張華山

(河北省科學(xué)院激光研究所，河北 石家莊 050081)

高質(zhì)量石英管在線檢測(cè)與分檔系統(tǒng)

張華山

(河北省科學(xué)院激光研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)石英玻璃管生產(chǎn)廠家實(shí)際需求，研制了一套適用于生產(chǎn)線上石英玻璃管外徑、壁厚、偏壁度精密檢測(cè)及分檔的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于成像檢測(cè)原理、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，激光掃描原理。石英玻璃管壁厚、偏壁度采用旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，外徑采用單方向、整根管全長(zhǎng)檢測(cè)，輔以爬坡輸送機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)分選機(jī)構(gòu)以及存管裝置，保證了高精度的檢測(cè)與分檔。

石英玻璃管; 外徑; 壁厚; 偏壁度; 分檔

0 引言

石英玻璃具有耐高溫、耐腐蝕以及熱穩(wěn)定性、透光性能、電絕緣性能均優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。因此，被廣泛應(yīng)用于電光源、半導(dǎo)體、光通信、醫(yī)療器械、水處理、食品衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣闊。

外徑、壁厚、偏壁度等參數(shù)是衡量石英玻璃管質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，它直接影響到最終產(chǎn)品的成品率與使用壽命。在生產(chǎn)中，石英管的外徑要適應(yīng)成型設(shè)備卡具的不同規(guī)格，而壁厚的薄厚、均勻與否更是與產(chǎn)品成型的內(nèi)在質(zhì)量密切相關(guān)。例如：以石英管為內(nèi)管的金鹵燈等燈具在點(diǎn)亮瞬間會(huì)產(chǎn)生2000-3000℃的高溫，偏壁度過(guò)大，點(diǎn)亮瞬間會(huì)造成壁薄的一側(cè)析晶，材質(zhì)發(fā)生變化，變成不透明或者亮點(diǎn)。另外，偏壁度差的管子做成泡殼后光通性不好，造成發(fā)光不均勻。所以，為了保證成品的質(zhì)量，深加工前需根據(jù)要求剔除外徑、壁厚、偏壁度不合格的管子，并按生產(chǎn)要求分為不同檔次。

本文論述的系統(tǒng)正是基于此類(lèi)需求研制而成，將光電檢測(cè)、圖像處理、智能控制及精密機(jī)械等技術(shù)相結(jié)合，形成了一套智能化的檢測(cè)、分檔系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，該設(shè)備主要由機(jī)械傳動(dòng)、壁厚成像檢測(cè)、激光掃描儀、控制柜等四個(gè)部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械傳動(dòng)部分包括梳理機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、鏈條輸送機(jī)構(gòu)、步進(jìn)分選機(jī)構(gòu)、收管裝置等部分。

壁厚成像檢測(cè)由背光源、鏡頭及相機(jī)等部分組成。

控制柜由顯示屏、嵌入式計(jì)算機(jī)(上位機(jī))、直徑主機(jī)(下位機(jī))、變頻控制器、分選驅(qū)動(dòng)器等部分組成。

2 工作原理

在拉管生產(chǎn)過(guò)程中，石英管經(jīng)激光測(cè)徑儀的在線檢測(cè)被判定為合格管與不合格管。切割下來(lái)的不合格管經(jīng)分選機(jī)構(gòu)被直接剔除，而合格玻璃管被切割經(jīng)梳理機(jī)構(gòu)依次整齊、平穩(wěn)地上到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。在這里，對(duì)玻璃管中間位置進(jìn)行高速成像。計(jì)算機(jī)獲取圖像數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)的處理、運(yùn)算，得到被測(cè)玻管的壁厚、偏壁度等測(cè)量數(shù)值。

完成壁厚檢測(cè)的玻管經(jīng)過(guò)輸送機(jī)構(gòu)依次通過(guò)激光掃描儀。在掃描儀內(nèi)，He-Ne激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換，高速旋轉(zhuǎn)〔1500轉(zhuǎn)/分〕八面體反射，在掃場(chǎng)中間得到自上而下平行掃描細(xì)光線，并聚焦到探測(cè)器上，探測(cè)器將每次掃描標(biāo)準(zhǔn)規(guī)、被測(cè)玻璃管所獲得的信號(hào)經(jīng)放大、整形等處理后送至直徑主機(jī)，進(jìn)行分頻、計(jì)數(shù)，由CPU采集、計(jì)算、處理，得到被測(cè)玻管的直徑。

