基于PLC的瓷砖平整度在线检测系统研究.pdf

自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第3 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 l n s t r u men t a t i o n an d Mea s ur m e n t 基于 P L C的瓷砖平整度在线检测系统研究 尤 波 ， 王伟 ， 许家忠 ． 张增超 ， 蔡浩 田 ． 哈尔滨理工大学自动化学院， 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 8 0 摘要 为实现瓷砖平整度的自动在线检测及分级， 设计了基于P L C、组态软件和激光位移传感器的瓷砖平整度实时检测分级系统。 系统 由传送 、 检测和分级三部分组成 。 该检测系统采用光学三角法检 测技术 ， 通过编码器 及P L C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 ， 使 用激光位移 传感 器对 瓷砖表面进行信息采集 经 AD转换后在 P L C内部按照特定 的算法进行平 整度运算 ， 以P L C为核心实现瓷砖 的分级处理 和对设 备的整体控 制。实验表明该检测系统高效 、稳定 、可靠 。 瓷砖平整度检测精度为 0 ． 1 n l m， 多次同方向检测精度为 0 ． 0 5 mi l l ， 检测速度为每分钟4 0 片， 检测准确度可达到 9 5 ％以 上 ， 适用于当前瓷砖生产过程 的质量控制 。 关键词 平整度； 激光位移传感器 ； P LC 中图分类号 T P 2 7 4 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 - 7 2 4 1 2 0 1 2 0 3 0 0 6 4 0 5 Re s e a r c h O n t h e 0n l i n e Me a s u r i n g Sy s t e m o f Ce r a mi c _ 『 1 l e F I a t n e s s B a s e d O n PL C YO B o ， W A NG W e i ， XUN J i a - z h o n g ， Z HANG Ze n g - c h a o ， CAI Ha o - t i a n Ha r b i n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Harb i n 1 5 0 0 8 0 C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e a l i z e a u t o ma t i c me a s u r i n g o f t h e fla t n e s s o f c e r a mi c t i l e s a n d a u t o ma t i c c l a s s i f i c a t i o n o f t h e p r o d u c t q u a l i t y fl d e t e c t i o n s y s t e m i s d e s i g n e d． Th e d e t e c t i o n s ys t e m u s i n g o p t i c a l t r i a n g l e me t h o d o f t e s t i n g t e c h n o l o g y ， t h r o u g h t h e e n c o d e r a nd P LC h i g h s p e e d c o u n t e r f u nc t i o n t o t h e p r e c i s e l o c a t i o n o f t h e c e r a mi c t i l e o f mo b i l e ， u s e s l a s e r d i s p l a c e me n t s e n s o r t o c e r a mi c t i l e s u r f a c e i n f o r ma t i o n c o l l e c t i o n ， a f t e r t h e AD t r a n s f o r m ， u s i n g P LC t o o p e r a t i o n s b y a p a r t i c u l a r i n t e r n a l a l g o r i t h m fla t n e s s c a l c u l a t i o n． Re s u l t s s h o w t i l e f l a t n e s s m e a s u r i n g a c c u r a c y o f t h e s y s t e m i s 0． 1 mm ． s a me d i r e c t i o n d e t e c t i o n a c c u r a c y i s-0 ． 0 5 mm， me a s u r i n g a c c u r a c y i s 9 5％； me a s u r i n g e ffi c i e n c y i s 4 0 p i e c e s p e r mi n u t e ， i t i s s u i t a b l e f o r t h e q u a l i t y c o n t r o l d u r i n g t h e p r o c e s s o f c e r a m i c t i l e p r o d u c t i o n ． K e y wo r d s f l a t n e s s ； l a s e r d i s p l a c e m e n t s e n s o r ； P LC 1 引 言 我国建筑陶瓷产业在 2 0 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 2 0 -3 0 ％， 占世界陶瓷 墙地砖总产量的 5 0 ％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 收稿 日期2 0 1 1 1 1 2 4 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 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 l n s t r u m e n t at i on an d M e a su r me n t 自动化技 术与应用2 01 2年第 31卷第 3期 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P LC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l 3 ] ， 通过编码器及 P L C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P L C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 - 2 0 mA的电流信号传递给 LC 的 A D转换模块， 将模拟量信号转换成数字量信息提供 给 P LC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。 