激光三角法在手機SIM卡槽觸點共面度測量中的應(yīng)用研究*

范海健，謝偉楠，曹冬冬，黃 山

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州德創(chuàng)測控科技有限公司，江蘇 蘇州 215104）

機器視覺在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用較為廣泛，其主要集中在中間生產(chǎn)流程與檢驗檢測等相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。特別是隨著近幾年3D視覺技術(shù)的突破與普及，基于3D視覺技術(shù)的檢測已成為工業(yè)生產(chǎn)智能制造領(lǐng)域不可或缺的一部分。本設(shè)計采用基于機器視覺技術(shù)的3D視覺技術(shù)檢測方案，通過對手機制造環(huán)節(jié)中SIM卡槽平面度的精確測量，解決了手機制造環(huán)節(jié)中因SIM卡槽平面度缺陷而造成的質(zhì)量問題。

1 測量原理

在所有的3D視覺技術(shù)中，激光三角測量法由于其結(jié)構(gòu)簡單、測量效率高、實時處理能力強等優(yōu)點而在基于機器視覺技術(shù)的測量領(lǐng)域得以廣泛的使用。特別是現(xiàn)階段隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，對三維物體的形狀進(jìn)行快速精密測量的需求增長迅猛，其中的激光三角測量法是目前最為廣泛使用的非接觸測量手段。

1.1 傳統(tǒng)激光三角法

傳統(tǒng)的激光三角法基本原理如圖1所示，采用直射型，光電探測器采用的是CCD光電耦合傳感器。當(dāng)散射光通過成像透鏡時，如果將CCD以垂直于激光束入射的位置進(jìn)行安裝耦合，則成像到CCD上的光點會由于沒有完全聚焦而出現(xiàn)彌散斑，測量并不完全。

圖1 激光三角測距法的基本原理圖

1.2 完全聚焦的激光三角法測量

為了使成像更加清晰，則要求透鏡光軸與接收面之間必須形成一定的夾角，所以本設(shè)計選用CCD接收器為傾斜式的方式，即完全聚焦的激光三角法測量，如圖2所示。

圖2 完全聚焦的激光三角法示意圖

圖中PO為入射光源，光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后垂直入射到物體表面，反射后經(jīng)過成像透鏡中心點M成像在CCD接收面上，入射光PO與反射光的夾角為θ，反射光OA與CCD成像平面的夾角為，P點成像于CCD平面上的B點，O點成像于CCD平面上的A點，由圖中可知，P點與O點高度不同，所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的，設(shè)O點所在平面為基準(zhǔn)面，A為CCD成像平面上的成像基準(zhǔn)點，則光線PO上的點與CCD平面上的投影點是一一對應(yīng)的。因此，只要知道光線PO上的任何一點在CCD成像面上的位置就可以求出該點的高度信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計系統(tǒng)主要由3D相機、相機支架和運動控制器組成。由3D相機來負(fù)責(zé)發(fā)射激光和接受反射的光，由支架來調(diào)整相機的高度使其能正確成像，由運動控制器來移動樣品，使相機的激光能掃描整個樣品獲得樣品的3D圖像，具體硬件系統(tǒng)設(shè)計模型如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)模型

測試系統(tǒng)的相機選擇需要考慮四個參數(shù)：近視野Near FOV、遠(yuǎn)視野Far FOV、間隙距離CD、測量范圍MR。近視野和遠(yuǎn)視野決定了測量物體的寬度，測量范圍決定了測量物體的高度，間隙距離則決定了相機擺設(shè)的高度。本測試系統(tǒng)選擇康奈視的DS925相機，該型相機能滿足本系統(tǒng)設(shè)計各項參數(shù)的要求，在架設(shè)該相機時需要確定基準(zhǔn)面及特征點垂直向距離，確定相機Z向視野，以及根據(jù)圖中視野位置確定相機架設(shè)高度。

2.2 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件采用VisionPro軟件，VisionPro軟件可直接與現(xiàn)階段大多數(shù)的模擬相機、千兆網(wǎng)相機、3D相機等工業(yè)相機相連接，可實現(xiàn)圖像的采集、圖像的預(yù)處理、圖像的標(biāo)定、圖像的幾何測量，以及圖像的結(jié)果分析等功能。