計(jì)算機(jī)通過(guò)綜合激光直徑、成像壁厚的檢測(cè)結(jié)果及分檔要求，確定玻管的分選檔次，并控制分選機(jī)構(gòu)將玻璃管自動(dòng)分選在相應(yīng)位置的接收支撐架上。

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的結(jié)果及其偏差曲線；統(tǒng)計(jì)玻管的根數(shù)及其成品率；完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；查詢(xún)與輸出歷史記錄等等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 激光直徑檢測(cè)原理

本設(shè)備利用激光掃描的原理完成對(duì)玻管直徑的檢測(cè)，其實(shí)質(zhì)就是利用激光的方向性和高能量密度這一特點(diǎn)，將對(duì)被測(cè)物體尺寸的測(cè)量轉(zhuǎn)化成對(duì)掃描時(shí)間的計(jì)量(圖2)。

圖2 激光掃描原理

如圖2所示，激光自上而下勻速、平行掃描。在t1、t2、t3、t4時(shí)刻分別掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)窗口的上邊緣、被測(cè)玻管上邊緣、被測(cè)玻管下邊緣、標(biāo)準(zhǔn)窗口的下邊緣，則掃描經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)窗口和被測(cè)玻管的時(shí)間間隔分別為T(mén)=t4-t1及t=t3-t2。如果已知標(biāo)準(zhǔn)窗口的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則求得被測(cè)玻管直徑：

d=L*t/T

3.2 壁厚成像檢測(cè)原理

圖3為玻璃管壁厚成像檢測(cè)示意圖。CCD相機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的玻璃管進(jìn)行高幀率的成像采集，獲取包含壁厚、偏壁度信息的圖像數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行處理與分析，剔除異常或不合理測(cè)點(diǎn)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，從而得到實(shí)時(shí)的檢測(cè)結(jié)果。

3.3 檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì)

如圖4所示,該系統(tǒng)電路主要實(shí)現(xiàn)圖像采集、人機(jī)交互、上下位機(jī)通訊、直徑測(cè)量信號(hào)調(diào)理、傳動(dòng)與分選機(jī)構(gòu)控制等功能。

計(jì)算機(jī)中央處理器通過(guò)圖像采集卡將來(lái)自CCD相機(jī)、包含壁厚信息的視頻信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中，供其后續(xù)分析與處理。

激光直徑主機(jī)接收來(lái)自激光掃描儀的測(cè)量信號(hào)，經(jīng)分頻、計(jì)數(shù)電路處理后由主CPU采集、計(jì)算及處理，得到被測(cè)玻璃管的直徑數(shù)據(jù)。主CPU將檢測(cè)結(jié)果經(jīng)串口傳送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)綜合直徑、壁厚的測(cè)量結(jié)果及設(shè)定要求，完成玻璃管檔次的計(jì)算和劃分，并發(fā)出控制信號(hào)到給下位機(jī)，由其控制玻璃管分選到各個(gè)接收支架上。

圖4 系統(tǒng)檢測(cè)控制電路原理框圖

3.4 機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)部分包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、鏈條輸送機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)分選機(jī)構(gòu)、收管裝置等。

(1) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，包括兩組旋轉(zhuǎn)輪、定位開(kāi)關(guān)、輔助支撐件等，保證被測(cè)石英管在檢測(cè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)鏈條輸送機(jī)構(gòu)。輸送機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸送鏈條、V型托、導(dǎo)軌以及框架支撐結(jié)構(gòu)。玻管由V型托帶動(dòng)、勻速通過(guò)激光掃描儀并輸送至分選區(qū)域。

(3)步進(jìn)電機(jī)分選機(jī)構(gòu)。分選機(jī)構(gòu)采用兩級(jí)分選方式，第一級(jí)分選確定了分選區(qū)域的左右位置，第二級(jí)分選則實(shí)現(xiàn)上下層次分選，這樣滿(mǎn)足了左右各分三層的要求，從而能夠?qū)崿F(xiàn)最多六個(gè)檔次玻管的分選。

