陶瓷磚平整度檢測(cè)系統(tǒng)的研究

顧軒　何問慎　陸倩映　肖景紅

摘 要：瓷磚平整度是衡量瓷磚質(zhì)量的重要因素之一，相比于人工檢測(cè)平整度，陶瓷磚自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度更高，節(jié)省人力物力。本文介紹了陶瓷磚自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的原理，并詳細(xì)分析了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使用的算法、硬件選擇及軟件設(shè)計(jì)方法，為構(gòu)建完整的陶瓷磚檢測(cè)系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：陶瓷磚；平整度；檢測(cè)系統(tǒng)；自動(dòng)檢測(cè)

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，國(guó)內(nèi)外陶瓷磚的使用又將進(jìn)入一個(gè)新的階段，對(duì)陶瓷磚產(chǎn)品的質(zhì)量也提出了更高的要求。長(zhǎng)期以來，我國(guó)陶瓷行業(yè)的創(chuàng)新意識(shí)相對(duì)薄弱，產(chǎn)品質(zhì)量也仍存在諸多問題，必須提高對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的重視。其中，平整度是影響陶瓷磚質(zhì)量因素中最為直觀的一個(gè)，它直接影響瓷磚的裝飾和使用效果，有必要加強(qiáng)陶瓷磚平整度的檢測(cè)?，F(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基本能滿足陶瓷磚平整度檢測(cè)要求，操作簡(jiǎn)便，但隨著人工成本日益增加，各大工廠及檢測(cè)機(jī)構(gòu)開始重視自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)用。本文從使用算法、所需硬件及軟件三方面介紹了符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。

2 陶瓷磚平整度標(biāo)準(zhǔn)及常用檢測(cè)方法

現(xiàn)今陶瓷磚檢測(cè)方法分為兩種：平臺(tái)塞尺法和千分表法。前者作為最常用的檢測(cè)方法，主要是通過使用鑄鐵橋型平尺來完成。將平尺依次靠近陶瓷磚需檢測(cè)部位，通過平尺下面的塞尺完成空隙檢測(cè)并得出平整度的數(shù)值，看數(shù)值是否符合相關(guān)規(guī)定；千分表法則是一種間接檢測(cè)的方法，通過觀察標(biāo)準(zhǔn)件，然后構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，通過相關(guān)檢測(cè)得到所需觀察物體的數(shù)據(jù)并帶入數(shù)學(xué)模型中，最終通過求解該模型而獲得平整度。此方法也是實(shí)驗(yàn)室使用最多的方法，重點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)件的選取以及數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。標(biāo)準(zhǔn)件良好，則可獲得完善的數(shù)學(xué)模型，得到符合要求的相關(guān)平整度數(shù)值；反之，則得不到理想的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)多為非接觸式的檢測(cè)，相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方式，現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度更好，更節(jié)省人力物力，適應(yīng)了現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率等有著極大地推動(dòng)作用。

3 陶瓷磚平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

目前能夠適用于工業(yè)化生產(chǎn)的平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)較少，一些相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。如本文所要介紹的廣東華南精密機(jī)械研發(fā)院進(jìn)行的一系列研究，便已經(jīng)在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。此方法雖然還沒有得到大面積推廣普及，但已吸引了眾多從業(yè)者的關(guān)注。該研究院結(jié)合目前較為流行的一體機(jī)，提出將陶瓷磚的成品尺寸以及平整度結(jié)合起來進(jìn)行檢測(cè)的思路。本文將從以下三個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)作詳細(xì)介紹。

3.1 陶瓷磚平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使用的算法

對(duì)于陶瓷磚平整度自動(dòng)檢測(cè)的算法，國(guó)家有著相當(dāng)嚴(yán)格的規(guī)定。圖1為國(guó)家關(guān)于陶瓷平整度標(biāo)準(zhǔn)算法特征分布圖。