PL C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 l所示 。 图 1 控制流程图 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 ] 。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人生产线中， 高度和长度可按实 际生产 线情况定制。 ’ ■ ● w 出一 1 l 一 } l 一Q l j I 9 1 1． 无级减速电机 2 ． 玻璃水平台 3． 检测电柜 4 ． 水平台变形调节装置 5． 皮带调节装置 6． 传送皮 带7． 可调节地脚 8． 编码器9． 分级装置 1 0． 触摸屏 1 1． 进砖导 向装置。 图 2 检测系统的机械结构 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 】 。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， 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第3 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 ⋯ St r t nent at i ol 1 1 d M east m ent 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 2 C m 且 D 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MT 6 0 7 0 i H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 P L C程序 设 计 P L C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 C P I H～ X型 P LC， 配 以 C J i W AD0 8 l V1 模拟量模块进行模数转换 ， 使用 C Pl W C I F 0 1 扩展接口与 HMI 进行串口通信。选用欧 姆 E 6 B 2 C WZ 6 C编码器 ， 通 过 P L C的高 速计数器 中断 功 能实现数据采集的精确定位。PL C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 。 检 测算 法 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 P LC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6 0 0 mm 6 0 0 mm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 2 5点。可检测瓷砖四边 、 中线、对角线共计八边的平整度 。 H A D 麓 E B 图 3 瓷砖测量点分布 图 汁算方法 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 P LC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 El K的距离来近似代替 E 1 到直线 DI Fl 之间的 距离 ， 即所求平整度数值 。 r _ ] ⋯ 。 ⋯一 一 A 一Ⅲ 『 传 爵 籍 3 I 。 ， B L I h2丁 hl h3 蛇l E l D l F l I D f ’-～ F 图 4 实际标定示意图 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 l 、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 dA D l d 1 h 2 d c F l 标 定 采集 的数 据 为 dA D l dB e h 2 l dc F 1 求解 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 自 动 化 技 术与 应用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第3 期 E1到直 线 D1 Fl之间的距离 。 从 图示的几何关系可知 d￡ 1 de e 1 一 脒 由于传感器 1 、2 、3之间等距分布， 可得 脒 D D 1 1 ／ 2 由几何关系得 D D 1 dA DdA ，j l 一 1 ti F F 1 d A F d A F 1 一j}z 3 1 d e e 1 ds e 雎1 h 2一h 2 1 综 上 ， d 1 h 2 一 h 2 1 吉 【 l h 1 1 h 3 一h 3 1 ] 基 ■童 ■蟹 r _ ] 懈 弥 门 拟 s A 』 I L J玉 l C 博 ■ ■ ， 1 一 L J h l 批 ll3 磕1 吼 D 1 E l Fl 五 ， ， ～ I D E } F 图 5五传感器等 间距分布平整度计算原理图 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 1 2 3 、l 3 5 、2 3 4 、3 4 5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6 0 0 mm 6 0 0 mm 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 。 