陶瓷砖平整度检测系统的研究

2016-05-14顾轩何问慎陆倩映肖景红

佛山陶瓷 2016年5期

顾轩　何问慎　陆倩映　肖景红

摘要：瓷砖平整度是衡量瓷砖质量的重要因素之一，相比于人工检测平整度，陶瓷砖自动检测系统检测精度更高，节省人力物力。本文介绍了陶瓷砖自动检测系统的原理，并详细分析了自动检测系统使用的算法、硬件选择及软件设计方法，为构建完整的陶瓷砖检测系统提供了理论基础。

关键词：陶瓷砖；平整度；检测系统；自动检测

1 引言

随着中国经济的发展及世界经济的复苏，国内外陶瓷砖的使用又将进入一个新的阶段，对陶瓷砖产品的质量也提出了更高的要求。长期以来，我国陶瓷行业的创新意识相对薄弱，产品质量也仍存在诸多问题，必须提高对产品质量的重视。其中，平整度是影响陶瓷砖质量因素中最为直观的一个，它直接影响瓷砖的装饰和使用效果，有必要加强陶瓷砖平整度的检测。现有的国家标准基本能满足陶瓷砖平整度检测要求，操作简便，但随着人工成本日益增加，各大工厂及检测机构开始重视自动检测设备的运用。本文从使用算法、所需硬件及软件三方面介绍了符合检测标准的自动检测设备。

2 陶瓷砖平整度标准及常用检测方法

现今陶瓷砖检测方法分为两种：平台塞尺法和千分表法。前者作为最常用的检测方法，主要是通过使用铸铁桥型平尺来完成。将平尺依次靠近陶瓷砖需检测部位，通过平尺下面的塞尺完成空隙检测并得出平整度的数值，看数值是否符合相关规定；千分表法则是一种间接检测的方法，通过观察标准件，然后构建数学模型，通过相关检测得到所需观察物体的数据并带入数学模型中，最终通过求解该模型而获得平整度。此方法也是实验室使用最多的方法，重点在于标准件的选取以及数学模型的构建。标准件良好，则可获得完善的数学模型，得到符合要求的相关平整度数值；反之，则得不到理想的数据。

现代自动检测技术多为非接触式的检测，相较于传统检测方式，现代自动检测技术检测精度更好，更节省人力物力，适应了现代化大生产的需要，对于提高产品质量以及生产效率等有着极大地推动作用。

3 陶瓷砖平整度自动检测系统

目前能够适用于工业化生产的平整度自动检测系统较少，一些相关机构对此进行了研究，并取得了一定的成果。如本文所要介绍的广东华南精密机械研发院进行的一系列研究，便已经在实践中得到了验证。此方法虽然还没有得到大面积推广普及，但已吸引了众多从业者的关注。该研究院结合目前较为流行的一体机，提出将陶瓷砖的成品尺寸以及平整度结合起来进行检测的思路。本文将从以下三个方面对该系统作详细介绍。

3.1 陶瓷砖平整度自动检测系统使用的算法

对于陶瓷砖平整度自动检测的算法，国家有着相当严格的规定。图1为国家关于陶瓷平整度标准算法特征分布图。

企业生产对平整度的计算方法不尽相同。为适应大工业生产要求，必须要简化检测流程，通过最简便的方式对陶瓷砖进行检测。通过测量边直度来对陶瓷砖进行检测，这一方法简便有效，切实可行，但是存在一个最大的问题，即无法进行自动检测。

因此，为了切实有效进行自动检测，使该系统能够结合国家算法以及工业生产两方面的要求，对陶瓷砖进行平整度检测。研究发现，这种检测系统具有良好的精密度以及实用性。该系统需要计算陶瓷砖以下三方面内容。

（1）边弯曲度。在陶瓷产品的某一条边线上，随机确定中间三个点，然后分别计算此三个点到这一条边的两个顶点的直线距离，再从这三个数值中选取最大值，这个最大值就是边弯曲度。如以一条名为AC的边为例，AC边的弯曲度则是指其中间M、N、F三个点在整个立体空间中到AC边的直线距离，这里面最大的数值便是AC边的边弯曲度。其计算公式为：

通过公式（1）可计算M、N、F三个点到AC边的距离。

（2）中心弯曲度。相比于边弯曲度，中心弯曲度稍微复杂些。通过计算中线的三个点到直线的距离，取三个点到直线的最大值，根据公式（2）计算中心弯曲度：

（3）对角弯曲度。在陶瓷所组成的平面上面找到两条对角线，通过确定对角线上中间三个点分别到某一个边的两个端点的距离，再从中选取最大值作为对角弯曲度。其计算公式与计算中心弯曲度一致。

