陳大霖

(福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 福州 350002)

按照GB/T 3810.2-2016 陶瓷磚實(shí)驗(yàn)方法第2部分:尺寸和表面質(zhì)量的檢驗(yàn)的規(guī)定,陶瓷磚的尺寸包括邊長(zhǎng)度、邊直度、直角度、表面平整度,采用抽樣方法對(duì)樣品進(jìn)行隨機(jī)抽查檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)陶瓷磚尺寸的主要采用人工的方法檢測(cè),通過(guò)采用百分表,在陶瓷磚表面上取一些特征點(diǎn)測(cè)量,然后通過(guò)數(shù)值運(yùn)算得到陶瓷磚表面的平整度值,調(diào)整百分表的讀數(shù)到合適的起始值,取出標(biāo)準(zhǔn)板,將待測(cè)樣品放在可調(diào)支撐上,對(duì)布置好的特征點(diǎn)進(jìn)行逐一測(cè)量,最后通過(guò)計(jì)算得到陶瓷磚的平整度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,每檢3塊樣品需用標(biāo)準(zhǔn)板校準(zhǔn)一次,通過(guò)檢測(cè)一個(gè)批次的陶瓷磚樣品(樣本量為10塊)都需要約3 h左右,檢測(cè)過(guò)程不僅效率低,且對(duì)試驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度較大。

因此,開(kāi)展陶瓷墻地磚表面平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究,研制出陶瓷磚表面平整度自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái),能全自動(dòng)對(duì)陶瓷磚實(shí)現(xiàn)表面平整度的自動(dòng)檢測(cè),不僅能提高陶瓷磚尺寸的檢測(cè)效率,而且還能大大的降低試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,這些都具有非常重要的意義。

1 標(biāo)準(zhǔn)方法研究

本自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)GB/T 3810.2-2016 陶瓷磚試驗(yàn)方法第2部分:尺寸和表面質(zhì)量的檢驗(yàn)規(guī)定試驗(yàn)方法要求,并研制出符合上述標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷磚表面平整度(中心彎曲度、邊彎曲度、翹曲度)等尺寸偏差的測(cè)量,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)容如下:

1.1 儀器

(1)圖1所示的儀器或其他合適的儀器,其中分度表(DC,DD,DE)分別用于測(cè)量翹曲度、中心彎曲度、邊彎曲度,采用直徑為5 mm 的支撐銷(SA,SB,Sc)。

圖1 測(cè)量平整度的儀器

(2)使用一塊理想平整的金屬或玻璃標(biāo)準(zhǔn)板,其厚度至少為10 mm。

1.2 試樣

每種類型取10塊整磚進(jìn)行測(cè)量。

1.3 步驟

選擇尺寸合適的儀器,將相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)板準(zhǔn)確的放在3個(gè)定位支撐銷(SA,SB,Sc)上,每個(gè)支撐銷的中心到磚邊的距離為10 mm。外部的兩個(gè)分度表(DE,DC)到磚邊的距離也為10 mm。調(diào)節(jié)3個(gè)分度表(DD,DE,Dc)的讀數(shù)至合適的初始值。

取出標(biāo)準(zhǔn)板,將磚的釉面或合適的正面朝下置于儀器上,記錄3個(gè)分度表的讀數(shù)。如果是正方形磚,轉(zhuǎn)動(dòng)試樣,每塊試樣得到4個(gè)測(cè)量值,每塊磚重復(fù)上述步驟。如果是長(zhǎng)方形磚,分別使用合適尺寸的儀器來(lái)測(cè)量。記錄每塊磚最大的中心彎曲度(DD)、邊彎曲度(DE)和翹曲度(Dc),測(cè)量值精確到0.1 mm。

1.4 結(jié)果表示

中心彎曲度以與對(duì)角線長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)表示。

邊彎曲度以百分?jǐn)?shù)表示;長(zhǎng)方形磚以與長(zhǎng)度和寬度的百分表表示;正方形磚以與邊長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)表示。

翹曲度以與對(duì)角線長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)表示;有間隔凸緣的磚檢驗(yàn)時(shí)用毫米表示。

2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研究方向

本自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)基于機(jī)器視覺(jué)原理,以計(jì)算機(jī)和圖像獲取部件為工具,必要時(shí)以傳感器作為輔助工具,以圖像處理技術(shù)、圖像分析技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、人工智能技術(shù)為依托,處理所獲取的圖像信號(hào),并從圖像中獲取瓷磚的表面平整度參數(shù)(包括邊彎曲度、翹曲度、中心彎曲度),判別產(chǎn)品是否符合質(zhì)量要求。主要研究方向有:

(1)選擇合適的光源,設(shè)計(jì)穩(wěn)定的照明系統(tǒng);

(2)設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)同步控制結(jié)構(gòu);

(3)研究大幅面掃描技術(shù)、圖像處理技術(shù):采用CCD 或CMOS等傳感器來(lái)捕捉圖像并將可視圖像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)存于計(jì)算機(jī),通過(guò)專用圖像信號(hào)處理卡結(jié)合軟件對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理;

(4)針對(duì)瓷磚生產(chǎn)線實(shí)際狀況及國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),提出有效的系統(tǒng)標(biāo)定方法;

(5)進(jìn)行信號(hào)輸出與控制軟件的編制;

(6)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大量的重復(fù)性精度、示值精度及測(cè)量穩(wěn)定性試驗(yàn),并對(duì)瓷磚在線檢測(cè)系統(tǒng)的誤差來(lái)源進(jìn)行了全面分析。

3 自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

所研制的陶瓷磚表面平整度自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)部分和數(shù)據(jù)及圖像采集系統(tǒng)部分兩個(gè)部分組成,其工作原理如下:

