基于LabVIEW的自動(dòng)焊接機(jī)焊接腳檢測(cè)方法

汪成龍，黃余鳳，陳銘泉，林浩斌，陳澤濤

（惠州學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，惠州 516015）

0 引言

隨著人力成本的提升，國(guó)內(nèi)制造業(yè)加快了自動(dòng)化改革的步伐。在自動(dòng)化焊接技術(shù)中檢測(cè)焊接腳的正確與否，通常讓工人肉眼進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)，但人眼具有視覺暫留，視覺疲勞等特點(diǎn)，容易造成誤判和檢測(cè)效率低等問(wèn)題，因此為提高焊機(jī)技術(shù)行業(yè)生產(chǎn)效率和品質(zhì)檢測(cè)準(zhǔn)確率，亟待研究一種快速精準(zhǔn)的檢測(cè)方法。當(dāng)代自動(dòng)化技術(shù)融入焊接技術(shù)可以給焊接行業(yè)帶來(lái)新鮮血液，因此自動(dòng)化焊接技術(shù)逐漸成為焊接行業(yè)的主流[1]。相對(duì)之前的焊接機(jī)，自動(dòng)化焊接機(jī)有很多優(yōu)勢(shì)，但自動(dòng)焊接機(jī)焊接腳的檢測(cè)仍然面臨著許多難題。

目前，自動(dòng)焊接機(jī)焊接腳檢測(cè)仍然是以工人檢測(cè)為主，但此方法效率低，準(zhǔn)確率不高，因此有必要研究一種速度快、準(zhǔn)確率高的自動(dòng)檢測(cè)方法。

本文首先對(duì)采集到的自動(dòng)焊接機(jī)焊接腳圖片進(jìn)行預(yù)處理，將圖片中的噪音消除并且將雜質(zhì)過(guò)濾掉；然后利用模板匹配和建立坐標(biāo)系對(duì)圖片進(jìn)行定位操作；接著通過(guò)圖像掩模準(zhǔn)確地從圖像中提取需要的區(qū)域，將不需要的區(qū)域屏蔽；最后經(jīng)過(guò)二值化和形態(tài)學(xué)處理顯示出焊接腳中出錯(cuò)的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能準(zhǔn)確穩(wěn)定地檢測(cè)出焊接腳錯(cuò)誤區(qū)域，且檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高。

1 圖像預(yù)處理

1.1 灰度化圖像

灰度化圖像是將彩色圖像轉(zhuǎn)化成為灰度圖像的過(guò)程?，F(xiàn)在大部分的彩色圖像都是采用RGB顏色模式，但這種方式占用內(nèi)存比較大，在處理時(shí)需要分別對(duì)RGB三種分量進(jìn)行處理。如果在進(jìn)行圖像處理時(shí)先將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像后再進(jìn)行下一步的操作，會(huì)減少工作量。經(jīng)過(guò)灰度化處理的圖像，用0～255代表其灰度值，0是黑色，255是白色。中間的取值分別代表不同的灰色。

圖像的灰度化處理有兩種常用方法：

1）平均值算法，即將當(dāng)前像素的R、G、B三個(gè)分量求平均值，即：

2）加權(quán)平均法，這種方法的特點(diǎn)在于人眼對(duì)于各種顏色的敏感程度不同，因此對(duì)三個(gè)分量取不同的權(quán)值來(lái)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，而人眼對(duì)于綠色的敏感程度較高，紅色次之，藍(lán)色最低，因此，以下公式能更好的得到灰度化圖像：

通過(guò)以上任一方法得到的Gray值就是灰度化值。

1.2 濾波處理

在獲取圖像時(shí)，由于外界因素的干擾，圖像中不時(shí)會(huì)呈現(xiàn)少許噪聲，干擾了對(duì)圖像的下一步操作。故在竭力保存圖像特點(diǎn)的情況下，需要消除其噪聲，過(guò)濾掉干擾信號(hào)，讓后續(xù)處理可以更加準(zhǔn)確。中值濾波[2]是將目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的最大最小值全部視為噪聲，用中值代替他們，讓周圍的點(diǎn)更接近真實(shí)值。這種非線性濾波算法，可以保留圖像細(xì)節(jié)特征。中值濾波的算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，速度快，而且除噪效果好，特別是針對(duì)椒鹽噪聲（脈沖噪聲）時(shí)有很好的效果。

圖1 中值濾波后的圖像

2 基于模版配的圖像定位法

模版匹配就是從圖像中獲取部分小圖像作為模版，或者將已有的圖片作為模版，然后根據(jù)小圖像在大圖像中搜索有相同圖像的目標(biāo)，并得到其相應(yīng)坐標(biāo)位置。設(shè)計(jì)參數(shù)可以使圖像在相似度低一點(diǎn)、有一定旋轉(zhuǎn)角度的圖像也能定位出來(lái)。

