手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)的設(shè)計(jì)

□ 干寶明 □ 王 進(jìn) □ 李學(xué)平 □ 蔡勤科

1.浙江大學(xué) 工程師學(xué)院 杭州 310015 2.杭州向上機(jī)器人科技有限公司 杭州 311121

1 設(shè)計(jì)背景

近年來,機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)逐漸在手機(jī)表面質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域開始應(yīng)用[1-2]。這兩種技術(shù)對(duì)手機(jī)表面的清潔程度要求較高,灰塵、指紋、水痕、油漬等都會(huì)對(duì)缺陷識(shí)別產(chǎn)生干擾,提高后續(xù)圖像處理的難度。雖然現(xiàn)在的視覺檢測(cè)對(duì)物體表面的干擾源有一定的過濾能力,但是如果干擾源太多太大,還是可能導(dǎo)致誤檢、漏檢[3-4]。所以在表面質(zhì)量檢測(cè)之前,必須對(duì)手機(jī)進(jìn)行徹底的表面清潔。傳統(tǒng)做法是人工對(duì)手機(jī)表面噴灑清洗劑,然后反復(fù)擦拭,再進(jìn)行肉眼確認(rèn)。這一做法效率低,而且是在非封閉環(huán)境下操作,環(huán)境中存在灰塵,會(huì)對(duì)手機(jī)表面產(chǎn)生二次污染[5]。由此可見,設(shè)計(jì)一種自動(dòng)、高效的手機(jī)屏幕清潔設(shè)備對(duì)實(shí)現(xiàn)手機(jī)自動(dòng)化檢測(cè)而言,具有重大意義。

目前可用于手機(jī)屏幕自動(dòng)化清潔的方法主要有滾筒粘除法[6-7]、刮片刮除法[8-9]、毛刷清潔法[10]、海綿擦拭法等。滾筒粘除法容易清潔手機(jī)表面的顆粒物,如灰塵、殘屑等,但對(duì)指紋、水痕、油漬等的清潔效果不明顯,因此只能作為輔助清潔方法。刮片刮除法采用自潤(rùn)滑刮片,在手機(jī)屏幕上往復(fù)刮,以清除手機(jī)表面的臟污。這一清潔方法的適應(yīng)性較差,特別是對(duì)于曲面屏,清潔效果不佳。毛刷清潔法采用軟毛刷對(duì)物體表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式清理,對(duì)非規(guī)則表面的清潔具有優(yōu)勢(shì),但對(duì)手機(jī)光滑表面的清潔效果欠佳,容易留下細(xì)痕。針對(duì)海綿擦拭法,陳軍君等[11]分析了纖維海綿在清潔油漬方面的作用。另外,江輝等[12]設(shè)計(jì)了一款無死角海綿清潔器模型機(jī),在實(shí)際使用中取得了一定的效果。

Hadji[13]研究了海綿對(duì)油性污漬的吸收清潔能力,為海綿清潔的研究提供了參考。白桂明等[14]對(duì)不同的擦拭清潔方法做了對(duì)比分析,指出同向平行擦拭法效果優(yōu)于來回擦拭法和無規(guī)律擦拭法。在手機(jī)屏幕自動(dòng)化清潔方面,現(xiàn)有的研究較少,綜合比較各清潔方案的優(yōu)缺點(diǎn),筆者計(jì)劃采用聚乙烯醇微孔海綿同向平行擦拭的手機(jī)屏幕清潔方法。聚乙烯醇微孔海綿是一種吸液性能優(yōu)異、表面柔和的高分子材料,廣泛應(yīng)用于醫(yī)用和清潔領(lǐng)域[15]。筆者重點(diǎn)研究海綿吸水率、擦拭壓力、擦拭速度對(duì)清潔效果的影響,設(shè)計(jì)了一款基于聚乙烯醇微孔海綿含水擦拭的手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī),同時(shí)分析手機(jī)屏幕擦拭清潔的原理。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有四項(xiàng),具體見表1。

表1 手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)

手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)主要由手機(jī)回收盒、主體設(shè)備、相機(jī)、光源、外框等組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)整體結(jié)構(gòu)

