鋼化玻璃碎片快速檢測裝置的設(shè)計及試驗

邴智剛(浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江杭州 310018）

吳淳杰陳鋒李威霖董晨晨（浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江杭州 310018)

鋼化玻璃碎片快速檢測裝置的設(shè)計及試驗

邴智剛(浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江杭州 310018）

吳淳杰陳鋒李威霖董晨晨（浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江杭州 310018)

鋼化玻璃碎片快速檢測裝置，是依據(jù)中華人民共和國國家標準GB 15763.2-2005《建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》第5.6條中的規(guī)定，實現(xiàn)對鋼化玻璃碎片狀態(tài)的智能化檢測設(shè)計制造的。該檢測裝置由圖像檢測系統(tǒng)和機械控制系統(tǒng)兩部分組成，其中圖像檢測系統(tǒng)由工業(yè)相機CCD與圖像處理軟件組成，實現(xiàn)了準確穩(wěn)定的碎片數(shù)量計算；機械控制系統(tǒng)由PLC與觸模屏組成，實現(xiàn)了高性能的有效控制。試驗結(jié)果表明，該裝置操作方便，運行穩(wěn)定、可靠，測試數(shù)據(jù)準確。

鋼化玻璃；碎片檢測；圖像處理；機械控制

鋼化玻璃是一種經(jīng)熱處理工藝之后的玻璃，其特點是在玻璃表面形成壓應(yīng)力層，機械強度和耐熱沖擊強度得到很好的提高，并具有特殊的碎片狀態(tài)。鋼化玻璃正因為其優(yōu)良性能正越來越多地應(yīng)用在建筑工程、交通工具、生活起居、生產(chǎn)科研等不同的領(lǐng)域。鋼化玻璃屬于安全玻璃，其安全性十分重要，因此檢驗玻璃的性能就顯得越來越重要。

鋼化玻璃的安全性最主要還是表現(xiàn)在降低了對人體的傷害.因為鋼化玻璃在遇超強沖擊破壞時，碎片呈分散細小顆粒狀，無尖銳棱角。這種特性產(chǎn)生的核心是應(yīng)力是否分布均勻，是衡量玻璃安全性的參考特性。鋼化玻璃整體應(yīng)力分布均勻性需用碎片試驗以獲知結(jié)果。

碎片狀態(tài)試驗是力學性能檢驗的一項內(nèi)容，試驗目的是為了評價安全玻璃破碎時碎片引起傷害的可能性。依據(jù)中華人民共和國國家標準GB 15763.2-2005《建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》[1]第5.6條中的規(guī)定，在碎片狀態(tài)試驗中，欲檢驗破碎后符合要求的50mm×50mm正方形內(nèi)碎片的數(shù)量和形狀，其中碎片的數(shù)量介于40～200塊之間，每塊碎片的面積大約介于0.0625～0.625cm2之間，目前這些檢驗數(shù)據(jù)的觀察和讀取全部由人工完成。人眼觀察如此小的玻璃碎片，時間一長很容易疲勞，且容易受性格、情緒、視力等多方面因素的影響，因此人工檢驗過程不僅消耗時間多，還容易產(chǎn)生錯誤，影響檢驗結(jié)果的準確性。此外，檢測人員在擊碎玻璃時容易引起玻璃飛濺，造成身體損傷。

本文設(shè)計切實可行的玻璃碎片快速檢測系統(tǒng)裝置，將計算機圖像處理技術(shù)應(yīng)用于安全玻璃的質(zhì)量檢驗中，通過自動檢測和圖像采集設(shè)備，得到試驗后的安全玻璃碎片數(shù)量，能夠提高檢驗效率和準確性，確保檢驗安全性，切實提高檢驗的自動化程度。

1 檢測裝置工作原理與功能實現(xiàn)

