石膏板在線檢測(cè)成套設(shè)備研發(fā)總結(jié)

一、背景

在石膏板生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備，工藝，原料等各種因素影響，往往會(huì)產(chǎn)生各種各樣的次品，例如石膏板表面缺陷，寬度不均勻，厚度不均勻，立邊不垂直等，這些缺陷嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)聲譽(yù)。目前市場(chǎng)上對(duì)這些缺陷的檢測(cè)一般是采用人工檢測(cè)，但由于人工受到環(huán)境，疲勞程度，情緒的影響，無(wú)法保證檢測(cè)質(zhì)量。

西安獲德通過 7 年多的現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證和持續(xù)研發(fā)，利用公司自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，融合了人工智能技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、結(jié)構(gòu)光技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、激光技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等高新技術(shù)，努力克服了石膏板生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)溫度高、粉塵大、生產(chǎn)線速度高、工藝過程復(fù)雜多變等很多不利條件，研發(fā)了一套完整的石膏板質(zhì)量在線檢測(cè)成套裝備，很好地解決了存在的上述問題。

西安獲德以印發(fā)的《建材工業(yè)智能制造數(shù)字轉(zhuǎn)型行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023 年）》的通知為依據(jù)，深入生產(chǎn)線，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，打造硬科技。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)在線質(zhì)量檢測(cè)，真正解決了多年來(lái)石膏板行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管控的一大痛點(diǎn)，提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省了人力成本，得到了生產(chǎn)過程的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，解決了目前數(shù)字工廠和智能制造最為關(guān)鍵的底層支撐，完成了“最后一公里”的信息化，為石膏板行業(yè)智能制造和數(shù)字工廠的建立，打造堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、研發(fā)歷程

1. 初期開發(fā)

從 2018 年 3 月開始，我們?cè)诒毙滦锣l(xiāng)石膏板廠，持續(xù)不斷地開發(fā)了以下設(shè)備，這一過程直到 2022，持續(xù) 5 年時(shí)間，這一過程的整個(gè)裝置，我們叫作 1.0 版本；

(1)移動(dòng)式寬度檢測(cè)裝置。最后由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，還有移動(dòng)式結(jié)構(gòu)無(wú)法保證長(zhǎng)期運(yùn)行的精度要求，最后拆除。

(2)固定式寬度檢測(cè)裝置。我們研發(fā)了這一裝置，穩(wěn)定可靠的解決了寬度檢測(cè)的問題，一直沿用至今。

(3)上下紙洞檢測(cè)裝置：采用我們“機(jī)器視覺”的技術(shù)特長(zhǎng)，順利完成了紙面缺陷檢測(cè)，這一裝置一直正常沿用至今。只是后期由于供應(yīng)商對(duì)紙質(zhì)量提高，后續(xù)石膏板廠家，未再進(jìn)一步的采用。

(4)立邊檢測(cè)裝置：屬于我們采用“機(jī)器視覺”3D 測(cè)量技術(shù)，完成板立邊的檢測(cè)和顯示，這一裝置一直正常沿用至今。有些時(shí)候會(huì)因未及時(shí)清理灰塵導(dǎo)致相機(jī)鏡片模糊無(wú)法測(cè)量，也有時(shí)會(huì)因包子故障撞擊導(dǎo)致裝置移位無(wú)法測(cè)量。

(5)立邊自動(dòng)控制裝置：這一裝置，本意為了完成立邊的閉環(huán)控制，但由于現(xiàn)場(chǎng)情況太過復(fù)雜，影響立邊的因素太多，單獨(dú)控制夾板，無(wú)法達(dá)到控制立邊的目的，此裝置未能成功應(yīng)用，還在持續(xù)研發(fā)。

(6)板面缺陷檢測(cè)裝置：這一裝置要求高精度（0.05mm）檢測(cè)整個(gè)板面的凹凸、氣泡、皺紋、漏漿等缺陷，屬于大幅面（包括擺動(dòng)達(dá)到 1.5 米寬），高速度（ 120 米/分）的 3D 測(cè)量，目前沒有成熟的方案。我們經(jīng)過多次原理探討和實(shí)踐，采用單線結(jié)構(gòu)光+面陣相機(jī)+3D 算法，解決了這一問題。這一裝置目前穩(wěn)定運(yùn)行并沿用至今。但在研發(fā)過程中也經(jīng)過了很多波折，尤其是多線激光結(jié)構(gòu)光裝置的設(shè)計(jì)、散熱、防塵、穩(wěn)定等反復(fù)了多次，還有板面的震動(dòng)、灰塵的影響、安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。

