鋼化玻璃碎片快速檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

邴智剛(浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)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(cè)集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州 310018)

鋼化玻璃碎片快速檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

邴智剛(浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)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(cè)集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州 310018)

鋼化玻璃碎片快速檢測(cè)裝置，是依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對(duì)鋼化玻璃碎片狀態(tài)的智能化檢測(cè)設(shè)計(jì)制造的。該檢測(cè)裝置由圖像檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)械控制系統(tǒng)兩部分組成，其中圖像檢測(cè)系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)CCD與圖像處理軟件組成，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確穩(wěn)定的碎片數(shù)量計(jì)算；機(jī)械控制系統(tǒng)由PLC與觸模屏組成，實(shí)現(xiàn)了高性能的有效控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

鋼化玻璃；碎片檢測(cè)；圖像處理；機(jī)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(diǎn)是在玻璃表面形成壓應(yīng)力層，機(jī)械強(qiáng)度和耐熱沖擊強(qiáng)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?yàn)槠鋬?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(yàn)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(duì)人體的傷害.因?yàn)殇摶Ａг谟龀瑥?qiáng)沖擊破壞時(shí)，碎片呈分散細(xì)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(yàn)以獲知結(jié)果。

碎片狀態(tài)試驗(yàn)是力學(xué)性能檢驗(yàn)的一項(xiàng)內(nèi)容，試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱嗽u(píng)價(jià)安全玻璃破碎時(shí)碎片引起傷害的可能性。依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)中，欲檢驗(yàn)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(yàn)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(shí)間一長(zhǎng)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(yàn)過程不僅消耗時(shí)間多，還容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，影響檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，檢測(cè)人員在擊碎玻璃時(shí)容易引起玻璃飛濺，造成身體損傷。

本文設(shè)計(jì)切實(shí)可行的玻璃碎片快速檢測(cè)系統(tǒng)裝置，將計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)應(yīng)用于安全玻璃的質(zhì)量檢驗(yàn)中，通過自動(dòng)檢測(cè)和圖像采集設(shè)備，得到試驗(yàn)后的安全玻璃碎片數(shù)量，能夠提高檢驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性，確保檢驗(yàn)安全性，切實(shí)提高檢驗(yàn)的自動(dòng)化程度。

1 檢測(cè)裝置工作原理與功能實(shí)現(xiàn)

1.1 工作原理

本文設(shè)計(jì)的玻璃碎片快速檢測(cè)裝置分為兩個(gè)部分，一個(gè)是基于PLC和觸摸屏的機(jī)械控制平臺(tái)，另一個(gè)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(cè)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(dòng)沖擊錘按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求敲擊玻璃，使其破碎，實(shí)現(xiàn)多厚度，多尺寸，多形狀玻璃的敲擊測(cè)試；與此同時(shí)，在沖擊后10s后且3min內(nèi)使用工業(yè)CCD相機(jī)，在藍(lán)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(jī)支撐架可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域隨機(jī)選取50mm×50mm檢測(cè)圖像。原始圖像選取后進(jìn)行基于CG的玻璃碎片圖像處理系統(tǒng)的計(jì)算，獲得最后的測(cè)量目標(biāo)數(shù)據(jù)。此外，為方便收集玻璃碎片，盡快進(jìn)行下一輪試驗(yàn)，還特別將玻璃支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)成可旋轉(zhuǎn)式并增加了廢玻璃收集推車，只需按動(dòng)旋轉(zhuǎn)按鈕，即可自動(dòng)完成廢玻璃收集。裝置的機(jī)械控制平臺(tái)采用在人機(jī)互動(dòng)界面，可實(shí)時(shí)查看和參數(shù)設(shè)置；玻璃圖像處理平臺(tái)采用工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，裝置實(shí)物如圖2所示。

1.2 功能的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求、結(jié)合玻璃碎片試驗(yàn)實(shí)際檢測(cè)過程，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(fù)雜網(wǎng)狀的圖像采集方案，利用藍(lán)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(jī)（CCD）實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有采集速率高、實(shí)時(shí)性能好，操作簡(jiǎn)單、使用方便，工作穩(wěn)定、可靠，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；

(3)提出一種適用于玻璃碎片復(fù)雜網(wǎng)狀圖像的基于邊緣檢測(cè)的圖像分割方法，有機(jī)地結(jié)合邊緣檢測(cè)、區(qū)域生長(zhǎng)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(xì)玻璃碎片復(fù)雜網(wǎng)狀圖像分割方法，能精確刻畫出碎片縫隙線，并有機(jī)結(jié)合圖像映射，與原始圖像對(duì)比分析碎片識(shí)別結(jié)果；

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

圖2 裝置實(shí)物圖

2 基于PLC和觸摸屏的機(jī)械控制平臺(tái)

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(jī)械功能設(shè)計(jì).并滿足快速、高效、穩(wěn)定的試驗(yàn)特性要求，下面從軟硬件等方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

2.1 藍(lán)光背景設(shè)計(jì)

由于玻璃具有較強(qiáng)的透光特性和較強(qiáng)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(cè)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(shí)，裂紋是無規(guī)則的，有時(shí)甚至在厚度方向上是成角度開裂的，采集圖片時(shí)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(diǎn)之一。本文采用藍(lán)光背景圖像采集方式，有效的解決上述問題。藍(lán)光背景結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，為達(dá)到最佳效果，本文采用了雙藍(lán)光結(jié)構(gòu)，實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 藍(lán)光背景結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 裝置雙藍(lán)光結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2.2 PLC系統(tǒng)[2-5]

本機(jī)械控制平臺(tái)采用Siemens S7-200和威綸通觸摸屏組成的系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng)的電動(dòng)閥、電磁閥、電動(dòng)機(jī)和壓力控制器等執(zhí)行機(jī)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(chǎng)的溫度和壓力信號(hào)，信號(hào)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(shí)時(shí)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(jìn)行設(shè)置，觸摸屏給PLC發(fā)送指令，以控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)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(gè)RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換線。控制系統(tǒng)的組成如圖5所示，人機(jī)操作界面如圖6所示。

圖5 控制系統(tǒng)的組成

圖6 人機(jī)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(cè)和識(shí)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(dá)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(cè)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(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)登錄頁(yè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 系統(tǒng)登錄頁(yè)面

圖8 軟件處理流程

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取10組玻璃進(jìn)行碎片狀態(tài)試驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,詳細(xì)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(cè)受到一定影響，使實(shí)際碎片數(shù)與檢測(cè)出的碎片數(shù)存在允許范圍內(nèi)的誤差。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，本裝置對(duì)碎片狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)平均正確率為96.7%，對(duì)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(jì)的由玻璃碎片操作平臺(tái)、移動(dòng)裝置、圖像采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)等組成的玻璃碎片快速綜合檢測(cè)裝置，研制投產(chǎn)至今，已對(duì)100多個(gè)批次玻璃的碎片狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)際運(yùn)行表明該裝置不但提高玻璃檢測(cè)效率而且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了安全玻璃標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于碎片狀態(tài)檢測(cè)的市場(chǎng)需求。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 15763.2-2005建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃[s]北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2005

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