DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Reifenprüfung mit dem Lichtschnittverfahren

A.Jobst, G. Kostka, U. Haßler und P. Schmitt, Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS Am Wolfsmantel 33, 91058 Erlangen
Kontakt: Dr. rer.nat. Andreas Jobst

1 Einführung

Reifen werden auf Beulen und Einschnürungen auf den Seitenflächen getestet, da diese Formabweichungen einen Hinweis auf einen fehlerhaften Aufbau des getesteten Reifens geben können. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Prüfung ist die Messung des Seiten- und Höhenschlags. Beide Prüfaufgaben beziehen sich auf die Oberfläche des Reifens.

Konventionelle Messsysteme nutzen einen kapazitiven Sensor oder einen Punktlaser. Beide Methoden ermitteln während einer Umdrehung des Reifens nur auf einer einzigen Spur Messdaten. Im Unterschied dazu ist das Lichtschnittverfahren (im Folgenden nach der engl. Bezeichnung Sheet of LightImaging mit SOL abgekürzt) in der Lage, die gesamte Reifenoberfläche zu vermessen. Einspur-Messsysteme können Fehler übersehen - das Lichtschnittverfahren erkennt alle.

Das Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS hat ein Prüfsystem entwickelt, welches das Höhenprofil der gesamten Seitenwand eines PKWReifens während einer einzigen Reifenumdrehung ermittelt. Das leistungsfähige Programm TireChecker detektiert zuverlässig Beulen und Einschnürungen. Zudem bestimmt es für Seiten- und Höhenschlag die Differenz der Extremwerte sowie die Amplituden der Harmonischen. Die Auswertung erfolgt ohne Vorwissen über das Reifendesign mit hoher Genauigkeit. In diesem Beitrag wird das System beschrieben und Ergebnisse aus Abnahmetests und einem Praxistest in der Industrie mit mehr als 83.000 Reifen vorgestellt.

2 Funktionsprinzip

Das Prinzip der SOL-Methode wird in Bild 1 erklärt. Ein Laser mit einer speziellen Aufweitungsoptik projiziert eine Lichtlinie auf die Oberfläche des Reifens. Die Lichtlinie folgt in der Form der gewölbten Oberfläche des Reifens. Die Kurvenform entspricht somit dem Höhenverlauf der Oberfläche. Durch eine Abtastung während einer Umdrehung des Reifens wird die dreidimensionale Oberfläche erfasst und in ein Höhenbild konvertiert.

Bild 1: Funktionsprinzip der SOL-Methode. Das linke Bild zeigt die Positionen von Laser und Kamera mit dem resultierenden Bild, das rechte Bild zeigt einen Reifen, auf dessen Oberfläche eine Laserlinie projiziert ist.

Ein Beispiel einer solchen Aufnahme wird in Bild 2 gezeigt. Die Höhe der Oberfläche wird in Form von Grauwerten dargestellt: je höher ein Teil der Fläche liegt, desto heller ist das entsprechende Pixel.


Bild 2: Original-Höhenbild eines Teils einer Seitenwand. Die Wölbung der Oberfläche, die Beschriftung und eine Beule werden mit einer lateralen Ortsauflösung von etwa 0,8 mm dargestellt.

3 Systemkonfiguration

Die wichtigsten Elemente des Systems sind ein gewöhnlicher Punktlaser mit einer speziellen Linienaufweitungsoptik und eine spezielle CMOS-Kamera mit 5122 oder 512 x 1536 Pixeln. Die Kamera bestimmt für jede Zeile des aufgenommenen Bildes die Position der Lichtlinie. Nur die Positionsdaten (oder ein Teil davon) werden an den Computer übertragen, was eine wesentliche Reduktion der Daten bedeutet. Diese Senkung der Datenrate erlaubt eine hohe Messfrequenz von bis zu 10.000 Linien pro Sekunde. Das gesamte Messsystem, das aus Laser, Kamera und Optiken besteht, ist in ein industrietaugliches Gehäuse integriert.

In der Standardkonfiguration nutzt das von Fraunhofer-IIS entwickelte System 128 Spalten des Sensors, um einen 80 mm breiten Streifen der Reifenoberfläche mit 2.000 Zeilen pro Sekunde abzubilden. Da die Messungen bei einer Umdrehung des Reifens pro Sekunde durchgeführt werden, besteht das Höhenbild aus 128 x 2000 Pixeln. Der minimale Abstand zwischen Messkopf und Reifenoberfläche beträgt etwa 60 mm, weshalb auch bei falsch aufgespannten Reifen keine Kollisionsgefahr besteht. Der Höhenmessbereich von 60 mm ermöglicht die Abbildung auch stark gewölbter Reifen.