(7)雙板缺陷檢測(cè)裝置：這一裝置和上述裝置相似，只是相當(dāng)于上述裝置的 2 倍。

(8)噴墨打標(biāo)裝置：為了最終剔除有缺陷的板子，必須對(duì)有缺陷板子做標(biāo)記，起初我們采用噴墨打標(biāo)裝置，基本解決了這一問題。

(9)標(biāo)識(shí)和剔除裝置：用“機(jī)器視覺”裝置，自動(dòng)識(shí)別早期的噴墨標(biāo)記，給控制產(chǎn)線的 PLC 發(fā)信號(hào)，剔除有缺陷的板子。

(10) 厚度在線檢測(cè)裝置：采用激光技術(shù)，進(jìn)行板子厚度的自動(dòng)檢測(cè)。完善了板子尺寸測(cè)量。

(11) 楔形邊測(cè)量裝置：利用“機(jī)器視覺”+激光技術(shù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)完成楔形邊的寬度，深度測(cè)量。(12) 配套服務(wù)器及應(yīng)用程序。

2. 持續(xù)改進(jìn)

從 2022 年 8 月開始，我們?cè)?1.0 版的基礎(chǔ)上，逐步開展北新建材下屬的天津、井岡山、富平、故城廠設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，這 4 套設(shè)備作為 2.0 版；進(jìn)一步探索和研發(fā)了一些新的在線檢測(cè)裝置，還有對(duì)部分 1.0 版裝置的優(yōu)化、完善。這一過程持續(xù)到 2024 年。

(1)天津和井岡山，作為北新建材南北兩個(gè)試點(diǎn)工廠，配套了全功能的檢測(cè)系統(tǒng)。由于設(shè)備加工期間，適逢疫情狂虐，很多配套工作不到位，有些裝置加工出現(xiàn)反復(fù)，導(dǎo)致工程進(jìn)度延緩。

①厚度測(cè)量裝置：在 1.0 版的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善厚度測(cè)量系統(tǒng)，考慮了電源、溫度影響、添加了除塵功能、高精度近光傳感器、長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)損失和干擾問題等。

②板面缺陷檢測(cè)裝置：主要將單線激光改為多線激光，提高了響應(yīng)速度核監(jiān)測(cè)精度。但這個(gè)激光器沒有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，研發(fā)他，經(jīng)歷了很多曲折，解決了電制冷，散熱，防塵，撞擊等工程問題，出現(xiàn)了好多次的反復(fù)?，F(xiàn)在這一裝置已經(jīng)在各地都能穩(wěn)定運(yùn)行。

③讀碼裝置：新鄉(xiāng)的噴墨系統(tǒng)雖能解決標(biāo)記問題，但是增加了一套噴墨裝置，尤其消耗了墨水，增加了成本。天津 2.0 方案，完全消除了新鄉(xiāng)的噴墨打標(biāo)系統(tǒng)，改為采用“機(jī)器視覺”的方式，自動(dòng)閱讀板面已有的時(shí)間標(biāo)記（讀碼裝置），這樣就非常完美的解決了標(biāo)記和剔除時(shí)定位板子的問題。本裝置一直在運(yùn)行，但也會(huì)有因維護(hù)不及時(shí)，灰塵導(dǎo)致讀碼不準(zhǔn)的問題。

④加熱爐內(nèi)溫濕度測(cè)：加熱爐內(nèi)溫度、濕度的在線檢測(cè)，解決了高溫下，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)加熱爐內(nèi)溫、濕度的方案，本套裝置一直在使用。

⑤泡徑檢測(cè)裝置：采用“機(jī)器視覺”技術(shù)，專門研發(fā)了石膏板泡徑數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)，為發(fā)泡質(zhì)量的改進(jìn)提供了有效地手段，詳細(xì)可參考《石膏板泡徑數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)方案（宣傳）v2.1》

⑥干燥機(jī)層間蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置：板面溫度檢測(cè)采用非接觸式紅外熱成像儀，監(jiān)控干燥機(jī)出來(lái)的石膏板的溫度，連續(xù)的檢測(cè)，可以預(yù)估爐內(nèi)溫度。對(duì)這一系統(tǒng)我們?cè)O(shè)計(jì)制作了專門的裝置和軟件，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但由于安裝位置原因，沒有達(dá)到預(yù)期的目的。

