玻璃应力的自动检测是提高产品质量与生产效率的关键

                                             裴之利 张云英 田园 黄长城 桑志刚

                                                   北京高光科技有限公司

摘要：自动化测量玻璃的残余应力与纹波光畸变不但可以提高产品质量，还可以提高生产效率，节约生产成本。本文介绍了几种用于玻璃生产与加工的应力测量与纹波光畸变测量的自动化系统，并讨论了自动化系统的优点。

    为了提高玻璃产品质量和生产效率，降低生产成本，许多玻璃制造厂商一直都在寻求能够检测玻璃应力的自动化系统。传统的玻璃应力自动检测系统只适用于浮法玻璃应力的检测，计算机技术的快速发展使得玻璃应力自动检测系统开始走向实用化。当前，利用基于计算机的自动化应力测量系统可以自动检测浮法玻璃、半钢化玻璃、钢化玻璃与低应力夹层玻璃的残余应力。另外，纹波缺陷自动化检测仪可以定量检测玻璃的光学畸变。这些自动化系统有的是在线系统，有的是离线系统，或者是手持便携式系统(用于检测汽车的挡风玻璃)。利用这些自动化系统可以快速测量玻璃应力或纹波缺陷，根据测量结果来优化设置玻璃炉的各个参数从而控制玻璃的质量，并且操作简单，不需要对操作人员进行技术与使用培训。

1、自动化测量的优势：

    随着玻璃工业技术的不断进步，建筑玻璃与汽车玻璃的制造工艺越来越复杂，对技术的要求也越来越高，在所有影响玻璃质量的因素中，控制玻璃的残余应力与纹波缺陷至关重要。

    从当前的情况看，只有一些大型的浮法玻璃制造厂商在他们的生产线上采用了在线的应力测量系统。由于这种仪器价格昂贵（7万－25万美金），因此不能满足一些中小企业的需求，并且数据采集的速度不高。针对这种情况，美国Strainoptics公司开发了一系列自动化应力检测仪，这些自动化系统数据采集的速度高，价格适中，可以满足各个用户的需求。

2、背景知识：

    由于一些玻璃行业标准中对玻璃的应力有明确的要求，许多玻璃制造厂商为了达到行业标准，都会对应力进行检测。由于缺乏商业化的自动化设备，多数厂商选择手动的应力仪进行检测。手动的应力仪一般工作在离线状态，测量具有重复性，但是对操作者要求较高，需按照ASTM测试标准进行相关的技术与操作培训。

    美国Strainoptics公司是国际上玻璃与塑料产品应力检测领域的领航者，国际上大多玻璃与塑料厂商都采用该公司的应力检测仪器。下面是Strainoptics公司几种常用仪器的介绍。

    图1所示的是GASP表面应力仪，它通常用来检测钢化玻璃表面应力的大小，进而确定玻璃是否达到钢化要求。由于测量具有非破坏性，所以它主要用来代替利用冲击法检测玻璃的破坏性实验。

                      

    图2所示的是GES-100边缘应力仪，它主要用于定量检测汽车挡风玻璃或其它玻璃的边缘应力大小。

    图3所示的是VRP-100反射式边缘应力仪，它主要用于定量检测汽车挡风玻璃和其他具有黑色带和上色区域的玻璃制品的边缘应力大小。

                                  

                                               图 3 VRP-100反射式边缘应力仪

　

    建筑玻璃制造商大多采用Strainoptics公司提供的纹波量规来检测玻璃的表面平整度。实际使用时，只需把纹波量规沿着玻璃的表面移动就可以来测量玻璃表面的平整度。纹波量规有“平底型”与“三点型”两种类型。图4是平底型的纹波量规，底面长度为406 mm,带有一个读数刻度盘。图5是三点型的纹波量规，可以通过调节支点来调整接触面的长度，带有数字显示功能，与LVDT传感器搭配使用可以将数据输入到计算机。纹波量规首先检测纹波的峰－谷深度与纹波波长，再根据给出的公式就可计算屈光度。
 
