激光三角法在手機(jī)SIM卡槽觸點(diǎn)共面度測(cè)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(cè)控科技有限公司，江蘇 蘇州 215104）

機(jī)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(yàn)檢測(cè)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(cè)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(jì)采用基于機(jī)器視覺技術(shù)的3D視覺技術(shù)檢測(cè)方案，通過對(duì)手機(jī)制造環(huán)節(jié)中SIM卡槽平面度的精確測(cè)量，解決了手機(jī)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(cè)量原理

在所有的3D視覺技術(shù)中，激光三角測(cè)量法由于其結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量效率高、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而在基于機(jī)器視覺技術(shù)的測(cè)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(duì)三維物體的形狀進(jìn)行快速精密測(cè)量的需求增長迅猛，其中的激光三角測(cè)量法是目前最為廣泛使用的非接觸測(cè)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(cè)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(shí)，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(diǎn)會(huì)由于沒有完全聚焦而出現(xiàn)彌散斑，測(cè)量并不完全。

圖1 激光三角測(cè)距法的基本原理圖

1.2 完全聚焦的激光三角法測(cè)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(jì)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(cè)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(diǎn)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(diǎn)成像于CCD平面上的B點(diǎn)，O點(diǎn)成像于CCD平面上的A點(diǎn)，由圖中可知，P點(diǎn)與O點(diǎn)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(diǎn)所在平面為基準(zhǔn)面，A為CCD成像平面上的成像基準(zhǔn)點(diǎn)，則光線PO上的點(diǎn)與CCD平面上的投影點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的。因此，只要知道光線PO上的任何一點(diǎn)在CCD成像面上的位置就可以求出該點(diǎn)的高度信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由3D相機(jī)、相機(jī)支架和運(yùn)動(dòng)控制器組成。由3D相機(jī)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(jī)的高度使其能正確成像，由運(yùn)動(dòng)控制器來移動(dòng)樣品，使相機(jī)的激光能掃描整個(gè)樣品獲得樣品的3D圖像，具體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)模型

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

2.2 系統(tǒng)軟件的實(shí)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(jī)、千兆網(wǎng)相機(jī)、3D相機(jī)等工業(yè)相機(jī)相連接，可實(shí)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(cè)量，以及圖像的結(jié)果分析等功能。

3 圖像的采集、檢測(cè)與處理

3.1 圖像的采集

搭建完系統(tǒng)硬件部分并將相機(jī)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(shí)物大小，并調(diào)節(jié)曝光時(shí)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(jī)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?yàn)闃悠窞榻饘俦韺?，容易反光，?huì)對(duì)圖片質(zhì)量造成一定的影響。

3.2 圖像的檢測(cè)與處理

圖片采集完成后進(jìn)行圖片的檢測(cè)，首先導(dǎo)入儲(chǔ)存于工控機(jī)中的圖像，然后對(duì)圖片標(biāo)定，即訓(xùn)練圖片的某一特征，使其在各個(gè)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(gè)基準(zhǔn)面或多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)需要測(cè)量的面進(jìn)行比較從而得到測(cè)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(gè)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(gè)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(cè)面作比較。

（5）關(guān)閉3DRangeImagePlaneEstimator工具，添加10個(gè)Cog 3DRangeImagePlaneEstimatorHeightCalculatorTool，其中每一個(gè)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(gè)高度測(cè)量工具，將方框拖拉到將要測(cè)量的平面，點(diǎn)擊運(yùn)行，如表1。最后重復(fù)上述步驟，得到全部待測(cè)面的相應(yīng)數(shù)據(jù)。

表1 比較測(cè)試結(jié)果

（6）最后打開VisionPlus軟件，新建一個(gè)項(xiàng)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(diǎn)右側(cè)的btnUpdate打開工具，點(diǎn)擊打開工具，將之前的工具組導(dǎo)入到新的ToolBlock中，之后將測(cè)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(duì)待測(cè)10個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，對(duì)實(shí)際測(cè)試值偏離標(biāo)準(zhǔn)值0.02mm時(shí)就判定為不合格，從表中的最終測(cè)試結(jié)果可以看出，有3個(gè)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(jī)SIM卡槽觸點(diǎn)共面度測(cè)量的重要性與必要性，結(jié)合3D技術(shù)的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了一套基于3D技術(shù)的SIM卡槽觸點(diǎn)共面度測(cè)量系統(tǒng)，通過對(duì)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(duì)多個(gè)待檢測(cè)樣品進(jìn)行成像檢測(cè)，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(jì)的要求，該系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，效果良好。