4 工作流程

手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)工作時(shí),先按下啟停按鈕,設(shè)備開機(jī)并自檢。自檢完成后,手機(jī)經(jīng)過五步完成整個(gè)清潔過程依次為放入、傳送、清潔、檢查、回收。手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)詳細(xì)工作流程如圖2所示。

▲圖2 手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)工作流程

5 清潔裝置設(shè)計(jì)

手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)的主體設(shè)備主要包括傳送裝置、清潔裝置、定位裝置等,主要負(fù)責(zé)手機(jī)屏幕清潔和手機(jī)回收。主體設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。

清潔裝置主要由聚乙烯醇微孔海綿、聚乙烯醇微孔海綿安裝盒、數(shù)顯壓力計(jì)、水平絲杠滑臺(tái)、豎直絲杠滑臺(tái)等組成。清潔方式采用同向平行擦拭,擦拭壓力通過豎直絲杠滑臺(tái)調(diào)節(jié),由數(shù)顯壓力計(jì)讀取壓力值。

聚乙烯醇微孔海綿的初始位置位于手機(jī)外緣,工作時(shí)聚乙烯醇微孔海綿先上升,再平移至手機(jī)左端上方,然后下降接觸手機(jī)屏幕表面進(jìn)行擦拭,擦拭完成后回到初始位置。

根據(jù)當(dāng)前回收手機(jī)中的最大寬度尺寸,取整80 mm作為聚乙烯醇微孔海綿的工作長(zhǎng)度。聚乙烯醇微孔海綿的寬度和高分別為50 mm、30 mm。聚乙烯醇微孔海綿安裝在聚乙烯醇微孔海綿安裝盒中,下端面凸出,無遮擋。聚乙烯醇微孔海綿吸水率w為:

w=(m1-m0)/m0×100%

(1)

式中:m0為吸水前聚乙烯醇微孔海綿質(zhì)量;m1為吸水后聚乙烯醇微孔海綿和水的總質(zhì)量。

▲圖3 手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)主體設(shè)備結(jié)構(gòu)

聚乙烯醇微孔海綿隨著吸水率的提高而增大。通過試驗(yàn)表明,當(dāng)聚乙烯醇微孔海綿吸水率達(dá)到150%后,吸水率提高不再使聚乙烯醇微孔海綿體積增大,基本維持一個(gè)固定值。即使達(dá)到飽和吸水率,聚乙烯醇微孔海綿體積也為118 cm3左右。聚乙烯醇微孔海綿體積與吸水率關(guān)系如圖4所示。

▲圖4 聚乙烯醇微孔海綿體積與吸水率關(guān)系

為了優(yōu)化擦拭效果,對(duì)絲杠滑臺(tái)和電機(jī)進(jìn)行工程計(jì)算。

水平絲杠中徑螺紋升角λ為:

(2)

式中:p為絲杠的導(dǎo)程,為12 mm;d為絲杠的中徑,為7.19 mm。

計(jì)算得λ為27.98°。

當(dāng)量摩擦角ρ為:

ρ=arctan(f/cosβ)

(3)

式中:f為摩擦因數(shù),為0.1;β為螺紋牙型半角,為15°。

計(jì)算得ρ為5.91°。

絲杠和螺母?jìng)鲃?dòng)效率η為:

(4)

代入λ和ρ,計(jì)算得η為0.79。

絲杠扭矩T1為:

T1=Fdtan(λ+ρ)/2

(5)

式中:Fd為軸向力,為3 N。

計(jì)算得T1為0.073 N·m。

電機(jī)所需扭矩T′2為:

(6)

式中:i為絲杠傳動(dòng)比,為1.88。

計(jì)算得T′2為0.049 N·m。

電機(jī)輸出扭矩T2為:

T2=9 550P/n

(7)

式中:P為電機(jī)功率,為0.011 kW;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速,為1 200 r/min。

