1 引言
我国建筑陶瓷产业在20世纪后期得到迅猛的发展,建筑陶瓷出口量年平均增长率达20-30%,占世界陶瓷墙地砖总产量的50％以上,现在已成为世界最大的陶瓷产区,未来将是世界传统陶瓷的强大制造中心。然而,在我国建筑陶瓷产业快速发展的同时也伴随着诸多问题,就行业总体水平而言,档次偏低、技术水平不高,如何提高产品质量,与国际接轨,走向国际市场,己是摆在企业面前的重要课题。自动检测机械至今仍是我国陶瓷机械行业的一个空白,目前在大批量生产的陶瓷墙地砖中,通常都采用人工检测的方法[1]。一方面传统的人工接触式测量方法跟不上现代墙地砖加工工业的非接触测量要求,另一方面传统的离线、静态测量方法又满足不了现代加工中主动测量的实际需要,不能及时控制生产过程,在生产中经常出现因不能及时检测产品、控制流程而造成废品的情况,再者人工测量为静态和局部单点测量,存在检测速度慢、效率低等问题,检测时人为影响因素很大,如受读数、测量方法、测量习惯、量具磨损等因素影响 [2]。随着现代检测技术的发展,要求检测设备应具备速度快、精度高、稳定性强、实时自动检测等特点。因此,研制适合我国国情的墙地砖实时自动检测系统不仅可以大大提高分拣的准确度,保证产品质量的稳定性和一致性,而且符合主动、在线、实时、非接触测量的现代检测要求,将大幅度地节省劳动力,并减轻工人劳动强度。对满足我国建陶行业技术装备现代化需求,使我国尽早成为陶瓷生产强国有着重要社会经济意义。出于这种目的,本文对检测理论及软、硬件设计部分进行细致的研究,设计了基于PLC的瓷砖平整度在线检测分级系统。
2 检测系统的整体框架
平整度分拣系统由传送、检测和分级三部分组成。应用光学三角法检测技术[3],通过编码器及PLC的高速计数器功能对移动中的待检测瓷砖的采样位置进行精确定位,当传感器感应到待检瓷砖进入到检测区域时,由PLC通过I/O端口给出采样指令,使用激光位移传感器对移动中的瓷砖表面进行信息采集,经过传感器内部运算得出距离数据,以4-20mA的电流信号传递给PLC的AD转换模块,将模拟量信号转换成数字量信息提供给PLC的主机单元进行数据运算,在PLC内部按照特定的算法进行数据处理,将得出的瓷砖各边平整度数据与HMI中设定的分级阀值进行比较分级、判定凸凹。PLC根据判定结果通过I/O端口驱动电磁阀控制相应的分级气缸带动铅笔为瓷砖做出标记,以便于后期工人分拣。检测时在HMI中显示实时测量数据及相关的检测信息。控制流程如图1所示。
3 检测系统硬件设计
在瓷砖平整度在线检测过程中,激光传感器直接的测量值是传感器到瓷砖表面的距离 (瓷砖表面的高度信息)。在线测量的过程中,能否准确获取这个距离对于瓷砖平整度的测量结果有较大影响[4]。所以瓷砖在检测工位的平稳传送是保证测量值准确无误的必要条件。由此可见,在瓷砖平整度在线测量系统中,输送机构能否使瓷砖正确、平稳的经过检测工位是实现平整度的准确无误检测的前提。
基于上述考虑,本测量系统采用图2所示的结构实现墙地砖的平稳传送。系统的传送机构由前方导向轮、滚筒、检测水平台、传送皮带、无级减速电机组成。机械支承与传送部分可嵌入生产线中,高度和长度可按实际生产线情况定制。
由于平整度检测系统属高精度检测设备且工业现场条件恶劣环境复杂,所以在设计检测系统的机械部分时应考虑到各种影响检测精度的因素,通过理论结合实践给出一套适用于工业现场的机构方案,使检测系统有一个相对稳定的物理平台[5]。考虑到陶瓷墙地砖生产现场震源较多、震动频繁,对测量结果会产生一定的影响,故将检测电柜与检测平台连为一体,当发生震动时,传感器与检测平台、待检瓷砖一起做同步震动可减少震动对测量数据的影响。检测平台选用厚度为2cm且平整度小于0.1 mm的玻璃板,相对铸铁平台玻璃平台更加耐磨、更耐腐蚀,而且成本低廉,安装更换容易。由于玻璃的自重和支撑玻璃平台支架的微观变形,会导致检测平台的自身形变增大,对测量结果产生影响,因此在检测平台底部安装变形调节装置。通过调节下方的8个调节螺丝,可对检测平台的变形进行校正。
