陶瓷磚平整度檢測系統的研究

顧軒　何問慎　陸倩映　肖景紅

摘 要：瓷磚平整度是衡量瓷磚質量的重要因素之一，相比于人工檢測平整度，陶瓷磚自動檢測系統檢測精度更高，節省人力物力。本文介紹了陶瓷磚自動檢測系統的原理，并詳細分析了自動檢測系統使用的算法、硬件選擇及軟件設計方法，為構建完整的陶瓷磚檢測系統提供了理論基礎。

關鍵詞：陶瓷磚；平整度；檢測系統；自動檢測

1 引言

隨著中國經濟的發展及世界經濟的復蘇，國內外陶瓷磚的使用又將進入一個新的階段，對陶瓷磚產品的質量也提出了更高的要求。長期以來，我國陶瓷行業的創新意識相對薄弱，產品質量也仍存在諸多問題，必須提高對產品質量的重視。其中，平整度是影響陶瓷磚質量因素中最為直觀的一個，它直接影響瓷磚的裝飾和使用效果，有必要加強陶瓷磚平整度的檢測。現有的國家標準基本能滿足陶瓷磚平整度檢測要求，操作簡便，但隨著人工成本日益增加，各大工廠及檢測機構開始重視自動檢測設備的運用。本文從使用算法、所需硬件及軟件三方面介紹了符合檢測標準的自動檢測設備。

2 陶瓷磚平整度標準及常用檢測方法

現今陶瓷磚檢測方法分為兩種：平臺塞尺法和千分表法。前者作為最常用的檢測方法，主要是通過使用鑄鐵橋型平尺來完成。將平尺依次靠近陶瓷磚需檢測部位，通過平尺下面的塞尺完成空隙檢測并得出平整度的數值，看數值是否符合相關規定；千分表法則是一種間接檢測的方法，通過觀察標準件，然后構建數學模型，通過相關檢測得到所需觀察物體的數據并帶入數學模型中，最終通過求解該模型而獲得平整度。此方法也是實驗室使用最多的方法，重點在于標準件的選取以及數學模型的構建。標準件良好，則可獲得完善的數學模型，得到符合要求的相關平整度數值；反之，則得不到理想的數據。

現代自動檢測技術多為非接觸式的檢測，相較于傳統檢測方式，現代自動檢測技術檢測精度更好，更節省人力物力，適應了現代化大生產的需要，對于提高產品質量以及生產效率等有著極大地推動作用。

3 陶瓷磚平整度自動檢測系統

目前能夠適用于工業化生產的平整度自動檢測系統較少，一些相關機構對此進行了研究，并取得了一定的成果。如本文所要介紹的廣東華南精密機械研發院進行的一系列研究，便已經在實踐中得到了驗證。此方法雖然還沒有得到大面積推廣普及，但已吸引了眾多從業者的關注。該研究院結合目前較為流行的一體機，提出將陶瓷磚的成品尺寸以及平整度結合起來進行檢測的思路。本文將從以下三個方面對該系統作詳細介紹。

3.1 陶瓷磚平整度自動檢測系統使用的算法

對于陶瓷磚平整度自動檢測的算法，國家有著相當嚴格的規定。圖1為國家關于陶瓷平整度標準算法特征分布圖。

企業生產對平整度的計算方法不盡相同。為適應大工業生產要求，必須要簡化檢測流程，通過最簡便的方式對陶瓷磚進行檢測。通過測量邊直度來對陶瓷磚進行檢測，這一方法簡便有效，切實可行，但是存在一個最大的問題，即無法進行自動檢測。

因此，為了切實有效進行自動檢測，使該系統能夠結合國家算法以及工業生產兩方面的要求，對陶瓷磚進行平整度檢測。研究發現，這種檢測系統具有良好的精密度以及實用性。該系統需要計算陶瓷磚以下三方面內容。

（1）邊彎曲度。在陶瓷產品的某一條邊線上，隨機確定中間三個點，然后分別計算此三個點到這一條邊的兩個頂點的直線距離，再從這三個數值中選取最大值，這個最大值就是邊彎曲度。如以一條名為AC的邊為例，AC邊的彎曲度則是指其中間M、N、F三個點在整個立體空間中到AC邊的直線距離，這里面最大的數值便是AC邊的邊彎曲度。其計算公式為：

通過公式（1）可計算M、N、F三個點到AC邊的距離。

（2）中心彎曲度。相比于邊彎曲度，中心彎曲度稍微復雜些。通過計算中線的三個點到直線的距離，取三個點到直線的最大值，根據公式（2）計算中心彎曲度：

（3）對角彎曲度。在陶瓷所組成的平面上面找到兩條對角線，通過確定對角線上中間三個點分別到某一個邊的兩個端點的距離，再從中選取最大值作為對角彎曲度。其計算公式與計算中心彎曲度一致。

在設計陶瓷磚平整度檢測系統時，除了計算這三個量外，還需將一些常量排除在計算之外。這些量包括生產過程中產生的隨機誤差、外界干擾因素等。作為自動系統，通過引入數字濾波的方式來減少誤差，因此，在設計該系統時，更多地考慮如何安裝傳感器來盡量減小誤差。

