高精度柔性玻璃平面度及表面缺陷測量儀

尹宏 農旭安

廣東理工學院 廣東 肇慶 526122

引言

隨著智能電子產物向輕便、智能性發展。從我國技術的研發情況觀察，其他國家的玻璃公司可能有全套的柔性玻璃的生產科技。而我國還處于研究階段，柔性玻璃是電子產業中特別有應用價值的，也是特別重要的必要材料，為防止它的生產科技和產物被其他國家壟斷，我國要快速對相關科技進行研究與制造。

從20世紀80年代至今，我國研究人員便通過光學特性來實現對缺陷的識別和分類。Liu等，利用2次一維Otsu缺陷分割法且采用BP神經網絡，從而對缺陷的有效分割與識別，但這方法要很高的圖像收集系統，方法不太適用。Latif等，將小波理論和共生矩陣的概念結合在了一起，應用了馬氏分類器把圖像子窗口分為了缺陷和非缺陷兩個部分，但這種算法特別復雜，并且前期還要特別多的資料來練這些分類器。Li等，提出了缺陷檢測系統，應用了灰度波動曲線來還原圖像，來進行缺陷檢測，抗噪性能差是這個方法的缺陷，檢測過程也要人操作，無法完全自動化。此外，K均值聚類算法也可以用于缺陷檢測，它是無監督學習的方法，靈活性較高，分類好，無須樣本與標簽等優勢，所以常用來缺陷檢測。因為K均值聚類會受到影響，導致效率較低，使其陷入部分的最優解。

現在，在前人研究的基礎上，設計一套基于高精度白光共聚焦高度測量儀和高精度平臺的檢測設備，采用納米級高精度白光共聚焦高度測量儀動態測量柔性玻璃表面高度。通過分析柔性玻璃表面高度數據及其承載物的高度差，計算柔性玻璃的厚度和表面平面度參數。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。從而及早發現柔性玻璃在生產過程當中的瑕疵，提高產品的良品率。

1 測量設備

為對柔性玻璃進行圖像的采集，文中根據了柔性玻璃表面凹凸的特點，設計了一套基于高精度白光共聚焦高度測量儀和高精度平臺的圖像采集系統，整個系統包括1個高精度xy平臺和納米級標準的白光共聚焦高度測量儀構成的設備、1個運動控制卡、白光共聚焦設備數據采集盒和高性能計算機，及形成三維點云數據圖的軟件。

1.1 硬件

如效果圖所示，系統主要有高精度xy平臺和納米級標準的白光共聚焦高度測量儀構成。測量過程中xy平臺帶動高度測量儀掃描柔性玻璃表面，高密度獲取柔性玻璃表面數據。必須保證在移動過程當中不會發生形變或者抖動。

圖1 設備效果圖

系統控制與數據收集部分主要是包含，運動控制卡、白光共聚焦設備數據收集盒與高性能計算機。

1.1.1 運動控制卡主要是驅動xy平臺的移動。采集白光共聚焦高度測量儀的實時位置數據，本項目使用了高精度X1移動平臺，定位精度讀數可達一個微米，重復定位精度可達5μm。

1.1.2 白光共聚焦設備數據采集盒的用途是對白光共聚焦高度測量儀采集到的數據進行存儲和傳輸，白光共聚焦移動傳感器是進行辨別白光分解來的波長與調節的焦距各自配對，后透過接收端上的分析儀分析出傳來的光的主要波長，從而確定高度值。理論精確可達到納米，實測為0.1微米級且對表面沒有別的條件，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、非透明液面的測量[1]。

1.1.3 高效的計算機首先，是決定平臺設備的運動；其次，對采集回來的白光共聚焦高度測量儀xy平臺位置坐標和從白光共聚焦高度測量儀高度數據進行匹配和擬合，最終形成柔性玻璃表明三維數據。最后、對前面收集來的海量（20萬組）三維數據進行分析和處理，計算玻璃的平面度，并對其表面凹坑、突起和波浪等瑕疵的檢測。檢測結果通過三維圖像顯示給測試人員。

1.2 軟件

對柔性玻璃的測量內容目前主要包括：整體和局部平面度測量，表面瑕疵檢測，具體包括凹坑、突起和波浪等瑕疵。

1.2.1 平面度測量。平面的公差是來限定平面形態的誤差。兩個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、對角線平面法、三遠點平米法。目前工廠主要采用對角線法手工檢測，本項目采用三坐標的平面度計算方法，三坐標檢測平面度的時候要在取多個檢測點，用檢測點用最小二乘法擬合一個平面，使全部檢測點的兩個平行的面間形成平面度。這兩個平行的面平行于形成的最小二乘的面，全部檢測點與擬合要素的平方和最小。根據論文資料可知，最小二乘法與測量物體兩個的結論基本一致。