3 圖像的采集、檢測與處理

3.1 圖像的采集

搭建完系統(tǒng)硬件部分并將相機連接至電腦后，調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)使圖片大小適應(yīng)實物大小，并調(diào)節(jié)曝光時間和灰度值從而使成像清晰，最后采集圖片并保存。其中比較麻煩的是相機的參數(shù)調(diào)節(jié)，需要多次嘗試才能使樣品在當(dāng)前環(huán)境下清晰成像。該部分尤其要注意外界光的影響，因為樣品為金屬表層，容易反光，會對圖片質(zhì)量造成一定的影響。

3.2 圖像的檢測與處理

圖片采集完成后進(jìn)行圖片的檢測，首先導(dǎo)入儲存于工控機中的圖像，然后對圖片標(biāo)定，即訓(xùn)練圖片的某一特征，使其在各個方向位置都能被捕捉，該步驟的主要目的是為了使不同方向采集到的圖像都能用同一組工具完成圖像的處理。下一步需建立Fixture空間，這樣才能獲得圖片高度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。之后選擇一個基準(zhǔn)面或多個基準(zhǔn)點，對需要測量的面進(jìn)行比較從而得到測量面的高度。最后比較數(shù)據(jù)得出結(jié)果。

圖像處理部分主要通過VisionPro軟件，具體處理步驟如下：

（1）首先新建一個任務(wù)，添加工具CogImageFileTool并導(dǎo)入圖片，導(dǎo)入的圖片如圖4所示。

圖4 圖片的導(dǎo)入

（2）導(dǎo)入圖片后添加CogPMAlignTool，連接ImageFile工具的輸出端到PMAlign工具的輸入端，打開PMAlign工具完成圖片特征值的訓(xùn)練。

（3）關(guān)閉PMAlign工具，添加CogFixtureTool，將原圖像作為Fixture工具的輸入端，將PMAlign工具訓(xùn)練得到的標(biāo)定圖片作為第二個輸入。

（4）關(guān)閉Fixture工具，添加Cog3DRangeImagePlaneEstimatorTool，該工具是為了找到基準(zhǔn)面并和待測面作比較。

（5）關(guān)閉3DRangeImagePlaneEstimator工具，添加10個Cog 3DRangeImagePlaneEstimatorHeightCalculatorTool，其中每一個工具的輸入端都為Fixture工具的輸出端，BasePlane端為3DRangeImagePlaneEstimator工具的輸出端。打開添加的第一個高度測量工具，將方框拖拉到將要測量的平面，點擊運行，如表1。最后重復(fù)上述步驟，得到全部待測面的相應(yīng)數(shù)據(jù)。

表1 比較測試結(jié)果

（6）最后打開VisionPlus軟件，新建一個項目，從左側(cè)工具欄中拖出2D Job工具和HMI Job工具，雙擊打開2D Job工具，在左側(cè)的Tools工具欄中打開VisionPro中的ToolBlock，點右側(cè)的btnUpdate打開工具，點擊打開工具，將之前的工具組導(dǎo)入到新的ToolBlock中，之后將測量工具的輸出端全部拖拽至Outputs，關(guān)閉VisionPro，即可看到所有的輸出都已經(jīng)顯示在2D Job中。具體如表1所示。

由表1所示，對待測10個樣品的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，對實際測試值偏離標(biāo)準(zhǔn)值0.02mm時就判定為不合格，從表中的最終測試結(jié)果可以看出，有3個樣品超出了標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍，并被標(biāo)定為不合格品。

4 結(jié)論

本文分析了手機SIM卡槽觸點共面度測量的重要性與必要性，結(jié)合3D技術(shù)的測量原理，設(shè)計了一套基于3D技術(shù)的SIM卡槽觸點共面度測量系統(tǒng)，通過對標(biāo)準(zhǔn)樣品的成像數(shù)據(jù)采集與訓(xùn)練形成標(biāo)準(zhǔn)值，然后對多個待檢測樣品進(jìn)行成像檢測，通過誤差比較，分離出了不合格樣品，完全達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計的要求，該系統(tǒng)已經(jīng)在實際工業(yè)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，效果良好。