郭 慶,張文斌,景亞鵬,覃 暢,蘇海濤
(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院,廣西桂林 541004;2.廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室,廣西桂林 541004)
揚聲器是一種直接把電能轉(zhuǎn)化成為聲音的換能器件[1]。隨著國內(nèi)電聲行業(yè)的飛速發(fā)展,揚聲器也取得了長足的發(fā)展,但在揚聲器設計、優(yōu)化等方面還與國外的揚聲器生產(chǎn)廠商存在著一定差距[2]。這就要求揚聲器生產(chǎn)廠商加強揚聲器的出廠品控管理,在揚聲器出廠前對其進行標準化測量[3]。
國內(nèi)相關企業(yè)對揚聲器數(shù)字測量技術上的研究起步尚晚。目前國內(nèi)揚聲器企業(yè)中最常采用的揚聲器檢測方法是人工試聽,并且依靠人工搬運揚聲器至檢測工位進行檢測及分類,工人勞動強度大,企業(yè)生產(chǎn)成本高[4-6]。因此實現(xiàn)揚聲器的智能化檢測與自動分類對揚聲器生產(chǎn)廠家有著重要作用。
針對上述存在的問題,本文提出將機器視覺技術與機械裝置相結合,實現(xiàn)揚聲器自動化檢測與分類,并與揚聲器電聲參數(shù)測量軟件共同搭建了揚聲器的智能檢測與自動分類系統(tǒng)。
系統(tǒng)主要分為揚聲器焊點定位模塊、揚聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測量模塊,如圖1所示,揚聲器焊點定位模塊由工業(yè)相機與圖像處理算法組成,用于識別揚聲器焊點的準確位置;揚聲器位置調(diào)整與分類模塊由機械裝置和主控電路等組成,其作用是調(diào)整揚聲器焊點的位置,并根據(jù)檢測結果分類揚聲器;電聲參數(shù)測量模塊是用來測量揚聲器電聲參數(shù),由聲電轉(zhuǎn)化設備、信號調(diào)理電路和電聲參數(shù)測量軟件構成。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
系統(tǒng)的工作流程如圖2所示,由各個模塊相互配合完成,分為以下4步:
(1)揚聲器焊點定位模塊進行揚聲器的焊點定位,通過工業(yè)相機對待測揚聲器拍照,接著利用圖像算法,識別與定位揚聲器焊點相對位置,計算揚聲器所需旋轉(zhuǎn)角度β;
(2)旋轉(zhuǎn)角度β傳輸至揚聲器位置調(diào)整與分類模塊,主控電路控制機械裝置將待測揚聲器焊點與測試探針接觸;
(3)揚聲器發(fā)聲,電聲參數(shù)測量模塊工作,處理揚聲器的電聲信號,得出各類電聲參數(shù);
(4)將檢測完成的揚聲器通過揚聲器位置調(diào)整與分類模塊進行揚聲器的分類工作,送至目標位置。
圖2 系統(tǒng)工作流程
揚聲器焊點定位模塊的工業(yè)相機的像素為1 000萬,已知相機選型公式為
F=FOV/D
(1)
式中:FOV為視野范圍;D為視覺模塊的識別精度;F為工業(yè)相機的像素[7]。
該相機拍攝區(qū)域為210 mm×297 mm,可得出識別精度D為0.006 237 mm,充分滿足了揚聲器焊點的識別精度。
利用工業(yè)相機識別揚聲器焊點,及定位其中心點位置,根據(jù)反三角函數(shù),計算出揚聲器所需旋轉(zhuǎn)的角度β值,從而實現(xiàn)探針與焊點的對接,示意圖如圖3所示。
圖3 焊點與探針位置關系示意圖
對圖像建立像素坐標系,揚聲器所需旋轉(zhuǎn)的角度β值共有4種情況,假設揚聲器中心a點像素坐標為(m,n),焊點中心b點像素坐標為(x,y),各情況對應不同β值,如圖4所示。
系統(tǒng)采用LabVIEW軟件處理捕獲圖像,主要分為2個部分,圖像預處理與焊點定位信息的提取,圖像處理流程圖如圖5所示。
圖5 揚聲器焊點的圖像處理流程圖
圖像預處理部分主要是提取焊點圖像。對圖像進行ROI區(qū)域選擇,以避免其他無關圖像對目標圖像干擾;對目標圖像進行灰度化處理,方便后續(xù)的分析與處理工作;在一定光強變化范圍內(nèi),采用自適應最大類間方差法來確定最佳閾值,并消除圖像噪聲,使焊點圖像識別無誤。
完成目標和背景分離后,對焊點圖像進行最小外接矩陣,獲取焊點中心定位信息,并根據(jù)焊點坐標數(shù)值,計算揚聲器所需調(diào)整角度β。圖6所示為圖像的算法實現(xiàn)過程。
揚聲器位置調(diào)整與分類模塊的結構框圖,如圖7所示。通過RS232串口,將圖像處理結果與揚聲器分類結果傳至MCU處理,以控制機械裝置完成揚聲器焊點接入測試端口及結果分類。
圖7 揚聲器位置調(diào)整與分類模塊結構框圖
根據(jù)合作企業(yè)的要求,設計了揚聲器位置調(diào)整與分類模塊的布局方案,如圖8所示,圖中可旋轉(zhuǎn)的連桿將揚聲器從待檢測位置送至檢測位置檢測,根據(jù)檢測結果,將揚聲器放置在不同等級(A、B、C)的對應位置,從而實現(xiàn)了待測對象的分類。