1.1 工作原理

本文設(shè)計的玻璃碎片快速檢測裝置分為兩個部分，一個是基于PLC和觸摸屏的機械控制平臺，另一個是基于CG的玻璃碎片圖像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)控制流程框圖如圖1所示。其工作原理：測試玻璃固定在可變固定結(jié)構(gòu)支架上，電磁閥控制氣缸帶動沖擊錘按國家標準要求敲擊玻璃，使其破碎，實現(xiàn)多厚度，多尺寸，多形狀玻璃的敲擊測試；與此同時，在沖擊后10s后且3min內(nèi)使用工業(yè)CCD相機，在藍光背景下采集碎片圖像得到原始碎片彩色照片，工業(yè)CCD相機支撐架可實現(xiàn)三軸聯(lián)動，實現(xiàn)全區(qū)域隨機選取50mm×50mm檢測圖像。原始圖像選取后進行基于CG的玻璃碎片圖像處理系統(tǒng)的計算，獲得最后的測量目標數(shù)據(jù)。此外，為方便收集玻璃碎片，盡快進行下一輪試驗，還特別將玻璃支撐平臺設(shè)計成可旋轉(zhuǎn)式并增加了廢玻璃收集推車，只需按動旋轉(zhuǎn)按鈕，即可自動完成廢玻璃收集。裝置的機械控制平臺采用在人機互動界面，可實時查看和參數(shù)設(shè)置；玻璃圖像處理平臺采用工控機進行數(shù)據(jù)處理，裝置實物如圖2所示。

1.2 功能的實現(xiàn)

依據(jù)標準要求、結(jié)合玻璃碎片試驗實際檢測過程，通過機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，該玻璃碎片快速處理裝置主要實現(xiàn)了以下5大功能：

(1)提出一種適合獲取清晰玻璃碎片復雜網(wǎng)狀的圖像采集方案，利用藍色底部背光源，能有效避免玻璃透光與反射等特性引起的圖像干擾，獲得縫隙線明確的圖像；

(2)建立一套工業(yè)相機（CCD）實時采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有采集速率高、實時性能好，操作簡單、使用方便，工作穩(wěn)定、可靠，可擴展性強等優(yōu)點；

(3)提出一種適用于玻璃碎片復雜網(wǎng)狀圖像的基于邊緣檢測的圖像分割方法，有機地結(jié)合邊緣檢測、區(qū)域生長和圖像分割算法；

(4)提出一種基于灰度重建和分水嶺變換算法的精細玻璃碎片復雜網(wǎng)狀圖像分割方法，能精確刻畫出碎片縫隙線，并有機結(jié)合圖像映射，與原始圖像對比分析碎片識別結(jié)果；

(5)搭建一套由玻璃碎片操作平臺、移動裝置、圖像采集系統(tǒng)、計算機處理系統(tǒng)等組成的玻璃碎片快速綜合檢測裝置，并具有測量數(shù)據(jù)顯示、自動保存、自動出報告等功能，方便讀取調(diào)用，可接打印機。

圖2 裝置實物圖

2 基于PLC和觸摸屏的機械控制平臺

依GB 15763.2-2005《建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》第5.6條中的規(guī)定，結(jié)合裝置的機械功能設(shè)計.并滿足快速、高效、穩(wěn)定的試驗特性要求，下面從軟硬件等方面進行簡單的介紹。

2.1 藍光背景設(shè)計

由于玻璃具有較強的透光特性和較強的反光特性，因此獲得清晰無干擾的玻璃碎片圖像比較困難。再者，需檢測各類不同的玻璃，它們厚度不同、色差不同、透光率也不盡相同，這都增加了清晰圖像獲取的難度。此外，玻璃破碎開裂時，裂紋是無規(guī)則的，有時甚至在厚度方向上是成角度開裂的，采集圖片時容易形成影像重疊，探索有效避免影像重疊干擾的圖像獲取方式是研究熱點之一。本文采用藍光背景圖像采集方式，有效的解決上述問題。藍光背景結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，為達到最佳效果，本文采用了雙藍光結(jié)構(gòu)，實物圖如圖4所示。

