基于機(jī)器視覺的咖啡膠囊鋁箔焊接質(zhì)量檢測

丁勁鋒， 徐曉佐， 顏東朋， 柴子俊

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 儀器系，湖北 武漢 430074)

0 引 言

咖啡膠囊作為新型的咖啡品類，能夠讓任何人在極短的時(shí)間內(nèi)方便快捷地做出風(fēng)味口感足夠媲美現(xiàn)磨咖啡的咖啡飲品，一經(jīng)問世便被人們爭相購買[1]?？Х饶z囊的生產(chǎn)過程十分復(fù)雜繁瑣，每一步工序?qū)τ谄焚|(zhì)的把控十分嚴(yán)格，尤其對于其底部鋁箔的焊接質(zhì)量，其焊接質(zhì)量直接影響到整個(gè)咖啡膠囊的品質(zhì)。如當(dāng)咖啡膠囊底部的鋁箔出現(xiàn)偏焊的情況時(shí)，由于焊接面積過小，會導(dǎo)致咖啡膠囊的氣密性不足，空氣進(jìn)入咖啡膠囊內(nèi)部，直接影響咖啡膠囊內(nèi)部咖啡的風(fēng)味、大大地縮短了其保存時(shí)長。因此對咖啡膠囊生產(chǎn)過程中的鋁箔焊接質(zhì)量檢測十分必要。

本文通過機(jī)器視覺檢測焊接完后鋁箔與杯體同心度、焊接環(huán)寬度、鋁箔大小以及壓焊比例這4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對咖啡膠囊底部鋁箔焊接質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線評估。為實(shí)際的咖啡膠囊的生產(chǎn)制作提供了自動(dòng)化的實(shí)時(shí)質(zhì)量檢測。

1 系統(tǒng)組成

該視覺檢測系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)相機(jī)、光源、鏡頭以及檢測軟件組成。CMOS相機(jī)實(shí)時(shí)采集當(dāng)前鋁箔圖片，并通過以太網(wǎng)將圖片傳輸至計(jì)算機(jī)，再由視覺檢測軟件進(jìn)行其鋁箔焊接質(zhì)量的檢測和評估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對制作過程中的焊接次品和良品的區(qū)分分類。

1.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的硬件主要由CMOS相機(jī)、鏡頭、光源以及計(jì)算機(jī)組成[2]。

CMOS相機(jī)和鏡頭負(fù)責(zé)圖像的實(shí)時(shí)采集，它能夠?qū)⒐鈱W(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且其具有體積小、重量輕、受外界干擾的影響小的特點(diǎn)，因此,被廣泛應(yīng)用在工業(yè)中的視覺檢測上?？紤]到檢測的精度以及工作距離，因此選用灰點(diǎn)公司的BFLY-PGE-31S4C-C型號的工業(yè)相機(jī)。

根據(jù)所選相機(jī)的型號，以及所需拍攝的視野范圍的大小選擇合適的鏡頭。由于所選相機(jī)接口為C接口，分辨率大小為2 048×1 536，傳感器靶面大小為1/8”，并且在實(shí)際檢測中鋁箔的大小約為9 mm，因此,選用最大靶面為1/8”,焦距為25 mm的定焦鏡頭。

光源是視覺檢測系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分[3]，它直接影響到最終采集到的圖像質(zhì)量。好的光源選擇在很大程度上減輕了后期進(jìn)行圖像處理的難度?？紤]到響應(yīng)速度、壽命以及穩(wěn)定性等多方面因素，最終選用發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)光源。在正面打光時(shí)，考慮到為了凸顯鋁箔表面的褶皺情況，因此選用光線均勻的環(huán)形光源。此外，為了使得鋁箔外輪廓的邊緣更加突出，還需要在背面加上面光源。

1.2 視覺檢測軟件

視覺檢測軟件作為系統(tǒng)的核心，主要是對由相機(jī)獲取的圖片進(jìn)行圖像處理以及對所得出的結(jié)果進(jìn)行分析并輸出[4]。視覺檢測軟件界面是在VS2015平臺下使用Qt進(jìn)行編寫。為了實(shí)現(xiàn)軟件能夠?qū)崟r(shí)處理由相機(jī)傳來的圖片，軟件采用雙線程模式。

