手机屏幕自动清洁机的设计

□ 干宝明 □ 王 进 □ 李学平 □ 蔡勤科

1.浙江大学 工程师学院 杭州 310015 2.杭州向上机器人科技有限公司 杭州 311121

1 设计背景

近年来,机器视觉和深度学习等技术逐渐在手机表面质量检测领域开始应用[1-2]。这两种技术对手机表面的清洁程度要求较高,灰尘、指纹、水痕、油渍等都会对缺陷识别产生干扰,提高后续图像处理的难度。虽然现在的视觉检测对物体表面的干扰源有一定的过滤能力,但是如果干扰源太多太大,还是可能导致误检、漏检[3-4]。所以在表面质量检测之前,必须对手机进行彻底的表面清洁。传统做法是人工对手机表面喷洒清洗剂,然后反复擦拭,再进行肉眼确认。这一做法效率低,而且是在非封闭环境下操作,环境中存在灰尘,会对手机表面产生二次污染[5]。由此可见,设计一种自动、高效的手机屏幕清洁设备对实现手机自动化检测而言,具有重大意义。

目前可用于手机屏幕自动化清洁的方法主要有滚筒粘除法[6-7]、刮片刮除法[8-9]、毛刷清洁法[10]、海绵擦拭法等。滚筒粘除法容易清洁手机表面的颗粒物,如灰尘、残屑等,但对指纹、水痕、油渍等的清洁效果不明显,因此只能作为辅助清洁方法。刮片刮除法采用自润滑刮片,在手机屏幕上往复刮,以清除手机表面的脏污。这一清洁方法的适应性较差,特别是对于曲面屏,清洁效果不佳。毛刷清洁法采用软毛刷对物体表面进行旋转式清理,对非规则表面的清洁具有优势,但对手机光滑表面的清洁效果欠佳,容易留下细痕。针对海绵擦拭法,陈军君等[11]分析了纤维海绵在清洁油渍方面的作用。另外,江辉等[12]设计了一款无死角海绵清洁器模型机,在实际使用中取得了一定的效果。

Hadji[13]研究了海绵对油性污渍的吸收清洁能力,为海绵清洁的研究提供了参考。白桂明等[14]对不同的擦拭清洁方法做了对比分析,指出同向平行擦拭法效果优于来回擦拭法和无规律擦拭法。在手机屏幕自动化清洁方面,现有的研究较少,综合比较各清洁方案的优缺点,笔者计划采用聚乙烯醇微孔海绵同向平行擦拭的手机屏幕清洁方法。聚乙烯醇微孔海绵是一种吸液性能优异、表面柔和的高分子材料,广泛应用于医用和清洁领域[15]。笔者重点研究海绵吸水率、擦拭压力、擦拭速度对清洁效果的影响,设计了一款基于聚乙烯醇微孔海绵含水擦拭的手机屏幕自动清洁机,同时分析手机屏幕擦拭清洁的原理。

2 设计参数

手机屏幕自动清洁机的主要设计参数有四项,具体见表1。

表1 手机屏幕自动清洁机设计参数

3 结构

手机屏幕自动清洁机主要由手机回收盒、主体设备、相机、光源、外框等组成,整体结构如图1所示。

▲图1 手机屏幕自动清洁机整体结构

4 工作流程

手机屏幕自动清洁机工作时,先按下启停按钮,设备开机并自检。自检完成后,手机经过五步完成整个清洁过程依次为放入、传送、清洁、检查、回收。手机屏幕自动清洁机详细工作流程如图2所示。

▲图2 手机屏幕自动清洁机工作流程

5 清洁装置设计

手机屏幕自动清洁机的主体设备主要包括传送装置、清洁装置、定位装置等,主要负责手机屏幕清洁和手机回收。主体设备结构如图3所示。

清洁装置主要由聚乙烯醇微孔海绵、聚乙烯醇微孔海绵安装盒、数显压力计、水平丝杠滑台、竖直丝杠滑台等组成。清洁方式采用同向平行擦拭,擦拭压力通过竖直丝杠滑台调节,由数显压力计读取压力值。