圖3 藍光背景結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 裝置雙藍光結(jié)構(gòu)實物圖

2.2 PLC系統(tǒng)[2-5]

本機械控制平臺采用Siemens S7-200和威綸通觸摸屏組成的系統(tǒng)控制現(xiàn)場的電動閥、電磁閥、電動機和壓力控制器等執(zhí)行機構(gòu)。S7-200通過模擬量輸入模塊和溫度、壓力傳感器采集現(xiàn)場的溫度和壓力信號，信號通過PLC上的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)值變換傳送到觸摸屏上，觸摸屏顯示實時的溫度值、壓力值、溫度曲線、壓力曲線和PID曲線；且PID參數(shù)可以通過觸摸屏進行設(shè)置，觸摸屏給PLC發(fā)送指令，以控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)。由于PLC接口為RS-485,觸摸屏接口為RS-232,因此，需要增加一個RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換線?？刂葡到y(tǒng)的組成如圖5所示，人機操作界面如圖6所示。

圖5 控制系統(tǒng)的組成

圖6 人機操作界面

3 基于CG的玻璃碎片圖像處理系統(tǒng)

將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于玻璃碎片的檢測和識別[6-7]中，主要是為了得到玻璃碎片的形狀、大小和數(shù)量。欲達到這一目的，最重要的也是最首要的任務(wù)是要描繪出圖像中玻璃碎片的縫隙線，然后根據(jù)檢測到的玻璃碎片的縫隙線，來決定碎片的數(shù)量、最大塊碎片的形狀等信息。本系統(tǒng)的軟件編程部分是基于VC++6.0實現(xiàn)的，系統(tǒng)登錄頁面如圖7所示，其軟件處理流程如圖8所示。

表1 碎片狀態(tài)實驗數(shù)據(jù)

圖7 系統(tǒng)登錄頁面

圖8 軟件處理流程

4 試驗結(jié)果分析

選取10組玻璃進行碎片狀態(tài)試驗，并進行實驗分析,詳細數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出，裝置受到環(huán)境及玻璃特性的影響，圖像碎片數(shù)的檢測受到一定影響，使實際碎片數(shù)與檢測出的碎片數(shù)存在允許范圍內(nèi)的誤差。統(tǒng)計結(jié)果表明，本裝置對碎片狀態(tài)試驗結(jié)果檢驗平均正確率為96.7%，對產(chǎn)品的質(zhì)量判斷與人工判斷相一致，正確率為100%。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的由玻璃碎片操作平臺、移動裝置、圖像采集系統(tǒng)、計算機圖像處理系統(tǒng)等組成的玻璃碎片快速綜合檢測裝置，研制投產(chǎn)至今，已對100多個批次玻璃的碎片狀態(tài)指標進行了檢測，實際運行表明該裝置不但提高玻璃檢測效率而且運行穩(wěn)定、可靠，達到設(shè)計要求，滿足了安全玻璃標準中關(guān)于碎片狀態(tài)檢測的市場需求。

[1]中華人民共和國國家標準.GB 15763.2-2005建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃[s]北京：中國標準出版社.2005

[2]張萬忠.電器與PLC控制技術(shù)[M]北京：化學工業(yè)出版社.2003

[3]齊從謙,王士蘭.PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社.2001

[4]劉文生.PLC與觸摸屏的綜合應(yīng)用[J].遼寧師專學報：自然科學版，2009，11(I)：87-88.

[5]俞潔，李旭芳.西門子57-200系列PIE通訊功能與應(yīng)用[J].機械工業(yè)自動化，1999，21(1)：56—58.

[6]周雪芹.安全玻璃碎片檢測與識別方法研究[D].淄博:山東理工大學,2006:32-43

[7]Bieniek A,Moga A.An efficient watershed algorithm based on connected components[J].Pattern Recognition,2000,33(3): 907～916