軟件中，主線程負(fù)責(zé)整個(gè)軟件的界面顯示以及控制第二個(gè)線程的開啟和關(guān)閉，其主界面包括菜單欄、圖像顯示區(qū)域以及結(jié)果顯示區(qū)域。菜單欄包含著6個(gè)功能按鈕，功能分別是開啟相機(jī)、關(guān)閉相機(jī)、開始相機(jī)標(biāo)定并將標(biāo)定結(jié)果存至TXT文件、讀取標(biāo)定文件、保存當(dāng)前圖片以及讀取本地圖片。

第二個(gè)線程的主要功能是進(jìn)行相機(jī)通信、圖像處理以及結(jié)果計(jì)算。相機(jī)通信模塊主要負(fù)責(zé)相機(jī)與軟件的圖片傳輸，當(dāng)主界面中按下“開啟相機(jī)”功能按鈕時(shí)，開啟第二線程并從相機(jī)讀取圖片，然后將傳來的圖片傳輸至圖像處理模塊，在這一模塊中完成濾波、閾值分割、邊緣提取等圖像處理的各個(gè)操作，并將提取的結(jié)果顯示在主線程的圖像顯示區(qū)域，同時(shí)將獲得的參數(shù)傳輸?shù)浇Y(jié)果計(jì)算模塊，最后在結(jié)果計(jì)算模塊中完成對最終測量結(jié)果的計(jì)算，并將結(jié)果輸出到主線程的結(jié)果顯示區(qū)域。

2 檢測項(xiàng)目

咖啡膠囊底部鋁箔的焊接質(zhì)量檢測主要是通過鋁箔與杯體同心度、焊接環(huán)寬度、鋁箔大小以及壓焊比例4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來判定。

2.1 相機(jī)標(biāo)定

鋁箔的焊接質(zhì)量檢測的4個(gè)參數(shù)均是根據(jù)視覺檢測的實(shí)際物理尺寸得出。為了得到更加精確的結(jié)果，必須在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，首先使用張正友標(biāo)定法以得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)[5]，再利用這些參數(shù)對標(biāo)定板圖片進(jìn)行矯正，最后根據(jù)標(biāo)定板的實(shí)際尺寸得出像素尺寸與實(shí)際尺寸的比例系數(shù)[6]。

使用的標(biāo)定板的規(guī)格為12×9的棋盤標(biāo)定板，每一格的實(shí)際尺寸為1.5 mm，標(biāo)定流程如圖1所示。

圖1 標(biāo)定流程

最終得到的相機(jī)內(nèi)參分別為：

1)相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣

[11 618.218 553 235 9, 0, 1 197.591 963 860 359;0,11 615.637 408 017 34, 591.244 825 680 315 3;0,0,1]。

2)畸變系數(shù)

[-0.613 470 456 824 440 7, 26.420 301 941 416 84, 0.002 775 388 568 430 081, 0.001 490 729 864 681 293,5.403 396 643 694 457]。

標(biāo)定總體誤差為0.089 383像素，實(shí)際尺寸與像素尺寸的比例系數(shù)為0.01 mm/像素。

2.2 鋁箔大小

在咖啡膠囊的生產(chǎn)制作中，先由鋁箔焊接工位沖切出規(guī)定大小的鋁箔，再通過熱焊頭完成鋁箔與杯體的焊接。在鋁箔沖切的過程中，由于切刀和鋁箔自身的張緊力影響，會導(dǎo)致沖切下的鋁箔大小并不是完全統(tǒng)一。如果鋁箔過小會導(dǎo)致焊接面積變小，直接影響到鋁箔與杯體的焊接質(zhì)量；如果鋁箔過大，會對濾水盤的安裝焊接等后續(xù)工序造成影響。所以，鋁箔大小符合規(guī)定大小(直徑大于8.5 mm且小于9 mm)是判斷其焊接質(zhì)量優(yōu)良的一個(gè)基本衡量標(biāo)準(zhǔn)。

提取鋁箔的ROI區(qū)域不僅可以簡單得出鋁箔的大小，并且是一個(gè)基礎(chǔ)工作，便于后續(xù)目標(biāo)尺寸的提取。由于使用的相機(jī)采集到的是彩色圖像，所以首先將獲得的圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，然后將所得到的圖像進(jìn)行二值化處理，本文研究采用大津自動(dòng)閾值法。

