陶瓷砖平整度在线检测装置校准方法的研究.pdf

80FOSHAN CERAMICS I Vol.33No.07(Serial No.324)DetectionOnline检测在线陶瓷砖平整度在线检测装置校准方法的研究李雪莹(佛山市南海区质量技术监督检测所，佛山5 2 8 2 0 0)摘要：为解决测量陶瓷相关设备制造厂和陶瓷生产厂非接触式陶瓷砖平整度在线检测装置问题，提出一种简单可行且准确度高的测试方案。分别选用激光干涉仪测量在线检测装置的导轨直线度误差，选用自主研制的多功能升降台校准试验装置测量非接触式光学测距仪的线性度。通过与以大理石标准板为标准测量在线检测装置直线度的方法比较表明：用激光干涉仪和多功能升降台校准试验装置测量陶瓷砖平整度在线检测装置的方法更加满足陶瓷设备制造厂和陶瓷生产厂的生产要求，可靠性和可行性较高，为陶瓷行业提供有价值的参考。关键词：计量学；非接触式陶瓷砖平整度在线检测装置；直线度；线性度1前言随着技术进步和市场需要的变化，陶瓷砖的规格越来越大,数量也越来越多，为了智能化和数字化管理，非接触式陶瓷砖平整度在线检测装置（以下简称“陶瓷砖在线检测装置”)像雨后春笋般应运而生。目前还没有可靠的针对大规格陶瓷砖在线检测装置的校准方式。小规格陶瓷砖在线检测装置主要采用陶瓷参考砖法进行自校准，人工使用塞尺对陶瓷参考砖生产线上一块砖进行平面度测试后，使线检测装置的测量值和人工测试值相比较,测试在线检测装置的相对准确性。事实上，由于陶瓷参考砖有底纹不平，支撑平台不平，容易发生变形等特点，在测量过程中不可避免发生数据漂动，测量稳定性较差,尤其对于大规格的陶瓷砖，会产生较大的测量误差。陶瓷砖在线检测装置主要由运动导轨、滑块、非接触式光学测距仪（以下简称“测距仪”）及固定块、传送带等组成（如图1),测距仪安装在运动导轨上的滑块处，整体主要靠滑块运动带动测距仪往返运动，测距仪感应通过运送带运输的陶瓷砖，对陶瓷砖的几何参数进行全尺寸测量，陶瓷砖在线检测装置上运动导轨不断运动产生的自身研磨受损以及地基不牢固原因和测距仪的本身精度等综合问题，会对生产的陶瓷砖检测带来直接的影响。而检测陶瓷砖时，理论上要达到几何误差与变形误差为零,所以在线运动导轨的直线度和测距仪的线性度是衡量陶瓷砖在线检测装置准确度的一个重要指标。图1陶瓷砖在线检测装置本文针对陶瓷砖在线检测装置，激光干涉仪直线度组件测量在线运动导轨的直线度，采用设计研制的多功能升降台校准试验装置测量测距仪的线性度,来研究是否能有效测量陶瓷砖在线检测装置的技术特征。2测量原理直线度测量是通过检测干涉镜和反射镜的相对横向位移引起的光程差来实现的，直线度测量可在水平面或垂直面内进行，它取决于直线度干涉镜和直线度反射镜的定位方向。激光头的输出光束穿过直线度干涉镜后，被分裂成两束夹角较小的光束,经过直线度反射镜反射后沿一条新的光路返回到直线度干涉镜，这两束光束在直线度干涉镜处汇合成一束光束，并返回激光头的回光孔,如图2 所示。作者简介：李雪莹，女（汉族），机械工程师，主要从事长度力学的计量工作。图2 测量原理2023年第7 期（第32 4期）1佛山陶瓷81线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标，以被测输入量处于稳定状态为前提，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出的百分比，称为线性度（又称为“非线性误差”）,该值越小，表明线性特性越好。拟合直线是一条通过一定方法绘制出来的直线，求拟合直线的方法有：端基法、最小二乘法等等。3实验及分析传统校准方法我们使用直接测量法。大规格陶瓷砖平整度在线检测装置大部分是由运输带将被测陶瓷板运输到在线检测装置下方进行测试，因测距仪有距离限制，一般在线检测装置的行架安装位置不会太高，离输送带高度为12 0 mm，测距仪有效测距位置为30 mm，则传输的样品厚度不能超过2 5 mm。如选用尺寸大的大理石标准板，为了保证大理石标准板的平面平整其厚度则会超过2 5 mm。根据实际情况分析，我们选用多块尺寸为800mm800mm大理石标准板以拼接平面的形式测量在线检测装置。本文介绍的方式,基于陶瓷砖检测设备的特性进行分析研究，对主要影响陶瓷砖在线检测装置的运动导轨和测距仪进行分析。