模版匹配在圖像處理中是一個(gè)很重要的過(guò)程，經(jīng)過(guò)模版匹配對(duì)其某個(gè)部位進(jìn)行定位。確定坐標(biāo)系，使其他圖片能被同樣的程序進(jìn)行操作，或者在同一圖片中獲取相同的部位，然后進(jìn)行后續(xù)操作[3]。

模版匹配常用的算法有兩種，分別是平方差匹配和相關(guān)匹配，平方差匹配是利用平方差來(lái)進(jìn)行匹配，當(dāng)匹配參數(shù)越接近0時(shí)，匹配值越高，反之越小。其算法 如下：

而相關(guān)匹配正好相反，其得出的匹配參數(shù)越大時(shí)，匹配值越高，反之越低，其算法如下：

圖2 建立的模板和坐標(biāo)系

3 圖像特征提取

3.1 圖像掩模

圖像掩模，一般指的是用形狀或者圖像對(duì)需要處理的圖像進(jìn)行掩蓋，保留掩蓋部位的圖像值，把掩蓋區(qū)域外的圖像值清零。圖像掩?？梢詼?zhǔn)確的從圖像中提取出需要的區(qū)域，還可以把不感興趣或者不需要處理的區(qū)域屏蔽掉。

圖3 圖像掩模處理后的圖像

3.2 二值化

將灰度化后的圖像設(shè)定一個(gè)閾值A(chǔ)，圖像中灰度值大于A的部分全部變成白色，小于A的部分全部變成黑色，就成了新的圖像[4]。新的圖像由灰度圖像轉(zhuǎn)化而來(lái)，使其0～255共256個(gè)灰度值減少到只有0和255兩個(gè)灰度值，雖然會(huì)使圖片信息數(shù)據(jù)丟失非常多，但相對(duì)于進(jìn)行圖像掩模后得到的部分區(qū)域是有用的。設(shè)置不同A的數(shù)值，獲取的圖像也不同，通過(guò)不斷改變A的值而得到需要的二值化圖像。圖像在經(jīng)過(guò)二值化處理之后，圖像的數(shù)據(jù)就變少了，提高了圖像處理效率。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 形態(tài)學(xué)濾波

圖像在經(jīng)過(guò)二值化處理之后，由于圖像干擾和噪聲的存在，總存在著一些被錯(cuò)誤分割出來(lái)的孤立點(diǎn)，于是需要用到形態(tài)學(xué)濾波[5]把這一部分小區(qū)域過(guò)濾掉，使圖像的主體更能凸顯出來(lái)。

形態(tài)學(xué)濾波的算法一般有四種：腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算、開運(yùn)算和閉運(yùn)算。腐蝕運(yùn)算可以消除圖像中小的物體。膨脹是將物體與有和其他物體接觸的地方合并到一起并且向外部膨脹。開運(yùn)算可用于消除物體的邊界使其變得平滑，但是又不明顯地改變其面積。閉運(yùn)算可用于填充物體內(nèi)細(xì)小空洞、以及填充物體的邊界，使其變得平滑但是又不明顯地改變其面積。

圖4～圖6是采用不同的閾值進(jìn)行腐蝕運(yùn)算后得到的圖像，經(jīng)調(diào)試得知，當(dāng)閾值設(shè)定為178時(shí)，圖像最 清晰。

圖4 閾值為160濾波后的圖像

圖5 閾值為180濾波后的圖像

圖6 閾值為200濾波后的圖像

4 結(jié)論

以6張焊接腳圖片為樣本，利用LabVIEW編寫檢測(cè)軟件，軟件界面如圖7所示。

圖7 焊接腳檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面

表1表明，樣本的匹配值都高于950，匹配相似度高，檢測(cè)成功率都是100%。

得到結(jié)論如下：

1）檢測(cè)穩(wěn)定性高：對(duì)樣本的定位準(zhǔn)確，匹配 值高。

2）檢測(cè)準(zhǔn)確率高：對(duì)樣本識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)100%。

3）檢測(cè)范圍：該軟件的編程過(guò)程簡(jiǎn)潔方便，在該軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上修改算法，可設(shè)計(jì)其他檢測(cè)功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王彬.我國(guó)焊接自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].焊接技術(shù),2000,29(6):1-3.

[2]楊小靜.基于LabVIEW和Matlab的圖像去噪研究[D].2014:23-24.

[3]田娟,鄭郁正.模板匹配技術(shù)在圖像識(shí)別中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)2008,27(1):2-3.

[4]朱軍民,黃磊,劉昌平.圖像二值化方法比較[J].2002:110-112.

[5]吳辰夏.二值化圖像特征及其應(yīng)用[D].2013:2-4.