企業(yè)生產(chǎn)對(duì)平整度的計(jì)算方法不盡相同。為適應(yīng)大工業(yè)生產(chǎn)要求，必須要簡(jiǎn)化檢測(cè)流程，通過最簡(jiǎn)便的方式對(duì)陶瓷磚進(jìn)行檢測(cè)。通過測(cè)量邊直度來對(duì)陶瓷磚進(jìn)行檢測(cè)，這一方法簡(jiǎn)便有效，切實(shí)可行，但是存在一個(gè)最大的問題，即無法進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

因此，為了切實(shí)有效進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，使該系統(tǒng)能夠結(jié)合國(guó)家算法以及工業(yè)生產(chǎn)兩方面的要求，對(duì)陶瓷磚進(jìn)行平整度檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，這種檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的精密度以及實(shí)用性。該系統(tǒng)需要計(jì)算陶瓷磚以下三方面內(nèi)容。

（1）邊彎曲度。在陶瓷產(chǎn)品的某一條邊線上，隨機(jī)確定中間三個(gè)點(diǎn)，然后分別計(jì)算此三個(gè)點(diǎn)到這一條邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的直線距離，再?gòu)倪@三個(gè)數(shù)值中選取最大值，這個(gè)最大值就是邊彎曲度。如以一條名為AC的邊為例，AC邊的彎曲度則是指其中間M、N、F三個(gè)點(diǎn)在整個(gè)立體空間中到AC邊的直線距離，這里面最大的數(shù)值便是AC邊的邊彎曲度。其計(jì)算公式為：

通過公式（1）可計(jì)算M、N、F三個(gè)點(diǎn)到AC邊的距離。

（2）中心彎曲度。相比于邊彎曲度，中心彎曲度稍微復(fù)雜些。通過計(jì)算中線的三個(gè)點(diǎn)到直線的距離，取三個(gè)點(diǎn)到直線的最大值，根據(jù)公式（2）計(jì)算中心彎曲度：

（3）對(duì)角彎曲度。在陶瓷所組成的平面上面找到兩條對(duì)角線，通過確定對(duì)角線上中間三個(gè)點(diǎn)分別到某一個(gè)邊的兩個(gè)端點(diǎn)的距離，再?gòu)闹羞x取最大值作為對(duì)角彎曲度。其計(jì)算公式與計(jì)算中心彎曲度一致。

在設(shè)計(jì)陶瓷磚平整度檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，除了計(jì)算這三個(gè)量外，還需將一些常量排除在計(jì)算之外。這些量包括生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差、外界干擾因素等。作為自動(dòng)系統(tǒng)，通過引入數(shù)字濾波的方式來減少誤差，因此，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，更多地考慮如何安裝傳感器來盡量減小誤差。

3.2 陶瓷磚平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需配置的硬件

陶瓷磚平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)備的配備需考慮該系統(tǒng)的整體工作環(huán)節(jié)。平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出，要完成自動(dòng)檢測(cè)，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等環(huán)節(jié)。而相比于其他實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，此系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)據(jù)采集，其工作原理如圖3所示。

從圖3可以看出，通過5個(gè)位移傳感器對(duì)陶瓷表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)后分別傳給電磁開關(guān)，5個(gè)位移傳感器采集5路信息，轉(zhuǎn)化的模擬信號(hào)也是5路。而經(jīng)過電磁開關(guān)時(shí)，則選擇其中一路傳遞，將選擇好的模擬信號(hào)傳遞到A/D 轉(zhuǎn)換器。通過轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給微控制器，即單片機(jī)。單片機(jī)再將信號(hào)傳遞給電腦進(jìn)行分析處理。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，所有的控制信號(hào)都是通過微控制器發(fā)出的。

因此，對(duì)于該系統(tǒng)來說，必須要對(duì)位移傳感器、電磁開關(guān)、A/D 轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)進(jìn)行硬件選擇。