3.1激光干涉仪测量陶瓷砖在线检测装置中运动导轨的方法与数据分析测量前选择相对平整的地面，将激光头安装在三脚架上，连接电源，开启XL-80激光头，使其预热，一般预热需要5 分钟，直到激光头头部五个并排的指示灯依次熄灭四个，尾部的灯成绿色，确定光路，将用于测量直线度的汇聚透镜放在导轨上，固定测量直线度的专用反射镜(如图3)。测量时,校准激光干涉仪的平行光束，消除斜率误差，测量水平直线度，均匀取5 个测量点共测量6次，并记录数据。计算每个点测量6 次测量值的算术平均值,并在坐标轴上画出，用折线连接。测量后，分析测量结果，判断直线度是否满足陶瓷砖在线检测装置土0.02mm 的要求。图3固定测量直线度的专用反射镜实验结果显示，直线度测量值的重复性较好。以陶瓷砖在线检测装置1米运动导轨，均匀间隔5 个测量点测量，共6 次测量的直线度拟合直线曲线，具体测量结果以图 4为例：201816141210864203.2多功能升降台校准试验装置测量陶瓷砖在线检测装置中测距仪的线性度的方法与数据分析多功能升降台校准试验装置主要由高精度光栅尺读数头、水平台、升降结构平台、色彩标准板、刚性结构等部分组成（见图5)。其工作原理是：色彩标准板置于水平台上，通过升高升降台，光栅尺的位移和测距仪的读数比较得出示值误差，从而测量在线监测装置上的直线度。多功能升降台校准试验装置测量前,将多功能升降台校准试验装置放置在陶瓷砖平整度检测装置平台上，调节升降台的水平泡令升降台装置水平，保证测头垂直于多功能升降台校准试验装置表面。测量时,将测距仪和升降台上的光栅尺置零，通过电动升降台的Z轴移动，使高度升高1mm（测量分辨力为0.0 1mm的位移传感器时则升高0.0 1mm），记取多功能升降台校准试验装置上光栅尺的理论值和测距仪的测量值,如此反复直至总高度至10 mm,将多功能升降台试验装置上光栅尺的读数记作hi,激光位移传感器的显示值为li。测量过程如图6：一直线度测量次数一一直线度/um23图4测量结果45682FOSHAN CERAMICS I Vol.33No.07(Serial No.324)表1测量数据线性度测量点0黑色镜面测量结果-0.00160.9984 1.99722.99703.99684.99725.99656.99627.99598.99619.99580.04(mm)白色镜面测量结果0.00051.00031.99982.99963.9993 4.9990 5.9990 6.99897.9987 8.99869.9982(mm)黑色非镜面测量结-0.00080.99791.99802.99813.9985 4.99885.99896.99867.99908.99909.99920.02果(mm)白色镜面测量结果0.00101.00102.00123.00134.0015 5.00166.00187.00208.00229.002510.0025(mm)12345678910(%)0.020.02线性度开始0.05%0.04%测距仪和升降台上的光栅尺置零测距仪感应被测品的位置自动保存测量结果并保存切换位移是否完成规定的测量次数结束图6 测量过程测距仪使用的是6 5 0 nm的红色半导体激光，对陶瓷砖表面反射系数有一定的要求,钢制量块的工作面是平面度要求很高很亮的镜面，则接受漫反射的CCD端成像光很少,所以镜面会在一定程度上影响测量结果。基于此，分别在多功能升降台校准试验装置的升降台上放置黑色镜面、白色镜面、黑色非镜面、白色非镜面的标准陶瓷板，测量不同陶瓷砖板对非接触式光学测距仪的线性度的影响,测量数据如表1.由以上数据分析,不同色彩的陶瓷砖板对于非接触式光学测距仪的测量有一定的影响，但测量误差不超过陶瓷砖在线检测装置0.0 5 mm的要求。整合成线性回归方程及回归方程相关系数R2-0.6,该数值较为接近1,表明线性度较好。可见，用多功能升降台校准试验装置测量陶瓷砖在线检测装置中测距仪的线性度的方法有效(线性度图见图7)。0.04%0.03%0.03%0.02%0.02%0.01%0.01%0.00%04方法比较为测量检测（32 0 0 mm1600)mm陶瓷砖的在线检测装置,现选用4片（8 0 0 mm800)mm的大理石标准板和激光干涉仪、多功能升降台校准试验装置分别作测量比较。把4片大理石标准板拼接后调平构筑标准平面放置在陶瓷砖在线检测装置运输带上，用电子水平仪对大理石标准板进行水平方向的直线度测量，利用最小二乘法评定后得到拼接大理石标准板的直线度值（忽略接缝)为0.0 12 mm，再用陶瓷标准砖测量陶瓷砖在线检测装置,其平整度综合误差为0.0 35 mm。