（机械制造及其自动化专业论文）陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制.pdf

摘要 我国陶瓷墙地砖工业的迅速发展对该类产品的检测提出了高速、高精度、自动化在线检 测等要求。本文首先综述陶瓷墙地砖在线检测的重要意义，然后深入研究了陶瓷墙地砖几何 尺寸在线检测技术；设计了在线检测系统的总体方案；研制了基于线阵c c d 的检测传感器， 包括：传感器的光学系统、线阵c c d 的驱动电路、信号处理电路设计等；开发了基于工业控 制计算机的数据采集软件系统，最后通过实验研究了所设计的系统性能。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 第一章综述了陶瓷墙地砖在线检测的重要意义，概述了目前墙地砖在线检测技术的研 究现状。 第二章分析了陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统，给出了合理的检测系统总体方案设 计。采用同步带传送的几何尺寸流水线式测量机构，提高了系统测量速度；采用可调式的机 械结构，使系统可以适应不同宽度的墙地砖测量。 第三章在深入了解c c d 工作原理的基础上，独立开发了陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测 系统的部分硬件，包括基于线阵c c d 的测量传感器，涉及驱动电路、后处理电路开发、接口 电路以及光学系统。 第四章提出了系统软件的基本实现框架，开发了基于多线程和虚拟设备驱动程序挂接 外部中断的方式实现c c d 数据采集的相关程序，同时系统可以通过软件对c c d 实现标定。 第五章通过相关实验验证了系统总体方案的可行性，所研制硬、软件的有效性 第六章对本论文研究工作主要总结结论，并对后续研究作了展望。 关键词r 陶瓷，墙地砖，线阵c c d ，几何尺寸，在线检测 t h eb o o m i n gd e v e l o p m e n to fc e r a m i ct i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r yr e q u i r e dh i g h s p e e d 。h i g hp r e c i s i o n ，a u t o m a t i o na n do n l i n ei n s p e c t i o no ni t sp r o d u c t sa n da l s o o nc e r a m i ct i l ep r o d u c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a tf i r s tt h ei m p o r t a n c eo fc e r a m i c t i l eo n l i n ei n s p e c t i o nw a ss u m m a r i z e d ，t h e naf e wk i n d so fc e r a m i ct i l eg e o m e t r i c d i m e n s i o no n l i n ei n s p e c t i o n t e c h n i q u e sw e r e t h o r o u g h l ya n a l y z e d ；d e s i g n e dt h e o v e r a l lp l a no fo n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e mo fg e o m e t r i cd i m e n s i o no fc e r a m i ct i l e ； d e v e l o p e dt h ei n s p e c t i o ns e n s o rw h i c hb a s e do nli n e a rc c d ，i n c l u d i n gt h eo p t i c a l s y s t e mo fi n s p e c t i o ns e n s o r ，t h ed r i v i n gc i r c u i to fl i n c u r c c ds e n s o ra n di t ss i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ；d e v e l o p e dt h es o f t w a r es y s t e mf o rd a t aa c q u i s i t i o nb a s e do n i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r ；i nt h e e n di n v e s t i g a t e dt h ep e r f o r m a n c e so f t h e i n s p e c t i o ns y s t e m p r e s e n td i s s e r t a t i o nc o v e r e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： i nc h a p t e ro n e ，t h ei m p o r t