關(guān)于陶瓷磚表面平整度自動檢測系統(tǒng)的研究*

陳大霖

(福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 福州 350002)

按照GB/T 3810.2-2016 陶瓷磚實驗方法第2部分:尺寸和表面質(zhì)量的檢驗的規(guī)定,陶瓷磚的尺寸包括邊長度、邊直度、直角度、表面平整度,采用抽樣方法對樣品進行隨機抽查檢測。目前國內(nèi)大部分檢測機構(gòu)對陶瓷磚尺寸的主要采用人工的方法檢測,通過采用百分表,在陶瓷磚表面上取一些特征點測量,然后通過數(shù)值運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,取出標準板,將待測樣品放在可調(diào)支撐上,對布置好的特征點進行逐一測量,最后通過計算得到陶瓷磚的平整度。根據(jù)標準規(guī)定,每檢3塊樣品需用標準板校準一次,通過檢測一個批次的陶瓷磚樣品(樣本量為10塊)都需要約3 h左右,檢測過程不僅效率低,且對試驗人員的工作強度較大。

因此,開展陶瓷墻地磚表面平整度自動檢測系統(tǒng)的研究,研制出陶瓷磚表面平整度自動連續(xù)檢測試驗臺,能全自動對陶瓷磚實現(xiàn)表面平整度的自動檢測,不僅能提高陶瓷磚尺寸的檢測效率,而且還能大大的降低試驗人員的勞動強度,這些都具有非常重要的意義。

1 標準方法研究

本自動檢測系統(tǒng)根據(jù)GB/T 3810.2-2016 陶瓷磚試驗方法第2部分:尺寸和表面質(zhì)量的檢驗規(guī)定試驗方法要求,并研制出符合上述標準的自動檢測試驗臺,實現(xiàn)對陶瓷磚表面平整度(中心彎曲度、邊彎曲度、翹曲度)等尺寸偏差的測量,標準規(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 測量平整度的儀器

(2)使用一塊理想平整的金屬或玻璃標準板,其厚度至少為10 mm。

1.2 試樣

每種類型取10塊整磚進行測量。

1.3 步驟

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

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

1.4 結(jié)果表示

中心彎曲度以與對角線長的百分數(shù)表示。

邊彎曲度以百分數(shù)表示;長方形磚以與長度和寬度的百分表表示;正方形磚以與邊長的百分數(shù)表示。

翹曲度以與對角線長的百分數(shù)表示;有間隔凸緣的磚檢驗時用毫米表示。

2 自動檢測系統(tǒng)研究方向

本自動檢測系統(tǒng)基于機器視覺原理,以計算機和圖像獲取部件為工具,必要時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)、模式識別技術(shù)、人工智能技術(shù)為依托,處理所獲取的圖像信號,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)計穩(wěn)定的照明系統(tǒng);

(2)設(shè)計機械傳動同步控制結(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等傳感器來捕捉圖像并將可視圖像轉(zhuǎn)化為電信號存于計算機,通過專用圖像信號處理卡結(jié)合軟件對獲取的圖像進行處理;

(4)針對瓷磚生產(chǎn)線實際狀況及國家檢測標準,提出有效的系統(tǒng)標定方法;

(5)進行信號輸出與控制軟件的編制;

(6)對系統(tǒng)進行大量的重復(fù)性精度、示值精度及測量穩(wěn)定性試驗,并對瓷磚在線檢測系統(tǒng)的誤差來源進行了全面分析。

3 自動連續(xù)檢測系統(tǒng)的工作原理

所研制的陶瓷磚表面平整度自動檢測試驗機主要由傳動系統(tǒng)部分和數(shù)據(jù)及圖像采集系統(tǒng)部分兩個部分組成,其工作原理如下:

