CN110181840A - 工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置及方法 - Google Patents

工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置，包括缠绕机；缠绕机包括X轴方向的X轴移动轨道、Y轴方向的Y轴移动轨道、Z轴方向的Z轴移动轨道。装置的使用方法，包括获取胎胚的轮廓曲线及坐标；获取胎面的轮廓曲线及坐标；将胎胚轮廓曲线及胎面轮廓曲线整合在一起，去噪，计算二者之间的距离即为胎面截面的厚度。本发明对任意大小工程胎面的尺寸进行分析；自动跟随胎面轮廓进行扫描，且同步收集方位坐标信息，方便测量过程，使用简单；测量的精密度高，且精密电子尺对每个自由度的位置探测反馈；电子尺的反馈位置，会大大降低机械误差；消除人工操作带来的测量误差，提高测量的精度和效率，不会损坏胎面，降低检测成本。

Description

工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置及方法
技术领域
本发明涉及一种装置及方法，尤其涉及一种工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置及方法。
背景技术
在工程胎缠绕工序中，胎胚在旋转机的带动下，开始旋转，胶条就缠绕在胎胚上，形成胎面。对于某种型号的轮胎，胎面的形状有规定的要求，那么根据预先设定好的程序，不同位置，缠绕的圈数不同，形成规定形状的胎面。由于胶条厚度时刻变化，因此按预定的圈数进行缠绕，一般来说胎面的形状不能完全达到规定的要求，但只要在误差范围内就可以了。那么如何知道胎面的形状是否达到规定的误差范围呢？
现有技术中，为了检测缠绕的胎面误差，采用抽样切割胎面的方式。就是生产某一批次轮胎，抽出几条轮胎，切割缠绕后的胎面，进行测量。这种测量方式存在问题：样本变形，造成误差：胎面切割后，变形膨胀，和没有切割前不完全一样；由于胎面是软性材料，用卡尺测量，会产生人为误差；每个人测量的角度、力度不同都会产生误差；破坏样品，浪费生产时间，降低生产效率；测量过程繁琐，时间长，效率低。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置及方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置，包括缠绕机，缠绕机包括X轴方向的X轴移动轨道、Y轴方向的Y轴移动轨道、Z轴方向的Z轴移动轨道、控制Z轴移动轨道旋转的一号步进电机、控制Y轴移动轨道移动的二号步进电机、控制X轴移动轨道移动的三号步进电机、气缸以及缠绕机头；Y轴移动轨道滑动相接于X轴移动轨道上，Y轴移动轨道通过滑动柱与Z轴移动轨道相连接；
X轴移动轨道上设置有X轴光栅电子尺，用于测量装置沿X轴移动的位移X；Y轴移动轨道上设置有Y轴光栅电子尺，用于测量装置沿Y轴移动的位移Y；Z轴移动轨道上设置有Z轴光栅电子尺，用于测量缠绕机头沿Z轴移动的距离Z；缠绕机头上设置有激光位移传感器，用于测量激光位移器到胎面的距离d；步进电机R上设置有R轴光电式旋转编码器，用于测量步进电机R旋转的角位移R；
X轴光栅电子尺、Y轴光栅电子尺、Z轴光栅电子尺、激光位移传感器、旋转编码器、一号步进电机、二号步进电机、三号步进电机、气缸以及缠绕机头均与控制器相连接。
进一步地，X轴光栅电子尺、Y轴光栅电子尺及Z轴光栅电子尺的每脉冲精度至少是0.02毫米；旋转编码器每周脉冲数大于5000P；激光位移传感器的检测精度大于0.02毫米。
进一步地，Z轴移动轨道的一端与缠绕机头相固定，且缠绕机头内放置有胶条；所述Z轴移动轨道的另一端设置有转轴，转轴通过带传送与一号步进电机的输出轴相连接。
进一步地，气缸固定在Z轴移动轨道上，且气缸的输出轴与缠绕机头固定相接。
一种工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤Ⅰ、由装置带动激光位移传感器依次对胎胚的左面、正面和右面轮廓进行扫描，获取胎胚的轮廓曲线；期间获取位移数据X、Y、Z、R和d并计算胎胚轮廓曲线上各点坐标；
步骤Ⅱ、装置在胎胚上缠绕胶条形成胎面；根据步骤Ⅰ方法依次对胎面的左面、正面和右面轮廓进行扫描，获取缠绕结束后胎面的轮廓曲线及胎面轮廓曲线上各点坐标；