Die von der Kamera übermittelten Daten werden im Höhenwerte umgerechnet. Die hierzu notwendige Information wird aus einem Kalibrierungsverfahren gewonnen. Dazu wird eine mit Gummi beschichtete Scheibe in 10 bis 20 unterschiedlichen Abständen zum Messkopf vermessen. Dieses Verfahren ist voll automatisiert und muss nicht wiederholt werden, solange die Geometrie des gesamten Messsystems nicht geändert wird.

Für eine zuverlässige Vermessung der Reifenoberfläche muss der Sensor in eine Position gebracht werden, in welcher der radiale Messbereich den zu vermessenden Streifen (normalerweise die ganze Seitenwand) abdeckt. Der Abstand wird so eingestellt, dass der gesamte Höhenbereich der Oberfläche im Messbereich von 60 mm liegt. Für die Detektion von Beulen ist eine genaue Positionierung des Messkopfes nicht notwendig. Die Genauigkeit der Messspurposition für die Seiten- und Höhenschlagmessung wird dagegen von der Positioniergenauigkeit in radialer Richtung bestimmt.

Inzwischen wurden für Partnerfirmen, welche die TireChecker Software nutzen, unterschiedliche Systemkonfigurationen realisiert. In einem Fall wurde der Arbeitsabstand reduziert, um das Gehäuse des Messkopfes zu verkleinern und gleichzeitig eine bessere Höhenauflösung zu erreichen. Damit verbunden ist eine Reduzierung der Messspurbreite. In einer anderen Konfiguration wurde die Höhenauflösung reduziert, um Reifen in einem Größenbereich von 13" bis 27" prüfen zu können, ohne den Messkopf zu verfahren. Die Bewegung des Messkopfs wird hier durch den großen Höhenmessbereich von 250 mm ersetzt. Trotz der reduzierten Auflösung beträgt die Standardabweichung der Messwerte bei Seiten- und Höhenschlag nur etwa 0,02 mm. Eine sichere Detektion von Beulen ist in dieser Konfiguration allerdings nicht möglich.

4 Systemeigenschaften

Das Ziel der von Fraunhofer-IIS entwickelten TireChecker Software ist, alle Reifen ohne Informationen über das Design mit denselben Algorithmen und Parametern zu prüfen. Die Software muss daher in der Lage sein, ohne Vorwissen zwischen Designelementen (Buchstaben und Symbole) und Beulen zu unterscheiden.

Nach der Positionierung der Messköpfe empfängt die TireChecker Software einen Messbefehl von der übergeordneten Kontrollsoftware. Die Höhendaten werden während 1,05 Umdrehungen ermittelt. Der entstehende Überlapp ist notwendig, um die Höhe von Beulen am Anfang und Ende des Messbereichs zuverlässig bestimmen zu können. Die TireChecker Software berechnet die Höhe von Beulen und Einschnürungen und ermittelt für Seiten- und Höhenschlag die Differenz der Extremwerte sowie die Amplituden der Harmonischen auf einer definierten Spur. Diese Werte werden mit den zugehörigen Winkelpositionen, die mit einem Drehgeber bestimmt werden, an die Steuersoftware übermittelt. Die Auswertedauer beträgt typisch 1,0 bis 1,5 Sekunden pro Sensor.

Die optimale Position der Messköpfe wird für jeden Reifentyp von der übergeordneten Steuersoftware gespeichert. Auch die Position der Messspur für die Bestimmung des Seitenschlags wird für jeden Reifentyp gespeichert und im Höhenbild angezeigt. Der Prüfer kann dadurch während des Betriebs die genaue Positionierung anhand der Höhenbilder überwachen. Im Falle eines neuen Reifentyps ermittelt die TireChecker Software automatisch den optimalen Arbeitsabstand und überträgt diesen Wert zur übergeordneten Kontrollsoftware.

Zurzeit wird für die Bestimmung des Seitenschlags in der Praxis nur eine schmale Spur benutzt. Da mit dem neuen System Daten der gesamten Reifenoberfläche zur Verfügung stehen, sind zukünftig auch weitergehende Analysen von Deformationen der Reifenoberfläche denkbar.

5 Datenverarbeitung

Um die Höhenbilder ohne Vorinformation verarbeiten zu können, wurde von Fraunhofer-IIS eine spezielle Bildverarbeitungssoftware entwickelt. Im ersten Schritt wird die radiale Wölbung der Seitenwand eines Reifens eliminiert. Bild 3zeigt das Ergebnis dieses Vorverarbeitungsschritts von Bild 2. Der Kontrast der Schrift und der Beule werden durch diesen Verarbeitungsschritt deutlich erhöht.


Bild 3: Höhenbild von Bild 2, aber nach Eliminierung der radialen Wölbung des Reifens. Kontrast von Schrift und Beule werden durch diesen Vorverarbeitungsschritt deutlich verbessert.