大津閾值法(OTSU閾值法[7,8])是一種自適應(yīng)的閾值方法。閾值化的本質(zhì)是對圖像進(jìn)行分割，通過對灰度圖像設(shè)置一個(gè)閾值，進(jìn)而將灰度圖像中的像素分成0和1，最終生成一張新的二值圖像。對于二值圖像更加方便進(jìn)行輪廓等圖像信息的提取。大津閾值法是對于一幅擁有L個(gè)灰度級并且像素點(diǎn)總個(gè)數(shù)為N的圖像，設(shè)其中灰度值為i的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)為ni，其歸一化的灰度直方圖Pi=ni/N，由于閾值t將圖像中的像素點(diǎn)可分為C0和C1兩個(gè)部分。C0為灰度值在0至t之間的像素點(diǎn)，其像素個(gè)數(shù)為N0，C1灰度值在t+1至L-1之間的像素點(diǎn)，其像素個(gè)數(shù)為N1。因此可以得到C0的概率w0與其均值u0的表達(dá)式

(1)

(2)

同理可得C1的概率w1與其均值u1的表達(dá)式

(3)

(4)

C0與C1的類間方差為

g=w0×(u-u0)2+w1×(u-u1)2=w0×w1×(u0-u1)2

(5)

通過大津閾值法分割出鋁箔圓，再通過邊緣提取即可獲得鋁箔的外部輪廓，最后求得該輪廓的最小包圍圓，即可得到鋁箔的大小。

2.3 鋁箔杯體同心度

咖啡膠囊底部鋁箔在焊接的過程中，由于流水線上鏈板的震動(dòng)以及焊接頭與杯體的不同心，會導(dǎo)致最終焊接上的鋁箔會相對于杯體發(fā)生一定程度上的偏心，當(dāng)同心度過大時(shí)，鋁箔焊接的一邊會出現(xiàn)壓焊面明顯變小的情況，這大大影響到了鋁箔焊接后的氣密性，因此，鋁箔杯體同心度也可以作為衡量鋁箔焊接質(zhì)量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其鋁箔與杯體同心度的大小需小于0.5 mm。

在獲得鋁箔大小時(shí)，已經(jīng)通過鋁箔外輪廓的最小包圍圓獲得了鋁箔外輪廓的擬合圓，因此可以確定出鋁箔在整幅圖像中的圓心坐標(biāo)，因此需要再獲得杯體的圓心坐標(biāo)，整體檢測流程如圖2所示。

圖2 鋁箔杯體同心度檢測流程

為了獲得杯體圓心坐標(biāo)，先對輸入圖像(灰度圖像)做直方圖均衡，其目的是增強(qiáng)局部的對比度，由于原始圖像中杯體部分的像素值與鋁箔部分的像素值相差大，并且它們的像素值分別集中在很小的范圍內(nèi)，因此對原始圖像使用直方圖均衡，能夠方便后續(xù)對于杯體輪廓的提取。

在進(jìn)行完直方圖均衡后，考慮到噪聲的影響，需要對獲得的圖像進(jìn)行濾波處理，本文研究采用的是高斯濾波。這是因?yàn)閳D像的大多數(shù)噪聲都是屬于高斯噪聲，高斯濾波作為一種線性平滑濾波，適用于消除高斯噪聲，并且高斯濾波器在使用時(shí)能夠避免振鈴現(xiàn)象[9]。濾波后的圖像通過閾值處理獲得二值圖像，實(shí)現(xiàn)圖像的分割，該系統(tǒng)中設(shè)置閾值為240，可以很好地獲得前景為杯體底部圓的圖像。最后通過邊緣提取，即可獲得杯體圓，通過該輪廓的最小包圍圓得到對應(yīng)的圓心坐標(biāo)，設(shè)鋁箔圓心坐標(biāo)為(x0，y0)，杯體圓心坐標(biāo)為(x1，y1)故鋁箔杯體同心度C的計(jì)算公式如下

(6)

式中k為相機(jī)標(biāo)定后得到的實(shí)際尺寸與像素尺寸的比例系數(shù)。

2.4 焊環(huán)寬度

在咖啡膠囊進(jìn)行鋁箔焊接前，會在杯底通過沖孔工位沖出一個(gè)直徑為4 mm的通孔，然后再通過熱焊頭將鋁箔焊接至咖啡膠囊的底部焊接平臺，焊接環(huán)的寬度即是指鋁箔中心焊接部分與通孔的直徑差。