3.2 陶瓷磚平整度自動檢測系統需配置的硬件

陶瓷磚平整度自動檢測系統硬件設備的配備需考慮該系統的整體工作環節。平整度自動檢測系統整體結構如圖2所示。

從圖2可以看出，要完成自動檢測，需要經過數據采集、數據傳輸、數據處理以及數據顯示等環節。而相比于其他實驗室設計的系統，此系統最大的特點是實現了高精度的數據采集，其工作原理如圖3所示。

從圖3可以看出，通過5個位移傳感器對陶瓷表面進行數據采集，然后將采集的數據轉化為模擬信號后分別傳給電磁開關，5個位移傳感器采集5路信息，轉化的模擬信號也是5路。而經過電磁開關時，則選擇其中一路傳遞，將選擇好的模擬信號傳遞到A/D 轉換器。通過轉換器將模擬信號轉換為數字信號傳遞給微控制器，即單片機。單片機再將信號傳遞給電腦進行分析處理。在數據采集環節中，所有的控制信號都是通過微控制器發出的。

因此，對于該系統來說，必須要對位移傳感器、電磁開關、A/D 轉換器以及單片機進行硬件選擇。

（1）位移傳感器的選擇。目前，最為常見的位移傳感器有兩種：容柵位移傳感器和激光位移傳感器。前者有著優良的性能，但缺點也非常明顯。相比而言，激光位移傳感器的性能較為穩定，尤其是在測量距離以及測量厚度等方面有著非常卓越的性能，因此該系統選擇使用激光位移傳感器。為了使該系統內部兼容性能更佳，宜采用中心線高度為50 mm，測量范圍為±10 mm，分辨率為5 μm的激光位移傳感器。通過查詢發現CD33這一型號的傳感器最為適合，且自帶模擬信號和數字信號兩種輸出端口[5]。

（2）電磁開關的選擇。電磁開關是對5路模擬信號進行選擇，然后將選擇好的模擬信號傳遞給A/D轉化器的元件。在該系統中選擇使用的是MAX4624元件。這一元件可以在低工作電壓以及低導通電阻的工作環境下進行工作，還可以采用單電源供電，具有開關速度快，能夠進行過流保護等功能。

（3）A/D轉化器的選擇。A/D轉化器作為該系統中非常重要的環節，實現了將模擬信號轉化為數字信號的功能。在選擇轉化器時，需要考慮分辨率、轉換誤差率以及轉換時間三方面要素。本系統使用的是16位的A/D轉換器TLC4545，這一元件極大地提高了轉化的精度。這是一種高性能、低功耗的元件，通過5V單電源供電，采樣速度可以達到200 ksps。

（4）微控制器的選擇。作為數據采集中重要的控制系統，微控制器決定了整個系統是否可以正常工作。本系統中使用的單片機型號為 ATmega88，這一微控制器有著強大的指令集以及指令執行時間，從而極大地提升了代碼執行的效率，其數據吞吐率甚至可以達到1MIPS/MHz[4]。這樣不僅可以實現處理速度快、處理時間短的要求，還能夠提升數據采集的精度以及準確性。

3.3 陶瓷磚平整度自動檢測系統需結合的軟件

陶瓷磚平整度自動檢測系統還需結合各類軟件才能正常工作。該系統軟件工作的總體流程如圖4所示[3]。

為了完成整體工作，需要對一些軟件進行開發設計。

（1） 串行通信軟件設計。本系統使用的串行通信軟件系統是通過API來實現的。其工作流程是將A/D轉化器轉化的數字信號傳遞給PC，PC在接收到串行信號后，發出相關指令進行處理。

（2） 濾波算法軟件的設計。對濾波算法軟件設計的原理如圖5所示。

通過分析圖5可知，當程序接收到PC發出來的濾波命令之后，開始進入濾波算法程序，對收集到的數據進行濾波處理，從而減小數據誤差，排除錯誤，提高精度。

（3）平整度計算軟件設計。平整度計算軟件設計原理如圖6所示。

其它諸如人機交互界面軟件設計、多路程實現軟件設計等，大都有其他機器可以參考，并無太大困難。

4 結語

本文介紹了陶瓷磚平整度檢測系統的原理，以及各個關鍵環節硬件及軟件的選擇設計，構建了一個完整的檢測系統，該系統能夠很好地實現自動檢測及大工業生產需要，可提升檢測精度以及檢測效率，對于促進瓷磚生產有著重要作用。

參考文獻

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[3] 王衛東.一種常用工業控制軟件設計模式的應用[J].冶金動力，2003，96（2）：65～67.

[4] 于芳，王寶光，劉會樸.容柵傳感器在瓷磚平整度檢測中的應用[J].傳感器與微系統，2010，3.

[5] CD33激光位移傳感器，傳感器世界：www.sensorworld.com.cn.2010，04，Sensor World.