a n c eo fc e r a m i ct i l eo n l i n ei n s p e c t i o nw a ss u m r i z e d , t h e n t h ec e r a m i ct i l eo n l i n e i n s p e c t i o nt e c h n i q u es i t u a t i o na tp r e s e n tw a s i n t r e d u c e d i nc h a p t e rt w o ，t h ec e r a m i ct i l eo n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e mw a sa n a l y z e d ，t h e n t h ei n s p e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e dp r o p e r l y i no r d e rt oa d v a n c e dt h ev e l o c i t yo f i n s p e c t i o nt h es y n c h r o n o u sb e l tm e c h a n i c a ls t r u c t u r ew a su s e d u s i n gt h ea d j u s t a b l e d e v i c e 。t h ei n s p e c t i o ns y s t e mc a nb eu t i l i z e di ni n s p e c t i n gt h ev a r i o u s1 e n g t ho f c e r a m i ct i l e i nc h a p t e rt h r e e ，a tf i r s tt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fc c dw a sa n a l y z e di nd e t a i l ， t h e nt h eh a r d w a r eo fi n s p e c t i o ns y s t e md e v e l o p e d ，i n c l u d i n gt h el i n e a rc c ds e n s o r ， i n c l u d i n gt h ed t i v i n gc i r c u i to fl i n e a rc c ds e n s o r ，p o s tp r o c e s s i n gc i r c u i t ， i n t e r f a c ec i r c u i ta n dt h eo p t i c a ls y s t e mo fc c i ) i n s p e c t i o ns e n s o r i nc h a p t e rf o u r ，f i r s t l yt h ef r a m e w o r ko fs y s t e ms o f t w a r ew a s fd e s i g n e d ，t h e n t h er e l a t i v ep r o g r a mb a s e do nm u l t i t h r e a da n dd r i v e rp r o g r a mw a sd e v e l o p e d t h e s y s t e mc a nb ec a l l h r a t e dt h r o u g hs o f t w a r e i nc h a p t e rf i v e ，t h ef e a s i b i l i t yo fo v e r a l ls c h e m eo fi n s p e c t i o ns y s t e m , t h e e f f i c i e n c yo ft h ed e y c l e p e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ev e r i f i e d i nc h a p t e rs i x ，m i a nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o nw a sp r o v i d e d ， a n d t h ep r o s p e c t so ft h ef u t u r er e s e a r c hw e r ed i s s c u s s e d k e yw o r d s ：c e r a m i c ，t i l e ，l i n e a ra r r a yc c d ，g e o m e t r i cd i m e n s i o 珥o n l i n ei n s p e c t i o n 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 第一章绪论 1 1 陶瓷墙地砖几何尺寸检测的意义 我国的陶瓷墙地砖工业在2 0 世纪发生了巨大的变化：在短短的几十年时间里，陶瓷墙 地砖产量大幅度提高，已经排名世界第一i l 】，同时生产工艺技术，机械装备也有了根本性的 改革和发展，已经成为了陶瓷墙地砖生产的大国。