陶瓷砖平整度在线检测装置校准方法的研究

李雪莹

摘 要：为解决测量陶瓷相关设备制造厂和陶瓷生产厂非接触式陶瓷砖平整度在线检测装置问题，提出一种简单可行且准确度高的测试方案。分别选用激光干涉仪测量在线检测装置的导轨直线度误差，选用自主研制的多功能升降台校准试验装置测量非接触式光学测距仪的线性度。通过与以大理石标准板为标准测量在线检测装置直线度的方法比较表明：用激光干涉仪和多功能升降台校准试验装置测量陶瓷砖平整度在线检测装置的方法更加满足陶瓷设备制造厂和陶瓷生产厂的生产要求，可靠性和可行性较高，为陶瓷行业提供有价值的参考。

关键词：计量学；非接触式陶瓷砖平整度在线检测装置；直线度；线性度

1 前言

随着技术进步和市场需要的变化，陶瓷砖的规格越来越大，数量也越来越多，为了智能化和数字化管理，非接触式陶瓷砖平整度在线检测装置（以下简称“陶瓷砖在线检测装置”）像雨后春笋般应运而生。目前还没有可靠的针对大规格陶瓷砖在线检测装置的校准方式。小规格陶瓷砖在线检测装置主要采用陶瓷参考砖法进行自校准，人工使用塞尺对陶瓷参考砖生产线上一块砖进行平面度测试后，使线检测装置的测量值和人工测试值相比较，测试在线检测装置的相对准确性。事实上，由于陶瓷参考砖有底纹不平，支撑平台不平，容易发生变形等特点，在测量过程中不可避免发生数据漂动，測量稳定性较差，尤其对于大规格的陶瓷砖，会产生较大的测量误差。

陶瓷砖在线检测装置主要由运动导轨、滑块、非接触式光学测距仪（以下简称“测距仪”）及固定块、传送带等组成（如图1），测距仪安装在运动导轨上的滑块处，整体主要靠滑块运动带动测距仪往返运动，测距仪感应通过运送带运输的陶瓷砖，对陶瓷砖的几何参数进行全尺寸测量，陶瓷砖在线检测装置上运动导轨不断运动产生的自身研磨受损以及地基不牢固原因和测距仪的本身精度等综合问题，会对生产的陶瓷砖检测带来直接的影响。而检测陶瓷砖时，理论上要达到几何误差与变形误差为零，所以在线运动导轨的直线度和测距仪的线性度是衡量陶瓷砖在线检测装置准确度的一个重要指标。

本文针对陶瓷砖在线检测装置，激光干涉仪直线度组件测量在线运动导轨的直线度，采用设计研制的多功能升降台校准试验装置测量测距仪的线性度，来研究是否能有效测量陶瓷砖在线检测装置的技术特征。

2  测量原理

直线度测量是通过检测干涉镜和反射镜的相对横向位移引起的光程差来实现的，直线度测量可在水平面或垂直面内进行，它取决于直线度干涉镜和直线度反射镜的定位方向。激光头的输出光束穿过直线度干涉镜后，被分裂成两束夹角较小的光束，经过直线度反射镜反射后沿一条新的光路返回到直线度干涉镜，这两束光束在直线度干涉镜处汇合成一束光束，并返回激光头的回光孔，如图2所示。

线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标，以被测输入量处于稳定状态为前提，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出的百分比，称为线性度（又称为“非线性误差”），该值越小，表明线性特性越好。拟合直线是一条通过一定方法绘制出来的直线，求拟合直线的方法有：端基法、最小二乘法等等。

3  实验及分析

传统校准方法我们使用直接测量法。大规格陶瓷砖平整度在线检测装置大部分是由运输带将被测陶瓷板运输到在线检测装置下方进行测试，因测距仪有距离限制，一般在线检测装置的行架安装位置不会太高，离输送带高度为120mm，测距仪有效测距位置为±30mm，则传输的样品厚度不能超过25mm。如选用尺寸大的大理石标准板，为了保证大理石标准板的平面平整其厚度则会超过25mm。根据实际情况分析，我们选用多块尺寸为800mm×800mm大理石标准板以拼接平面的形式测量在线检测装置。

