陶瓷磚平整度在線檢測(cè)裝置校準(zhǔn)方法的研究

李雪瑩

摘 要：為解決測(cè)量陶瓷相關(guān)設(shè)備制造廠和陶瓷生產(chǎn)廠非接觸式陶瓷磚平整度在線檢測(cè)裝置問(wèn)題，提出一種簡(jiǎn)單可行且準(zhǔn)確度高的測(cè)試方案。分別選用激光干涉儀測(cè)量在線檢測(cè)裝置的導(dǎo)軌直線度誤差，選用自主研制的多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置測(cè)量非接觸式光學(xué)測(cè)距儀的線性度。通過(guò)與以大理石標(biāo)準(zhǔn)板為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量在線檢測(cè)裝置直線度的方法比較表明：用激光干涉儀和多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置測(cè)量陶瓷磚平整度在線檢測(cè)裝置的方法更加滿(mǎn)足陶瓷設(shè)備制造廠和陶瓷生產(chǎn)廠的生產(chǎn)要求，可靠性和可行性較高，為陶瓷行業(yè)提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)量學(xué)；非接觸式陶瓷磚平整度在線檢測(cè)裝置；直線度；線性度

1 前言

隨著技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需要的變化，陶瓷磚的規(guī)格越來(lái)越大，數(shù)量也越來(lái)越多，為了智能化和數(shù)字化管理，非接觸式陶瓷磚平整度在線檢測(cè)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“陶瓷磚在線檢測(cè)裝置”）像雨后春筍般應(yīng)運(yùn)而生。目前還沒(méi)有可靠的針對(duì)大規(guī)格陶瓷磚在線檢測(cè)裝置的校準(zhǔn)方式。小規(guī)格陶瓷磚在線檢測(cè)裝置主要采用陶瓷參考磚法進(jìn)行自校準(zhǔn)，人工使用塞尺對(duì)陶瓷參考磚生產(chǎn)線上一塊磚進(jìn)行平面度測(cè)試后，使線檢測(cè)裝置的測(cè)量值和人工測(cè)試值相比較，測(cè)試在線檢測(cè)裝置的相對(duì)準(zhǔn)確性。事實(shí)上，由于陶瓷參考磚有底紋不平，支撐平臺(tái)不平，容易發(fā)生變形等特點(diǎn)，在測(cè)量過(guò)程中不可避免發(fā)生數(shù)據(jù)漂動(dòng)，測(cè)量穩(wěn)定性較差，尤其對(duì)于大規(guī)格的陶瓷磚，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

陶瓷磚在線檢測(cè)裝置主要由運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、滑塊、非接觸式光學(xué)測(cè)距儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“測(cè)距儀”）及固定塊、傳送帶等組成（如圖1），測(cè)距儀安裝在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上的滑塊處，整體主要靠滑塊運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)測(cè)距儀往返運(yùn)動(dòng)，測(cè)距儀感應(yīng)通過(guò)運(yùn)送帶運(yùn)輸?shù)奶沾纱u，對(duì)陶瓷磚的幾何參數(shù)進(jìn)行全尺寸測(cè)量，陶瓷磚在線檢測(cè)裝置上運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌不斷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的自身研磨受損以及地基不牢固原因和測(cè)距儀的本身精度等綜合問(wèn)題，會(huì)對(duì)生產(chǎn)的陶瓷磚檢測(cè)帶來(lái)直接的影響。而檢測(cè)陶瓷磚時(shí)，理論上要達(dá)到幾何誤差與變形誤差為零，所以在線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的直線度和測(cè)距儀的線性度是衡量陶瓷磚在線檢測(cè)裝置準(zhǔn)確度的一個(gè)重要指標(biāo)。

本文針對(duì)陶瓷磚在線檢測(cè)裝置，激光干涉儀直線度組件測(cè)量在線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的直線度，采用設(shè)計(jì)研制的多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置測(cè)量測(cè)距儀的線性度，來(lái)研究是否能有效測(cè)量陶瓷磚在線檢測(cè)裝置的技術(shù)特征。

2? 測(cè)量原理

直線度測(cè)量是通過(guò)檢測(cè)干涉鏡和反射鏡的相對(duì)橫向位移引起的光程差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，直線度測(cè)量可在水平面或垂直面內(nèi)進(jìn)行，它取決于直線度干涉鏡和直線度反射鏡的定位方向。激光頭的輸出光束穿過(guò)直線度干涉鏡后，被分裂成兩束夾角較小的光束，經(jīng)過(guò)直線度反射鏡反射后沿一條新的光路返回到直線度干涉鏡，這兩束光束在直線度干涉鏡處匯合成一束光束，并返回激光頭的回光孔，如圖2所示。