用激光干涉仪测量陶瓷砖在线检测装置的运动部件运动状态下直线度，其直线度值为0.0 2 2 mm；用多功能升降台校准试验装置测量测距仪,其线性度为0.0 2%,说明测距仪符合要求，运动导轨直线度0.0 2 2 mm有效。比较两种方式测得的直线度结果一致。结果表明，用激光干涉仪和多功能升降台校准试验装置测量陶瓷砖平整度在线检测装置的方法是可行的。有效避免现场整体拆卸的繁琐工序，又节约了校准时间问题，多标准（下转第8 6 页）y=-6E-05x+0.0004R=0.6线性度线性(线性度)12图7 线性度图34586FOSHAN CERAMICS I Vol.33No.07(Serial No.324)控制等是发展的重点和方向，而自动化控制的关键就是计量技术。地方政府要积极创建计量测试技术机构(NQI）一站式测试服务中心，完善计量标准建设,重点满足企业能源计量仪器、烧结过程控制用热工仪表、陶瓷产品质量专用测量仪器的量值溯源需求。6.2加快测量能力建设，提高产业关键参数测量水平配置行业先进的测试装备，建设一流的测量环境条件,联合企业技术人员,开展测量方法的研究和应用。重点围绕关键生产环节的原料配比分析、有害元素分析、陶瓷原料膨胀系数的准确测量、产品在各种不同工作环境下的物理性能测试方法研究等产业关键领域关键参数开展工作,规范每个测量参数的测量条件、测量设备、量值溯源框图、测量原理和方法、数据处理和测量不确定度分析等,提高测量结果的准确性和一致性。6.3提供计量科技创新服务，突破产业技术瓶颈紧密结合制约产业发展技术瓶颈的计量科技创新需求,联合国家、省计量科学研究院、陶瓷研究所、国家陶瓷质检中心等研究机构和企业、政府部门、行业组织等建立产业计量科技创新平台，开展具有独立知识产权的测量装备的研制与应用工作，着力解决满足产业重点生产装备、不规则毛坏、新型产品、高档陶瓷产品和关键环节要求的专用测量系统的研制和实际应用等关键问题。6.4建立有效的运行体系，维持NQI及陶瓷行业可持续发展陶瓷产业一站式测试服务中心重点加强质量体系、创新体系、服务体系、人力资源体系、基础保障体系和发展规划体系的建设，确保中心实验室质量管理、实验室软硬件条件、专业团队人员数量和人才结构、现代服务模式、对外合作机制和计量科技创新机制等各方面健康运行，实现陶瓷行业可持续发展。7结语通过应用计量测试技术，对全生产环节进行量化统计，陶瓷生产工艺持续性改进，对生产工艺进行高精度自动化控制，对产品质量进行管控，更好地满足了时代要求。同时，围绕政府监管、产业发展和保障民生的需求，打造计量校准、检验检测、认证咨询、质量管理培训四大技术服务品牌，构建集“标准服务、计量检定校准、认证认可、检验检测、质量管理”等质量基础设施为一体的“一站式”公共平台，并依托现有平台嵌入服务，形成布局合理、实力雄厚、公正可信的国家质量基础设施“一站式”的服务体系与定位，全方位、全链条服务陶瓷产业高质量发展。1刘继武,王开放，等.建筑卫生陶瓷产业关键共性NQI技术集成与应用现状分析 J.中国建材科技，2 0 2 0,2 9(5):9 3-9 4.2刘富海,崔富义,韩磊挺,等.一种基于光刻打印技术的5 G微波陶瓷介质滤波器的研制 J.固体电子学研究与进展，2020,40(5):356-360,388.3章嵩,陈刚,王传彬,等.SPS反应烧结不同化学计量比硼-碳陶瓷 C.第十五届全国高技术陶瓷学术年会论文集.2008:1007-1009.参考文献(上接第8 2 页)板拼接难度大，非常容易引人误差。本方法解决了现时1.2m及以上的陶瓷大板在线检测装置的校准问题，满足了客户要求现场测量需求，且标准器装置也能有效溯源。5结论本文从陶瓷砖在线检测设备的组成结构分析出影响性能要求的主要是运动导轨和测距仪，提出了用激光干涉仪和多功能升降台校准试验装置综合测量陶瓷砖在线检测设备测量平整度，对比用陶瓷标准板测量陶瓷砖在线检测设备的平整度的测量结果,表明本文提出的校准方法更加满足陶瓷设备制造厂和陶瓷生产厂的的生产要求，可靠性和可行性较高，为陶瓷行业提高有价值的参考。1 雷尼绍XL-80激光干涉仪说明书.2郎圭璞.陶瓷砖几何量参数综合测量仪系统结构及校正方案设计 J.天津大学,2 0 1 7.3吴建平.一种便携式激光位移传感器校准装置.工业计量，2019,(6):34-36,41.4顾轩.基于CANopen总线的伺服触动导轨定位控制系统的研究 D.天津大学.2 0 1 7.5程亚平.多轴精密数控机床误差测量与建模研究 D.吉林,长春工业大学,2 0 1 8.参考文献