步骤Ⅲ、将胎胚轮廓曲线及胎面轮廓曲线整合在一起，去噪，计算二者之间的距离即为胎面截面的厚度。
步骤Ⅲ中去噪的方法为：将轮廓曲线分成n段，每段m个点；将每段中的m个点拟合成直线L；测量每个点到直线L的距离a；剔除a差异大的点；经过初始化最小二乘法参数、将去噪点写入拟合的递推函数里、进行多次幂函数的曲线拟合、根据获取的曲线拟合公式重新计算曲线点的步骤获得去噪拟合后的轮廓曲线。
轮廓曲线上各点坐标的计算方法，如公式①和②所示：
x＝X+(Z+d)×cos(R) 公式①
y＝Y+(Z+d)×sin(R) 公式②
其中，x和y就是各点的横坐标和纵坐标，cos表示余弦函数，sin表示正弦函数。
胎面截面厚度的方法为：计算胎胚轮廓曲线的弧长；将胎胚轮廓曲线弧长平分n’段，得到n’个平分点；求其中一个平分点(xn’，yn’)在胎胚轮廓曲线上的切线；求出平分点(xn’，yn’)切线的垂直线；垂直线和胎面轮廓曲线的相交点(xn”，yn”)；平分点(xn’，yn’)处的胎面截面厚度如公式③所示：
H＝sqrt{(xn′-xn″)2+(yn′-yn″)2} 公式③
其中，sqrt表示平方根计算。
本发明采用多自由度精密缠绕机和精密的激光位移传感器，对任意大小的工程胎面的尺寸进行分析；本装置通过气缸的压紧作用，自动跟随胎面轮廓进行扫描，且同步收集方位坐标信息，很大程度上方便了测量过程，让操作者使用简单；测量的精密度高，且精密电子尺对每个自由度的位置探测反馈；电子尺的反馈位置，会大大降低机械误差；消除人工操作带来的测量误差，提高测量的精度和效率，不会损坏胎面，降低检测成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构图。
图2为控制器的电气原理图。
图3为控制电子尺的电气原理图。
图4为控制旋转编码器的电气原理图。
图5为本发明装置扫描胎面左面的状态图。
图6为本发明装置扫描胎面正面的状态图。
图7为本发明装置扫描胎面右面的状态图。
图8为初步整合的轮廓曲线图。
图9为去噪后的轮廓曲线图。
图10为胎面厚度的结果展示图。
图11为胎面厚度的展开状态示意图。
图12为去噪的算法流程图。
图13为曲线拟合的算法流程图。
图14为计算胎面厚度的算法流程图。
图15为移动式使用状态示意图。
图16为固定式使用状态示意图。
图中：1、X轴移动轨道；2、Y轴移动轨道；3、Z轴移动轨道；4、一号步进电机；5、二号步进电机；6、三号步进电机；7、气缸；8、缠绕机头；9、X轴光栅电子尺；10、Y轴光栅电子尺；11、激光位移传感器；12、旋转编码器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1所示的一种工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置，包括缠绕机；缠绕机包括沿X轴方向移动的X轴移动轨道1、沿Y轴方向移动的Y轴移动轨道2、沿Z轴方向移动的Z轴移动轨道3、控制Z轴移动轨道旋转的一号步进电机4、控制Y轴移动轨道移动的二号步进电机5、控制X轴移动轨道移动的三号步进电机6、气缸7以及缠绕机头8；Y轴移动轨道滑动相接于X轴移动轨道上，Y轴移动轨道通过滑动柱与Z轴移动轨道相连接。缠绕机是现有技术中制备工程胎常用的机器，Z轴移动轨道的一端与缠绕机头相固定，且缠绕机头内放置有胶条；Z轴移动轨道的另一端设置有转轴，转轴通过带传送与一号步进电机的输出轴相连接，使一号步进电机可以带动Z轴移动轨道及缠绕机头旋转。
气缸固定在Z轴移动轨道上，且气缸的输出轴与缠绕机头固定相接。气缸将缠绕机头顶在胎胚上，胎胚在旋转机的带动下旋转，胶条就缠绕在胎胚上。
X轴移动轨道上设置有X轴光栅电子尺9，用于测量装置沿X轴移动的位移X；Y轴移动轨道上设置有Y轴光栅电子尺10，用于测量装置沿Y轴移动的位移Y；Z轴移动轨道上设置有Z轴光栅电子尺，用于测量缠绕机头沿Z轴移动的距离Z；缠绕机头上设置有激光位移传感器11，用于测量激光位移器到胎面的距离d；步进电机R上设置有R轴光电式旋转编码器12，用于测量步进电机R旋转的角位移R；
X轴光栅电子尺、Y轴光栅电子尺、Z轴光栅电子尺、激光位移传感器、旋转编码器、一号步进电机、二号步进电机、三号步进电机、气缸以及缠绕机头均与控制器相连接。控制器一方面可以控制移动轨道的移动、另一方面可以收集电子尺、旋转编码器反馈的信号并计算胎面厚度。控制器的电气原理如图2～4所示。