將陶瓷磚放入經(jīng)過校準的工作平臺上,并根據(jù)陶瓷磚的規(guī)格(長寬尺寸)將數(shù)據(jù)輸入控制系統(tǒng),通過控制系統(tǒng)對步進電機進行控制,步進電機通過單軸機器人帶動激光位移傳感器運動,由此實現(xiàn)測量裝置在陶瓷磚正上方實現(xiàn)X、Y 方向的水平移動,由步進電機記錄行走的X、Y 尺寸并將記錄的數(shù)據(jù)傳入控制系統(tǒng),然后由測量裝置中激光位移傳感器獲得高度數(shù)據(jù)Z,通過控制系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)計算方式獲得被測試件的綜合誤差,進而獲取陶瓷磚的表面平整度。由高速CCD 相機獲得被測試件表面高清影像,獲得被測試件表面質(zhì)量。通過控制系統(tǒng)對步進電機進行控制以實現(xiàn)激光位移傳感器在X、Y 方向聯(lián)合水平移動,當激光位移傳感器檢測到陶瓷磚時,其所獲得的位移數(shù)據(jù)發(fā)生改變,通過位移數(shù)據(jù)可計算出陶瓷磚的厚度,通過在水平方向上面的連續(xù)運動可獲得一系列數(shù)據(jù),計算出其特殊點的誤差。

4 自動連續(xù)檢測系統(tǒng)的組成

陶瓷磚表面平整度自動檢測系統(tǒng),主要由傳動系統(tǒng)、工作臺面框架系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng),這4個系統(tǒng)組成。

4.1 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)由步進電機及直流電機構(gòu)成,步進電機控制X、Y 軸橫縱坐標的傳動,直流電機控制整個平臺的升降。

4.2 工作臺面框架系統(tǒng)

工作臺面框架系統(tǒng)主要采用鈑金噴塑,外觀采用了工業(yè)設(shè)計既保證美觀大方,又保證了整體強度?？蚣芊謨蓪?上層是測試層,有步進電機及傳動機構(gòu)。下層是升降層,提供平臺升降功能。

4.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由上位機和下位機兩個部分組成。上位機使用電腦+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、手動與自動控制。下位機主要由PLC模塊、步進電機、激光位移傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)等組成。

系統(tǒng)通過激光位移傳感器和X/Y 電機來檢測瓷磚的邊緣。橫向上下各掃描一次,縱向左右各掃描一次,用來判斷瓷磚位置。然后根據(jù)瓷磚位置,按照標準要求來測量陶瓷磚的平整度。

X/Y 軸電機:用于移動激光位移傳感器,并且記錄行程。

激光位移傳感器:用于檢測瓷磚表面高度信息,同時也可以用來檢測瓷磚邊緣。

4.4 數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)由下位機組成,主要由PLC模塊、步進電機、激光位移傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)等組成;通過PLC模塊對步進電機發(fā)出脈沖數(shù)進行記錄從而采集激光位移傳感器橫縱坐標位移,同時對激光位移傳感器的高度進行數(shù)據(jù)采集,反饋并計算。

陶瓷磚表面平整度自動檢測系統(tǒng)裝配示意圖,如圖2所示。

圖2 陶瓷磚表面平整度自動檢測系統(tǒng)裝配圖

5 自動連續(xù)檢測系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點

(1)使用步進電機及編碼器,對于X、Y 軸所走的橫縱坐標進行位置數(shù)據(jù)測量和記錄,其定位和測量精度較高。

(2)所使用的激光尺寸傳感器具有高精度和操作簡便性特點,先進的光學(xué)系統(tǒng)及高剛性機殼,實現(xiàn)較高的線性精度。采用新開發(fā)的獨立算法,可以有效提高其線性精度?；趶氐椎姆磸?fù)評估算法,實現(xiàn)測量的高精度。

(3)通過安裝高清高速CCD 相機和高亮LED 寬幅條形光源,由高速CCD 相機獲得被測試件表面高清影像,進而獲得被測試件表面質(zhì)量。在進行尺寸檢測過程中,高速CCD 相機也對激光位移傳感器進行輔助測量。

(4)采用先進人工智能算法,不管底面是否平整,都可以通過算法來補償和計算,檢測全過程無需人為干預(yù),無需裝夾,設(shè)備需要具有自動校準功能。

(5)采用特有的數(shù)據(jù)計算方式確保檢測保持高精度,可以方便快捷的對陶瓷磚尺寸數(shù)據(jù)進行全自動化精確測量。

(6)對陶瓷磚表面實現(xiàn)全覆蓋數(shù)據(jù)采集。檢測過程中可以依據(jù)國家標準對陶瓷磚表面關(guān)鍵點進行數(shù)據(jù)采集;也可以通過全數(shù)據(jù)采集方式獲得陶瓷磚表面數(shù)據(jù)變化量大的采集點數(shù)據(jù),由此獲得誤差值。

(7)實現(xiàn)對陶瓷磚進行全自動化檢測,使得試驗人員能夠方便的進行測量。