Die Hauptaufgabe der TireChecker Software ist die Unterscheidung zwischen Beulen und Einschnürungen auf der einen Seite und Schrift oder anderen Sollstrukturen wie umlaufenden Rillen auf der anderen Seite. Wie oben schon hervorgehoben wurde, benötigt die TireChecker Software keinerlei Vorinformation über das Design des Reifens, um die Sollstrukturen zu identifizieren. Bild 4 zeigt das Ergebnis der Erkennung und Unterdrückung der Schrift im Höhenbild. In diesem Höhenbild ist die Beule ohne Einfluss von Schrift oder anderen Strukturen deutlich sichtbar.


Bild 4: Der gleiche Ausschnitt wie in Bild 2 nach der Unterdrückung der Schrift und anderer Sollstrukturen. Der Höhenverlauf der Beule ist klar erkennbar.

Das in Bild 4 gezeigte vorverarbeitete Höhenbild wird zur Bestimmung der Maximalhöhe und Ausdehnung von Beulen und Einschnürungen sowie zur Auswertung des Seitenschlags verwendet. Bild 5 zeigt die detektierte Beule, deren maximale Höhe durch ein Kreuz und deren Ausdehnung durch ein Rechteck gekennzeichnet ist. Die äußeren Linien zeigen den Prüfbereich für die Detektion von Beulen an, während die inneren Linien die Messspur zur Bestimmung des Seitenschlags definieren. Die Grenzen der Auswertebereiche für Beulen und Seitenschlag werden von der übergeordneten Kontrollsoftware abgespeichert.


Bild 5: Ergebnis der automatischen Bildauswertung. Das Rechteck markiert die Ausdehnung der Beule. Die Stelle mit maximaler Höhe der Beule wird durch das Kreuz markiert. Im Bereich zwischen den äußeren Linien wird auf Beulen und Einschnürungen geprüft. Der Bereich zwischen den inneren Linien wird bei der Bestimmung des Seitenschlags berücksichtigt.

Wie Bild 6 zeigt, weisen Beulen in radialer Richtung einen Höhenverlauf auf.
Daher muss die gesamte Seitenwand auf Beulen geprüft werden und nicht nur eine einzelne Spur außerhalb des Schriftbereichs. Zwischen Profil und Schrift beträgt die Beulenhöhe nur etwa 0,5 mm, die maximale Höhe im Schriftbereich beträgt jedoch 0,8 mm. Im Bereich zwischen Schrift und Felge liegt die Höhe zwischen 0,2 mm und 0,4 mm. Bei der Prüfung durch ein Einspursystem besteht ein hohes Risiko, diese Beule als unkritisch einzustufen, obwohl die maximale Höhe eindeutig typische Qualitätslimits überschreitet.


Bild 6: Höhenbild einer Beule und entsprechender radialer Höhenverlauf. Der relative Höhenverlauf beginnt beim Profil.

6 Ergebnisse von Abnahmetests

Das SOL-Verfahren mit der TireChecker Software ist inzwischen mehreren Abnahmetests im Labor wie auch in Reifenwerken unterzogen worden. Bild 7 zeigt ein typisches Ergebnis für die Wiederholbarkeit der Messung der Beulenhöhe. Für diesen Test wurde der Reifen befüllt, und anschließend nach der Stabilisierung des Reifens 20 mal ohne Änderung des Aufbaus geprüft. Die zulässige Standardabweichung für diesen Test beträgt 20 µm, das gezeigte typische Beispiel weist eine Standardabweichung von 12 µm auf.


Bild 7: Gemessene Beulenhöhe in einer Testserie von 20 Messungen nach Befüllung und Stabilisierung des Reifens. Die Standardabweichung bei diesem typischen Beispiel beträgt 12 µm.

In Bild 8 ist der Höhenverlauf einer Spur auf der Seitenwand eines Reifens abgebildet. Der Verlauf entspricht der Linie im Höhenbild. Die stark variierende Kurve zeigt den tatsächlichen Höhenverlauf, während die glatte Kurve den Verlauf nach der Unterdrückung der beabsichtigten Strukturen zeigt. Die geglättete wird zur Bestimmung des Seitenschlags verwendet.

Bild 8: Höhenbild eines Reifens und Verlauf der Höhenwerte entlang der Linie im oberen Teil. Die stark variierende Kurve stellt den tatsächlichen Höhenverlauf dar. Die glatte Kurve stellt den Verlauf nach dem Entfernen der Sollstrukturen dar.
Bild 9: Der obere Teil zeigt das Höhenbild der Lauffläche eines Reifens. Die stark variierende Kurve zeigt den tatsächlichen Höhenverlauf entlang der Linie im Höhenbild, die glatte Kurve den Höhenverlauf nach der Unterdrückung der Profilrillen.

