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石膏板在線檢測成套設備研發總結
發布時間：2024-09-12
一、背景
在石膏板生產過程中，由于設備，工藝，原料等各種因素影響，往往會產生各種各樣的次品，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，這些缺陷嚴重影響了產品質量和企業聲譽。目前市場上對這些缺陷的檢測一般是采用人工檢測，但由于人工受到環境，疲勞程度，情緒的影響，無法保證檢測質量。
西安獲德通過 7 年多的現場反復試驗驗證和持續研發，利用公司自身技術優勢，融合了人工智能技術、機器視覺技術、結構光技術、嵌入式控制技術、激光技術、網絡技術、自動控制技術、數據庫技術等高新技術，努力克服了石膏板生產現場溫度高、粉塵大、生產線速度高、工藝過程復雜多變等很多不利條件，研發了一套完整的石膏板質量在線檢測成套裝備，很好地解決了存在的上述問題。
西安獲德以工業和信息化部辦公廳印發的《建材工業智能制造數字轉型行動計劃（2021-2023 年）》的通知為依據，深入生產線，突破關鍵核心技術，打造硬科技。系統實現了生產過程的實時在線質量檢測，真正解決了多年來石膏板行業產品質量管控的一大痛點，提高和穩定了產品質量，節省了人力成本，得到了生產過程的第一手數據資料，解決了目前數字工廠和智能制造最為關鍵的底層支撐，完成了“最后一公里”的信息化，為石膏板行業智能制造和數字工廠的建立，打造堅實的基礎。
二、研發歷程
1. 初期開發
從 2018 年 3 月開始，我們在北新新鄉石膏板廠，持續不斷地開發了以下設備，這一過程直到 2022，持續 5 年時間，這一過程的整個裝置，我們叫作 1.0 版本；
(1)移動式寬度檢測裝置。最后由于現場環境，還有移動式結構無法保證長期運行的精度要求，最后拆除。
(2)固定式寬度檢測裝置。我們首創性的研發了這一裝置，穩定可靠的解決了寬度檢測的問題，一直沿用至今。
(3)上下紙洞檢測裝置：采用我們“機器視覺”的技術特長，順利完成了紙面缺陷檢測，這一裝置一直正常沿用至今。只是后期由于供應商對紙質量提高，后續石膏板廠家，未再進一步的采用。
(4)立邊檢測裝置：屬于我們首創性的采用“機器視覺”3D 測量技術，完成板立邊的檢測和顯示，這一裝置一直正常沿用至今。有些時候會因未及時清理灰塵導致相機鏡片模糊無法測量，也有時會因包子故障撞擊導致裝置移位無法測量。
(5)立邊自動控制裝置：這一裝置，本意為了完成立邊的閉環控制，但由于現場情況太過復雜，影響立邊的因素太多，單獨控制夾板，無法達到控制立邊的目的，此裝置未能成功應用，還在持續研發。
(6)板面缺陷檢測裝置：這一裝置要求高精度（0.05mm）檢測整個板面的凹凸、氣泡、皺紋、漏漿等缺陷，屬于大幅面（包括擺動達到 1.5 米寬），高速度（最高 120 米/分）的 3D 測量，目前沒有成熟的方案。我們經過多次原理探討和實踐，獨創性的采用單線結構光+面陣相機+獨創的 3D 算法，完美的解決了這一問題。這一裝置目前穩定運行并沿用至今。但在研發過程中也經過了很多波折，尤其是多線激光結構光裝置的設計、散熱、防塵、穩定等反復了多次，還有板面的震動、灰塵的影響、安裝結構的優化等。
(7)雙板缺陷檢測裝置：這一裝置和上述裝置相似，只是相當于上述裝置的 2 倍。
(8)噴墨打標裝置：為了最終剔除有缺陷的板子，必須對有缺陷板子做標記，起初我們采用噴墨打標裝置，基本解決了這一問題。
(9)標識和剔除裝置：用“機器視覺”裝置，自動識別早期的噴墨標記，給控制產線的 PLC 發信號，剔除有缺陷的板子。
(10) 厚度在線檢測裝置：獨創性的采用激光技術，進行板子厚度的自動檢測。完善了板子尺寸測量。
