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。
西安獲德以工業(yè)和信息化部辦公廳印發(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。我們首創(chuàng)性的研發(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:屬于我們首創(chuàng)性的采用“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(最高 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,獨(dú)創(chuàng)性的采用單線結(jié)構(gòu)光+面陣相機(jī)+獨(dú)創(chuàng)的 3D 算法,完美的解決了這一問題。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:獨(dú)創(chuàng)性的采用激光技術(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?!陡黄绞喟宸Q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)。
① 3D 相機(jī):首次采用 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)首屈一指的成套技術(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 萬張,每張板子售價(jià) 28 元,每天產(chǎn)值 98 萬元,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 10萬計(jì)算,年可節(jié)省 30 萬元;
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。
(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;
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。