陶瓷磚平整度在線檢測裝置校準方法的研究

李雪瑩

摘 要：為解決測量陶瓷相關設備制造廠和陶瓷生產廠非接觸式陶瓷磚平整度在線檢測裝置問題，提出一種簡單可行且準確度高的測試方案。分別選用激光干涉儀測量在線檢測裝置的導軌直線度誤差，選用自主研制的多功能升降臺校準試驗裝置測量非接觸式光學測距儀的線性度。通過與以大理石標準板為標準測量在線檢測裝置直線度的方法比較表明：用激光干涉儀和多功能升降臺校準試驗裝置測量陶瓷磚平整度在線檢測裝置的方法更加滿足陶瓷設備制造廠和陶瓷生產廠的生產要求，可靠性和可行性較高，為陶瓷行業提供有價值的參考。

關鍵詞：計量學；非接觸式陶瓷磚平整度在線檢測裝置；直線度；線性度

1 前言

隨著技術進步和市場需要的變化，陶瓷磚的規格越來越大，數量也越來越多，為了智能化和數字化管理，非接觸式陶瓷磚平整度在線檢測裝置（以下簡稱“陶瓷磚在線檢測裝置”）像雨后春筍般應運而生。目前還沒有可靠的針對大規格陶瓷磚在線檢測裝置的校準方式。小規格陶瓷磚在線檢測裝置主要采用陶瓷參考磚法進行自校準，人工使用塞尺對陶瓷參考磚生產線上一塊磚進行平面度測試后，使線檢測裝置的測量值和人工測試值相比較，測試在線檢測裝置的相對準確性。事實上，由于陶瓷參考磚有底紋不平，支撐平臺不平，容易發生變形等特點，在測量過程中不可避免發生數據漂動，測量穩定性較差，尤其對于大規格的陶瓷磚，會產生較大的測量誤差。

陶瓷磚在線檢測裝置主要由運動導軌、滑塊、非接觸式光學測距儀（以下簡稱“測距儀”）及固定塊、傳送帶等組成（如圖1），測距儀安裝在運動導軌上的滑塊處，整體主要靠滑塊運動帶動測距儀往返運動，測距儀感應通過運送帶運輸的陶瓷磚，對陶瓷磚的幾何參數進行全尺寸測量，陶瓷磚在線檢測裝置上運動導軌不斷運動產生的自身研磨受損以及地基不牢固原因和測距儀的本身精度等綜合問題，會對生產的陶瓷磚檢測帶來直接的影響。而檢測陶瓷磚時，理論上要達到幾何誤差與變形誤差為零，所以在線運動導軌的直線度和測距儀的線性度是衡量陶瓷磚在線檢測裝置準確度的一個重要指標。

本文針對陶瓷磚在線檢測裝置，激光干涉儀直線度組件測量在線運動導軌的直線度，采用設計研制的多功能升降臺校準試驗裝置測量測距儀的線性度，來研究是否能有效測量陶瓷磚在線檢測裝置的技術特征。

2? 測量原理

直線度測量是通過檢測干涉鏡和反射鏡的相對橫向位移引起的光程差來實現的，直線度測量可在水平面或垂直面內進行，它取決于直線度干涉鏡和直線度反射鏡的定位方向。激光頭的輸出光束穿過直線度干涉鏡后，被分裂成兩束夾角較小的光束，經過直線度反射鏡反射后沿一條新的光路返回到直線度干涉鏡，這兩束光束在直線度干涉鏡處匯合成一束光束，并返回激光頭的回光孔，如圖2所示。

線性度是描述傳感器靜態特性的一個重要指標，以被測輸入量處于穩定狀態為前提，傳感器校準曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比，稱為線性度（又稱為“非線性誤差”），該值越小，表明線性特性越好。擬合直線是一條通過一定方法繪制出來的直線，求擬合直線的方法有：端基法、最小二乘法等等。

3? 實驗及分析

傳統校準方法我們使用直接測量法。大規格陶瓷磚平整度在線檢測裝置大部分是由運輸帶將被測陶瓷板運輸到在線檢測裝置下方進行測試，因測距儀有距離限制，一般在線檢測裝置的行架安裝位置不會太高，離輸送帶高度為120mm，測距儀有效測距位置為±30mm，則傳輸的樣品厚度不能超過25mm。如選用尺寸大的大理石標準板，為了保證大理石標準板的平面平整其厚度則會超過25mm。根據實際情況分析，我們選用多塊尺寸為800mm×800mm大理石標準板以拼接平面的形式測量在線檢測裝置。