計(jì)算得T2為0.088 N·m。

由此可見T2大于T′2,電機(jī)輸出扭矩足夠。豎直絲杠滑臺(tái)和底部絲杠滑臺(tái)各參數(shù)的計(jì)算與水平絲杠滑臺(tái)相似。

6 試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對(duì)象為自主設(shè)計(jì)的手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī),除手機(jī)放入口外整機(jī)為全封閉。試驗(yàn)所用測(cè)力計(jì)為數(shù)顯壓力計(jì),最大負(fù)載為50 N,相對(duì)誤差為±0.5%。采用電子秤,量程為3 kg,誤差為±0.1 g。清潔對(duì)象為有沾染灰塵、指紋、輕微油漬等臟污的智能手機(jī)屏幕,使用的清潔材料為吸水后的聚乙烯醇微孔海綿。經(jīng)初步分析,影響手機(jī)屏幕擦拭效果的因素主要有聚乙烯醇微孔海綿吸水率、擦拭壓力、擦拭速度等。聚乙烯醇微孔海綿吸水率范圍為150%～250%。擦拭壓力可由豎直絲杠滑臺(tái)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為5～10 N。擦拭速度可由水平絲杠滑臺(tái)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為100～200 mm/s。

試驗(yàn)采用Design-Expert軟件中的Box-Behnken響應(yīng)面分析法,進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn),試驗(yàn)因素與水平見表2。

表2 試驗(yàn)因素與水平

為了保證試驗(yàn)的可靠性,每組試驗(yàn)在相同條件下重復(fù)三次,試驗(yàn)結(jié)果取三次的平均值。對(duì)手機(jī)屏幕清潔主要考慮清潔程度和清潔效率,清潔程度要求達(dá)到完全清潔,因此試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為完全清潔所需時(shí)間T。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

將各試驗(yàn)因素分別輸入Design-Expert軟件,按要求生成相應(yīng)的試驗(yàn)因素組合,共17組。按組合參數(shù)每組進(jìn)行三次試驗(yàn),分別記錄對(duì)應(yīng)的完全清潔所需時(shí)間,并求平均值。試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

6.3 顯著性分析

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和方差分析,得到試驗(yàn)顯著性分析結(jié)果,見表4。經(jīng)分析,模型檢驗(yàn)F值為66.12,表明這一模型是顯著的,由于干擾而出現(xiàn)高于F值的概率P低于0.01%,充分說明指標(biāo)的二次回歸方程檢驗(yàn)達(dá)到了高度顯著。模型失擬檢驗(yàn)值F為3.33,表明失擬并不顯著,由于干擾出現(xiàn)高于F值的概率P可達(dá)13.8%,說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)模型的擬合度較好。因此,使用這一模型對(duì)聚乙烯醇微孔海綿吸水率、擦拭壓力、擦拭速度三個(gè)因素的影響效果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)比較合適。

表4 顯著性分析結(jié)果

進(jìn)一步分析可知,聚乙烯醇微孔海綿吸水率A、擦拭壓力B、擦拭速度C三個(gè)因素對(duì)完全清潔所需時(shí)間T的影響排序依次為A、A2、AB、C2、B2、B、C,聚乙烯醇微孔海綿吸水率和擦拭壓力存在交互項(xiàng),聚乙烯醇微孔海綿吸水率和擦拭速度、擦拭壓力和擦拭速度的交互項(xiàng)不顯著。應(yīng)用Design-Expert軟件得到各項(xiàng)的回歸因數(shù),組合產(chǎn)生的二次多項(xiàng)式回歸方程為:

T=88.582 5-0.457 85A-7.744B-0.214 95C

+0.018 8AB-0.000 09AC+0.002 8BC

+0.000 959A2+0.259 6B2+0.000 679C2

(8)