特别是近几年，我国陶瓷砖的生产能力、 花色品种、技术装备、产品质量等方面都有了明显的提高，大大缩小了我国与国外先进水平 的差距，越来越多的陶瓷墙地砖生产企业开始走出国门，面对广阔的海外市场。 然而，就行业总体水平而言，档次偏低、技术水平不高。随着我国加入w t o ，我国墙 地砖生产企业在激烈的市场竞争中，正面临着新的挑战。如何提高产品质量，与国际接轨， 走向国际市场，已是摆在企业面前的重要课题。 陶瓷墙地砖的产量、品种、规格的发展是与机械装备的发展紧密相连、相辅相成的。只 有提高陶瓷机械的装备水平，提高陶瓷墙地砖生产线的自动化程度，从而才能从根本上提高 陶瓷墙地砖的质量，提高产品的竞争力，在激烈的国内外市场竞争中立于不败之地。 国内的陶瓷机械最近几年发展迅猛【l 嗣唧，所采用的生产线和生产设备由原来的完全进 口到今天的进e l 与国产并存，很多陶瓷机械产品已经打入国际市场 4 1 。然而自动分检机械至 今仍是我国陶瓷机械行业的一个空白：质量检测与分级工艺仍停留在手工操作水平，对产品 质量的提高形成极大障碍，是陶瓷行业中急需解决的技术问题。 陶瓷墙地砖检测是一项极其重要的工作，国内大多数墙地砖生产企业往往更倾向于通过 密集劳动力来代替自动分选自动化程度低。传统的检测方法即人工检测与分级的基本情况 是：分检工序在生产线的末段进行，传送带的侧面装有加强照明的光管，而在传送带的另一 侧有多名工人进行分检，分检的效果和效率主要依赖检验人员的经验。检测过程中由工人搬 动墙地砖，调节其与光管的角度，由人眼对其表面进行观察，根据观察的结果来判断其级别， 再分流到不同的等级区域；而对四个角度和边界的尺寸检查则用角尺逐个测量判定 对外轮 廓的边的平行度测量则是与另一标准瓷砖并排比较来实现。经过这样一系列操作来实现对一 块瓷砖的分检，对大尺寸的瓷砖要两个人配合才能完成检测，劳动强度较大。 人工检测墙地砖是静态的和局部单点测量，存在很多问题，如检测速度慢，效率低等。 为了保证产品的质量，花费在测量上的时间和人员数量相当大，严重影响了工厂的生产效率 和生产成本。检测时人为影响因素比较大，比如读数、测量方法等的影响；量具磨损等影响。 一方面传统的接触式测量技术跟不上现代墙地砖加工工业的非接触测量要求，已成为提高生 产效率和加工精度的制约因素。另一方面传统的离线、静态测量技术又满足不了现代加工中 主动测量的要求，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，严重影响了产品质量，最终影响企业经济效益。由此可以看出，在陶 瓷行业产品质量检测中采用自动检测与分级是必要的。 随着现代陶瓷墙地砖生产工艺的迅速发展，要求陶瓷墙地砖产品的检测必须具有速度 浙江大学颈士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 快、精度高、在线自动检测等特点，并向全场检测方向发展。在这种情况卜，迫切需要研制 出一种高精度的自动检测系统，实现墙地砖产品的快速动态全场测量。这对提高陶瓷墙地砖 产品的生产质量、效率具有十分重要的意义。 为了改善陶瓷墙地砖检测设备相对落后的局面，生产出适合我国国情的检测设备，满足 目前陶瓷墙地砖生产高速发展的需要，我们和广东佛山某公司展开项目合作，研究陶瓷墙地 砖几何尺寸的主动、在线、实时、非接触测量系统。 1 2 陶瓷墙地砖在线检测技术研究的现状 影响陶瓷墙地砖质量的因素众多，质量参数从技术上可分为尺寸偏差、表面与结构质量、 理化特性等三大类阎阐1 7 l 田。在实际的生产中，影响墙地砖质量的因素主要包括尺寸、表面 缺陷以及表面颜色。因此，一般墙地砖等级分拣线主要根据以上三个方面的主要参数对墙地 砖质量进行分拣。尺寸( 尺寸偏差、变形) 检测主要实现墙地砖的长度、宽度、厚度、平整度 的检测与分级；表面缺陷检测平台实现墙地砖表面裂纹、釉裂、缺釉、针孔、桔釉、斑点、 釉缕等的检测、识别与分级：表面颜色( 表面色差) 分级系统实现对墙地砖表面颜色色号的确 认与分级。 在一般的工业检测中，最常见的是“离线”测量，利用一定的检测器具对被测对象进行 接触测量。随着光电检测技术的迅速发展，其在几何尺寸检测中获得广泛应用，对于常温、 常压环境下，采用主动光源的光电检测，可通过一定的手段将几何尺寸、外部缺陷、颜色等 转换为适当的光学量，通过对光学量的检测、光电转换和后继处理，从而实现尺寸、外部缺 陷、颜色测量在线动态测量。目前墙地砖几何尺寸检测中，常见的方法是采用线阵c c d 测 量其长度、宽度，利用基于光学三角法原理的p s d 测量表面平整度等；而对于缺陷和色差， 大多采用机器视觉的方法进行检测。对于内部缺陷，采用x 射线照相或者超声探测获取物 体内部的图像，实现内部缺陷检测。 目前常见的陶瓷墙地砖在线光电测量中所用到的主要测量方法有：基于机器视觉的检测 技术、光学三角法和采用线性光电感应器件的尺寸测量技术。 一、基于机器视觉的检测技术 今年来，由于计算机技术和图像处理技术的发展，机器视觉检测技术的应用范围越来越 广嗍【l o 】【“l 。机器视觉是以计算机和图像获取部件为工具，以图像处理技术、图像分析技术、 模式识别技术、人工智能技术为依托，处理所获取的图像信号，并从图像中获取某些特定信 息。机器视觉技术无需接触特定对象便可从获取的图像中得到大量的信息，通过对这些信息 的分析可以得到物体尺寸、表面缺陷、表面粗糙度等具体信息，特别适用于瓷砖等产品的几 何尺寸测量、表面缺陷检测和色差分析，进而实现质量的综合评价，这是传统传感器难以解 决的问题，采用机器视觉自动检测与测量技术，极大地改变了传统的检测与检验手段，它最 大的特点是非接触式的，并且可同时完成多种检测任务，通过在计算机上实施多种自动识别 技术和智能技术可极大提高检测与识别任务的自动化水平和智能水平。 