表 1 系统稳定性测试数据 单位 mm 次 1 2 3 q 5 6 8 数 号 号 号 号 号 号 号 号 一 }0 ． 2 1一 O ． 1 5 0 ． 3 l- 0 ． 2 7 O ． 41一 O ． 6 4 O ． 5 8一 O ． 3 8 二0 ．2l一 0 ．1 4 0． 3 2一 O ． 25 0 ． 43 0 ． 6 5 O． 5 6 0． 3 7 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 ． 0 5 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 ． 0 4 ram 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 l 6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 9 0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。 表 2系统准确性测试数据 单位 mm 编 ， 1 2 3 4 5 6 7 人 测 - 0 ． 3 3 0 ． 1 3 0 ． 2 1 0 ． 5 9 0 ． 3 7 0 ． 1 9 - 0 ． q 7 力 向 - 0 ． 3 5- 0 ． 4 7 0 ． 1 0 ． 5 6 0 ． 3 5- 0 ． 2 1 0 ． 一1 9 2 『 j ． ， J 向 0 ． 3 8- 0 ． t 5 0 ． 1 4 0 ． 5 1 0 ． 3 2 一 O 2 4 0 ． 5 2 编 8 9 j O l i| 2 i 3 l 4 人 』 ． 枪 测 0 ． 2 6一 O ． 6 6 0 ． ，1 5 0 ． 3 1 0 ． 1 1 一 O ． 3 9 0 ． 2 6 铘 ， J 阳 一 O ． 2 8 0 ． 7 1 0 ． 4 1 0 ． 3 1 0 ． 1 0 0 ． 4 0 0 ． 3 0 ， J ll_【J 一 0 ． 3 1 0 ． 6 6 0 ． 3 9 0 ． 2 9 0 ． 0 7- 0 ． 1 ．I 一 0 ． 2 7 T e c h n i q u e s o f A u to ma t io n＆A p p lic a t io n s I 6 7 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第3 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r ume nt a t ion a nd Me as u r m e n t 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． 0 8 m m ， 最 小 0． 0 2 mm， 平均 0 ． 0 4 mm。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 ． 0 5 ram， 最小 O mm， 平均 0 ． 0 3 mm。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． 1 I I 1 m， 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 1 O 0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 3 瓷砖等级划分标准 单位 mm 等 绒 一 城 ～ ． 擞 一 蟹 l 『 q 边 O ． 5 l I I 线 0 ． 6 划‘ f 『 ] 线 O ． 8 表 4 瓷砖分级结果统计表 单位 个 一 缎 一 级 级 人 { H 【 伶 人 1 ． 村 【 伶 人 耵 l f ； 网边 4 9 5 0 4 2 4 1 9 9 t I l 线 5 5 6 j 8 j 9 5 5 刈角 6 1 6l 3 3 l 8 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 ． O 1 或 0 ． 0 2 可使漏检 率 降低 。若略微 提高参数 设置值 例如增 大 0 ． 0 1 或 0 ． o 2 可使误报率降低。 7 结束语 本文设计了基于 PL C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4 - 0 ． 1 mm， 同方向多次重复为 0 ． 0 5 mm， 检测准确度 9 5 ％， 检测效率为每分钟 4 0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 ⋯ 汪良贤． 二十世纪我国陶瓷墙地砖工业发展情况回顾 ． 陶城 报 2 0 0 2 ， 5 5 3 2 7 9 -8 1 ． f 2 I B 0DNAR0V A A， B E NNAMOUN M ， L ATH S． J ． Te x t i l e f l a w d e t e c t i o n u s i n g o p t i ma l Ga b o r f i l t e r s [ J ] ． P a t e n r Re c o g n i t i o n， 2 0 0 0 ， 4 7 9 9 8 0 ． f 3 I HAJ I M0WL ANA S ． H。 MUS C E DE RE R， J UL L I E N． De f e c t d e t e c t i o n i n we b i ns p e c t i o n u s i ng f u z z y f u s i o n o f t e x t u e r f e a t u r e s ⋯ ． Th e 2 0 0 0 I E E E I n t e n r a t i o n a l S y mp o s i u m o n C i r c u i t s a n d S y s t e ms ， 2 0 0 0 ， 3 7 l 8 7 2 1 ． [ 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 J ． 测控技术， 2 0 0 7 ， 6 5 2 5 4 ． [ 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， 2 0 0 7 ． 作者简介 尤波 1 9 6 2 一 ， 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 。