尹宏 農(nóng)旭安

廣東理工學(xué)院 廣東 肇慶 526122

引言

隨著智能電子產(chǎn)物向輕便、智能性發(fā)展。從我國技術(shù)的研發(fā)情況觀察，其他國家的玻璃公司可能有全套的柔性玻璃的生產(chǎn)科技。而我國還處于研究階段，柔性玻璃是電子產(chǎn)業(yè)中特別有應(yīng)用價(jià)值的，也是特別重要的必要材料，為防止它的生產(chǎn)科技和產(chǎn)物被其他國家壟斷，我國要快速對(duì)相關(guān)科技進(jìn)行研究與制造。

從20世紀(jì)80年代至今，我國研究人員便通過光學(xué)特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的識(shí)別和分類。Liu等，利用2次一維Otsu缺陷分割法且采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)缺陷的有效分割與識(shí)別，但這方法要很高的圖像收集系統(tǒng)，方法不太適用。Latif等，將小波理論和共生矩陣的概念結(jié)合在了一起，應(yīng)用了馬氏分類器把圖像子窗口分為了缺陷和非缺陷兩個(gè)部分，但這種算法特別復(fù)雜，并且前期還要特別多的資料來練這些分類器。Li等，提出了缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用了灰度波動(dòng)曲線來還原圖像，來進(jìn)行缺陷檢測(cè)，抗噪性能差是這個(gè)方法的缺陷，檢測(cè)過程也要人操作，無法完全自動(dòng)化。此外，K均值聚類算法也可以用于缺陷檢測(cè)，它是無監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法，靈活性較高，分類好，無須樣本與標(biāo)簽等優(yōu)勢(shì)，所以常用來缺陷檢測(cè)。因?yàn)镵均值聚類會(huì)受到影響，導(dǎo)致效率較低，使其陷入部分的最優(yōu)解。

現(xiàn)在，在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套基于高精度白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x和高精度平臺(tái)的檢測(cè)設(shè)備，采用納米級(jí)高精度白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x動(dòng)態(tài)測(cè)量柔性玻璃表面高度。通過分析柔性玻璃表面高度數(shù)據(jù)及其承載物的高度差，計(jì)算柔性玻璃的厚度和表面平面度參數(shù)。通過分析柔性玻璃表面高度變化，了解油性玻璃表面是否存在凹坑、突起和波浪等瑕疵。從而及早發(fā)現(xiàn)柔性玻璃在生產(chǎn)過程當(dāng)中的瑕疵，提高產(chǎn)品的良品率。

1 測(cè)量設(shè)備

為對(duì)柔性玻璃進(jìn)行圖像的采集，文中根據(jù)了柔性玻璃表面凹凸的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于高精度白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x和高精度平臺(tái)的圖像采集系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包括1個(gè)高精度xy平臺(tái)和納米級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x構(gòu)成的設(shè)備、1個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡、白光共聚焦設(shè)備數(shù)據(jù)采集盒和高性能計(jì)算機(jī)，及形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖的軟件。

1.1 硬件

如效果圖所示，系統(tǒng)主要有高精度xy平臺(tái)和納米級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x構(gòu)成。測(cè)量過程中xy平臺(tái)帶動(dòng)高度測(cè)量?jī)x掃描柔性玻璃表面，高密度獲取柔性玻璃表面數(shù)據(jù)。必須保證在移動(dòng)過程當(dāng)中不會(huì)發(fā)生形變或者抖動(dòng)。

圖1 設(shè)備效果圖

系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)收集部分主要是包含，運(yùn)動(dòng)控制卡、白光共聚焦設(shè)備數(shù)據(jù)收集盒與高性能計(jì)算機(jī)。

1.1.1 運(yùn)動(dòng)控制卡主要是驅(qū)動(dòng)xy平臺(tái)的移動(dòng)。采集白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目使用了高精度X1移動(dòng)平臺(tái)，定位精度讀數(shù)可達(dá)一個(gè)微米，重復(fù)定位精度可達(dá)5μm。