(2)富平，故城，按照客戶需要，只上了部分功能的檢測(cè)裝置。

①富平，干板的動(dòng)態(tài)稱重裝置：我們?cè)谑喟逍袠I(yè)首創(chuàng)的設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)稱重的裝置，解決了石膏板單重指標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)，測(cè)試效果良好，此裝置一直穩(wěn)定工作至今。詳細(xì)請(qǐng)看《富平石膏板稱重測(cè)試報(bào)告 9.17-18-1》。

②富平，對(duì)角線尺寸在線測(cè)量裝置：采用“機(jī)器視覺”技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了石膏板行業(yè)首套對(duì)角線尺寸在線測(cè)量裝置，驗(yàn)證了原理的正確，深入分析了精度、誤差和運(yùn)動(dòng)板材的之間的關(guān)系。目前這一系統(tǒng)，還有待晚上，精度有待進(jìn)一步提高，方能滿足生產(chǎn)需要。

(3)宜昌。屬于泰山石膏下屬企業(yè)。

①3D 相機(jī)：采用 3D 相機(jī)進(jìn)行楔形邊、寬度、立邊的測(cè)量，雖成本較高，但系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定，并且安裝簡(jiǎn)單；截止現(xiàn)在一直在正常運(yùn)行。

②漿料面積自動(dòng)檢測(cè)裝置：采用“機(jī)器視覺”的方式檢測(cè)漿料面積，并且輸出信號(hào)給控制 PLC。

(4)在上述 5 個(gè)工廠，解決了很多的工藝問題，例如，產(chǎn)短板搭配剔除，剔除線不一樣，二維碼識(shí)別自動(dòng)切換，噴碼識(shí)別，也了解了更多的工藝場(chǎng)景；

3. 追求卓越

從 2023 年 8 月越開，我們對(duì) 2.0 版本進(jìn)行全面的討論和審查，通過將二控的所有功能集成為一體、進(jìn)一步完善和改進(jìn)一控和三控的設(shè)備、增強(qiáng)服務(wù)器的功能等措施，極大的簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)改造安裝的難度、簡(jiǎn)化了操作、增強(qiáng)了可靠性、減少了維護(hù)工作、進(jìn)一步提高了設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，正式推出了 3.0 版本。3.0 版介紹可參考《石膏板外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng) V3.0》

4. 一點(diǎn)感悟

(1)石膏板行業(yè)是一個(gè)小眾行業(yè)，全國(guó)不過 100 多條線，在自動(dòng)檢測(cè)這個(gè)方面，大的廠家沒有動(dòng)力投入人力物力，去深入研究和探索，深耕這個(gè)行業(yè)。但由于市場(chǎng)化的原因，有些小公司也做了一些嘗試，但面對(duì)石膏板生產(chǎn)環(huán)境的惡劣，例如高溫、低溫、灰塵、泥漿、震動(dòng)、撞擊、高速移動(dòng)等，還有諸多綜合技術(shù)，例如機(jī)器視覺，激光，人工智能，數(shù)據(jù)庫(kù)等等的諸多要求，很多小廠都淺嘗輒止，有半途而廢者，也有折戟沉沙者。

(2)西安獲德，機(jī)緣巧合，進(jìn)入本行業(yè)，從 2018 年開始，我們歷經(jīng) 7 年多的時(shí)間，首創(chuàng)性的設(shè)計(jì)和研發(fā)了本行業(yè) 22 種以上的在線檢測(cè)裝置，我們自籌資金，前后共計(jì)投入超過 五 百多萬(wàn)元，花費(fèi)了大量的人力和物力，和客戶一道，一直在持續(xù)不斷的探索和解決遇到的一個(gè)個(gè)問題，持續(xù)改進(jìn)和完善。這個(gè)過程真的很艱辛、很漫長(zhǎng)！當(dāng)然，我們的巨大投入也使得我們自然的成為全國(guó)本行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的成套技術(shù)和設(shè)備的提供者，是的我們自然地站在了本行業(yè)自動(dòng)檢測(cè)的前沿。當(dāng)然，技術(shù)無(wú)止境，相比國(guó)外同類產(chǎn)品，我們還有很多工作要做，例如含水率測(cè)量，高精度板長(zhǎng)檢測(cè)等等。