（1）位移傳感器的選擇。目前，最為常見的位移傳感器有兩種：容柵位移傳感器和激光位移傳感器。前者有著優(yōu)良的性能，但缺點(diǎn)也非常明顯。相比而言，激光位移傳感器的性能較為穩(wěn)定，尤其是在測(cè)量距離以及測(cè)量厚度等方面有著非常卓越的性能，因此該系統(tǒng)選擇使用激光位移傳感器。為了使該系統(tǒng)內(nèi)部兼容性能更佳，宜采用中心線高度為50 mm，測(cè)量范圍為±10 mm，分辨率為5 μm的激光位移傳感器。通過查詢發(fā)現(xiàn)CD33這一型號(hào)的傳感器最為適合，且自帶模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種輸出端口[5]。

（2）電磁開關(guān)的選擇。電磁開關(guān)是對(duì)5路模擬信號(hào)進(jìn)行選擇，然后將選擇好的模擬信號(hào)傳遞給A/D轉(zhuǎn)化器的元件。在該系統(tǒng)中選擇使用的是MAX4624元件。這一元件可以在低工作電壓以及低導(dǎo)通電阻的工作環(huán)境下進(jìn)行工作，還可以采用單電源供電，具有開關(guān)速度快，能夠進(jìn)行過流保護(hù)等功能。

（3）A/D轉(zhuǎn)化器的選擇。A/D轉(zhuǎn)化器作為該系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的功能。在選擇轉(zhuǎn)化器時(shí)，需要考慮分辨率、轉(zhuǎn)換誤差率以及轉(zhuǎn)換時(shí)間三方面要素。本系統(tǒng)使用的是16位的A/D轉(zhuǎn)換器TLC4545，這一元件極大地提高了轉(zhuǎn)化的精度。這是一種高性能、低功耗的元件，通過5V單電源供電，采樣速度可以達(dá)到200 ksps。

（4）微控制器的選擇。作為數(shù)據(jù)采集中重要的控制系統(tǒng)，微控制器決定了整個(gè)系統(tǒng)是否可以正常工作。本系統(tǒng)中使用的單片機(jī)型號(hào)為 ATmega88，這一微控制器有著強(qiáng)大的指令集以及指令執(zhí)行時(shí)間，從而極大地提升了代碼執(zhí)行的效率，其數(shù)據(jù)吞吐率甚至可以達(dá)到1MIPS/MHz[4]。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)處理速度快、處理時(shí)間短的要求，還能夠提升數(shù)據(jù)采集的精度以及準(zhǔn)確性。

3.3 陶瓷磚平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需結(jié)合的軟件

陶瓷磚平整度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)還需結(jié)合各類軟件才能正常工作。該系統(tǒng)軟件工作的總體流程如圖4所示[3]。

為了完成整體工作，需要對(duì)一些軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。

（1） 串行通信軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)使用的串行通信軟件系統(tǒng)是通過API來實(shí)現(xiàn)的。其工作流程是將A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)傳遞給PC，PC在接收到串行信號(hào)后，發(fā)出相關(guān)指令進(jìn)行處理。

（2） 濾波算法軟件的設(shè)計(jì)。對(duì)濾波算法軟件設(shè)計(jì)的原理如圖5所示。

通過分析圖5可知，當(dāng)程序接收到PC發(fā)出來的濾波命令之后，開始進(jìn)入濾波算法程序，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，從而減小數(shù)據(jù)誤差，排除錯(cuò)誤，提高精度。

（3）平整度計(jì)算軟件設(shè)計(jì)。平整度計(jì)算軟件設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

其它諸如人機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì)、多路程實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)等，大都有其他機(jī)器可以參考，并無太大困難。

4 結(jié)語

本文介紹了陶瓷磚平整度檢測(cè)系統(tǒng)的原理，以及各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)硬件及軟件的選擇設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)及大工業(yè)生產(chǎn)需要，可提升檢測(cè)精度以及檢測(cè)效率，對(duì)于促進(jìn)瓷磚生產(chǎn)有著重要作用。

參考文獻(xiàn)

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