کنترل کیفیت محصولات تولیدی به کمک ماشین بینایی - مطالعه موردی

پیشرفت صنعت سرامیک در جهان کنونی و گسترش آن در تمامی شئونات زندگی ماشینی، اعم از مصارف خانگی و مصارف صنعتی به گونه ای اعجاب انگیز رو به فزونی است. اگر در گذشته نه چندان دور لفظ سرامیک بیانگر ظروف و سرویس بهداشتی بود، اما امروز با پیشرفت علم سرامیک از قطعات ظریف الکترونیکی چون ترانزیستور تا آجر نسوز، از کارد میوه خوری گرفته تا بدنه موتور اتومبیل، از قطعات حساس موشک و سفینه های فضایی تا فنرهای سرامیکی و هزاران قطعه کوچک و بزرگ در صنایع نساجی، شیمیایی، الکترونیکی، الکتریکی، ماشین سازی و بطور اعجاب انگیز در زمینه پزشکی خصوصاً ارتوپدی صنعت سرامیک حضور خود را می نمایاند. فرآیندهای مختلفی در ساخت یک قطعه سرامیکی دخیل می باشند که یکی از مهمترین مراحل فرآوری یک محصول سرامیکی خشک کردن آن می باشد. خشک کردن عبارت است از فرآیند گرفتن رطوبت به کمک انتقال حرارت و انتقال رطوبت. بعد از آنکه قطعه سرامیکی به طور کامل خشک شد آن را می توان به راحتی و بدون آسیب دیدگی و اعوجاج به درون کوره جهت پخت نهایی منتقل نمود. تحقیقات گسترده ای جهت بهینه و شبیه سازی عیوب خشک شدن صورت گرفته است. از آنجا که انجام آزمایشات عملی اصولا وقت گیر و هزینه بر است تمایل محققان به سمت روش های شبیه سازی عددی و یا مدل سازی اجزاء محدود می باشد تا بتوانند خشک شدن را مدل نمایند و با کنترل شرایط و بهینه نمودن پارامترهای تاثیر گذار بر فرآیند بتوانند عیوب ناشی از خشک شدن را به حداقل رسانند. این مسئله نیاز به تحلیل دقیق مکانیزم خشک کردن داشته و بررسی رفتار سرامیک ها نیز در این مرحله از اهمیت بالایی برخوردار است. در طی خشک شدن، قطعه با از دست دادن رطوبت کاهش حجم پیدا کرده و منقبض می شود، در این حالت قسمت های مرکزی و داخلی دارای محتوای رطوبتی بالاتر نسبت به قسمت های سطحی هستند این پدیده منجر به ایجاد تنش کششی در سطح و تنش فشاری در مرکز سرامیک می شود که می تواند با ایجاد ترک در محصول مقاومت آن را در مقابل نیروهای خمشی و یا کششی کاهش دهد. البته این حالت معمولا در شرایطی اتفاق می افتد که نوسانات رطوبتی در قطعه یعنی دفع رطوبت با سرعت انجام گیرد. به عبارتی چنانچه پدیده های جذب و یا دفع رطوبت به آرامی انجام شود، امکان ایجاد اعوجاج و ترک خوردگی کمتر خواهد بود. اشاره شد که عوامل نسبتا زیادی در این فرآیند دخیل می باشند. از آنجا که بررسی تمام این پارامترها از لحاظ زمانی و هزینه ای مقرون به صرفه نیست، محققان را بر آن داشته تا سعی نمایند به کمک شبیه سازی های عددی (numerical simulation) این فرآیند پیچیده را مدلسازی نموده و تغییر پارامترها و بررسی تاثیر هر کدام بر دیگری را با حداقل اتلاف هزینه و وقت پیدا نموده تا مقادیر بهینه هر یک مشخص شود. در این تحقیق مدلی ساده با تعمیم رطوبت به درجه حرارت بیان شده تا بتوان خشک شدن یک قطعه سرامیکی را شبیه سازی و مدل کرد. در همین راستا آزمایشاتی تجربی جهت بدست آوردن ضریب نفوذ رطوبت نمونه انجام شد و شبیه سازی فرآیند به کمک نرم افزار اجزاء محدود صورت گرفت و نتایج حاصله با نتایج تجربی مقایسه گردید و نتایج بیان شد. مطالب این تحقیق در شش فصل تدوین شده است. که مطالب هر فصل مختصرا در زیر آورده شده است: در فصل اول نگاهی گذرا به شناخت سرامیک ها داشته و بعد از بیان تاریخچه و قدمت پیدایش سرامیک ها ، تعریف سرامیک از دو منظر واژه ای و ترکیب شیمیایی آورده شده است. سپس سه ماده سازنده سرامیک (خاک رس ، فلدسپارها ، ماسه ) بیان شده و درباره نقش