(11) 楔形邊測量裝置：利用“機器視覺”+激光技術，實時自動完成楔形邊的寬度，深度測量。(12) 配套服務器及應用程序。
2. 持續改進
從 2022 年 8 月開始，我們在 1.0 版的基礎上，逐步開展北新建材下屬的天津、井岡山、富平、故城廠設備的設計和制造，這 4 套設備作為 2.0 版；進一步探索和研發了一些新的在線檢測裝置，還有對部分 1.0 版裝置的優化、完善。這一過程持續到 2024 年。
(1)天津和井岡山，作為北新建材南北兩個試點工廠，配套了全功能的檢測系統。由于設備加工期間，適逢疫情狂虐，很多配套工作不到位，有些裝置加工出現反復，導致工程進度延緩。
①厚度測量裝置：在 1.0 版的基礎上，進一步完善厚度測量系統，考慮了電源、溫度影響、添加了除塵功能、高精度近光傳感器、長距離傳輸信號損失和干擾問題等。
②板面缺陷檢測裝置：主要將單線激光改為多線激光，提高了響應速度核監測精度。但這個激光器沒有標準產品，研發他，經歷了很多曲折，解決了電制冷，散熱，防塵，撞擊等工程問題，出現了好多次的反復。現在這一裝置已經在各地都能穩定運行。
③讀碼裝置：新鄉的噴墨系統雖能解決標記問題，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，完全消除了新鄉的噴墨打標系統，改為采用“機器視覺”的方式，自動閱讀板面已有的時間標記（讀碼裝置），這樣就非常完美的解決了標記和剔除時定位板子的問題。本裝置一直在運行，但也會有因維護不及時，灰塵導致讀碼不準的問題。
④加熱爐內溫濕度測：加熱爐內溫度、濕度的在線檢測，解決了高溫下，實時在線檢測加熱爐內溫、濕度的方案，本套裝置一直在使用。
⑤泡徑檢測裝置：采用“機器視覺”技術，專門研發了石膏板泡徑數字化檢測系統，為發泡質量的改進提供了有效地手段，詳細可參考《石膏板泡徑數字化檢測系統方案（宣傳）v2.1》
⑥干燥機層間蒸發量動態檢測裝置：板面溫度檢測采用非接觸式紅外熱成像儀，監控干燥機出來的石膏板的溫度，連續的檢測，可以預估爐內溫度。對這一系統我們設計制作了專門的裝置和軟件，并進行了現場測試，但由于安裝位置原因，沒有達到預期的目的。
(2)富平，故城，按照客戶需要，只上了部分功能的檢測裝置。
①富平，干板的動態稱重裝置：我們在石膏板行業首創的設計了動態稱重的裝置，解決了石膏板單重指標的自動檢測，測試效果良好，此裝置一直穩定工作至今。詳細請看《富平石膏板稱重測試報告 9.17-18-1》。
②富平，對角線尺寸在線測量裝置：采用“機器視覺”技術，設計制作了石膏板行業首套對角線尺寸在線測量裝置，驗證了原理的正確，深入分析了精度、誤差和運動板材的之間的關系。目前這一系統，還有待晚上，精度有待進一步提高，方能滿足生產需要。
(3)宜昌。屬于泰山石膏下屬企業。
①3D 相機：首次采用 3D 相機進行楔形邊、寬度、立邊的測量，雖成本較高，但系統更加簡潔、穩定，并且安裝簡單；截止現在一直在正常運行。
②漿料面積自動檢測裝置：采用“機器視覺”的方式檢測漿料面積，并且輸出信號給控制 PLC。
(4)在上述 5 個工廠，解決了很多的工藝問題，例如，產短板搭配剔除，剔除線不一樣，二維碼識別自動切換，噴碼識別，也了解了更多的工藝場景；
3. 追求卓越
從 2023 年 8 月越開，我們對 2.0 版本進行全面的討論和審查，通過將二控的所有功能集成為一體、進一步完善和改進一控和三控的設備、增強服務器的功能等措施，極大的簡化了現場改造安裝的難度、簡化了操作、增強了可靠性、減少了維護工作、進一步提高了設備的標準化，正式推出了 3.0 版本。3.0 版介紹可參考《石膏板外觀質量檢測系統 V3.0》
4. 一點感悟