基于机器视觉的陶瓷墙地砖检测系统工作原理如图1 - 1 所示。 2 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 图1 - 1 基于机器视觉的墙地砖检测工作原理 机器视觉技术在国内虽然起步较晚，但近年来发展较快，已经在机械、电子、化工、 纺织、农产品等众多行业得到了广泛的应用“。例如，长春光学精密机械学院的宋路、张 从周等人研制了“回转体零件光电二维自动检测系统”；张书慧、陈晓光、张晓梅等人开发 的苹果、桃等农副产品品质检测与分级图像处理系绀”1 ，采用计算机视觉技术来对果实表 面颜色进行分级识别。 二、光学三角法测量技术 光学三角法的原理非常简单，一般都是以p s i ) ( 位置传感器) 或者c c d ( 光电耦合器 件) 作为光学接受器件，发光器发出的光通过透镜投射到待测物体表面上并被反射，反射光 再通过透镜并聚焦在p s d 或者c c d 上。通过聚焦光电在感光器件表面上的位置，即可由其 几何关系计算出待测物体的距离”】。 3 1 。分 兮 图1 - 2 光学三角法测量原理 1 l e d 或l d 2 发射透镜 3 待测物 4 接受透镜 5 p s i ) 或c c d 在测量领域，以光学三角法为原理的位置传感器应用非常广泛。应用于陶瓷墙地砖在线 检测中，常用于测量墙地砖的平整度，把两个位置传感器组合起来放在物体的两侧则可以测 量瓷砖的厚度，效果良好。 三、线阵c c d 应用技术 除了以上两种方法在墙地砖测量方面广泛应用之外，一些墙地砖在线检测设备利用线阵 c c d 对瓷砖尺寸进行检测，在这里c c d 相当于是一把高精度的尺子，用成像的原理将物体 浙江大学硕士学位论文陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 的实际尺寸信息反应在线阵c c d 上，从而得到待测物体的实际尺寸，具体测最原理在第二 章里进行论述。 c c d ( 电荷耦合器件) ，是一种微型图像传感器，既有光电转换功能，又具有信号电荷的 存储、转移和读出功能，它能把一幅空间域分布的光学图像，变换成一列按时间域分布的离 散信号。它具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、成本低等特点。作为检测单元构成的 非接触光电检测系统，更具有体积小、重量轻、功耗低、响应速度快等特点，便于同计算机 组成高性能测控系统。因此，线阵c c d 作为一种高灵敏度光电传感器，已经广泛用于工业 非接触检测和控制中1 6 1 1 7 1 1 8 1 ”。 在陶瓷墙地砖测量领域，国外的一些检测线实现了对陶瓷墙地砖平整度、长宽尺寸等的 在线检测，一些厂家如意大利的s y s t e m 公司研制成功了利用线阵c c d 测量墙地砖尺寸的检 测系统，同时该系统采用一组p s l 3 连续测量的方法，可对墙地砖的平整度进行检测，精度 可以达到0 1 m m 。德国的m e d a v 公司聊、m a s s e n 公司【2 1 1 分别开发的采用机器视觉的方法 开发的检测系统可以实现尺寸、平整度、色彩、缺陷等检测。 目前国内山东理工大学的邢希东等人采用机器视觉的方法进行了瓷砖测量的相关研究 “；西安交通大学赵海洋等人也进行一些相关研究：华中科技大学图像所、广东佛山市某 企业合作研制“c s z f 墙地砖等级智能分拣系统” 2 2 】，王丰、周春晓等分别在表面颜色分级、 尺寸检测和表面缺陷检测方面进行了研究。但是都离实际应用还有一定的距离。在尺寸检测、 缺陷检测和表面颜色分级方面，处理速度、精度和效果也有待提高。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文主要针对陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测技术开展研究，包括系统的总体方案设 计，基于线阵c c d 的传感器设计( 传感器的光学系统、线阵c c d 的驱动电路、信号处理 电路设计等) ，基于工控计算机的数据采集软件设计，以及系统试验研究。 论文的主要研究内容如下： 第一章：介绍了课题的研究意义，概述了目前墙地砖在线检测技术的研究现状。 第二章：介绍了陶瓷墙地砖测量的主要参数，提出了检测系统的总体方案阐述了平整 度、长宽测量原理，最后确定了长宽测量的硬件体系结构和总体机械机构方案。 第三章：介绍了c c d 器件的工作原理及特点，c c d 器件的特性参数以及c c d 器件选 择的原则，在此基础上选择t c d l 2 0 8 a p 作为感测器件，并对其基本结构及工作原理作了探 讨。最后设计了t c d l 2 0 8 a p 线阵c c d 的驱动电路和后处理电路，并设计了和计算机的接 口电路。 第四章：介绍了软件平台和开发工具，规划了软件系统结构并设计了主要模块，介绍了 主要模块的程序流程，最后对系统软件采用的关键技术进行了探讨。 第五章：实验研究主要包括：c c d 驱动时序实验，c c d 输出实验，c c d 传感器部件精 度实验，长宽几何尺寸动态测量实验。在实验的基础上进行了分析。 第六章：总结全文并对进一步研究做出展望。 