手機屏幕自動清潔機的設計

□ 干寶明 □ 王 進 □ 李學平 □ 蔡勤科

1.浙江大學 工程師學院 杭州 310015 2.杭州向上機器人科技有限公司 杭州 311121

1 設計背景

近年來,機器視覺和深度學習等技術逐漸在手機表面質量檢測領域開始應用[1-2]。這兩種技術對手機表面的清潔程度要求較高,灰塵、指紋、水痕、油漬等都會對缺陷識別產生干擾,提高后續(xù)圖像處理的難度。雖然現(xiàn)在的視覺檢測對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,還是可能導致誤檢、漏檢[3-4]。所以在表面質量檢測之前,必須對手機進行徹底的表面清潔。傳統(tǒng)做法是人工對手機表面噴灑清洗劑,然后反復擦拭,再進行肉眼確認。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,會對手機表面產生二次污染[5]。由此可見,設計一種自動、高效的手機屏幕清潔設備對實現(xiàn)手機自動化檢測而言,具有重大意義。

目前可用于手機屏幕自動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表面的顆粒物,如灰塵、殘屑等,但對指紋、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滑刮片,在手機屏幕上往復刮,以清除手機表面的臟污。這一清潔方法的適應性較差,特別是對于曲面屏,清潔效果不佳。毛刷清潔法采用軟毛刷對物體表面進行旋轉式清理,對非規(guī)則表面的清潔具有優(yōu)勢,但對手機光滑表面的清潔效果欠佳,容易留下細痕。針對海綿擦拭法,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]設計了一款無死角海綿清潔器模型機,在實際使用中取得了一定的效果。

Hadji[13]研究了海綿對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]對不同的擦拭清潔方法做了對比分析,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。在手機屏幕自動化清潔方面,現(xiàn)有的研究較少,綜合比較各清潔方案的優(yōu)缺點,筆者計劃采用聚乙烯醇微孔海綿同向平行擦拭的手機屏幕清潔方法。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,廣泛應用于醫(yī)用和清潔領域[15]。筆者重點研究海綿吸水率、擦拭壓力、擦拭速度對清潔效果的影響,設計了一款基于聚乙烯醇微孔海綿含水擦拭的手機屏幕自動清潔機,同時分析手機屏幕擦拭清潔的原理。

2 設計參數(shù)

手機屏幕自動清潔機的主要設計參數(shù)有四項,具體見表1。

表1 手機屏幕自動清潔機設計參數(shù)

3 結構

手機屏幕自動清潔機主要由手機回收盒、主體設備、相機、光源、外框等組成,整體結構如圖1所示。

▲圖1 手機屏幕自動清潔機整體結構

4 工作流程

手機屏幕自動清潔機工作時,先按下啟停按鈕,設備開機并自檢。自檢完成后,手機經(jīng)過五步完成整個清潔過程依次為放入、傳送、清潔、檢查、回收。手機屏幕自動清潔機詳細工作流程如圖2所示。

▲圖2 手機屏幕自動清潔機工作流程

5 清潔裝置設計

手機屏幕自動清潔機的主體設備主要包括傳送裝置、清潔裝置、定位裝置等,主要負責手機屏幕清潔和手機回收。主體設備結構如圖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、水平絲杠滑臺、豎直絲杠滑臺等組成。清潔方式采用同向平行擦拭,擦拭壓力通過豎直絲杠滑臺調節(jié),由數(shù)顯壓力計讀取壓力值。

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

根據(jù)當前回收手機中的最大寬度尺寸,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量;m1為吸水后聚乙烯醇微孔海綿和水的總質量。

▲圖3 手機屏幕自動清潔機主體設備結構

聚乙烯醇微孔海綿隨著吸水率的提高而增大。通過試驗表明,當聚乙烯醇微孔海綿吸水率達到150%后,吸水率提高不再使聚乙烯醇微孔海綿體積增大,基本維持一個固定值。即使達到飽和吸水率,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系如圖4所示。

▲圖4 聚乙烯醇微孔海綿體積與吸水率關系

為了優(yōu)化擦拭效果,對絲杠滑臺和電機進行工程計算。

水平絲杠中徑螺紋升角λ為:

(2)

式中:p為絲杠的導程,為12 mm;d為絲杠的中徑,為7.19 mm。

計算得λ為27.98°。

當量摩擦角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°。

計算得ρ為5.91°。

絲杠和螺母傳動效率η為:

(4)

代入λ和ρ,計算得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。

計算得T1為0.073 N·m。

電機所需扭矩T′2為:

(6)

式中:i為絲杠傳動比,為1.88。

計算得T′2為0.049 N·m。

電機輸出扭矩T2為:

T2=9 550P/n

(7)

式中:P為電機功率,為0.011 kW;n為電機轉速,為1 200 r/min。

計算得T2為0.088 N·m。

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

6 試驗

6.1 試驗準備與設計

試驗對象為自主設計的手機屏幕自動清潔機,除手機放入口外整機為全封閉。試驗所用測力計為數(shù)顯壓力計,最大負載為50 N,相對誤差為±0.5%。采用電子秤,量程為3 kg,誤差為±0.1 g。清潔對象為有沾染灰塵、指紋、輕微油漬等臟污的智能手機屏幕,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調節(jié),調節(jié)范圍為5～10 N。擦拭速度可由水平絲杠滑臺調節(jié),調節(jié)范圍為100～200 mm/s。

