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。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(huán)境，疲勞程度，情緒的影響，無法保證檢測質(zhì)量。
西安獲德通過 7 年多的現(xiàn)場反復(fù)試驗驗證和持續(xù)研發(fā)，利用公司自身技術(shù)優(yōu)勢，融合了人工智能技術(shù)、機器視覺技術(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)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等高新技術(shù)，努力克服了石膏板生產(chǎn)現(xiàn)場溫度高、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)型行動計劃（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)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實時在線質(zhì)量檢測，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，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，打造堅實的基礎(chǔ)。
二、研發(fā)歷程
1. 初期開發(fā)
從 2018 年 3 月開始，我們在北新新鄉(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(xiàn)場環(huán)境，還有移動式結(jié)構(gòu)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(chuàng)性的研發(fā)了這一裝置，穩(wěn)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(shù)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(yīng)商對紙質(zhì)量提高，后續(xù)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(chuàng)性的采用“機器視覺”3D 測量技術(shù)，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(dǎo)致相機鏡片模糊無法測量，也有時會因包子故障撞擊導(dǎo)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(huán)控制，但由于現(xiàn)場情況太過復(fù)雜，影響立邊的因素太多，單獨控制夾板，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(dá)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(jīng)過多次原理探討和實踐，獨創(chuàng)性的采用單線結(jié)構(gòu)光+面陣相機+獨創(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、散熱、防塵、穩(wěn)定等反復(fù)了多次，還有板面的震動、灰塵的影響、安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(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)識和剔除裝置：用“機器視覺”裝置，自動識別早期的噴墨標(biāo)記，給控制產(chǎn)線的 PLC 發(fā)信號，剔除有缺陷的板子。
(10) 厚度在線檢測裝置：獨創(chuàng)性的采用激光技術(shù)，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(shù)，實時自動完成楔形邊的寬度，深度測量。
(12) 配套服務(wù)器及應(yīng)用程序。
2. 持續(xù)改進
從 2022 年 8 月開始，我們在 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)計和制造，這 4 套設(shè)備作為 2.0 版；進一步探索和研發(fā)了一些新的在線檢測裝置，還有對部分 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試點工廠，配套了全功能的檢測系統(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)致工程進度延緩。
① 厚度測量裝置：在 1.0 版的基礎(chǔ)上，進一步完善厚度測量系統(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(yīng)速度核監(jiān)測精度。但這個激光器沒有標(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)。現(xiàn)在這一裝置已經(jīng)在各地都能穩(wěn)定運行。
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“機器視覺”的方式，自動閱讀板面已有的時間標(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(dǎo)致讀碼不準(zhǔn)的問題。
④ 加熱爐內(nèi)溫濕度測：加熱爐內(nèi)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(nèi)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(shù)，專門研發(fā)了石膏板泡徑數(shù)字化檢測系統(tǒng)，為發(fā)泡質(zhì)量的改進提供了有效地手段，詳細(xì)可參考《石膏板泡徑數(shù)字化檢測系統(tǒng)方案（宣傳）v2.1》
⑥ 干燥機層間蒸發(fā)量動態(tài)檢測裝置：板面溫度檢測采用非接觸式紅外熱成像儀，監(jiān)控干燥機出來的石膏板的溫度，連續(xù)的檢測，可以預(yù)估爐內(nèi)溫度。對這一系統(tǒng)我們設(shè)計制作了專門的裝置和軟件，并進行了現(xiàn)場測試，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裝置。
① 富平，干板的動態(tài)稱重裝置：我們在石膏板行業(yè)首創(chuàng)的設(shè)計了動態(tài)稱重的裝置，解決了石膏板單重指標(biāo)的自動檢測，測試效果良好，此裝置一直穩(wěn)定工作至今。詳細(xì)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(shù)，設(shè)計制作了石膏板行業(yè)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(guān)系。目前這一系統(tǒng)，還有待晚上，精度有待進一步提高，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：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(tǒng)更加簡潔、穩(wěn)定，并且安裝簡單；截止現(xiàn)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(chǎn)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(shè)備、增強服務(wù)器的功能等措施，極大的簡化了現(xiàn)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(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)量檢測系統(tǒng) V3.0》
4. 一點感悟
(1)石膏板行業(yè)是一個小眾行業(yè)，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(yè)。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(chǎn)環(huán)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(shù)，例如機器視覺，激光，人工智能，數(shù)據(jù)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(yè)，從 2018 年開始，我們歷經(jīng) 7 年多的時間，首創(chuàng)性的設(shè)計和研發(fā)了本行業(yè) 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(xù)不斷的探索和解決遇到的一個個問題，持續(xù)改進和完善。這個過程真的很艱辛、很漫長！當(dāng)然，我們的巨大投入也使得我們自然的成為全國本行業(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)自動檢測的前沿。當(dāng)然，技術(shù)無止境，相比國外同類產(chǎn)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(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。目前我們是國內(nèi)石膏板行業(yè)唯一一家能提供成套在線檢測設(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(chǎn)量，成品率，廢品率，缺陷板的分類統(tǒng)計等報表自動生成。
4. 生產(chǎn)過程的數(shù)字化：石膏板產(chǎn)線的自動檢測，是石膏板數(shù)字工廠和智能制造最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)支撐和堅實基礎(chǔ)。
5. 功能的詳細(xì)介紹可以參考《石膏板外觀質(zhì)量檢測 V3.0》
四、投資及回報測算
1. 下表為 xx 廠一個禮拜的產(chǎn)量統(tǒng)計，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 28 元，每天產(chǎn)值 98 萬元，一年按照 300 天計算，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(zhuǎn)可減少 3 人，人均費用按照 10萬計算，年可節(jié)省 30 萬元；
3. 本套裝置的主要功能，是對石膏板生產(chǎn)過程的品質(zhì)監(jiān)控，主要是對板形尺寸和外觀缺陷進行實時的監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷，就及時報警，提示人工干預(yù)；從這一點來講，能夠減少事態(tài)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(tǒng)計一段時間（例如 1--2 個月）內(nèi)，不使用本套設(shè)備和不使用本套系統(tǒng)的一個數(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)，可以對此有個大概估。
(1)檢測到缺陷，不進入烘箱，直接排濕板，節(jié)省能源；200 張
(2)及時報警，減少事故擴大，每天減少產(chǎn)生的缺陷板：400 張
以上合計，每年可以節(jié)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(zhì)量，不流入市場。因此而產(chǎn)生的商譽價值，無法估計。
五、獲德產(chǎn)品和同類其他產(chǎn)品的比較優(yōu)勢
LIMAB：瑞典公司，1979 年成立，致力于石膏板行業(yè)的測量系統(tǒng)研發(fā)，在國內(nèi)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(wù)不及時，難以得到推廣。但其尺寸測量系統(tǒng)和含水率在線檢測系統(tǒng)很有特色，值得我們學(xué)習(xí)和研究。