و عملکرد آنها بر روی سرامیک ها بحث شده است. در این فصل بخشی را به ترکیبات ثانوی خاک رس و تاثیر آن بر سرامیکها اختصاص داده و در آن کانی های رسی توضیح داده شده است. بعد از آن انواع فرآورده های سرامیکی و تقسیم بندی آن به دو نوع مدرن و سنتی و نیز مزایای سرامیک ها نسبت به سایر مواد مطالبی ذکر شده است. در انتهای فصل کاربردهای رایج مواد سرامیکی به همراه چندنمونه از مواد رایج در هر مورد آورده شده است. در فصل دوم راجع به مکانیزم خشک شدن سرامیک ها بحث شده و بعد از تعریف خشک شدن ضرورت وجوب آن در قطعات سرامیکی بیان شده است. سپس مطالبی درباره ترتیب جذب و دفع آب در درون سرامیک آورده شده و در ادامه روش های محاسبه درصد رطوبت (مبنای خشک، مبنای تر) و فرمول های آن ذکر شده است. اصلی ترین عامل ایجاد ترک (انقباض خشک شدن) و نحوه ایجاد آن و راهکارهایی جهت یکنواخت بودن انقباض ارائه گردیده و در ادامه مکانیزم خشک شدن سرامیک و تقسیم آن به دو مرحله و سرعت خشک شدن آن بیان شده است. انتهای فصل به عیوب رایج در پدیده خشک شدن اختصاص داده شده و مراحل ایجاد ترک در قطعات خام سرامیکی و راه های مقابله با آن ذکر شده است. در فصل سوم بعد از ذکر مقدمه ای درباره ترک های خشک شدن و ضرورت شبیه سازی عددی، بازنگری بر کارهای تجربی و تحلیلی و شبیه سازی هایی که توسط محققان انجام شده آورده شده است. در این فصل ده مقاله مورد بررسی قرارگرفته و مطالبی بسیار مهم درباره شبیه سازی عددی، خصوصیات ترک، عوامل موثر بر ترک، محاسبه ویژگی های ترک به کمک پردازش تصویر، شبیه سازی خشک کردن مقره های الکتریکی و قطعات سرامیکی آورده شده است. فصل چهارم به شبیه سازی عددی مدل خشک شدن سرامیک ها به کمک المان محدود اختصاص یافته و در ابتدای فصل مروری بر المان محدود، نحوه پیدایش و تاریخچه آن، ویژگی المان محدود و مراحل حل به کمک المان محدود مطالبی ذکر شده است. در این قسمت تعاریفی نظیر: المان، ماتریس سختی، روش های عددی، روش های باقی مانده وزنی، توابع شکل و... آورده شده است. بعد از آن به مدل عددی ارائه شده ،پرداخته و نحوه حل آن به روش گالرگین که در همین فصل توضیح داده شده است ، بیان می شود. در این فصل گریزی نیز به مقاومت مصالح نیز زده شده تا اثرات حاصل از خشک شدن بر تنش و کرنش نیز به صورت عددی و برای هر المان مشخص شود. در ادامه فصل بخشی مختصر به نحوه کارکرد نرم افزار المان محدود اختصاص داده شده است و مطالب گفته شده در طول کل فصل را به یکدیگر تعمیم می دهد. انتهای فصل با توضیحاتی درباره پدیده خطی یا غیر خطی بودن خشک شدن و ارائه مثال به پایان می رسد. در فصل پنجم ابتدا شرایط فیزیکی آزمایشات عملی، نوع خشک کن ، سخت افزارهای مورد استفاده و خواص سرامیکی که قرار است آزمایشات روی آن انجام گیرد، آورده شده و جهت راحتی در مفهوم این مطالب تمام آنها به صورت تصویری ذکر شده است. سپس روند انجام کارهای عملی به صورت مرحله به مرحله و نیز مطالبی جهت ایجاد گل مرغوب آورده شده است . توضیحاتی کاربردی نیز درباره نحوه قالب گیری و خروج قطعه از قالب بیان شده است. مراحل ثبت داده ها و نحوه شروع خشک کردن سرامیک به طور کامل ذکر شده است. در ادامه استفاده از تکنیک های پردازش تصویر بر روی تصاویر حاصل از آزمایشات بیان شده و به کمک آن مقدار بردارهای کرنش محاسبه و ترسیم شده است، تا بتوان به درستی از نتایج حاصل از داده های عملی بهره برد. در بخش دوم همین فصل نتایج حاصل از آزمایشات عملی و شبیه سازی های حاصل از نرم افزار آورده شده است. فصل ششم به بحث و نتیجه گیری اختصاص یافته است.