在设计陶瓷砖平整度检测系统时，除了计算这三个量外，还需将一些常量排除在计算之外。这些量包括生产过程中产生的随机误差、外界干扰因素等。作为自动系统，通过引入数字滤波的方式来减少误差，因此，在设计该系统时，更多地考虑如何安装传感器来尽量减小误差。

3.2 陶瓷砖平整度自动检测系统需配置的硬件

陶瓷砖平整度自动检测系统硬件设备的配备需考虑该系统的整体工作环节。平整度自动检测系统整体结构如图2所示。

从图2可以看出，要完成自动检测，需要经过数据采集、数据传输、数据处理以及数据显示等环节。而相比于其他实验室设计的系统，此系统最大的特点是实现了高精度的数据采集，其工作原理如图3所示。

从图3可以看出，通过5个位移传感器对陶瓷表面进行数据采集，然后将采集的数据转化为模拟信号后分别传给电磁开关，5个位移传感器采集5路信息，转化的模拟信号也是5路。而经过电磁开关时，则选择其中一路传递，将选择好的模拟信号传递到A/D 转换器。通过转换器将模拟信号转换为数字信号传递给微控制器，即单片机。单片机再将信号传递给电脑进行分析处理。在数据采集环节中，所有的控制信号都是通过微控制器发出的。

因此，对于该系统来说，必须要对位移传感器、电磁开关、A/D 转换器以及单片机进行硬件选择。

（1）位移传感器的选择。目前，最为常见的位移传感器有两种：容栅位移传感器和激光位移传感器。前者有着优良的性能，但缺点也非常明显。相比而言，激光位移传感器的性能较为稳定，尤其是在测量距离以及测量厚度等方面有着非常卓越的性能，因此该系统选择使用激光位移传感器。为了使该系统内部兼容性能更佳，宜采用中心线高度为50 mm，测量范围为±10 mm，分辨率为5 μm的激光位移传感器。通过查询发现CD33这一型号的传感器最为适合，且自带模拟信号和数字信号两种输出端口[5]。

（2）电磁开关的选择。电磁开关是对5路模拟信号进行选择，然后将选择好的模拟信号传递给A/D转化器的元件。在该系统中选择使用的是MAX4624元件。这一元件可以在低工作电压以及低导通电阻的工作环境下进行工作，还可以采用单电源供电，具有开关速度快，能够进行过流保护等功能。

（3）A/D转化器的选择。A/D转化器作为该系统中非常重要的环节，实现了将模拟信号转化为数字信号的功能。在选择转化器时，需要考虑分辨率、转换误差率以及转换时间三方面要素。本系统使用的是16位的A/D转换器TLC4545，这一元件极大地提高了转化的精度。这是一种高性能、低功耗的元件，通过5V单电源供电，采样速度可以达到200 ksps。

（4）微控制器的选择。作为数据采集中重要的控制系统，微控制器决定了整个系统是否可以正常工作。本系统中使用的单片机型号为 ATmega88，这一微控制器有着强大的指令集以及指令执行时间，从而极大地提升了代码执行的效率，其数据吞吐率甚至可以达到1MIPS/MHz[4]。这样不仅可以实现处理速度快、处理时间短的要求，还能够提升数据采集的精度以及准确性。

3.3 陶瓷砖平整度自动检测系统需结合的软件

陶瓷砖平整度自动检测系统还需结合各类软件才能正常工作。该系统软件工作的总体流程如图4所示[3]。

为了完成整体工作，需要对一些软件进行开发设计。

（1）串行通信软件设计。本系统使用的串行通信软件系统是通过API来实现的。其工作流程是将A/D转化器转化的数字信号传递给PC，PC在接收到串行信号后，发出相关指令进行处理。

（2）滤波算法软件的设计。对滤波算法软件设计的原理如图5所示。

通过分析图5可知，当程序接收到PC发出来的滤波命令之后，开始进入滤波算法程序，对收集到的数据进行滤波处理，从而减小数据误差，排除错误，提高精度。

（3）平整度计算软件设计。平整度计算软件设计原理如图6所示。

其它诸如人机交互界面软件设计、多路程实现软件设计等，大都有其他机器可以参考，并无太大困难。

4 结语

本文介绍了陶瓷砖平整度检测系统的原理，以及各个关键环节硬件及软件的选择设计，构建了一个完整的检测系统，该系统能够很好地实现自动检测及大工业生产需要，可提升检测精度以及检测效率，对于促进瓷砖生产有着重要作用。

参考文献

[1] 欧阳丹，李军生，王英杰.我国建筑陶瓷标准与相关国际标准的比较[J].佛山陶瓷，2009，19（11）.