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关于陶瓷砖表面平整度自动检测系统的研究*陈大霖(福建省产品质量检验研究院 福州 3 5 0 0 0 2)摘 要 陶瓷砖是人们在建筑物的装饰装修中广泛使用的建筑材料。由于陶瓷砖工艺的原因,在高温烧结过程中容易产生弯曲、翘曲、扭曲等变形现象,造成陶瓷砖表面不平整,从而影响产品质量。因此为了保证产品质量,防止不合格产品流入市场,必须对陶瓷砖的表面平整度进行严格的检测和控制。笔者通过G B/T3 8 1 0.2-2 0 1 6陶瓷砖试验方法 第2部分:尺寸和表面质量的检验标准中“表面平整度”试验方法,对陶瓷砖表面平整度自动连续检测系统进行研究。关键词 陶瓷砖 表面平整度(中心弯曲度、边弯曲度、翘曲度)自动检测中图分类号:TQ 1 7 4.7 6+4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 2-2 8 7 2(2 0 2 3)0 9-0 0 4 0-0 3 按照G B/T3 8 1 0.2-2 0 1 6陶瓷砖实验方法第2部分:尺寸和表面质量的检验的规定,陶瓷砖的尺寸包括边长度、边直度、直角度、表面平整度,采用抽样方法对样品进行随机抽查检测。目前国内大部分检测机构对陶瓷砖尺寸的主要采用人工的方法检测,通过采用百分表,在陶瓷砖表面上取一些特征点测量,然后通过数值运算得到陶瓷砖表面的平整度值,调整百分表的读数到合适的起始值,取出标准板,将待测样品放在可调支撑上,对布置好的特征点进行逐一测量,最后通过计算得到陶瓷砖的平整度。根据标准规定,每检3块样品需用标准板校准一次,通过检测一个批次的陶瓷砖样品(样本量为1 0块)都需要约3h左右,检测过程不仅效率低,且对试验人员的工作强度较大。因此,开展陶瓷墙地砖表面平整度自动检测系统的研究,研制出陶瓷砖表面平整度自动连续检测试验台,能全自动对陶瓷砖实现表面平整度的自动检测,不仅能提高陶瓷砖尺寸的检测效率,而且还能大大的降低试验人员的劳动强度,这些都具有非常重要的意义。1 标准方法研究本自动检测系统根据G B/T3 8 1 0.2-2 0 1 6陶瓷砖试验方法第2部分:尺寸和表面质量的检验规定试验方法要求,并研制出符合上述标准的自动检测试验台,实现对陶瓷砖表面平整度(中心弯曲度、边弯曲度、翘曲度)等尺寸偏差的测量,标准规定内容如下:1.1 仪器(1)图1所示的仪器或其他合适的仪器,其中分度表(DC,DD,DE)分别用于测量翘曲度、中心弯曲度、边弯曲度,采用直径为5mm的支撑销(SA,SB,Sc)。(2)使用一块理想平整的金属或玻璃标准板,其厚度至少为1 0mm。1.2 试样每种类型取1 0块整砖进行测量。1.3 步骤选择尺寸合适的仪器,将相应的标准板准确的放在3个定位支撑销(SA,SB,Sc)上,每个支撑销的中心到砖边的距离为1 0mm。外部的两个分度表(DE,DC)到砖边的距离也为1 0mm。调节3个分度表(DD,DE,Dc)的读数至合适的初始值。图1 测量平整度的仪器取出标准板,将砖的釉面或合适的正面朝下置于仪器上,记录3个分度表的读数。如果是正方形砖,转04 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss (研究与开发)2 0 2 3年0 9月*作者简介:陈大霖(1 9 8 1),硕士,中级工程师;主要从事产品质量检验检测工作。动试样,每块试样得到4个测量值,每块砖重复上述步骤。如果是长方形砖,分别使用合适尺寸的仪器来测量。记录每块砖最大的中心弯曲度(DD)、边弯曲度(DE)和翘曲度(Dc),测量值精确到0.1mm。1.4 结果表示中心弯曲度以与对角线长的百分数表示。边弯曲度以百分数表示;长方形砖以与长度和宽度的百分表表示;正方形砖以与边长的百分数表示。翘曲度以与对角线长的百分数表示;有间隔凸缘的砖检验时用毫米表示。2 自动检测系统研究方向本自动检测系统基于机器视觉原理,以计算机和图像获取部件为工具,必要时以传感器作为辅助工具,以图像处理技术、图像分析技术、模式识别技术、人工智能技术为依托,处理所获取的图像信号,并从图像中获取瓷砖的表面平整度参数(包括边弯曲度、翘曲度、中心弯曲度),判别产品是否符合质量要求。主要研究方向有:(1)选择合适的光源,设计稳定的照明系统;(2)设计机械传动同步控制结构;(3)研究大幅面扫描技术、图像处理技术:采用C C D或CMO S等传感器来捕捉图像并将可视图像转化为电信号存于计算机,通过专用图像信号处理卡结合软件对获取的图像进行处理;(4)针对瓷砖生产线实际状况及国家检测标准,提出有效的系统标定方法;(5)进行信号输出与控制软件的编制;(6)对系统进行大量的重复性精度、示值精度及测量稳定性试验,并对瓷砖在线检测系统的误差来源进行了全面分析。