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，他們一個重要的特點是在某個區域范圍內玻璃表面高度數據有較大的起伏。對于這種特征可以通過判定的掃描數據起伏高度差來識別凹坑、突起和波浪等瑕疵。

進一步我們可以通過判斷掃描數據中，一個平面區域的高度數值差值確定是否有凹坑、突起和波浪等瑕疵，凡是在這個區域之內高度數據差值是比較大的，既可能為瑕疵。同時也可以根據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，對全部掃描數據進行卷積計算即可判定整個柔性玻璃表明瑕疵所在，同時將這些瑕疵區域標注出來。

1.2.3 測量結果的三維表示。項目最終結果將通過三維點云數據圖、表述出來給測量人員使用。主要有兩類三維數據。一個是表面高度的三維數據圖、另外一個是能夠顯示瑕疵區域的三維差分數據圖。

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 數據后期分析。對于工廠在線測量而言上述的兩種三維點云數據圖已經能夠解決生產線上所需要的功能。但是對于需要進一步的數據分析的科研人員是不夠的，本項目需要將三維點云數據導出到其他的標準軟件進行進一步的分析，程序中預留了數據導出接口導出功能，導出的數據可以直接在其他的三維點云數據分析軟件中打開、使用和進一步分析[2]。

2 平面度測量算法

平面的公差是來限定平面形態的誤差。兩個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、對角線平面法、三遠點平米法。

2.1 最小包含法

決定平面度的誤差，用兩個平行的面包括主要平面，兩個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：每個包含平面檢測后平面要有3個以上的標記點（3個標記構成三角形）；后面平面檢測后有唯一的標記點（最大和小值之一），這個標記點在三角形平面的投影的時候在平面里，也可能在三角形一條邊上。第二種是交叉方法：每個包含平面檢測后平面要有2個以上的標記點；后面平面檢測后也有2個標記點（都是最值），4個標記點形成兩個相交直線。第三種是直線方法：兩個相反的標記點排成一條直線[3]。

2.2 最小二乘法

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

設檢測平面后取任何一坐標mi（x1,y1,z1），有平面方程式：z=Ax+By+C。最小二乘法的思路，檢測點擬合的該平面應該使檢測點到平面的坐標的平方和為最小值，所以有函數為：

使S取極小值的必要條件是：

因此得出方程組：

其中：N—測量點的數目。

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，把各個檢測點的坐標mi（x1,y1,z1）代入進去，就可以知道z的坐標值，使得平面度誤差：

2.3 對角線平面法

對角平面法是以對角線來判定平面度的辦法。制作辦法是用被檢測表面兩條對角線平行的一個平面[4]。

一共有7種算法：①截面計算法：可以知道平面上每一個點對理想平面最值的偏差代數差就是平面度的誤差。②簡化計算法：可以知道所有標記點和理想平面的兩個最值(大與小)偏差就是檢測的平面度的誤差。③通式計算法：可以知道所有檢測的點對理想平面兩個最值（大與?。┑牟罹褪瞧矫娑鹊恼`差。④坐標值計算法：可以知道所有檢測的點對理想平面坐標的最值的差就是平面度的誤差。⑤變換計算式法：可以知道所有檢測的點偏差值的兩個最值(大與小)的差就是平面度的誤差。⑥中心高不變計算法：可以知道所有檢測的點相差理想平面和被測截面交線值的兩個最值（大與小）的差就是平面度的誤差。⑦插入計算法：可以知道所有檢測的點對理想平面的兩個最值（大與?。┑牟罹褪瞧矫娑鹊恼`差。

2.4 三遠點平米法

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

3 結束語

文中應用了高精度xy平臺和納米級標準的白光共聚焦高度測量儀在將三維點云數據導出到其他的標準軟件進行進一步的分析，程序中預留了數據導出接口導出功能，導出的數據可以直接在其他的三維點云數據分析軟件中打開、使用和進一步分析?？梢酝瓿蓪θ嵝圆ＡУ钠矫娑燃氨砻姘伎?、突起和波浪等瑕疵的檢測，及早發現柔性玻璃在生產過程當中的瑕疵，提高產品的良品率。