Bild 9 zeigt ein typisches Beispiel einer Höhenschlagmessung. Der obere Teil der Darstellung zeigt das Höhenbild des Reifenprofils. Auch hier zeigt die stark variierende Kurve den tatsächlichen Verlauf der Höhe entlang der Linie im Höhenbild. Die glatte Kurve zeigt den Höhenverlauf, der zur Berechnung des Höhenschlags genutzt wird.

Bild 10 zeigt das Ergebnis einer typischen Wiederholbarkeitsprüfung für die Bestimmung des Seitenschlags eines Reifens. Wie bei der Beulenmessung wurde der Reifen befüllt und nach der Stabilisierung 20 mal geprüft. Die Standardabweichung für die Differenz der Extremwerte beträgt hier 3 µm.


Bild 10: Ergebnis einer typischen Wiederholbarkeitsprüfung für die Messung des Seitenschlags. Nach einmaliger Befüllung und Stabilisierung des Reifens wurde 20 mal die Differenz der Extremwerte ermittelt, ohne zwischendurch den Systemaufbau zu ändern.

7 Ergebnisse eines Praxistests im Reifenwerk

Das von Fraunhofer-IIS entwickelte Lichtschnittverfahren mit der TireChecker Software wurde über einen Zeitraum von 4 Monaten in einem Reifenwerk getestet. Das Testsystem ist in Bild 11 dargestellt. In diesem Test wurde ein konventionelles Einspursystem verwendet, um zu prüfen, ob das SOL-Verfahren tatsächlich allen Beulen detektiert. Alle Reifen, die durch die TireChecker Software als schadhaft eingestuft wurden, sind durch einen erfahrenen Prüfer manuell getestet worden. Dadurch sollten mögliche Fehlentscheidungen der TireChecker Software erkannt werden. Insgesamt wurden im Rahmen dieser Serie 83.784 Reifen getestet. Die TireChecker Software detektierte alle Beulen, die vom konventionellen System erkannt wurden. Durch die manuelle Prüfung wurden 49 Beulenreifen als Pseudofehler klassifiziert. Dies entspricht 0,06 % aller geprüften Reifen. Zurzeit werden diese Reifen eingehender vom Reifenhersteller geprüft, da die manuelle Prüfung von Beulen subjektiv und im Schriftbereich kaum durchzuführen ist.

Bild 11: Testsystem für die Prüfung der Praxistauglichkeit an 83.784 Reifen in einem Reifenwerk.

8 Zusammenfassung und Diskussion

Das Lichtschnittverfahren ist das erste Prüfverfahren, welches die Prüfung der gesamten Oberfläche eines Reifens während einer einzigen Umdrehung ermöglicht. Dadurch können im Gegensatz zu herkömmlichen Einspursystemen alle Oberflächenfehler detektiert werden.

Wie mechanische Vergleichsmessungen zeigen, bestimmt die vom FraunhoferIIS entwickelte TireChecker Software die Beulenhöhe mit einer Genauigkeit besser als 20 µm. Die zugehörige Standardabweichung beträgt ebenfalls weniger als 20 µm. Die Standardabweichung für die Bestimmung der Differenz der Extremwerte von Seiten- und Höhenschlag beträgt typischerweise 3 - 5 µm, obwohl die Höhenauflösung in der Standardkonfiguration nur etwa 65 µm beträgt. In einem Praxistest an mehr als 83.000 Reifen wurden alle Beulen detektiert. Nach subjektiver manueller Prüfung betrug die Pseudofehlerrate nur 0,06 %.

Zurzeit sind mehr als 15 in-Line Prüfsystem in Reifen- und Automobilwerken installiert, deren Laufzeit insgesamt mehr als 30 Jahren beträgt. Das erste Prüfsystem, welches das Lichtschnittverfahren mit der TireChecker Software nutzt, ist seit April 2000 ununterbrochen täglich 24 h zur vollen Zufriedenheit des Reifenherstellers im Einsatz. Dies verdeutlicht die Zuverlässigkeit und Praxistauglichkeit der SOL-Methode. Neben der hohen Genauigkeit für die Bestimmung von Beulenhöhe und Seiten- und Höhenschlag bietet dieses Verfahren zwei weitere wesentliche Vorteile: An Stelle einer einzigen Messspur wird die gesamte Reifenoberfläche geprüft. Dadurch werden auch Beulen, die nur in einem kleinen Bereich die zulässige Höhe überschreiten, zuverlässig detektiert. Das SOL-Verfahren liefert zudem ein Bild, was dem menschlichen Prüfer ermöglicht, die Entscheidung des Systems auf einfache Weise zu überprüfen. Dadurch kann die übliche manuelle Nachprüfung durch Abtasten der Beule entfallen.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net