4 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 论文的整体框架图如图1 3 所示。首先对提出了系统的总体方案，确定了长宽尺寸测量 方案的硬软件体系结构和总体机械机构方案。随后在第三、四章里对线阵c 检测系统的 硬、软件系统的具体设计进行了论述。然后，结合系统设计、硬软件设计开展试验研究，通 过试验验证总体方案的可行性，硬件、软件的有效性。最后对全文的研究进行了概括与总结。 j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j 丑j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j ： 嘎： 系统主要模块 、 、- _ _ - - 。一 图1 3 论文整体框架结构 5 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 第二章陶瓷墙地砖几何尺寸检测系统总体方案 时嘈懒l 本章主要介绍了陶瓷墙地砖测量的主要参数，制定丁系统的总体测量方案，包括平整度、长宽 尺寸狈4 量原理及方案，最后确定了长宽尺寸测量方案的硬软件体系结构和总体机械机构方案。 2 1 陶瓷墙地砖需检测的几何尺寸参数 根据国家标准g b t3 8 1 0 2 _ _ 1 9 9 9 1 2 3 】，g b t 1 1 9 4 8 - - 1 9 8 9 阱 并结合课题的要求，本检测 系统主要实现两个指标的在线测量，即平整度检测和瓷砖长宽检测。 陶瓷墙地砖的检测指标主要涉及两个方面，即尺寸和表面质量的检测。 长度和宽度的检测一般在离砖项角5 m m 处测量砖的每边即为该边的长度。 表面平整度一般由砖面上3 点的测量值来定义，主要有三个指标： 1 边弯曲度：砖条边的中点偏离由该边两角为直线的距离； 2 中心弯曲度：砖的中心点偏离由砖4 个角中3 个角所决定的平面的距离； 3 翘曲度：砖的3 个角决定一个平面，其第4 个角偏离该平面的距离。 2 2 系统测量方案 本课题要求检测系统能在线测量陶瓷墙地砖的长宽和平整度，鉴于如前所述的墙地砖测 量技术现状，我们进行了具体的系统测量方案设计。 2 2 1 平整度测量系统方案 平整度测量系统，由3 5 个p s d 位置检测器组成。如图2 - 1 所示，墙地砖在传送带上 以一定速度水平移动( 如图2 - 1 箭头所示) 。在墙地砖的运动方向上，5 个p s d 能以很快的 频率检测出一系列特征点。将采集得到的数据传入计算机，进行数据处理，从而得到墙地砖 的表面平整度。 图2 1p s d 测量方案图 对于不同规格的地砖，可以通过调整p s d 之间的位置或者增加p s d 的个数，使p s d 所 6 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 测的点能尽可能的表征地砖的平整度。 2 2 2 墙地砖长宽尺寸检测方案 一、目前线阵c c d 尺寸测量的两种方案介绍 如前所述，与用机械或其它方法检测物体尺寸相比，利用光电方法检测物体尺寸有突出 的优点，如非接触、响应快、分辨率高等。光电非接触测量常用的方法从其光学原理来说比 较常用的有投影法和成像法等。 1 投影法 采用平行光将待测物体投影在光电探测器上，当待测物体的位置或尺寸发生变化时，光 电探测器上的光投影位置即明暗位置发生变化，光电探测器的输出也发生变化，根据探测器 输出信号的大小，即可测定待测物体的尺寸或者位置信息。 线阵c c d ( 电荷耦合器件) 是一种一维图像传感器，它有多种用途，其中之一是在生产线 上对各种线、带、管、条进行非接触在线尺寸测量。一般测量原理是：采用平行光从背面照 射待测目标，目标经过光学系统成像在c c d 传感器上，这个影像反映了被测件的一维尺寸。 1 线阵c c d2 l 小尺寸待测物3 透镜4 光源1 线阵c c d2 大尺寸待测物3 透镜4 光源 图2 - 2 单c c d 测量原理图图2 - 3 双c c d 测量原理图 若采用如图2 - 2 的测量方法，则被测尺寸与影像之间的关系为： d = d y 8( 2 1 ) 式中：d 一被测件尺寸大小； d 一被测件直径在c c d 光敏面上影像的大小 7 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线榆测系统研制 b 光学系统的放大率。 因此，只要测出被测件影像的大小，就可以由( 2 1 ) 式求出被测件的相关尺寸。 图2 - 2 所示的投影法对于测量小尺寸物体的直径、宽度信息非常方便有效，是一种常用 的方法。这里的小尺寸物体是指小于像敏区总长度的物体，以保证在平行光照射下物体能够 垂直投影到光电传感器。 虽然用上述光学成像方法可以测得物体的一维尺寸，但其测量精度及测量范围受到c c d 器件的像素大小及像素数目的限制。对于大于像敏区总长度的物体，一般采用图2 - 3 所示的 方式进行测量。即采用两个己知距离的线阵c c d 拼接起来，使待测物体的两个测量边分别 处于两个c c d 的测量范围之内，利用两个光源产生平行光进行垂直投影，同样边界明暗变 化反映在线阵c c d 上，得到每个边界在相应线阵c c d 上的相对位置，经过数据采集和处 理便可以得到物体的尺寸。 从图2 - 3 可得被检零件的影象尺寸为： d = l + “l n 1 ) + ( n 2 一行2 ) ) p ( 2 - 2 ) 式中：i ，_ c d 间距； n 卜c 1 的阵列光敏元数； n 2 c c d 2 的阵列光敏元数； 礼l c 1 的亮光敏元数； 礼2 彻2 的亮光敏元数： p 像敏元间距。 