機械裝置包括底座、揚聲器位置調(diào)整裝置、揚聲器探針通訊裝置。如圖9所示,揚聲器位置調(diào)整裝置由一號電機、二號電機、三號絲桿電機和吸盤等組成,揚聲器探針通訊裝置由探針與四號絲桿電機組成。各電機與硬件系統(tǒng)內(nèi)的主控電路連接,探針與硬件系統(tǒng)內(nèi)的信號調(diào)理電路連接[8-9]。
其工作原理主要為3部分。首先,主控電路驅(qū)動一號步進電機,帶動同步輪與皮帶轉(zhuǎn)動,從而使連桿旋轉(zhuǎn)到目標位置,實現(xiàn)揚聲器位置的準確調(diào)整。其次,當連桿帶動吸盤轉(zhuǎn)至待檢測位置正上方時,三號絲桿電機正向工作,促使吸盤向下運動,直至吸盤貼合揚聲器的中心位置。啟動氣泵,吸盤吸住揚聲器后,
(a)揚聲器位置調(diào)整與分類模塊工作臺俯視圖
(b)揚聲器位置調(diào)整與分類模塊各部分連接示意圖圖8 揚聲器位置調(diào)整與分類模塊整體布局示意圖
圖9 機械裝置示意圖
三號絲桿電機反向工作,揚聲器與吸盤向上運動,即揚聲器被拾取。然后驅(qū)動一號電機工作,將揚聲器懸空于仿真耳上,二號步進電機控制揚聲器轉(zhuǎn)動,使揚聲器的焊點位置對準探針;在三號絲桿電機正向工作時,揚聲器放置在仿真耳上,此時揚聲器與探針處于同一平面。最后,啟動四號絲桿步進電機,使探針向前運動,從而觸碰揚聲器的焊點,實現(xiàn)揚聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測量模塊的無縫對接。最后根據(jù)電聲參數(shù)測量模塊的檢測結果,一號電機工作,將揚聲器送至目標位置。
揚聲器電聲參數(shù)測量模塊的結構框圖,如圖10所示。聲卡的LINE OUT L接口發(fā)出連續(xù)對數(shù)掃頻信號,信號經(jīng)過功率放大模塊后,分為2路信號:第1路信號通過電流檢測模塊,再通過LINE IN R返回,即為電學信號;第2路信號激勵待測電動揚聲器,并通過聲電轉(zhuǎn)化設備采集揚聲器的聲音響應,通過LINE IN L返回,即為聲學信號[10]。對采集的電聲信號進行預處理,經(jīng)測量算法[11-13]計算后,得到所需要的電聲參數(shù)。
圖10 電聲參數(shù)測量模塊結構框圖
為了使廠家方便使用測量系統(tǒng),設計了如圖11所示的測量軟件界面,界面由菜單欄、測量模式選擇、相機與串口選擇、測量參數(shù)結果顯示等組成,界面簡潔,操作簡單,并且用戶可以根據(jù)需求設置測試信號參數(shù)與靈敏度分檔數(shù)值區(qū)間,如圖12所示。
圖11 揚聲器電聲參數(shù)測量軟件界面
圖12 測量軟件設置界面
為檢驗整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性,搭建了電動揚聲器智能檢測與自動分類系統(tǒng),并進行多次實驗,圖13為系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖。
圖13 系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖
為了驗證圖像算法的可靠性,在不同光強度下,對多角度擺放的揚聲器進行拍照及圖像處理,獲取其焊點中心像素并與理論值進行比較。表1為揚聲器焊點定位誤差測試結果,最大誤差為-0.068 61 mm,滿足焊點定位精度要求,表明圖像算法穩(wěn)定可靠。
表1 揚聲器焊點定位誤差測試結果
揚聲器焊點的轉(zhuǎn)動誤差直接影響揚聲器焊點能否與探針接觸,因此需要對二號步進電機旋轉(zhuǎn)角度與圖像處理所得角度進行對比測試。測量設備使用ZKP3808-001G-2000BZ1-12-24C半空增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和其配套的ECC3810編碼器采集卡。測量方法是將編碼器與步進電機進行同軸連接,步進電機帶動編碼器同步轉(zhuǎn)動,最后編碼器采集卡采集步進電機轉(zhuǎn)過的角度并發(fā)送給計算機。經(jīng)實驗得出焊點轉(zhuǎn)動誤差在±1°內(nèi),焊點與探針即可接觸無誤。表2為部分揚聲器焊點轉(zhuǎn)動誤差測試結果。
本文完成了各功能模塊設計,給出了焊點定位模塊、揚聲器位置調(diào)整與分類模塊和電聲參數(shù)測量模塊的軟硬件設計方案。實驗數(shù)據(jù)表明,揚聲器焊點定位最大誤差為-0.068 61 mm,焊點轉(zhuǎn)動誤差在±1°內(nèi),系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高,測量軟件操作簡單,使用方便,為揚聲器自動化檢測提供了切實可行的方案。
表2 揚聲器焊點轉(zhuǎn)動誤差測試結果