                                 

                                                      图 4 平底型纹波量规

                             

                                                      图 5 三点式纹波量规

　

    Strainoptics公司新开发的全自动应力测量系统具有以下优点

    . 友好的计算机工作界面，菜单驱动，不需特殊的培训与专业知识；

    . 快速、准确测量应力与光程差，测量具有可重复性。能够消除人为主观因素；

    . 支持全场应力测量、离线测试与在线测试；

    . 实时显示与存储测量结果，并根据结果进行参数设置以优化熔炉性能；

    . 可根据测量结果进行产品质量控制；

    . 能为玻璃用户提供优质的质量保证；

    . 价格适中。

    3半钢化玻璃与钢化玻璃的自动应力检测

    当今钢化玻璃不完全是平板玻璃。玻璃加工的工艺变得越来越复杂，为了改变玻璃的热辐射性能、物理性能或者玻璃的表面特性，玻璃通常会进行镀膜处理或者被设计成迭片结构。这些复杂的工艺需要能够实时检测玻璃的各个参数，并根据结果调整钢化炉参数从而控制产品质量。许多玻璃制造厂商为确保产品质量，不得不采用“过度”钢化的方法，但这样就产生不可接受的玻璃纹波缺陷(见表1与表2)。

    欧洲标准prEN 1863中的第1、2部分与prEN 12120中的第1、2部分中没有详细说明表面应力与边缘应力的等级，只建议采用GASP测量玻璃表面应力。由于增加表面应力能够提高玻璃的强度，欧洲标准几乎与ASTM C1048-97b相同，如表2所示：

    由于缺乏在线的应力检测系统，玻璃加工者在生产每批玻璃之前设置好钢化炉的各个参数，玻璃出炉后再交给质量检测部门进行检测。若达不到钢化玻璃的要求，这批玻璃需重新进行处理，再次进行检测。这种做法不但浪费时间，而且大大增加了生产成本。最令人担心的是：有些玻璃厂商根本不进行检测，或者检测结果达不到钢化玻璃要求就直接将玻璃销往市场。

    Strainoptics公司开发了一套新的、全自动的、非接触式的高速在线测量钢化玻璃与热加强玻璃的应力测量系统。如图6，1500-TG系统安装在钢化炉的出口处后，就能够实时的检测出从钢化炉出来的玻璃的应力大小，计算机上可以显示应力的具体值，也可以以图表的形式显示。消除了人眼测量的误差，由于检测过程基本上是全自动化的，所以不需要特别的培训与特殊的操作技巧。

    这套软件系统主要是通过测量玻璃的边缘应力来评价玻璃是否达到了钢化玻璃的标准，测量具有非破坏性，可精确测量应力的大小，可进行重复操作。边缘应力能够显示玻璃的强度与玻璃产品的特性。测量的数据以文件的形式进行存储，同时能够存储玻璃的批号、玻璃炉号、移动的速度等客户信息。

    玻璃从钢化炉中出来的速度范围大致在50-200mm/sec，为了能对玻璃进行实时地应力测试，空间分辨率需要达到0.1mm，数据的采集速度也需要很高。1500-TG应力测量系统的测量速度超过了2000points/sec，它能精确测量边缘应力的大小以及边缘区域附近的平均张应力的最大值。

4、汽车玻璃的自动应力检测

    Strainoptics公司开发了一套基于计算机的便携式应力测量仪：PES-100全自动应力仪，它主要用于检测汽车玻璃的边缘应力，价格适中。它的原理与在现在浮法玻璃应力测量仪的原理相同。这套离线的应力检测设备也具有1500-TG应力仪的优点。

                             

                                                    图6 1500-TG全自动应力仪

                                            