聚乙烯醇微孔海绵的初始位置位于手机外缘,工作时聚乙烯醇微孔海绵先上升,再平移至手机左端上方,然后下降接触手机屏幕表面进行擦拭,擦拭完成后回到初始位置。

根据当前回收手机中的最大宽度尺寸,取整80 mm作为聚乙烯醇微孔海绵的工作长度。聚乙烯醇微孔海绵的宽度和高分别为50 mm、30 mm。聚乙烯醇微孔海绵安装在聚乙烯醇微孔海绵安装盒中,下端面凸出,无遮挡。聚乙烯醇微孔海绵吸水率w为:

w=(m1-m0)/m0×100%

(1)

式中:m0为吸水前聚乙烯醇微孔海绵质量;m1为吸水后聚乙烯醇微孔海绵和水的总质量。

▲图3 手机屏幕自动清洁机主体设备结构

聚乙烯醇微孔海绵随着吸水率的提高而增大。通过试验表明,当聚乙烯醇微孔海绵吸水率达到150%后,吸水率提高不再使聚乙烯醇微孔海绵体积增大,基本维持一个固定值。即使达到饱和吸水率,聚乙烯醇微孔海绵体积也为118 cm3左右。聚乙烯醇微孔海绵体积与吸水率关系如图4所示。

▲图4 聚乙烯醇微孔海绵体积与吸水率关系

为了优化擦拭效果,对丝杠滑台和电机进行工程计算。

水平丝杠中径螺纹升角λ为:

(2)

式中:p为丝杠的导程,为12 mm;d为丝杠的中径,为7.19 mm。

计算得λ为27.98°。

当量摩擦角ρ为:

ρ=arctan(f/cosβ)

(3)

式中:f为摩擦因数,为0.1;β为螺纹牙型半角,为15°。

计算得ρ为5.91°。

丝杠和螺母传动效率η为:

(4)

代入λ和ρ,计算得η为0.79。

丝杠扭矩T1为:

T1=Fdtan(λ+ρ)/2

(5)

式中:Fd为轴向力,为3 N。

计算得T1为0.073 N·m。

电机所需扭矩T′2为:

(6)

式中:i为丝杠传动比,为1.88。

计算得T′2为0.049 N·m。

电机输出扭矩T2为:

T2=9 550P/n

(7)

式中:P为电机功率,为0.011 kW;n为电机转速,为1 200 r/min。

计算得T2为0.088 N·m。

由此可见T2大于T′2,电机输出扭矩足够。竖直丝杠滑台和底部丝杠滑台各参数的计算与水平丝杠滑台相似。

6 试验

6.1 试验准备与设计

试验对象为自主设计的手机屏幕自动清洁机,除手机放入口外整机为全封闭。试验所用测力计为数显压力计,最大负载为50 N,相对误差为±0.5%。采用电子秤,量程为3 kg,误差为±0.1 g。清洁对象为有沾染灰尘、指纹、轻微油渍等脏污的智能手机屏幕,使用的清洁材料为吸水后的聚乙烯醇微孔海绵。经初步分析,影响手机屏幕擦拭效果的因素主要有聚乙烯醇微孔海绵吸水率、擦拭压力、擦拭速度等。聚乙烯醇微孔海绵吸水率范围为150%～250%。擦拭压力可由竖直丝杠滑台调节,调节范围为5～10 N。擦拭速度可由水平丝杠滑台调节,调节范围为100～200 mm/s。

试验采用Design-Expert软件中的Box-Behnken响应面分析法,进行三因素三水平试验,试验因素与水平见表2。

表2 试验因素与水平

为了保证试验的可靠性,每组试验在相同条件下重复三次,试验结果取三次的平均值。对手机屏幕清洁主要考虑清洁程度和清洁效率,清洁程度要求达到完全清洁,因此试验的评价指标主要为完全清洁所需时间T。

6.2 试验结果

将各试验因素分别输入Design-Expert软件,按要求生成相应的试验因素组合,共17组。按组合参数每组进行三次试验,分别记录对应的完全清洁所需时间,并求平均值。试验方案与结果见表3。

表3 试验方案与结果

6.3 显著性分析

应用Design-Expert软件对表3数据进行拟合和方差分析,得到试验显著性分析结果,见表4。经分析,模型检验F值为66.12,表明这一模型是显著的,由于干扰而出现高于F值的概率P低于0.01%,充分说明指标的二次回归方程检验达到了高度显著。模型失拟检验值F为3.33,表明失拟并不显著,由于干扰出现高于F值的概率P可达13.8%,说明在试验范围内模型的拟合度较好。因此,使用这一模型对聚乙烯醇微孔海绵吸水率、擦拭压力、擦拭速度三个因素的影响效果进行分析和预测比较合适。