缠绕完成后轮胎表面会产生部分凹坑，而凹坑的深度较小，依靠Z轴光栅电子尺难以清晰、准确的捕获。因此还设置有激光位移传感器，依靠激光的准确性高、测量灵敏等优点，即使再小的凹坑也能被准确捕获，提高了本装置的准确性。
X轴光栅电子尺、Y轴光栅电子尺及Z轴光栅电子尺的每脉冲精度至少是0.02毫米；R轴光电式旋转编码器每周脉冲数大于5000P；激光位移传感器的检测精度大于0.02毫米。控制上述精度可保证最终测量精度大于0.5毫米。
工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤Ⅰ、由装置带动激光位移传感器依次对胎胚的左面、正面和右面轮廓进行扫描，获取胎胚(基准面)的轮廓曲线；期间获取位移数据X、Y、Z、R和d并计算胎胚轮廓曲线上各点坐标；
轮廓曲线上各点坐标的计算方法，如公式①和②所示：
x＝X+(Z+d)×cos(R) 公式①
y＝Y+(Z+d)×sin(R) 公式②
其中，x和y就是各点的横坐标和纵坐标，cos表示余弦函数，sin表示正弦函数。
步骤Ⅱ、装置在胎胚上缠绕胶条形成胎面；根据步骤Ⅰ方法依次对胎面的左面、正面和右面轮廓进行扫描，如图5～7所示，获取缠绕结束后胎面的轮廓曲线及胎面轮廓曲线上各点坐标；
步骤Ⅲ、将胎胚轮廓曲线及胎面轮廓曲线整合在一起，去噪，计算二者之间的距离即为胎面截面的厚度。
如图8所示，原始扫描的数据呈现的曲线比较毛躁，为了进一步便于计算，需要对曲线进行去噪处理，如图12所示，去噪的方法为：将轮廓曲线分成n段，每段m个点；将每段中的m个点拟合成直线L；测量每个点到直线L的距离a；
其中可以通过计算标准差的方式得出具有明显差异的距离a，剔除a差异大的点从而得到较为平滑的轮廓曲线；如图13所示，经过初始化最小二乘法参数、将去噪点写入拟合的递推函数里、进行多次幂函数的曲线拟合、根据获取的曲线拟合公式重新计算曲线点的步骤获得去噪拟合后的轮廓曲线。去噪后轮廓曲线如图9所示。
如图10、14所示，胎面截面厚度的方法为：根据去噪后的各点坐标，计算胎胚轮廓曲线的弧长；将胎胚轮廓曲线弧长平分n’段，得到n’个平分点；求其中一个平分点(xn’，yn’)在胎胚轮廓曲线上的切线；求出平分点(xn’，yn’)切线的垂直线；垂直线和胎面轮廓曲线的相交点(xn”，yn”)；平分点(xn’，yn’)处的胎面截面厚度如公式③所示：
H＝sqrt{(xn'-xn″)2+(yn'-yn″)2} 公式③
其中，sqrt表示平方根计算。
图11为将胎胚轮廓曲线展开成平面时的状态。
另外，在实际应用时，电子尺、激光位移传感器及旋转编码器等检测组件会有三种应用形式：移动式、固定式和跟随式。
移动式，如图15所示，是指将检测组件固定在可移动的移动小车上，移动小车可以移动到不同生产线上进行测量，做到几个生产线上共用一台设备，这样可以降低整体设备费用。但这种方案的缺点是使用繁琐，每次测量都要移动，校准，使用不方便。
固定式，如图16所示，是指将检测组件固定安装在每个生产线上。相对移动式方案，这种方案操作简单方便。但需要每个生产线上安装一台，整体成本高。
跟随式被应用到本实施例中，将检测组件与缠绕机相结合，利用缠绕机原有的伺服控制系统，添加检测组件，完成检测，实现这种方案结构简单，相对前面移动式和固定式成本低，同时也具备操作方便的特点。
本发明相比现有技术主要有以下优点：
a、采用多自由度精密缠绕机和精密的激光位移传感器，对任意大小的工程胎面的尺寸进行分析，这种方式在工程缠绕胎面形状分析，属于世界上第一次；
b、由于工程胎的型号种类很多，尺寸大小不同，本装置在扫描过程中，通过气缸的压紧作用，自动跟随胎面轮廓进行扫描，且同步收集方位坐标信息，可以很大程度上方便了测量过程，让操作者使用简单；
c、测量的精密度高，且精密电子尺(0.02)对每个自由度的位置探测反馈；即使缠绕机很精密，但存在间隙、变形等造成的误差，而且运行一段时间后，这种误差会加大；电子尺的反馈位置，会大大降低这种误差；