線性度是描述傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，以被測(cè)輸入量處于穩(wěn)定狀態(tài)為前提，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差與滿(mǎn)量程輸出的百分比，稱(chēng)為線性度（又稱(chēng)為“非線性誤差”），該值越小，表明線性特性越好。擬合直線是一條通過(guò)一定方法繪制出來(lái)的直線，求擬合直線的方法有：端基法、最小二乘法等等。

3? 實(shí)驗(yàn)及分析

傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法我們使用直接測(cè)量法。大規(guī)格陶瓷磚平整度在線檢測(cè)裝置大部分是由運(yùn)輸帶將被測(cè)陶瓷板運(yùn)輸?shù)皆诰€檢測(cè)裝置下方進(jìn)行測(cè)試，因測(cè)距儀有距離限制，一般在線檢測(cè)裝置的行架安裝位置不會(huì)太高，離輸送帶高度為120mm，測(cè)距儀有效測(cè)距位置為±30mm，則傳輸?shù)臉悠泛穸炔荒艹^(guò)25mm。如選用尺寸大的大理石標(biāo)準(zhǔn)板，為了保證大理石標(biāo)準(zhǔn)板的平面平整其厚度則會(huì)超過(guò)25mm。根據(jù)實(shí)際情況分析，我們選用多塊尺寸為800mm×800mm大理石標(biāo)準(zhǔn)板以拼接平面的形式測(cè)量在線檢測(cè)裝置。

本文介紹的方式，基于陶瓷磚檢測(cè)設(shè)備的特性進(jìn)行分析研究，對(duì)主要影響陶瓷磚在線檢測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和測(cè)距儀進(jìn)行分析。

3.1激光干涉儀測(cè)量陶瓷磚在線檢測(cè)裝置中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的方法與數(shù)據(jù)分析

測(cè)量前，選擇相對(duì)平整的地面，將激光頭安裝在三腳架上，連接電源，開(kāi)啟XL-80激光頭，使其預(yù)熱，一般預(yù)熱需要5分鐘，直到激光頭頭部五個(gè)并排的指示燈依次熄滅四個(gè)，尾部的燈成綠色，確定光路，將用于測(cè)量直線度的匯聚透鏡放在導(dǎo)軌上，固定測(cè)量直線度的專(zhuān)用反射鏡（如圖3）。測(cè)量時(shí)，校準(zhǔn)激光干涉儀的平行光束，消除斜率誤差，測(cè)量水平直線度，均勻取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)共測(cè)量6次，并記錄數(shù)據(jù)。計(jì)算每個(gè)點(diǎn)測(cè)量6次測(cè)量值的算術(shù)平均值，并在坐標(biāo)軸上畫(huà)出，用折線連接。測(cè)量后，分析測(cè)量結(jié)果，判斷直線度是否滿(mǎn)足陶瓷磚在線檢測(cè)裝置±0.02mm的要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，直線度測(cè)量值的重復(fù)性較好。以陶瓷磚在線檢測(cè)裝置1米運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，均勻間隔5個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量，共6次測(cè)量的直線度擬合直線曲線，具體測(cè)量結(jié)果以圖4為例：

3.2 多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置測(cè)量陶瓷磚在線檢測(cè)裝置中測(cè)距儀的線性度的方法與數(shù)據(jù)分析

多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置主要由高精度光柵尺讀數(shù)頭、水平臺(tái)、升降結(jié)構(gòu)平臺(tái)、色彩標(biāo)準(zhǔn)板、剛性結(jié)構(gòu)等部分組成（見(jiàn)圖5）。其工作原理是：色彩標(biāo)準(zhǔn)板置于水平臺(tái)上，通過(guò)升高升降臺(tái)，光柵尺的位移和測(cè)距儀的讀數(shù)比較得出示值誤差，從而測(cè)量在線監(jiān)測(cè)裝置上的直線度。

