的尺寸和其它的幾何參數(shù)。在輪胎每秒60轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以在每個(gè)側(cè)面進(jìn)行4，000次以上的讀寫。與之相比，用標(biāo)準(zhǔn)的均一測試最多達(dá)五個(gè)面。 輪胎均一系統(tǒng)被不斷的改進(jìn)以便以更高效率檢測輪胎和新的側(cè)<