6.4 響應(yīng)曲面分析

各因素對(duì)完全清潔所需時(shí)間的影響如圖5所示。從圖5中可以直觀地看出聚乙烯醇微孔海綿吸水率、擦拭壓力、擦拭速度對(duì)完全清潔所需時(shí)間均有顯著影響。完全清潔所需時(shí)間先隨著聚乙烯醇微孔海綿吸水率的提高而縮短,但當(dāng)聚乙烯醇微孔海綿吸水率超過200%后,又隨著聚乙烯醇微孔海綿吸水率的提高而延長(zhǎng),這是因?yàn)榫垡蚁┐嘉⒖缀＞d中的水分能溶解并吸附從手機(jī)屏幕表面擦落的臟污,水分越多,溶解的臟污也越多,但是當(dāng)聚乙烯醇微孔海綿的吸水率達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí),聚乙烯醇微孔海綿受壓水分就會(huì)被擠出,同時(shí)帶出溶解在水中的臟污,使手機(jī)屏幕二次污染。完全清潔所需時(shí)間先隨擦拭壓力的增大而縮短,但當(dāng)擦拭壓力超過7.5 N后又開始延長(zhǎng),這是因?yàn)椴潦脡毫Φ脑龃髸?huì)增大聚乙烯醇微孔海綿與手機(jī)屏幕的摩擦力,摩擦力越大,越容易擦除手機(jī)屏幕上的臟污,但是當(dāng)壓力增大到臨界值時(shí),聚乙烯醇微孔海綿中溶解的臟污的水會(huì)被擠出,使手機(jī)屏幕二次污染。完全清潔所需時(shí)間先隨擦拭速度的加快而縮短,但當(dāng)擦拭速度超過150 mm/s后又開始延長(zhǎng),這是因?yàn)椴潦盟俣燃涌鞎?huì)縮短單次的擦拭時(shí)間,但是當(dāng)擦拭速度超過臨界值時(shí),從手機(jī)屏幕擦除的臟污不能及時(shí)被溶解并吸附至聚乙烯醇微孔海綿中,導(dǎo)致擦拭次數(shù)增加。

▲圖5 各因素對(duì)完全清潔所需時(shí)間的影響

6.5 參數(shù)優(yōu)化

手機(jī)屏幕完全清潔所需的時(shí)間越短越好,應(yīng)用Design-Expert軟件的參數(shù)尋優(yōu)功能,設(shè)置約束條件為Min(T),得到指標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)解A為185.43%,B為7.04 N,C為155.35 mm/s,對(duì)應(yīng)的指標(biāo)最優(yōu)值為3.01 s,即完全清潔所需最短時(shí)間為3.01 s。

6.6 驗(yàn)證

考慮到手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)的實(shí)際使用情況,對(duì)影響因素進(jìn)行微調(diào),各因素取值為聚乙烯醇微孔海綿吸水率185%、擦拭壓力7 N、擦拭速度155 mm/s。進(jìn)行三次驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果見表5。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知,完全清潔所需時(shí)間的實(shí)際值平均為3.2 s,與理論優(yōu)化結(jié)果的3.01 s相對(duì)誤差只有6.3%,絕對(duì)誤差只有0.19 s,說明設(shè)計(jì)與優(yōu)化參數(shù)的可行性和準(zhǔn)確性較高。優(yōu)化后手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī)在總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),滿足工作要求。

7 結(jié)束語

通過對(duì)國內(nèi)外手機(jī)屏幕清潔方法的研究分析,提出了基于聚乙烯醇微孔海綿同向平行含水擦拭的清潔方案,確定了影響清潔效果的關(guān)鍵參數(shù),設(shè)計(jì)了手機(jī)屏幕自動(dòng)清潔機(jī),應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最后通過驗(yàn)證試驗(yàn)確認(rèn)了設(shè)計(jì)的有效性、可靠性。

對(duì)比現(xiàn)有手機(jī)屏幕清潔方案,筆者研究方案的自動(dòng)化程度高,運(yùn)送、清潔、檢測(cè)、回收全程自動(dòng)化,清潔效率高,優(yōu)化后的清潔所需最短時(shí)間為3.2 s。將這一清潔方案應(yīng)用在手機(jī)自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域,將大幅提升手機(jī)檢測(cè)的自動(dòng)化程度和效率。

當(dāng)然,這一方案也存在有待改進(jìn)之處,如難以清潔較重的油漬和附著力較強(qiáng)的臟污,在后續(xù)設(shè)計(jì)中還需要進(jìn)一步研究,選用更合適海綿擦拭的清潔劑。