从式( 2 2 ) 可知：通过测量亮光敏元数n 1 和d 2 即可实现被测零件一维尺寸d 的检测。 2 ，成像法 成像法是利用光学系统直接将被测对象成像，并用图像型光电探测器接收，在光学系统 放大率一定的情况下，成像尺寸与光学系统放大率的比值即为被测物体的尺寸。主要原理如 图2 - 4 所示。 1 光源 2 透镜 3 待测物 4 透镜 5 线阵c c d 图2 - 4 成像法测量原理图 若采用如图2 - 4 的测量方式，待测物直径的计算公式为： d ：p x a n ( 2 3 ) 卢 其中：d 一被测工件直径值； 8 r - 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 p 一像敏元间距： 口一光学成像系统放大率； a n 一被测件经光学系统成像后在c c d 光敏区所遮挡的( 和z 对应的) 光 敏元的数目。 这种测量方法用于小尺寸物体检测的时候，由于光学放大作用使得测量精度大大提高， 因而在一些领域的应用非常广泛。该方法也可用于一些大尺寸物体的测量，一般将线阵c c d 置于透镜2 倍焦距之内，利用物体本身的光或者反射光来通过透镜成像到线阵c c d 表面上， 同样也可以测得物体尺寸。不过这时光学成像系统的放大率是小于1 的，所以物体越大，精 度越低。 从上面的比较分析可以看出。在测量大尺寸小变化物体尺寸的时候，用双c c d 组台起 来，采用平行光投影的方法测量可以得到较高的精度因此，本测量系统确定采用该方法。 二、墙地砖尺寸测量系统方案 由前面的论述可知，可由线阵c c d 准确测得墙地砖每个边所对应位置信息，采用6 个 线阵c c d 成对安装在瓷砖的几个边的不同位置，如图2 5 所示。设墙地砖的运动方向为z ， 垂直方向为，线阵c c d 成对使用( 在墙地砖的相对的两边) 。在x 方向上放置一对线阵 c c d ，在墙地砖通过的一段时间内，因为与运动方向平行，所以只需一对就可以方便地测 出与z 方向平行两边的一系列点，从而得到墙地砖平行于轴的两条边的长度；而在y 方 向上，由于与运动方向垂直，不能连续测量两边的值，所以放置2 对线阵c c d ，在墙地砖 进入2 对线阵c l - 2 ) 的范围时，可测出与z 方向平行的两条边的长度。 z 图2 - 5 c c d 测宽方案图 1 线阵c c d 2 传送带 3 待测墙地砖 对不同规格的墙地砖进行检测时，需要将6 个线阵c c d 的位置调整到刚好可以覆盖墙 9 l 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 地砖的边缘轮廓。c c d 的调整可以在两个方向( z 、可方向) 进行调整。 2 2 3 机械系统结构方案 为了实现在线连续测量的目的，系统采用皮带传输的方式实现瓷砖的连续传送运动，采 用线阵c c d 实现墙地砖的长宽测量，采用p s d 实现墙地砖平整度的检测。整体方案示意图 如图2 - 6 所示。检测系统样机见图2 7 。 7 l 戡阵c c d 传感器2 - p s d 传感器3 一墙地砖甜专送带s - 支承钢板6 _ 张紧轮7 电动机 图2 6 机械系统结构方案图 图2 - 7 测量系统实物图 1 0 浙江大学硕士学位论文陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 机械结构主要包括机架、传动系统、墙地砖自动 对中机构、p s d 固定支承架、c c d 传感器固定支承架等。 当然p s i ) 、c c d 传感器部件本身的机械结构也包括在内。 具体可参见图2 7 。在本课题中，作者承担了机械结构 总体设计和一些具体的设计任务，其中包括c 0 1 ) 传感 部件，成品如图2 - 8 。 2 3 墙地砖尺寸测量系统的硬、软件体系结构 图2 - 8 c c d 测量部件 在确定了系统测量方案以后，本节将对墙地砖尺寸( 长宽) 测量部分的硬、软件体系结 构及具体设计方案进行介绍。 2 3 1 硬件体系结构 以线阵c c d 为核心的检测系统硬件部分基本结构如图2 - 9 所示。 图2 - 9 检测系统基本结构框图 图2 1 0c c d 驱动电路板 图2 - 1 1c c d 后处理电路板 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 本课题中线阵c c d 驱动电路和后处理电路为自行研发。图2 1 0 线阵c c d 驱动电路板， 它具有六路输山，产生的脉冲时序送入线阵c c d 后处理( 如图2 1 1 ) 驱动小扳进行驱动。 系统采用研华p c l - 8 3 6 计数卡( 如图2 - 1 2 ) 对c c d 后处理电路输出的脉冲进行计数， 以便计算c c d 输出所对应的相关尺寸。研华p c l - 8 3 6 是一款i s a 插槽的计数器，定时器和 数字量i ，o 卡嘲。该卡提供了6 个1 6 位计数器通道。它还带有1 6 路数字量输出和1 6 路数 字量输入。卡上的2 个8 2 4 5 芯片提 供了各种计数器，定时器功能模式。 p c l - - 8 3 6 计数卡的主要特点如下： 产生周期性中断 6 个独立的1 6 位计数器 用于降低噪声的数字滤波器 二进制或b c d 计数 可编程频率输出 可选择中断输入通道 高达1 0 m h z 的输入频率。 