(3)產(chǎn)品的研發(fā)規(guī)律，是需要不斷的迭代，持續(xù)的投入，用戶的大力支持，方可完善和穩(wěn)定。更何況石膏板行業(yè)，涉及到二十多種檢測(cè)裝置和技術(shù)，所以用戶的支持就顯得尤為重要。目前我們是國(guó)內(nèi)石膏板行業(yè)唯一一家能提供成套在線檢測(cè)設(shè)備的廠家，希望能繼續(xù)獲得石膏板行業(yè)客戶的大力支持，使我們能持續(xù)不斷推出新的檢測(cè)設(shè)備，不斷迭代，為石膏板行業(yè)的數(shù)字化工廠建設(shè)，貢獻(xiàn)力量。

三、3.0 版解決的主要問題和功能介紹

1. 尺寸測(cè)量的自動(dòng)化：立邊、楔形邊、寬度、厚度基本尺寸的完全自動(dòng)測(cè)量。

2. 缺陷檢測(cè)的自動(dòng)化：凹凸、褶皺、漏漿、氣泡、板面印刷等外觀缺陷的自動(dòng)化測(cè)量。

3. 報(bào)表自動(dòng)生成：對(duì)產(chǎn)量，成品率，廢品率，缺陷板的分類統(tǒng)計(jì)等報(bào)表自動(dòng)生成。

4. 生產(chǎn)過程的數(shù)字化：石膏板產(chǎn)線的自動(dòng)檢測(cè)，是石膏板數(shù)字工廠和智能制造最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)支撐和堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5. 功能的詳細(xì)介紹可以參考《石膏板外觀質(zhì)量檢測(cè) V3.0》

四、投資及回報(bào)測(cè)算

1. 下表為 xx 廠一個(gè)禮拜的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，平均大約每天 2.4 米標(biāo)準(zhǔn)板大約 3.5 萬(wàn)張，每張板子售價(jià) 28 元，每天產(chǎn)值 98 萬(wàn)元，一年按照 300 天計(jì)算，產(chǎn)值大約為 2.94 億元。每米標(biāo)準(zhǔn)板成本大致 3.5 元，人工、材料、能源各占三分之一:

2. 使用本系統(tǒng)，綜合考慮測(cè)量厚度、寬度、立邊角度、楔形邊、板面缺陷、自動(dòng)剔除、還有報(bào)表生成等等，估計(jì)可以減少一個(gè)人，3 班運(yùn)轉(zhuǎn)可減少 3 人，人均費(fèi)用按照 10萬(wàn)計(jì)算，年可節(jié)省 30 萬(wàn)元；

3. 本套裝置的主要功能，是對(duì)石膏板生產(chǎn)過程的品質(zhì)監(jiān)控，主要是對(duì)板形尺寸和外觀缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷，就及時(shí)報(bào)警，提示人工干預(yù)；從這一點(diǎn)來(lái)講，能夠減少事態(tài)擴(kuò)大，減少?gòu)U品，減少能源消耗，提高良品率，提高效益。這個(gè)需要統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間（例如 1--2 個(gè)月）內(nèi)，不使用本套設(shè)備和不使用本套系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)作為支撐。但是通過排除的不良板的數(shù)量和連續(xù)的次數(shù)，可以對(duì)此有個(gè)大概估算。

(1)檢測(cè)到缺陷，不進(jìn)入烘箱，直接排濕板，節(jié)省能源：200 張

(2)及時(shí)報(bào)警，減少事故擴(kuò)大，每天減少產(chǎn)生的缺陷板：400 張

以上合計(jì)，每年可以節(jié)省能源費(fèi)用 300 天 x 600 張 x 10/6 = 30 萬(wàn)；

4. 剔除掉缺陷板，保證質(zhì)量，不流入市場(chǎng)。因此而產(chǎn)生的商譽(yù)價(jià)值，無(wú)法估計(jì)。

五、獲德產(chǎn)品和同類其他產(chǎn)品的比較優(yōu)勢(shì)

LIMAB：瑞典公司，1979 年成立，致力于石膏板行業(yè)的測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)，在國(guó)內(nèi)有幾個(gè)工廠在使用，由于國(guó)外品牌人所共知的高價(jià)格、交貨和服務(wù)不及時(shí)，難以得到推廣。但其尺寸測(cè)量系統(tǒng)和含水率在線檢測(cè)系統(tǒng)很有特色，值得我們學(xué)習(xí)和研究。