本文介紹的方式，基于陶瓷磚檢測設備的特性進行分析研究，對主要影響陶瓷磚在線檢測裝置的運動導軌和測距儀進行分析。

3.1激光干涉儀測量陶瓷磚在線檢測裝置中運動導軌的方法與數據分析

測量前，選擇相對平整的地面，將激光頭安裝在三腳架上，連接電源，開啟XL-80激光頭，使其預熱，一般預熱需要5分鐘，直到激光頭頭部五個并排的指示燈依次熄滅四個，尾部的燈成綠色，確定光路，將用于測量直線度的匯聚透鏡放在導軌上，固定測量直線度的專用反射鏡（如圖3）。測量時，校準激光干涉儀的平行光束，消除斜率誤差，測量水平直線度，均勻取5個測量點共測量6次，并記錄數據。計算每個點測量6次測量值的算術平均值，并在坐標軸上畫出，用折線連接。測量后，分析測量結果，判斷直線度是否滿足陶瓷磚在線檢測裝置±0.02mm的要求。

實驗結果顯示，直線度測量值的重復性較好。以陶瓷磚在線檢測裝置1米運動導軌，均勻間隔5個測量點測量，共6次測量的直線度擬合直線曲線，具體測量結果以圖4為例：

3.2 多功能升降臺校準試驗裝置測量陶瓷磚在線檢測裝置中測距儀的線性度的方法與數據分析

多功能升降臺校準試驗裝置主要由高精度光柵尺讀數頭、水平臺、升降結構平臺、色彩標準板、剛性結構等部分組成（見圖5）。其工作原理是：色彩標準板置于水平臺上，通過升高升降臺，光柵尺的位移和測距儀的讀數比較得出示值誤差，從而測量在線監測裝置上的直線度。

測量前，將多功能升降臺校準試驗裝置放置在陶瓷磚平整度檢測裝置平臺上，調節升降臺的水平泡令升降臺裝置水平，保證測頭垂直于多功能升降臺校準試驗裝置表面。測量時，將測距儀和升降臺上的光柵尺置零，通過電動升降臺的Z 軸移動，使高度升高1mm（測量分辨力為0.01mm的位移傳感器時則升高0.01mm），記取多功能升降臺校準試驗裝置上光柵尺的理論值和測距儀的測量值，如此反復直至總高度至10mm，將多功能升降臺試驗裝置上光柵尺的讀數記作hi，激光位移傳感器的顯示值為li。測量過程如圖6：

測距儀使用的是650nm的紅色半導體激光，對陶瓷磚表面反射系數有一定的要求，鋼制量塊的工作面是平面度要求很高很亮的鏡面，則接受漫反射的CCD端成像光很少，所以鏡面會在一定程度上影響測量結果。基于此，分別在多功能升降臺校準試驗裝置的升降臺上放置黑色鏡面、白色鏡面、黑色非鏡面、白色非鏡面的標準陶瓷板，測量不同陶瓷磚板對非接觸式光學測距儀的線性度的影響，測量數據如表1.

由以上數據分析，不同色彩的陶瓷磚板對于非接觸式光學測距儀的測量有一定的影響，但測量誤差不超過陶瓷磚在線檢測裝置±0.05mm的要求。整合成線性回歸方程及回歸方程相關系數R2=0.6，該數值較為接近1，表明線性度較好。可見，用多功能升降臺校準試驗裝置測量陶瓷磚在線檢測裝置中測距儀的線性度的方法有效（線性度圖見圖7）。

4 方法比較

為測量檢測（3200mm×1600）mm陶瓷磚的在線檢測裝置，現選用4片（800mm×800）mm的大理石標準板和激光干涉儀、多功能升降臺校準試驗裝置分別作測量比較。

把4片大理石標準板拼接后調平構筑標準平面放置在陶瓷磚在線檢測裝置運輸帶上，用電子水平儀對大理石標準板進行水平方向的直線度測量，利用最小二乘法評定后得到拼接大理石標準板的直線度值（忽略接縫）為0.012mm，再用陶瓷標準磚測量陶瓷磚在線檢測裝置，其平整度綜合誤差為0.035mm。

用激光干涉儀測量陶瓷磚在線檢測裝置的運動部件運動狀態下直線度，其直線度值為0.022mm；用多功能升降臺校準試驗裝置測量測距儀，其線性度為0.02%，說明測距儀符合要求，運動導軌直線度0.022mm有效。

比較兩種方式測得的直線度結果一致。結果表明，用激光干涉儀和多功能升降臺校準試驗裝置測量陶瓷磚平整度在線檢測裝置的方法是可行的。有效避免現場整體拆卸的繁瑣工序，又節約了校準時間問題，多標準板拼接難度大，非常容易引入誤差。本方法解決了現時1.2m及以上的陶瓷大板在線檢測裝置的校準問題，滿足了客戶要求現場測量需求，且標準器裝置也能有效溯源。

5 結 論

本文從陶瓷磚在線檢測設備的組成結構分析出影響性能要求的主要是運動導軌和測距儀，提出了用激光干涉儀和多功能升降臺校準試驗裝置綜合測量陶瓷磚在線檢測設備測量平整度，對比用陶瓷標準板測量陶瓷磚在線檢測設備的平整度的測量結果，表明本文提出的校準方法更加滿足陶瓷設備制造廠和陶瓷生產廠的的生產要求，可靠性和可行性較高，為陶瓷行業提高有價值的參考。

參考文獻

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