本文介绍的方式，基于陶瓷砖检测设备的特性进行分析研究，对主要影响陶瓷砖在线检测装置的运动导轨和测距仪进行分析。

3.1激光干涉仪测量陶瓷砖在线检测装置中运动导轨的方法与数据分析

测量前，选择相对平整的地面，将激光头安装在三脚架上，连接电源，开启XL-80激光头，使其预热，一般预热需要5分钟，直到激光头头部五个并排的指示灯依次熄灭四个，尾部的灯成绿色，确定光路，将用于测量直线度的汇聚透镜放在导轨上，固定测量直线度的专用反射镜（如图3）。测量时，校准激光干涉仪的平行光束，消除斜率误差，测量水平直线度，均匀取5个测量点共测量6次，并记录数据。计算每个点测量6次测量值的算术平均值，并在坐标轴上画出，用折线连接。测量后，分析测量结果，判断直线度是否满足陶瓷砖在线检测装置±0.02mm的要求。

实验结果显示，直线度测量值的重复性较好。以陶瓷砖在线检测装置1米运动导轨，均匀间隔5个测量点测量，共6次测量的直线度拟合直线曲线，具体测量结果以图4为例：

3.2 多功能升降台校准试验装置测量陶瓷砖在线检测装置中测距仪的线性度的方法与数据分析

多功能升降台校准试验装置主要由高精度光栅尺读数头、水平台、升降结构平台、色彩标准板、刚性结构等部分组成（见图5）。其工作原理是：色彩标准板置于水平台上，通过升高升降台，光栅尺的位移和测距仪的读数比较得出示值误差，从而测量在线监测装置上的直线度。

测量前，将多功能升降台校准试验装置放置在陶瓷砖平整度检测装置平台上，调节升降台的水平泡令升降台装置水平，保证测头垂直于多功能升降台校准试验装置表面。测量时，将测距仪和升降台上的光栅尺置零，通过电动升降台的Z 轴移动，使高度升高1mm（测量分辨力为0.01mm的位移传感器时则升高0.01mm），记取多功能升降台校准试验装置上光栅尺的理论值和测距仪的测量值，如此反复直至总高度至10mm，将多功能升降台试验装置上光栅尺的读数记作hi，激光位移传感器的显示值为li。测量过程如图6：

测距仪使用的是650nm的红色半导体激光，对陶瓷砖表面反射系数有一定的要求，钢制量块的工作面是平面度要求很高很亮的镜面，则接受漫反射的CCD端成像光很少，所以镜面会在一定程度上影响测量结果。基于此，分别在多功能升降台校准试验装置的升降台上放置黑色镜面、白色镜面、黑色非镜面、白色非镜面的标准陶瓷板，测量不同陶瓷砖板对非接触式光学测距仪的线性度的影响，测量数据如表1.

由以上数据分析，不同色彩的陶瓷砖板对于非接触式光学测距仪的测量有一定的影响，但测量误差不超过陶瓷砖在线检测装置±0.05mm的要求。整合成线性回归方程及回归方程相关系数R2=0.6，该数值较为接近1，表明线性度较好。可见，用多功能升降台校准试验装置测量陶瓷砖在线检测装置中测距仪的线性度的方法有效（线性度图见图7）。

4 方法比较

为测量检测（3200mm×1600）mm陶瓷砖的在线检测装置，现选用4片（800mm×800）mm的大理石标准板和激光干涉仪、多功能升降臺校准试验装置分别作测量比较。

把4片大理石标准板拼接后调平构筑标准平面放置在陶瓷砖在线检测装置运输带上，用电子水平仪对大理石标准板进行水平方向的直线度测量，利用最小二乘法评定后得到拼接大理石标准板的直线度值（忽略接缝）为0.012mm，再用陶瓷标准砖测量陶瓷砖在线检测装置，其平整度综合误差为0.035mm。

用激光干涉仪测量陶瓷砖在线检测装置的运动部件运动状态下直线度，其直线度值为0.022mm；用多功能升降台校准试验装置测量测距仪，其线性度为0.02%，说明测距仪符合要求，运动导轨直线度0.022mm有效。

比较两种方式测得的直线度结果一致。结果表明，用激光干涉仪和多功能升降台校准试验装置测量陶瓷砖平整度在线检测装置的方法是可行的。有效避免现场整体拆卸的繁琐工序，又节约了校准时间问题，多标准板拼接难度大，非常容易引入误差。本方法解决了现时1.2m及以上的陶瓷大板在线检测装置的校准问题，满足了客户要求现场测量需求，且标准器装置也能有效溯源。

5 结 论

本文从陶瓷砖在线检测设备的组成结构分析出影响性能要求的主要是运动导轨和测距仪，提出了用激光干涉仪和多功能升降台校准试验装置综合测量陶瓷砖在线检测设备测量平整度，对比用陶瓷标准板测量陶瓷砖在线检测设备的平整度的测量结果，表明本文提出的校准方法更加满足陶瓷设备制造厂和陶瓷生产厂的的生产要求，可靠性和可行性较高，为陶瓷行业提高有价值的参考。

参考文献

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