该卡采用8 2 5 4 可编程计数定时 图2 1 2 p c l 8 3 6 计数 器芯片完成对外部脉冲信号的各种 处理。8 2 5 4 芯片内部具有三个独立的1 6 位计数器，它可用程序设置成多种工作方式，按十 进制计数或二进制计数，最高计数速率可达1 0 m i t z 。8 2 5 4 能用于多种应用场合，例如外部 事件计数器、可编程方波频率发生器、分频器、实时时钟以及程控单脉冲发生器等。 计算机为研华工控计算机，c p u 为p i h5 0 0 ，内存1 2 8 m ，具有多路i s a 插槽接口。 2 3 2 较件体系结构 微软公司的w i n d o w s 操作系统界面友好、使用方便，本系统开发在w i n d o w s 9 8 环境下， 使用开发工具为v i s u a lc 1 6 0 。测量系统软件开发主要包括三个部分： 尺寸测量：通过计数卡采集数据并计算出墙地砖的长度和宽度，主要通过编写v x d 来实现计数器读值，判断数据的有效性并显示计算结果。 平整度测量：通过a d 卡采集p s d 数据并计算出墙地砖的平整度，主要以定时器的方 式采集数据，计算并显示处理结果。 系统标定：标定测量系统。 软件系统结构如图2 1 4 所示。 平整度 虱9 量il 长宽测量ll 系统标矗 0 1fj ，r 后台多线程采集与控制处理单元 1 j1 数据文件存储 操作、显示界面 图2 1 4 软件系统结构图 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 2 4 本章小结 1 本章结合国家标准与企业应用的实际情况， 的两个主要指标：即平整度和瓷砖长宽。 2 制定了测量系统的总体方案，包括平整度、 墙地砖的平整度和睦宽尺寸。 确定了陶瓷墙地砖在本检测系统待测量 跃宽尺寸测量方案，采用流水线式测量 3 最后确定了长宽尺寸测量方案的硬软件体系结构。 1 3 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 第三章基于线阵c c d 的墙地砖长宽尺寸检测系统硬件设计 【本章摘要】本章首先介绍了c c d 器件的工作原理及特点，o c d 器件的特性参数以及c c b 器件选择的原 则，在此基础上选择t c d l 2 0 8 a p 作为感测器件，对其基本结构及工作原理作了探讨。最后设计了 t c d l 2 0 9 a p 线阵c c d 的驱动电路和后处理电路，并设计了和计算机的接口电路。 3 1c c d 器件工作原理及特点 c c d 是一种电荷耦合摄像器件，它的突出特点是以电荷作为信号载体，而不同于其它 大多数器件是以电流或者电压为信号载体。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 因此，c c d 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。在使用c c d 进行 驱动并处理输出信号之前，先对其基本工作原理作一个简单介绍 2 6 1 1 2 7 2 8 1 。 3 1 1 电荷存储功能 光敏元结构是c c d 器件中注入信号电荷和 存储信号电荷的部分。光敏元阵列是电荷光注入 方法的注入结构。光敏元阵列是由一列相互独立 的m o s 电容器阵列组成的，如图3 - 1 所示。m o s 电容器之间由p + 势垒( 沟阻区) 隔开，隔开的所有 m o s 电容的栅电极被光电栅极u g 连在一起， 形成一列并联m o s 电容，电容的另一电极为衬 底接地。 图3 - 1 光敏元阵列 光电栅极的基本单元是m o s 结构，其基本工作原理与m o s 电容器的物理机理密切相 关。单个m o s 电容器结构，如图3 - 2 ( a ) 所示，它是在p 型s i0 p - s i ) 衬底上用氧化的方法生 成一层s i 0 2 ，在s i 0 2 表面蒸镀一层金属，就构成了一个m o s 电容器，称金属电极为栅极 u g 。 ( a ) m o s 电容结构 图3 - 2 1 4 表面势 ( b ) 电子势阱 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 在栅极u g 施加正偏压前，p - s i 半导体中空穴( 多数载流子) 的分布是均匀的，如图3 - 3 ( a 1 所示。当栅极施加正偏压u g ( 此时u g 小于闽值电压u m ) 后，空穴被排斥，产生耗尽区，如 图3 - 3c o ) 所示。随着u o 继续增加，耗尽层就进一步向半导体内延伸。当u g u t h 时，半导 体与绝缘体界面上的电势( 常称为表面势u s ) 变得如此之高，以至于将半导体体内的电子吸引 到s i s i 0 2 界面处，形成一层极薄的( 约1 0 - - - 2 但电荷浓度很高的反烈层，如图3 3 ( c ) 所 示。反型层电荷的存在表明了m o s 结构具有存储电荷的功能，形象的说，s i s i 0 2 界面处形 成了电子势阱，如图3 - 2c o ) 所示。 栅电极g 0 6 9 2 5 时钟频率：0 1 - 2 0 m h z 6 动态范围：1 5 0 0 ：1 7 输出幅度：3 - 4 5 8 工作温度：- 2 5 - - 6 1 p c 9 供电电源：d c5 v 1 0 功耗：5 0 m w 图3 6t c d l 2 0 b a p 外形图 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 3 3 1t o d l2 0 8 a p 的基本结构 a s 图3 7t c d l 2 0 8 a p 基本结构原理图 图3 7 所示为t c d l 2 0 8 a p 的基本结构原理图。