測(cè)量前，將多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置放置在陶瓷磚平整度檢測(cè)裝置平臺(tái)上，調(diào)節(jié)升降臺(tái)的水平泡令升降臺(tái)裝置水平，保證測(cè)頭垂直于多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置表面。測(cè)量時(shí)，將測(cè)距儀和升降臺(tái)上的光柵尺置零，通過(guò)電動(dòng)升降臺(tái)的Z 軸移動(dòng)，使高度升高1mm（測(cè)量分辨力為0.01mm的位移傳感器時(shí)則升高0.01mm），記取多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置上光柵尺的理論值和測(cè)距儀的測(cè)量值，如此反復(fù)直至總高度至10mm，將多功能升降臺(tái)試驗(yàn)裝置上光柵尺的讀數(shù)記作hi，激光位移傳感器的顯示值為li。測(cè)量過(guò)程如圖6：

測(cè)距儀使用的是650nm的紅色半導(dǎo)體激光，對(duì)陶瓷磚表面反射系數(shù)有一定的要求，鋼制量塊的工作面是平面度要求很高很亮的鏡面，則接受漫反射的CCD端成像光很少，所以鏡面會(huì)在一定程度上影響測(cè)量結(jié)果?；诖?，分別在多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置的升降臺(tái)上放置黑色鏡面、白色鏡面、黑色非鏡面、白色非鏡面的標(biāo)準(zhǔn)陶瓷板，測(cè)量不同陶瓷磚板對(duì)非接觸式光學(xué)測(cè)距儀的線性度的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1.

由以上數(shù)據(jù)分析，不同色彩的陶瓷磚板對(duì)于非接觸式光學(xué)測(cè)距儀的測(cè)量有一定的影響，但測(cè)量誤差不超過(guò)陶瓷磚在線檢測(cè)裝置±0.05mm的要求。整合成線性回歸方程及回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.6，該數(shù)值較為接近1，表明線性度較好?？梢?jiàn)，用多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置測(cè)量陶瓷磚在線檢測(cè)裝置中測(cè)距儀的線性度的方法有效（線性度圖見(jiàn)圖7）。

4 方法比較

為測(cè)量檢測(cè)（3200mm×1600）mm陶瓷磚的在線檢測(cè)裝置，現(xiàn)選用4片（800mm×800）mm的大理石標(biāo)準(zhǔn)板和激光干涉儀、多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置分別作測(cè)量比較。

把4片大理石標(biāo)準(zhǔn)板拼接后調(diào)平構(gòu)筑標(biāo)準(zhǔn)平面放置在陶瓷磚在線檢測(cè)裝置運(yùn)輸帶上，用電子水平儀對(duì)大理石標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行水平方向的直線度測(cè)量，利用最小二乘法評(píng)定后得到拼接大理石標(biāo)準(zhǔn)板的直線度值（忽略接縫）為0.012mm，再用陶瓷標(biāo)準(zhǔn)磚測(cè)量陶瓷磚在線檢測(cè)裝置，其平整度綜合誤差為0.035mm。

用激光干涉儀測(cè)量陶瓷磚在線檢測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下直線度，其直線度值為0.022mm；用多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置測(cè)量測(cè)距儀，其線性度為0.02%，說(shuō)明測(cè)距儀符合要求，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌直線度0.022mm有效。

比較兩種方式測(cè)得的直線度結(jié)果一致。結(jié)果表明，用激光干涉儀和多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置測(cè)量陶瓷磚平整度在線檢測(cè)裝置的方法是可行的。有效避免現(xiàn)場(chǎng)整體拆卸的繁瑣工序，又節(jié)約了校準(zhǔn)時(shí)間問(wèn)題，多標(biāo)準(zhǔn)板拼接難度大，非常容易引入誤差。本方法解決了現(xiàn)時(shí)1.2m及以上的陶瓷大板在線檢測(cè)裝置的校準(zhǔn)問(wèn)題，滿(mǎn)足了客戶(hù)要求現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需求，且標(biāo)準(zhǔn)器裝置也能有效溯源。

5 結(jié) 論

本文從陶瓷磚在線檢測(cè)設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)分析出影響性能要求的主要是運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和測(cè)距儀，提出了用激光干涉儀和多功能升降臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置綜合測(cè)量陶瓷磚在線檢測(cè)設(shè)備測(cè)量平整度，對(duì)比用陶瓷標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)量陶瓷磚在線檢測(cè)設(shè)備的平整度的測(cè)量結(jié)果，表明本文提出的校準(zhǔn)方法更加滿(mǎn)足陶瓷設(shè)備制造廠和陶瓷生產(chǎn)廠的的生產(chǎn)要求，可靠性和可行性較高，為陶瓷行業(yè)提高有價(jià)值的參考。

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