4 检测系统软件设计
4.1 人机交互界面设计
检测系统选用维纶通的MT6070iH触摸屏作为人机交互界面。按照功能可分为实时检测信息显示界面、参数设置界面和调试界面。通过编写HMI程序实现参数下载、实时信息显示、高级窗口调试、历史数据记录等人机交互功能。
4.2 PLC程序设计
PLC作为下位机在整个检测系统中不仅是分级装置的控制机构,同时还是承担设备整体运行和数据处理的核心部件。检测系统选用欧姆龙CP1H-X型PLC,配以CJ1W-AD081-V1模拟量模块进行模数转换,使用CP1W-CIF01扩展接口与HMI进行串口通信。选用欧姆E6B2-CWZ6C编码器,通过PLC的高速计数器中断功能实现数据采集的精确定位。PLC主要用于实现瓷砖表面信息的采集与保持、数据处理、分级及报警装置的控制。程序的编写采用模块化思想,将各功能独立化并设置应用接口便于统一调用,有利于日后程序的扩展与维护。
5 检测算法
5.1 采样方式
当待检瓷砖进入检测区域时,编码器清零并开始重新计数,当到达设定的采样位置时PLC给出采样信号令垂直于瓷砖运行方向成线性等间距排布的传感器进行数据采样并将结果保持,以600mm×600mm规格瓷砖为例其采样点分布如图6所示。该系统在一个检测周期共采集五排数据,每排五点共25点。可检测瓷砖四边、中线、对角线共计八边的平整度。
5.2 计算方法
检测系统的基本算法着重于研究如何利用采集到的点数据合理、快速、有效的计算出每边的平整度,解决由平整度的一般性定义带来的计算上的不便(不利于一般性计算能力比较小如(PLC等)系统来实现,也不利于传感器位置标定),该检测系统通过基于传感器均布性、梯形中线原理,结合标定数据,建立一种快速而有效的边、中心、对角平整度的计算方法,如下图7近似平整度的快速计算原理所示,简化平整度计算和系统标定,利用E1K的距离来近似代替E1到直线D1F1之间的距离,即所求平整度数值。
前提:
激光位移传感器垂直安装于瓷砖表面;
瓷砖在检测过程中由于震动等原因引起的倾斜误差可以忽略;
传感器1、2、3之间等距分布。
目标:通过采集瓷砖表面一条边上的3点来求解瓷砖边平整度。
可以采集的数据为:
标定采集的数据为:
求解:
E1到直线D1F1之间的距离。
从图示的几何关系可知:
由于传感器1、2、3之间等距分布,可得
由几何关系得
具体计算方法同3点法,每三个采集点进行一次计算,在实际使用过程中,以AB、HF、DC边为例需对传感器123、135、234、345所采集的数据进行上述的数据处理,算出各自的平整度取其中绝对值最大的数值作为该边的平整度测量结果。
6 检测系统实验分析
6.1 系统稳定性测试
检测系统的重复性好坏是衡量检测设备的一个重要指标,所谓检测设备的重复性即在相同测量条件下重复测量同一个被测量,设备提供相近似示值的能力。下面通过重复性试验来验证系统重复性。
取8片600mm×600mm规格的抛光砖依次编号,在相同条件下对每片瓷砖按同方向放入检测设备测量5次,填写表格如表1所示。
由表1所得数据可知:同一片砖同方向测量5次,其测得的平整度数值偏差在±0.05 mm以内,可见检测系统的测量数据重复性好、稳定性高。
6.2 系统准确性测试
由于瓷砖底部凹凸不平和自身重力的影响,当瓷砖的放置位置改变时其变形程度可能会随之改变,另外当瓷砖以不同方向进入检测区域时,必然会导致采样方式的改变,这可能会对计算出的平整度数据产生影响。基于上述两点考虑,在实验时应对两个方向上的检测数据进行讨论研究。