它由2 2 1 2 个p n 结光电二极管构成光敏 单元阵列，其中前4 0 个和后1 2 个是用做暗电流检测而被遮蔽的，图中用符号d i ( i = 0 ，l ， 2 ) 表示；中间的2 1 6 0 个光电二极管是曝光像敏单元，图中用s t ( t = 0 ，1 ，2 ) 表示。每个 光敏单元的尺寸为1 4 呻a 1 4 p m 高，中心距亦为1 4 u m ，光敏单元阵列总长为3 0 2 4 n n n 。光 敏单元阵列的两侧是转移栅电极s h ，转移栅电极的两侧为c c d 模拟移位寄存器，其信号 输出部分由输出放大器单元的o s 端输出，并在补偿输出单元的d o s 端输出补偿信号。 3 3 2t o d l2 0 8 a p 的工作原理 t c d l 2 0 8 a p 在如附图1 所示的驱动脉冲作用下工作。图中当s h 脉冲为高电平时，0 1 脉冲亦为高电平，其下均形成深势阱。这样，s h 的深势阱使中l 电极下的深势阱与m o s 电 容存储势阱沟通，m o s 电容存储栅中的信号电荷将通过转移栅转移到模拟移位寄存器0 1 电极下的势阱中。当s h 由高变低时，s h 低电平形成的浅势阱( 也可以称为势垒) 将存储栅下 的势阱与巾1 电极下的势阱隔离开。存储栅下的势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将 在中l 与中2 脉冲的作用下驱动信号电荷进行定向转移。最初由存储栅转移到m l 电极下势 阱中的信号电荷将向左转移进入0 2 电极下势阱中，而后再转移至中1 电极下势阱中，逐位 地向左转移，最后经过输出电路由o s 端输出哑元信号和2 1 6 0 个有效像元信号，而由d o s 端输出补偿信号( 或参考信号) 。由于结构上的安排，o s 端首先输出1 3 个虚设单元信号，再 输出2 7 个暗信号；最后才连续输出s 1 s 2 1 6 0 个有效像素单元信号。s 2 1 6 0 信号输出后， 又输出9 个暗信号，再输出2 个奇偶检测信号，之后便是空驱动信号。空驱动数目可以是任 意的，但必须大于0 ，否则会影响下一行信号的输出。由于该器件是两列并行分奇、偶传输 的，所以在一个s h 周期中至少要有1 1 1 8 个0 1 脉冲。即1 h 1 1 0 6 t l ，t l 为驱动脉冲中 1 的周期。附图1 中的r s 为加在复位场效应管栅极上的复位脉冲，每复位一次便输出一个 像敏单元的信号，在器件的输出端输出o s 信号。 2 1 浙江大学硕士学位论文陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 3 4 线阵c o d 驱动电路设计 结合c c d 的基本工作原理及特点，本课题选择t c d l 2 0 8 a p 型线阵c c d 。下面将对其 驱动电路和后处理电路设计进行介绍。 t c d l 2 0 8 a p 的驱动电路主要包括两部分：主时钟脉冲产生电路和四路驱动脉冲产生电 路。其原理如图3 - 8 所示。 3 4 1 主时钟脉冲的产生 驱动电路产生四路驱动脉冲之前，首先需要一个6m h z 的主时钟控制脉冲。 由于石英晶体频率特性稳定，故采用一个6m h z 谐振频率的石英晶体与六反相器 7 4 h c 0 4 的两个非门，构成适应机体非对称式多谐振荡器电路，输出频率为6 m h z 的方波脉 冲，如图3 - 8 所示。 以该脉冲为主时钟脉冲，送到双上升沿d 触发器7 4 h c 7 4 ( u 2 ) 的时钟输入端，控制 分频。 3 4 2 复位脉冲船的产生 r s 是使输出浮置扩散二极管复位的复位管控制脉冲，复位一次，输出一个信号。脉冲 占空比为1 ：3 。如图3 - 8 所示，利用一片7 4 h c 7 4 ( u 2 ) 构成扭环型计数器，其状态方程为： d 。o ：= q 1 q o 由 旧= o 。 根据式3 4 列出其状态转换如表3 _ 1 。 表3 1 计数顺序电路状态 呲 q i q b q o 00ol 1o1o 2110 31 0 1 4ool 图3 - 8 中，c l k 为晶振电路产生6m h z 的主时钟脉冲，经u 2 分频输出两路频率相同 ( 1 2 5 m i t 0 ，相位差为9 0 。的方波脉冲信号q o 、q l 。 q o 、q i 经四2 输入或非门7 4 h c 0 2 ( u 4 ) 即可形成r s 脉冲，r s = q o + q l = q o q l 。 然后r s 信号经过7 4 h c 0 4 的一个反相器后，再经驱动放大，即可作为直接驱动信号。 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 匾酱诤需静皇o譬口u-l_c砸 浙江大学硕士学位论文 陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统研制 3 4 3 二相交叠脉冲中1 、0 2 的产生 二相线阵c c d t c d l 2 0 8 a p 是在二相交叠脉冲中1 、中2 的驱动下，一位一位地转移，可 见二相交叠脉冲的产生非常重要。脉冲频率应为r s 的l ，2 ，即o ，6 2 5 m h z