(1)石膏板行業是一個小眾行業，全國不過 100 多條線，在自動檢測這個方面，大的廠家沒有動力投入人力物力，去深入研究和探索，深耕這個行業。但由于市場化的原因，有些小公司也做了一些嘗試，但面對石膏板生產環境的惡劣，例如高溫、低溫、灰塵、泥漿、震動、撞擊、高速移動等，還有諸多綜合技術，例如機器視覺，激光，人工智能，數據庫等等的諸多要求，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，機緣巧合，進入本行業，從 2018 年開始，我們歷經 7 年多的時間，首創性的設計和研發了本行業 22 種以上的在線檢測裝置，我們自籌資金，前后共計投入超過 五 百多萬元，花費了大量的人力和物力，和客戶一道，一直在持續不斷的探索和解決遇到的一個個問題，持續改進和完善。這個過程真的很艱辛、很漫長！當然，我們的巨大投入也使得我們自然的成為全國本行業內首屈一指的成套技術和設備的提供者，是的我們自然地站在了本行業自動檢測的前沿。當然，技術無止境，相比國外同類產品，我們還有很多工作要做，例如含水率測量，高精度板長檢測等等。
(3)產品的研發規律，是需要不斷的迭代，持續的投入，用戶的大力支持，方可完善和穩定。更何況石膏板行業，涉及到二十多種檢測裝置和技術，所以用戶的支持就顯得尤為重要。目前我們是國內石膏板行業唯一一家能提供成套在線檢測設備的廠家，希望能繼續獲得石膏板行業客戶的大力支持，使我們能持續不斷推出新的檢測設備，不斷迭代，為石膏板行業的數字化工廠建設，貢獻力量。
三、3.0 版解決的主要問題和功能介紹
1. 尺寸測量的自動化：立邊、楔形邊、寬度、厚度基本尺寸的完全自動測量。
2. 缺陷檢測的自動化：凹凸、褶皺、漏漿、氣泡、板面印刷等外觀缺陷的自動化測量。
3. 報表自動生成：對產量，成品率，廢品率，缺陷板的分類統計等報表自動生成。
4. 生產過程的數字化：石膏板產線的自動檢測，是石膏板數字工廠和智能制造最為關鍵的基礎支撐和堅實基礎。
5. 功能的詳細介紹可以參考《石膏板外觀質量檢測 V3.0》
四、投資及回報測算
1. 下表為 xx 廠一個禮拜的產量統計，平均大約每天 2.4 米標準板大約 3.5 萬張，每張板子售價 28 元，每天產值 98 萬元，一年按照 300 天計算，產值大約為 2.94 億元。每米標準板成本大致 3.5 元，人工、材料、能源各占三分之一:
2. 使用本系統，綜合考慮測量厚度、寬度、立邊角度、楔形邊、板面缺陷、自動剔除、還有報表生成等等，估計可以減少一個人，3 班運轉可減少 3 人，人均費用按照 10萬計算，年可節省 30 萬元；
3. 本套裝置的主要功能，是對石膏板生產過程的品質監控，主要是對板形尺寸和外觀缺陷進行實時的監控，一旦發現缺陷，就及時報警，提示人工干預；從這一點來講，能夠減少事態擴大，減少廢品，減少能源消耗，提高良品率，提高效益。這個需要統計一段時間（例如 1--2 個月）內，不使用本套設備和不使用本套系統的一個數據作為支撐。但是通過排除的不良板的數量和連續的次數，可以對此有個大概估算。
(1)檢測到缺陷，不進入烘箱，直接排濕板，節省能源：200 張
(2)及時報警，減少事故擴大，每天減少產生的缺陷板：400 張
以上合計，每年可以節省能源費用 300 天 x 600 張 x 10/6 = 30 萬；
4. 剔除掉缺陷板，保證質量，不流入市場。因此而產生的商譽價值，無法估計。
五、獲德產品和同類其他產品的比較優勢
LIMAB：瑞典公司，1979 年成立，致力于石膏板行業的測量系統研發，在國內有幾個工廠在使用，由于國外品牌人所共知的高價格、交貨和服務不及時，難以得到推廣。但其尺寸測量系統和含水率在線檢測系統很有特色，值得我們學習和研究。