选择一片变形较小的瓷砖作为标定砖(四边中至少有一边的形变在0.04mm以下,该边即作为标定边),对检测系统重复标定3次。以四边平整度为实验研究对象,随机挑选16片抛光砖依次编号后逐一进行检测并将此次进入检测设备的方向在瓷砖上作出标记,将每片瓷砖按原检测方向顺时针旋转90度后再次通过检测设备并记录当前数据,经人工复检后绘制表格如表2所示。
由表2统计数据可知对于凸变形瓷砖的平整度较人工测量普遍偏小,最大偏差为0.08mm,最小0.02mm,平均0.04mm。对于凹变形瓷砖的平整度较人工测量普遍偏大,最大偏差为0.05mm,最小0mm,平均0.03mm。凹变形瓷砖的测量结果要略好于突变型瓷砖,无论凸砖、凹砖或是转方向测量其机检数值和人工测量值的差值均小于0.1mm,完全符合工业现场的在线检测要求。
6.3 瓷砖在线检测实验数据分析
在进行过稳定性测试和准确性验证之后,考虑到理论的检测方法是否适合于实际的检测生产,在工业现场是否依然能够得到试验时所测得的检测数据,本文仍需对检测设备进行大量的现场实验。
在生产现场随机挑选同批次的100片抛光砖,经参数设定和传感器标定后使用检测设备进行检测。瓷砖平整度等级划分标准表3所示,检测结如表4所示。
表4中人工分级与机检分级的对比统计来看,除个别分级出现偏差外,检测系统的整体分级效果较好。将分级出现偏差的瓷砖拣出仔细测量,发现这些瓷砖的平整度数值都处在分级的临界值附近,由于平整度检测设备要求精度高、影响因素多,故检测系统必然会存在一定的系统误差,检测数值较真实值会有小幅度的波动,由于该波动范围小于检测允许的误差范围,所以这种误差是可以接受的。可通过调节分级参数使检测系统达到最佳状态。略微降低参数设置值(例如减小0.01或0.02)可使漏检率降低。若略微提高参数设置值(例如增大0.01或0.02)可使误报率降低。
7 结束语
本文设计了基于PLC的瓷砖平整度在线检测分级系统,该系统通过可直接在线检测瓷砖的平整度、查看报表,实时调整工艺参数,同时可将检测后的瓷砖进行分级处理。实验表明:该检测系统瓷砖平整度检测精度为±0.1mm,同方向多次重复为±0.05mm,检测准确度95%,检测效率为每分钟40片,适用于瓷砖生产过程的质量控制。生产实践证明该系统运行稳定可靠,操作简单易懂,人机交互性好,对提高瓷砖检测的技术水平、自动化程度和瓷砖质量具有重要意义。
参考文献:
[1] 汪良贤.二十世纪我国陶瓷墙地砖工业发展情况回顾[J].陶城报:2002,553(2):79-81.
[2] BODNAROVA A,BENNAMOUN M,LATH S.J.Tex tile flaw detection using optimal Gabor filters[J].Patenr Recognition,2000,(4):799-80.
[3] HAJIMOWLANA S.H,MUSCEDERE R,JULLIEN.Defect detection in web inspection using fuzzy fusion of textuer features[J].The 2000 IEEE Intenrational Symposium on Circuits and Systems,2000,3(7):18-721.
[4] 陈就,叶树林,华蕊等.基于计算机测试技术的瓷砖误差检测系统研发[J].测控技术,2007,(6):52-54.
[5] 孙双花.视觉测量关键技术及在自动检测中的应用[D].天津:天津大学精密仪器与光电工程学院,2007.
作者简介:尤波(1962-),男,教授,博士生导师,从事智能机器人及肌电信号方面的研究。