試驗采用Design-Expert軟件中的Box-Behnken響應面分析法,進行三因素三水平試驗,試驗因素與水平見表2。

表2 試驗因素與水平

為了保證試驗的可靠性,每組試驗在相同條件下重復三次,試驗結果取三次的平均值。對手機屏幕清潔主要考慮清潔程度和清潔效率,清潔程度要求達到完全清潔,因此試驗的評價指標主要為完全清潔所需時間T。

6.2 試驗結果

將各試驗因素分別輸入Design-Expert軟件,按要求生成相應的試驗因素組合,共17組。按組合參數(shù)每組進行三次試驗,分別記錄對應的完全清潔所需時間,并求平均值。試驗方案與結果見表3。

表3 試驗方案與結果

6.3 顯著性分析

應用Design-Expert軟件對表3數(shù)據(jù)進行擬合和方差分析,得到試驗顯著性分析結果,見表4。經(jīng)分析,模型檢驗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%,充分說明指標的二次回歸方程檢驗達到了高度顯著。模型失擬檢驗值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13.8%,說明在試驗范圍內模型的擬合度較好。因此,使用這一模型對聚乙烯醇微孔海綿吸水率、擦拭壓力、擦拭速度三個因素的影響效果進行分析和預測比較合適。

表4 顯著性分析結果

進一步分析可知,聚乙烯醇微孔海綿吸水率A、擦拭壓力B、擦拭速度C三個因素對完全清潔所需時間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,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不顯著。應用Design-Expert軟件得到各項的回歸因數(shù),組合產生的二次多項式回歸方程為:

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 響應曲面分析

各因素對完全清潔所需時間的影響如圖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、擦拭速度對完全清潔所需時間均有顯著影響。完全清潔所需時間先隨著聚乙烯醇微孔海綿吸水率的提高而縮短,但當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,這是因為聚乙烯醇微孔海綿中的水分能溶解并吸附從手機屏幕表面擦落的臟污,水分越多,溶解的臟污也越多,但是當聚乙烯醇微孔海綿的吸水率達到某個臨界值時,聚乙烯醇微孔海綿受壓水分就會被擠出,同時帶出溶解在水中的臟污,使手機屏幕二次污染。完全清潔所需時間先隨擦拭壓力的增大而縮短,但當擦拭壓力超過7.5 N后又開始延長,這是因為擦拭壓力的增大會增大聚乙烯醇微孔海綿與手機屏幕的摩擦力,摩擦力越大,越容易擦除手機屏幕上的臟污,但是當壓力增大到臨界值時,聚乙烯醇微孔海綿中溶解的臟污的水會被擠出,使手機屏幕二次污染。完全清潔所需時間先隨擦拭速度的加快而縮短,但當擦拭速度超過150 mm/s后又開始延長,這是因為擦拭速度加快會縮短單次的擦拭時間,但是當擦拭速度超過臨界值時,從手機屏幕擦除的臟污不能及時被溶解并吸附至聚乙烯醇微孔海綿中,導致擦拭次數(shù)增加。

▲圖5 各因素對完全清潔所需時間的影響

6.5 參數(shù)優(yōu)化

手機屏幕完全清潔所需的時間越短越好,應用Design-Expert軟件的參數(shù)尋優(yōu)功能,設置約束條件為Min(T),得到指標的最優(yōu)參數(shù)解A為185.43%,B為7.04 N,C為155.35 mm/s,對應的指標最優(yōu)值為3.01 s,即完全清潔所需最短時間為3.01 s。

6.6 驗證

考慮到手機屏幕自動清潔機的實際使用情況,對影響因素進行微調,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。進行三次驗證試驗,結果見表5。

表5 驗證試驗結果

由驗證試驗結果可知,完全清潔所需時間的實際值平均為3.2 s,與理論優(yōu)化結果的3.01 s相對誤差只有6.3%,絕對誤差只有0.19 s,說明設計與優(yōu)化參數(shù)的可行性和準確性較高。優(yōu)化后手機屏幕自動清潔機在總體上達到了設計標準,滿足工作要求。

7 結束語

通過對國內外手機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鍵參數(shù),設計了手機屏幕自動清潔機,應用Design-Expert軟件進行試驗,對設計參數(shù)進行優(yōu)化,最后通過驗證試驗確認了設計的有效性、可靠性。

對比現(xiàn)有手機屏幕清潔方案,筆者研究方案的自動化程度高,運送、清潔、檢測、回收全程自動化,清潔效率高,優(yōu)化后的清潔所需最短時間為3.2 s。將這一清潔方案應用在手機自動化檢測領域,將大幅提升手機檢測的自動化程度和效率。

當然,這一方案也存在有待改進之處,如難以清潔較重的油漬和附著力較強的臟污,在后續(xù)設計中還需要進一步研究,選用更合適海綿擦拭的清潔劑。