d、测量胎面厚度不需要经过随机抽样、人工切割、展平胎面样品等步骤，从而消除人工操作带来的测量误差，提高测量的精度和效率，不会损坏胎面，降低检测成本。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置，包括缠绕机，其特征在于：所述缠绕机包括X轴方向的X轴移动轨道(1)、Y轴方向的Y轴移动轨道(2)、Z轴方向的Z轴移动轨道(3)、控制Z轴移动轨道旋转的一号步进电机(4)、控制Y轴移动轨道移动的二号步进电机(5)、控制X轴移动轨道移动的三号步进电机(6)、气缸(7)以及缠绕机头(8)；所述Y轴移动轨道滑动相接于X轴移动轨道上，Y轴移动轨道通过滑动柱与Z轴移动轨道相连接；
所述X轴移动轨道上设置有X轴光栅电子尺(9)，用于测量装置沿X轴移动的位移X；所述Y轴移动轨道上设置有Y轴光栅电子尺(10)，用于测量装置沿Y轴移动的位移Y；所述Z轴移动轨道上设置有Z轴光栅电子尺，用于测量缠绕机头沿Z轴移动的距离Z；所述缠绕机头上设置有激光位移传感器(11)，用于测量激光位移器到胎面的距离d；所述步进电机R上设置有R轴光电式旋转编码器(12)，用于测量步进电机R旋转的角位移R；
所述X轴光栅电子尺、Y轴光栅电子尺、Z轴光栅电子尺、激光位移传感器、旋转编码器、一号步进电机、二号步进电机、三号步进电机、气缸以及缠绕机头均与控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置，其特征在于：所述X轴光栅电子尺、Y轴光栅电子尺及Z轴光栅电子尺的每脉冲精度至少是0.02毫米；旋转编码器每周脉冲数大于5000P；激光位移传感器的检测精度大于0.02毫米。
3.根据权利要求1所述的工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置，其特征在于：所述Z轴移动轨道的一端与缠绕机头相固定，且缠绕机头内放置有胶条；所述Z轴移动轨道的另一端设置有转轴，转轴通过带传送与一号步进电机的输出轴相连接。
4.根据权利要求1所述的工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置，其特征在于：所述气缸固定在Z轴移动轨道上，且气缸的输出轴与缠绕机头固定相接。
5.一种如权利要求1所述工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤Ⅰ、由装置带动激光位移传感器依次对胎胚的左面、正面和右面轮廓进行扫描，获取胎胚的轮廓曲线；期间获取位移数据X、Y、Z、R和d并计算胎胚轮廓曲线上各点坐标；
步骤Ⅱ、装置在胎胚上缠绕胶条形成胎面；根据步骤Ⅰ方法依次对胎面的左面、正面和右面轮廓进行扫描，获取缠绕结束后胎面的轮廓曲线及胎面轮廓曲线上各点坐标；
步骤Ⅲ、将胎胚轮廓曲线及胎面轮廓曲线整合在一起，去噪，计算二者之间的距离即为胎面截面的厚度。
6.根据权利要求5所述工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置的使用方法，其特征在于：所述步骤Ⅲ中去噪的方法为：将轮廓曲线分成n段，每段m个点；将每段中的m个点拟合成直线L；测量每个点到直线L的距离a；剔除a差异大的点；经过初始化最小二乘法参数、将去噪点写入拟合的递推函数里、进行多次幂函数的曲线拟合、根据获取的曲线拟合公式重新计算曲线点的步骤获得去噪拟合后的轮廓曲线。
7.根据权利要求5所述工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置的使用方法，其特征在于：所述轮廓曲线上各点坐标的计算方法，如公式①和②所示：
x＝X+(Z+d)×cos(R) 公式①
y＝Y+(Z+d)×sin(R) 公式②
其中，x和y就是各点的横坐标和纵坐标，cos表示余弦函数，sin表示正弦函数。
8.根据权利要求5所述工程胎缠绕胎面形状自动扫描测量分析装置的使用方法，其特征在于：所述胎面截面厚度的方法为：计算胎胚轮廓曲线的弧长；将胎胚轮廓曲线弧长平分n’段，得到n’个平分点；求其中一个平分点(xn’，yn’)在胎胚轮廓曲线上的切线；求出平分点(xn’，yn’)切线的垂直线；垂直线和胎面轮廓曲线的相交点(xn”，yn”)；平分点(xn’，yn’)处的胎面截面厚度如公式③所示：
H＝sqrt{(xn'-xn”)2+(yn'-yn”)2} 公式③
其中，sqrt表示平方根计算。
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