1.1.2 白光共聚焦設(shè)備數(shù)據(jù)采集盒的用途是對(duì)白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸，白光共聚焦移動(dòng)傳感器是進(jìn)行辨別白光分解來的波長(zhǎng)與調(diào)節(jié)的焦距各自配對(duì)，后透過接收端上的分析儀分析出傳來的光的主要波長(zhǎng)，從而確定高度值。理論精確可達(dá)到納米，實(shí)測(cè)為0.1微米級(jí)且對(duì)表面沒有別的條件，不管是漫反射還是全反射，表面都可以被測(cè)量。合適玻璃等主要的平整度，和厚度、小孔深度、透明、非透明液面的測(cè)量[1]。

1.1.3 高效的計(jì)算機(jī)首先，是決定平臺(tái)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)；其次，對(duì)采集回來的白光共聚焦高度測(cè)量?jī)xxy平臺(tái)位置坐標(biāo)和從白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x高度數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和擬合，最終形成柔性玻璃表明三維數(shù)據(jù)。最后、對(duì)前面收集來的海量（20萬組）三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，計(jì)算玻璃的平面度，并對(duì)其表面凹坑、突起和波浪等瑕疵的檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果通過三維圖像顯示給測(cè)試人員。

1.2 軟件

對(duì)柔性玻璃的測(cè)量?jī)?nèi)容目前主要包括：整體和局部平面度測(cè)量，表面瑕疵檢測(cè)，具體包括凹坑、突起和波浪等瑕疵。

1.2.1 平面度測(cè)量。平面的公差是來限定平面形態(tài)的誤差。兩個(gè)平行的面中間形成的地方是公差帶。目前的主要方法有：最小包容法、最小二乘法、對(duì)角線平面法、三遠(yuǎn)點(diǎn)平米法。目前工廠主要采用對(duì)角線法手工檢測(cè)，本項(xiàng)目采用三坐標(biāo)的平面度計(jì)算方法，三坐標(biāo)檢測(cè)平面度的時(shí)候要在取多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，用檢測(cè)點(diǎn)用最小二乘法擬合一個(gè)平面，使全部檢測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)平行的面間形成平面度。這兩個(gè)平行的面平行于形成的最小二乘的面，全部檢測(cè)點(diǎn)與擬合要素的平方和最小。根據(jù)論文資料可知，最小二乘法與測(cè)量物體兩個(gè)的結(jié)論基本一致。

1.2.2 表面瑕疵。柔性玻璃表面主要存在凹坑、突起和波浪等瑕疵，他們一個(gè)重要的特點(diǎn)是在某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)玻璃表面高度數(shù)據(jù)有較大的起伏。對(duì)于這種特征可以通過判定的掃描數(shù)據(jù)起伏高度差來識(shí)別凹坑、突起和波浪等瑕疵。

進(jìn)一步我們可以通過判斷掃描數(shù)據(jù)中，一個(gè)平面區(qū)域的高度數(shù)值差值確定是否有凹坑、突起和波浪等瑕疵，凡是在這個(gè)區(qū)域之內(nèi)高度數(shù)據(jù)差值是比較大的，既可能為瑕疵。同時(shí)也可以根據(jù)高度差值的特性判定是凹坑、還是突起和波浪。最后在整體方位內(nèi)，對(duì)全部掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積計(jì)算即可判定整個(gè)柔性玻璃表明瑕疵所在，同時(shí)將這些瑕疵區(qū)域標(biāo)注出來。

1.2.3 測(cè)量結(jié)果的三維表示。項(xiàng)目最終結(jié)果將通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖、表述出來給測(cè)量人員使用。主要有兩類三維數(shù)據(jù)。一個(gè)是表面高度的三維數(shù)據(jù)圖、另外一個(gè)是能夠顯示瑕疵區(qū)域的三維差分?jǐn)?shù)據(jù)圖。

圖2 軟件界面效果圖

圖3 柔性玻璃高度熱力圖

圖4 柔性玻璃瑕疵熱力圖

1.2.4 數(shù)據(jù)后期分析。對(duì)于工廠在線測(cè)量而言上述的兩種三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖已經(jīng)能夠解決生產(chǎn)線上所需要的功能。但是對(duì)于需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析的科研人員是不夠的，本項(xiàng)目需要將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出到其他的標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析，程序中預(yù)留了數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口導(dǎo)出功能，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)可以直接在其他的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析軟件中打開、使用和進(jìn)一步分析[2]。

2 平面度測(cè)量算法

平面的公差是來限定平面形態(tài)的誤差。兩個(gè)平行的面中間形成的地方是公差帶。目前的主要方法有：最小包容法、最小二乘法、對(duì)角線平面法、三遠(yuǎn)點(diǎn)平米法。