                                                  图7 PES-100全自动边缘应力仪

    如图7，实际测量时，需要先选定要测量的边缘区域。操作者只需把应力仪的探测器通过此区域(一般2-4英寸)，软件就能自动检测出最大的张应力与边缘压应力值，并在计算机上显示出测量曲线，根据曲线可以知道每个点对应的应力值。测量速度极快，整个过程只需要几秒钟完成。另外软件可以测量单个点，还可以显示预先存储的曲线的压应力与张应力的最大值。应力值的单位为psi或者MPa，用户可以根据需要自己进行选择。

    另外，PES-100应力仪具有自动检验功能，能够给出张应力与压应力的比值。此系统几乎不需要进行维护，根据测量结果可以鉴别产品质量是否合格进而实现产品的质量控制。测试结果可自动存储，包括玻璃的批号、玻璃炉号、移动的速度等客户自定义信息。

5、玻璃纹波缺陷的自动化检测

    Strainoptics公司开发出了一套全自动的、高速在线检测钢化玻璃纹波光畸变的系统。如图8，LIN-2003系统采用独特的非接触光学测量技术，结合友好操作界面与计算机显示技术，只需将此系统安装在玻璃熔炉的出口处就可快速、准确与可重复的自动测量玻璃的纹波缺陷，整个测量过程几乎是自动化的，不需要对操作者进行特别的技术与操作培训。

    LIN-2003系统是现在市场上唯一用于测量玻璃纹波光学畸变的自动化仪器。非自动的纹波量规一般是检测纹波的振幅与波长，纹波的振幅与波长不能直接正确反映纹波的缺陷，需要将纹波的振幅与波长输入给定的公式中计算出玻璃的光学畸变。光畸变的单位为微屈光度。这种测量方法得到北美玻璃协会(GANA)的认可。Strainoptics公司的LIN-2003系统在手动纹波量规的基础上实现了玻璃光畸变的自动测量，计算机上可自动显示测量结果，单位为微屈光度。

                    

                                              图8 LIN-2003光畸变自动化测量系统

    自动定量测量玻璃纹波的光畸变能为玻璃制造厂商提供以下好处：

    .为建筑业与最终用户提供良好的质量保证；

    .操作具有可重复性；

    .可以更好的进行炉温以及其它参数设置；

    .能够提高生产效率，节约生产成本；

    .能够优化玻璃炉与辊子；

    .能避免过高的表面应力值；

    .能够为工厂与用户提供准确的质量控制证明；

    .能与工厂的其它仪器兼容。

    LIN-2300系统可以通过标准样片进行自我校验，其中标定样片的屈光度是已知的。这套系统的测量范围为0-500微屈光度，分辨率为1微屈光度。特殊设计的光学传感器与高速数据采集卡能够连续测量纹波的屈光度，即实时监测从玻璃炉中出来玻璃的平整度，在计算机上以图表或数字的形式自动给出测量结果。

    如果光畸变的测量值超过了操作者预先设定的值，系统会自动报警。测量结果及一些其它的有用信息可以被存储，可以在离线的状态下对这些数据进行分析。

    在线测量时，传感器的探头通常被安装在玻璃出口处的铁架上。为了进行全视场的监测，建议采用多个探头来监测不同的通道，如果想用一套系统测量多个玻璃炉，可以采用便携式的系统进行离线的测量。LIN-2300玻璃纹波缺陷自动测量系统可以与1500-TG自动化应力仪搭配使用，自动测量玻璃应力与纹波屈光度。

6 总结

    为了使玻璃达到建筑玻璃的要求或达到玻璃行业的标准，进一步提高生产效率，节约成本，一些玻璃厂商一直寻求新的解决方案。美国Strainoptics 公司推出的一系列玻璃自动检测设备无疑是一个很好的选择。具有价格合适，测量准确，测量速度快等优点。玻璃边缘应力的自动测量系统能够大幅度提高产品质量与生产效率，由于整个测量过程几乎是自动化的，排除了操作者手动测量带来的误差，测量结果以文档的形式保存，有利于进行质量控制，优化玻璃炉参数、减少浪费，节约生产成本。在线的自动化监测装置能够进行连续的全场监测，更有利于提供经济效益。