3 自动连续检测系统的工作原理所研制的陶瓷砖表面平整度自动检测试验机主要由传动系统部分和数据及图像采集系统部分两个部分组成,其工作原理如下:将陶瓷砖放入经过校准的工作平台上,并根据陶瓷砖的规格(长宽尺寸)将数据输入控制系统,通过控制系统对步进电机进行控制,步进电机通过单轴机器人带动激光位移传感器运动,由此实现测量装置在陶瓷砖正上方实现X、Y方向的水平移动,由步进电机记录行走的X、Y尺寸并将记录的数据传入控制系统,然后由测量装置中激光位移传感器获得高度数据Z,通过控制系统特有的数据计算方式获得被测试件的综合误差,进而获取陶瓷砖的表面平整度。由高速C C D相机获得被测试件表面高清影像,获得被测试件表面质量。通过控制系统对步进电机进行控制以实现激光位移传感器在X、Y方向联合水平移动,当激光位移传感器检测到陶瓷砖时,其所获得的位移数据发生改变,通过位移数据可计算出陶瓷砖的厚度,通过在水平方向上面的连续运动可获得一系列数据,计算出其特殊点的误差。4 自动连续检测系统的组成陶瓷砖表面平整度自动检测系统,主要由传动系统、工作台面框架系统、控制系统、数据采集检测系统,这4个系统组成。4.1 传动系统传动系统由步进电机及直流电机构成,步进电机控制X、Y轴横纵坐标的传动,直流电机控制整个平台的升降。4.2 工作台面框架系统工作台面框架系统主要采用钣金喷塑,外观采用了工业设计既保证美观大方,又保证了整体强度。框架分两层,上层是测试层,有步进电机及传动机构。下层是升降层,提供平台升降功能。4.3 控制系统控制系统由上位机和下位机两个部分组成。上位机使用电脑+软件,主要完成数据采集、参数设置、数据通讯与处理记录、手动与自动控制。下位机主要由P L C模块、步进电机、激光位移传感器及相应的执行机构等组成。系统通过激光位移传感器和X/Y电机来检测瓷砖的边缘。横向上下各扫描一次,纵向左右各扫描一次,用来判断瓷砖位置。然后根据瓷砖位置,按照标准要求来测量陶瓷砖的平整度。X/Y轴电机:用于移动激光位移传感器,并且记录行程。激光位移传感器:用于检测瓷砖表面高度信息,同时也可以用来检测瓷砖边缘。14(研究与开发)2 0 2 3年0 9月 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss 1箱体;2控制系统;3脚轮装配;4工业相机;5激光位移传感器;6滑块;7直线导轨;8伺服电机;9主动轮;1 0从动轮;1 1短皮带;1 2传动齿轮;1 3传动皮带;1 4传动齿轮支座;1 5铭牌图2 陶瓷砖表面平整度自动检测系统装配图4.4 数据采集检测系统数据采集检测系统由下位机组成,主要由P L C模块、步进电机、激光位移传感器及相应的执行机构等组成;通过P L C模块对步进电机发出脉冲数进行记录从而采集激光位移传感器横纵坐标位移,同时对激光位移传感器的高度进行数据采集,反馈并计算。陶瓷砖表面平整度自动检测系统装配示意图,如图2所示。5 自动连续检测系统的主要创新点(1)使用步进电机及编码器,对于X、Y轴所走的横纵坐标进行位置数据测量和记录,其定位和测量精度较高。(2)所使用的激光尺寸传感器具有高精度和操作简便性特点,先进的光学系统及高刚性机壳,实现较高的线性精度。采用新开发的独立算法,可以有效提高其线性精度。基于彻底的反复评估算法,实现测量的高精度。(3)通过安装高清高速C C D相机和高亮L E D宽幅条形光源,由高速C C D相机获得被测试件表面高清影像,进而获得被测试件表面质量。在进行尺寸检测过程中,高速C C D相机也对激光位移传感器进行辅助测量。(4)采用先进人工智能算法,不管底面是否平整,都可以通过算法来补偿和计算,检测全过程无需人为干预,无需装夹,设备需要具有自动校准功能。(5)采用特有的数据计算方式确保检测保持高精度,可以方便快捷的对陶瓷砖尺寸数据进行全自动化精确测量。(6)对陶瓷砖表面实现全覆盖数据采集。检测过程中可以依据国家标准对陶瓷砖表面关键点进行数据采集;也可以通过全数据采集方式获得陶瓷砖表面数据变化量大的采集点数据,由此获得误差值。(7)实现对陶瓷砖进行全自动化检测,使得试验人员能够方便的进行测量。参考文献1 全国建筑卫生陶瓷标准化技术委员会.G B/T3 8 1 0.2-2 0 1 6陶瓷砖试验方法 第2部分:尺寸和表面质量的检验S.北京:中国标准出版社,2 0 1 6.24 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss (研究与开发)2 0 2 3年0 9月