2.1 最小包含法

決定平面度的誤差，用兩個(gè)平行的面包括主要平面，兩個(gè)平行的面與主要平面要有3到4接觸地方，有三種方法：第一種是三角形方法：每個(gè)包含平面檢測(cè)后平面要有3個(gè)以上的標(biāo)記點(diǎn)（3個(gè)標(biāo)記構(gòu)成三角形）；后面平面檢測(cè)后有唯一的標(biāo)記點(diǎn)（最大和小值之一），這個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在三角形平面的投影的時(shí)候在平面里，也可能在三角形一條邊上。第二種是交叉方法：每個(gè)包含平面檢測(cè)后平面要有2個(gè)以上的標(biāo)記點(diǎn)；后面平面檢測(cè)后也有2個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（都是最值），4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)形成兩個(gè)相交直線。第三種是直線方法：兩個(gè)相反的標(biāo)記點(diǎn)排成一條直線[3]。

2.2 最小二乘法

最小二乘法是以最小二乘平面為基礎(chǔ)的算法，這個(gè)算法簡(jiǎn)單好操作，一直都特別的受歡迎，使得許多國家使用。

設(shè)檢測(cè)平面后取任何一坐標(biāo)mi（x1,y1,z1），有平面方程式：z=Ax+By+C。最小二乘法的思路，檢測(cè)點(diǎn)擬合的該平面應(yīng)該使檢測(cè)點(diǎn)到平面的坐標(biāo)的平方和為最小值，所以有函數(shù)為：

使S取極小值的必要條件是：

因此得出方程組：

其中：N—測(cè)量點(diǎn)的數(shù)目。

算出這三元一次方程就可以知道A,B,C，然后知道平面所在的地方，把各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)mi（x1,y1,z1）代入進(jìn)去，就可以知道z的坐標(biāo)值，使得平面度誤差：

2.3 對(duì)角線平面法

對(duì)角平面法是以對(duì)角線來判定平面度的辦法。制作辦法是用被檢測(cè)表面兩條對(duì)角線平行的一個(gè)平面[4]。

一共有7種算法：①截面計(jì)算法：可以知道平面上每一個(gè)點(diǎn)對(duì)理想平面最值的偏差代數(shù)差就是平面度的誤差。②簡(jiǎn)化計(jì)算法：可以知道所有標(biāo)記點(diǎn)和理想平面的兩個(gè)最值(大與小)偏差就是檢測(cè)的平面度的誤差。③通式計(jì)算法：可以知道所有檢測(cè)的點(diǎn)對(duì)理想平面兩個(gè)最值（大與?。┑牟罹褪瞧矫娑鹊恼`差。④坐標(biāo)值計(jì)算法：可以知道所有檢測(cè)的點(diǎn)對(duì)理想平面坐標(biāo)的最值的差就是平面度的誤差。⑤變換計(jì)算式法：可以知道所有檢測(cè)的點(diǎn)偏差值的兩個(gè)最值(大與小)的差就是平面度的誤差。⑥中心高不變計(jì)算法：可以知道所有檢測(cè)的點(diǎn)相差理想平面和被測(cè)截面交線值的兩個(gè)最值（大與?。┑牟罹褪瞧矫娑鹊恼`差。⑦插入計(jì)算法：可以知道所有檢測(cè)的點(diǎn)對(duì)理想平面的兩個(gè)最值（大與?。┑牟罹褪瞧矫娑鹊恼`差。

2.4 三遠(yuǎn)點(diǎn)平米法

該方法是用檢測(cè)表面的一條對(duì)角線，和平行的另外一條對(duì)角線所用的判定基礎(chǔ)[5]。

3 結(jié)束語

文中應(yīng)用了高精度xy平臺(tái)和納米級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的白光共聚焦高度測(cè)量?jī)x在將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出到其他的標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析，程序中預(yù)留了數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口導(dǎo)出功能，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)可以直接在其他的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析軟件中打開、使用和進(jìn)一步分析?？梢酝瓿蓪?duì)柔性玻璃的平面度及表面凹坑、突起和波浪等瑕疵的檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)柔性玻璃在生產(chǎn)過程當(dāng)中的瑕疵，提高產(chǎn)品的良品率。