將陶瓷磚放入經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的工作平臺(tái)上,并根據(jù)陶瓷磚的規(guī)格(長(zhǎng)寬尺寸)將數(shù)據(jù)輸入控制系統(tǒng),通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,步進(jìn)電機(jī)通過(guò)單軸機(jī)器人帶動(dòng)激光位移傳感器運(yùn)動(dòng),由此實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置在陶瓷磚正上方實(shí)現(xiàn)X、Y 方向的水平移動(dòng),由步進(jìn)電機(jī)記錄行走的X、Y 尺寸并將記錄的數(shù)據(jù)傳入控制系統(tǒng),然后由測(cè)量裝置中激光位移傳感器獲得高度數(shù)據(jù)Z,通過(guò)控制系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)計(jì)算方式獲得被測(cè)試件的綜合誤差,進(jìn)而獲取陶瓷磚的表面平整度。由高速CCD 相機(jī)獲得被測(cè)試件表面高清影像,獲得被測(cè)試件表面質(zhì)量。通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)激光位移傳感器在X、Y 方向聯(lián)合水平移動(dòng),當(dāng)激光位移傳感器檢測(cè)到陶瓷磚時(shí),其所獲得的位移數(shù)據(jù)發(fā)生改變,通過(guò)位移數(shù)據(jù)可計(jì)算出陶瓷磚的厚度,通過(guò)在水平方向上面的連續(xù)運(yùn)動(dòng)可獲得一系列數(shù)據(jù),計(jì)算出其特殊點(diǎn)的誤差。

4 自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)的組成

陶瓷磚表面平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)面框架系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng),這4個(gè)系統(tǒng)組成。

4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)構(gòu)成,步進(jìn)電機(jī)控制X、Y 軸橫縱坐標(biāo)的傳動(dòng),直流電機(jī)控制整個(gè)平臺(tái)的升降。

4.2 工作臺(tái)面框架系統(tǒng)

工作臺(tái)面框架系統(tǒng)主要采用鈑金噴塑,外觀采用了工業(yè)設(shè)計(jì)既保證美觀大方,又保證了整體強(qiáng)度。框架分兩層,上層是測(cè)試層,有步進(jìn)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。下層是升降層,提供平臺(tái)升降功能。

4.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分組成。上位機(jī)使用電腦+軟件,主要完成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)通訊與處理記錄、手動(dòng)與自動(dòng)控制。下位機(jī)主要由PLC模塊、步進(jìn)電機(jī)、激光位移傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

系統(tǒng)通過(guò)激光位移傳感器和X/Y 電機(jī)來(lái)檢測(cè)瓷磚的邊緣。橫向上下各掃描一次,縱向左右各掃描一次,用來(lái)判斷瓷磚位置。然后根據(jù)瓷磚位置,按照標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)測(cè)量陶瓷磚的平整度。

X/Y 軸電機(jī):用于移動(dòng)激光位移傳感器,并且記錄行程。

激光位移傳感器:用于檢測(cè)瓷磚表面高度信息,同時(shí)也可以用來(lái)檢測(cè)瓷磚邊緣。

4.4 數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)由下位機(jī)組成,主要由PLC模塊、步進(jìn)電機(jī)、激光位移傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成;通過(guò)PLC模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖數(shù)進(jìn)行記錄從而采集激光位移傳感器橫縱坐標(biāo)位移,同時(shí)對(duì)激光位移傳感器的高度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,反饋并計(jì)算。

陶瓷磚表面平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)裝配示意圖,如圖2所示。

圖2 陶瓷磚表面平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)裝配圖

5 自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

(1)使用步進(jìn)電機(jī)及編碼器,對(duì)于X、Y 軸所走的橫縱坐標(biāo)進(jìn)行位置數(shù)據(jù)測(cè)量和記錄,其定位和測(cè)量精度較高。

(2)所使用的激光尺寸傳感器具有高精度和操作簡(jiǎn)便性特點(diǎn),先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)及高剛性機(jī)殼,實(shí)現(xiàn)較高的線性精度。采用新開(kāi)發(fā)的獨(dú)立算法,可以有效提高其線性精度。基于徹底的反復(fù)評(píng)估算法,實(shí)現(xiàn)測(cè)量的高精度。

(3)通過(guò)安裝高清高速CCD 相機(jī)和高亮LED 寬幅條形光源,由高速CCD 相機(jī)獲得被測(cè)試件表面高清影像,進(jìn)而獲得被測(cè)試件表面質(zhì)量。在進(jìn)行尺寸檢測(cè)過(guò)程中,高速CCD 相機(jī)也對(duì)激光位移傳感器進(jìn)行輔助測(cè)量。

(4)采用先進(jìn)人工智能算法,不管底面是否平整,都可以通過(guò)算法來(lái)補(bǔ)償和計(jì)算,檢測(cè)全過(guò)程無(wú)需人為干預(yù),無(wú)需裝夾,設(shè)備需要具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

(5)采用特有的數(shù)據(jù)計(jì)算方式確保檢測(cè)保持高精度,可以方便快捷的對(duì)陶瓷磚尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動(dòng)化精確測(cè)量。

(6)對(duì)陶瓷磚表面實(shí)現(xiàn)全覆蓋數(shù)據(jù)采集。檢測(cè)過(guò)程中可以依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)陶瓷磚表面關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;也可以通過(guò)全數(shù)據(jù)采集方式獲得陶瓷磚表面數(shù)據(jù)變化量大的采集點(diǎn)數(shù)據(jù),由此獲得誤差值。

(7)實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷磚進(jìn)行全自動(dòng)化檢測(cè),使得試驗(yàn)人員能夠方便的進(jìn)行測(cè)量。