關于陶瓷磚表面平整度自動檢測系統的研究*

陳大霖

(福建省產品質量檢驗研究院 福州 350002)

按照GB/T 3810.2-2016 陶瓷磚實驗方法第2部分:尺寸和表面質量的檢驗的規定,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。目前國內大部分檢測機構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,然后通過數值運算得到陶瓷磚表面的平整度值,調整百分表的讀數到合適的起始值,取出標準板,將待測樣品放在可調支撐上,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。根據標準規定,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的研究,研制出陶瓷磚表面平整度自動連續檢測試驗臺,能全自動對陶瓷磚實現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

本自動檢測系統根據GB/T 3810.2-2016 陶瓷磚試驗方法第2部分:尺寸和表面質量的檢驗規定試驗方法要求,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,標準規定內容如下:

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。調節3個分度表(DD,DE,Dc)的讀數至合適的初始值。

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。如果是正方形磚,轉動試樣,每塊試樣得到4個測量值,每塊磚重復上述步驟。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 結果表示

中心彎曲度以與對角線長的百分數表示。

邊彎曲度以百分數表示;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表示。

翹曲度以與對角線長的百分數表示;有間隔凸緣的磚檢驗時用毫米表示。

2 自動檢測系統研究方向

本自動檢測系統基于機器視覺原理,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、圖像分析技術、模式識別技術、人工智能技術為依托,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(包括邊彎曲度、翹曲度、中心彎曲度),判別產品是否符合質量要求。主要研究方向有:

(1)選擇合適的光源,設計穩定的照明系統;

(2)設計機械傳動同步控制結構;

(3)研究大幅面掃描技術、圖像處理技術:采用CCD 或CMOS等傳感器來捕捉圖像并將可視圖像轉化為電信號存于計算機,通過專用圖像信號處理卡結合軟件對獲取的圖像進行處理;

(4)針對瓷磚生產線實際狀況及國家檢測標準,提出有效的系統標定方法;

(5)進行信號輸出與控制軟件的編制;

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

3 自動連續檢測系統的工作原理

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部分和數據及圖像采集系統部分兩個部分組成,其工作原理如下:

將陶瓷磚放入經過校準的工作平臺上,并根據陶瓷磚的規格(長寬尺寸)將數據輸入控制系統,通過控制系統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,由此實現測量裝置在陶瓷磚正上方實現X、Y 方向的水平移動,由步進電機記錄行走的X、Y 尺寸并將記錄的數據傳入控制系統,然后由測量裝置中激光位移傳感器獲得高度數據Z,通過控制系統特有的數據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量。通過控制系統對步進電機進行控制以實現激光位移傳感器在X、Y 方向聯合水平移動,當激光位移傳感器檢測到陶瓷磚時,其所獲得的位移數據發生改變,通過位移數據可計算出陶瓷磚的厚度,通過在水平方向上面的連續運動可獲得一系列數據,計算出其特殊點的誤差。

4 自動連續檢測系統的組成

陶瓷磚表面平整度自動檢測系統,主要由傳動系統、工作臺面框架系統、控制系統、數據采集檢測系統,這4個系統組成。

4.1 傳動系統

傳動系統由步進電機及直流電機構成,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

工作臺面框架系統主要采用鈑金噴塑,外觀采用了工業設計既保證美觀大方,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。下層是升降層,提供平臺升降功能。

4.3 控制系統

控制系統由上位機和下位機兩個部分組成。上位機使用電腦+軟件,主要完成數據采集、參數設置、數據通訊與處理記錄、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的執行機構等組成。

系統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 數據采集檢測系統

數據采集檢測系統由下位機組成,主要由PLC模塊、步進電機、激光位移傳感器及相應的執行機構等組成;通過PLC模塊對步進電機發出脈沖數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據采集,反饋并計算。

陶瓷磚表面平整度自動檢測系統裝配示意圖,如圖2所示。

圖2 陶瓷磚表面平整度自動檢測系統裝配圖

5 自動連續檢測系統的主要創新點

(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據測量和記錄,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,先進的光學系統及高剛性機殼,實現較高的線性精度。采用新開發的獨立算法,可以有效提高其線性精度?；趶氐椎姆磸驮u估算法,實現測量的高精度。

(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,無需裝夾,設備需要具有自動校準功能。

(5)采用特有的數據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據進行全自動化精確測量。

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

(7)實現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。