品管圈（QCC）是醫(yī)院重要的醫(yī)療質(zhì)量管理手法，在醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[2]。尤其是在醫(yī)院藥學(xué)質(zhì)量管理中具有較高的應(yīng)用價(jià)值[3]。我院急診藥房于2016年9月至2017年1月，開(kāi)展了主題為降低急診不合理處方發(fā)生率的品管圈活動(dòng)，取得了顯著成效。

(4)收管裝置。收管裝置設(shè)置于分選機(jī)構(gòu)兩側(cè)，為層式結(jié)構(gòu)，每側(cè)可設(shè)置三層。

整套機(jī)械系統(tǒng)互連成整體，并設(shè)有腳輪，方便在不同生產(chǎn)線間移動(dòng)，并且所有與石英管接觸面均采用聚四氟材料，防止管子沾染雜物。

2.4 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括微機(jī)系統(tǒng)程序、激光直徑主機(jī)程序兩部分。

2.4.1 微機(jī)系統(tǒng)程序

微機(jī)系統(tǒng)程序主要完成玻管壁厚、偏壁度的成像采集、處理與分析；直徑、壁厚相關(guān)數(shù)據(jù)及曲線的實(shí)時(shí)顯示；玻管的分選檔次判定與控制輸出；數(shù)據(jù)結(jié)果的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及歷史查詢(xún)等功能。圖5所示，為系統(tǒng)程序的主控窗口界面。

圖5 玻管檢測(cè)分選系統(tǒng)主窗口

圖6 玻管壁厚檢測(cè)窗口

2.4.2 激光直徑主機(jī)程序

主要包括通訊接口CPU程序、主CPU程序、傳動(dòng)與分選控制CPU程序。

通訊接口CPU程序主要實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的雙向串行通訊功能；主CPU程序主要完成直徑掃描測(cè)量信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣、運(yùn)算與處理，得到被測(cè)玻管的直徑；傳動(dòng)及分選控制CPU程序主要接收來(lái)自計(jì)算機(jī)命令，生成電機(jī)速度和方向的控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)各個(gè)傳動(dòng)電機(jī)及分選機(jī)構(gòu)完成自檢、復(fù)位、運(yùn)轉(zhuǎn)及分選等功能。

4 應(yīng)用與結(jié)論

該系統(tǒng)已在某股份有限公司生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。在應(yīng)用該系統(tǒng)之前，該公司生產(chǎn)線上切割下來(lái)的合格的石英管只檢測(cè)外徑，壁厚偏壁度靠人工抽取檢測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大而且很容易漏檢。另外切割下來(lái)的合格管外徑是一個(gè)比較大的范圍，沒(méi)有進(jìn)行細(xì)分，后期深加工中成品率較低，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障。使用該系統(tǒng)后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)的對(duì)生產(chǎn)線下來(lái)每根管子進(jìn)行三參數(shù)的檢測(cè)并分檔，工人只需將分好的石英管收走打包，不僅大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，更是提高了后期深加工中產(chǎn)品質(zhì)量和成品率。

該系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便，易于維護(hù)，完全能夠滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)的需要，在該類(lèi)企業(yè)中極具推廣價(jià)值。

The system for high quality quartz tube detection and step online

ZHANG Hua-shan

(InstituteofLaster,HebeiAcademyofSciences,ShijiazhuangHebei050081,China)

According to the practical demand of quartz glass tube manufacturers,we developed a set of step system suitable for detection the outer diameter,wall thickness and deviation of feldspar glass tube precisely on the production line.The system is based on the principle of imaging detection,computer image processing technology and laser scanning principle,supplemented by climbing conveying mechanism,stepper motor separation mechanism and pipe device.Wall thickness and deviation of quartz glass tube adopted rotation test,while the outside diameter used single direction detection of whole tube.The system made sure of detection and step precisely for the quartz glass tube.

Quartz glass tube; Outer diameter; Wall thickness; Deviation; Sorting

2015-06-30

張華山(1983-),男，河北新樂(lè)人，研究實(shí)習(xí)員，主要從事光電測(cè)控產(chǎn)品的研制與開(kāi)發(fā).

1001-9383(2015)03-0052-06

TP274

A