表4 显著性分析结果

进一步分析可知,聚乙烯醇微孔海绵吸水率A、擦拭压力B、擦拭速度C三个因素对完全清洁所需时间T的影响排序依次为A、A2、AB、C2、B2、B、C,聚乙烯醇微孔海绵吸水率和擦拭压力存在交互项,聚乙烯醇微孔海绵吸水率和擦拭速度、擦拭压力和擦拭速度的交互项不显著。应用Design-Expert软件得到各项的回归因数,组合产生的二次多项式回归方程为:

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 响应曲面分析

各因素对完全清洁所需时间的影响如图5所示。从图5中可以直观地看出聚乙烯醇微孔海绵吸水率、擦拭压力、擦拭速度对完全清洁所需时间均有显著影响。完全清洁所需时间先随着聚乙烯醇微孔海绵吸水率的提高而缩短,但当聚乙烯醇微孔海绵吸水率超过200%后,又随着聚乙烯醇微孔海绵吸水率的提高而延长,这是因为聚乙烯醇微孔海绵中的水分能溶解并吸附从手机屏幕表面擦落的脏污,水分越多,溶解的脏污也越多,但是当聚乙烯醇微孔海绵的吸水率达到某个临界值时,聚乙烯醇微孔海绵受压水分就会被挤出,同时带出溶解在水中的脏污,使手机屏幕二次污染。完全清洁所需时间先随擦拭压力的增大而缩短,但当擦拭压力超过7.5 N后又开始延长,这是因为擦拭压力的增大会增大聚乙烯醇微孔海绵与手机屏幕的摩擦力,摩擦力越大,越容易擦除手机屏幕上的脏污,但是当压力增大到临界值时,聚乙烯醇微孔海绵中溶解的脏污的水会被挤出,使手机屏幕二次污染。完全清洁所需时间先随擦拭速度的加快而缩短,但当擦拭速度超过150 mm/s后又开始延长,这是因为擦拭速度加快会缩短单次的擦拭时间,但是当擦拭速度超过临界值时,从手机屏幕擦除的脏污不能及时被溶解并吸附至聚乙烯醇微孔海绵中,导致擦拭次数增加。

▲图5 各因素对完全清洁所需时间的影响

6.5 参数优化

手机屏幕完全清洁所需的时间越短越好,应用Design-Expert软件的参数寻优功能,设置约束条件为Min(T),得到指标的最优参数解A为185.43%,B为7.04 N,C为155.35 mm/s,对应的指标最优值为3.01 s,即完全清洁所需最短时间为3.01 s。

6.6 验证

考虑到手机屏幕自动清洁机的实际使用情况,对影响因素进行微调,各因素取值为聚乙烯醇微孔海绵吸水率185%、擦拭压力7 N、擦拭速度155 mm/s。进行三次验证试验,结果见表5。

表5 验证试验结果

由验证试验结果可知,完全清洁所需时间的实际值平均为3.2 s,与理论优化结果的3.01 s相对误差只有6.3%,绝对误差只有0.19 s,说明设计与优化参数的可行性和准确性较高。优化后手机屏幕自动清洁机在总体上达到了设计标准,满足工作要求。

7 结束语

通过对国内外手机屏幕清洁方法的研究分析,提出了基于聚乙烯醇微孔海绵同向平行含水擦拭的清洁方案,确定了影响清洁效果的关键参数,设计了手机屏幕自动清洁机,应用Design-Expert软件进行试验,对设计参数进行优化,最后通过验证试验确认了设计的有效性、可靠性。

对比现有手机屏幕清洁方案,笔者研究方案的自动化程度高,运送、清洁、检测、回收全程自动化,清洁效率高,优化后的清洁所需最短时间为3.2 s。将这一清洁方案应用在手机自动化检测领域,将大幅提升手机检测的自动化程度和效率。

当然,这一方案也存在有待改进之处,如难以清洁较重的油渍和附着力较强的脏污,在后续设计中还需要进一步研究,选用更合适海绵擦拭的清洁剂。