咖啡膠囊鋁箔焊環(huán)寬度是評估鋁箔焊接好壞的一個(gè)最直接的參數(shù)，當(dāng)焊環(huán)寬度過小時(shí)，會導(dǎo)致鋁箔焊接的焊接力不足，大大影響了咖啡膠囊整體的氣密性。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)該確保鋁箔焊接環(huán)寬度大于1 mm。

在確定鋁箔所在的感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)后，將鋁箔部分單獨(dú)保存至一張圖像，再對該圖像進(jìn)行圖像處理，在很大程度上能夠減小杯體的部分對于鋁箔中心焊接部分提取的干擾，減輕了圖像處理的難度。其具體檢測流程如圖3所示。

圖3 檢測焊環(huán)寬度流程圖

通過對鋁箔ROI圖像進(jìn)行高斯濾波，然后使用閾值化處理，獲得二值化圖像，閾值設(shè)置為80，將獲得的二值化圖像進(jìn)行邊緣提取，提取輪廓面積大于10 000并且橫縱比大于0.95,小于1.05的輪廓，該輪廓即為鋁箔中心焊接部分。

2.5 壓焊比例

壓焊比例是指在鋁箔的焊接過程中，熱焊頭會將鋁箔中心焊接圈以外的部分壓至平整，它的平整度對保證鋁箔焊接的氣密性有一定的輔助作用，并且影響了鋁箔焊接的美觀性。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，須要保證壓焊比例大于0.5。

為了計(jì)算壓焊比例，需要將壓焊環(huán)單獨(dú)提取出來，在閾值化過后，通過計(jì)算平整區(qū)域面積(本研究中白色為前景)所占壓焊環(huán)的比例來求得。壓焊環(huán)外部圓即為鋁箔外輪廓，壓焊環(huán)內(nèi)部圓的提取較為復(fù)雜。實(shí)拍的鋁箔圖像中，壓焊環(huán)與鋁箔中心焊接平臺之間有一圈反光帶，并且壓焊環(huán)往往是不連續(xù)的，所以不能直接提取出壓焊環(huán)的內(nèi)部圓。因此需要根據(jù)鋁箔中心焊接圓與反光帶的寬度，找出在壓焊環(huán)區(qū)域中，所有屬于壓焊環(huán)內(nèi)部圓上的點(diǎn)，然后根據(jù)這些點(diǎn)使用最小二乘法擬合，進(jìn)而獲得壓焊環(huán)的內(nèi)部圓[10]。獲得壓焊環(huán)內(nèi)部圓后，根據(jù)它的大小和圓心坐標(biāo)制作圓內(nèi)像素為255的掩膜，讓掩模與之前的二值圖像做“與運(yùn)算”，即可獲得整個(gè)壓焊環(huán)(見圖4)，最終求出壓焊環(huán)比例。

圖4 提取出的壓焊環(huán)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于鋁箔焊接發(fā)生在杯體內(nèi)部，人工很難借助卡尺等接觸式測量工具進(jìn)行測量。因此在獲取實(shí)際值時(shí)，使用二次元測量儀進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)采用SRN3020光學(xué)影像測量儀，其分辨率達(dá)到0.001 mm，重復(fù)精度為0.003 mm，能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求。

3.1 鋁箔大小

鋁箔大小的測量使用10個(gè)樣本，先使用該視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量，然后使用二次元測量儀進(jìn)行測量，最后對比其絕對誤差，鋁箔大小測量結(jié)果如表1所示。

表1 鋁箔大小測量結(jié)果 mm

根據(jù)實(shí)際值與測量值的絕對誤差，其誤差值穩(wěn)定在±0.1 mm內(nèi)，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中的需求。

3.2 鋁箔杯體同心度

使用同樣的10個(gè)樣本進(jìn)行鋁箔杯體同心度的測量，先使用本研究的視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量，然后使用二次元測量儀進(jìn)行測量，最后對比其絕對誤差，鋁箔杯體同心度測量結(jié)果如表2所示。

表2 鋁箔杯體同心度測量結(jié)果 mm

根據(jù)實(shí)際值與測量值的絕對誤差，其誤差值穩(wěn)定在±0.05 mm內(nèi)，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中對于鋁箔杯體同心度測量的需求。

3.3 焊環(huán)寬度

焊環(huán)寬度的測量同樣使用10個(gè)樣本，先使用本研究的視覺檢測系統(tǒng)對焊環(huán)寬度進(jìn)行測量，然后使用二次元測量儀進(jìn)行測量最為參考的實(shí)際值，最后對比其絕對誤差，鋁箔大小測量結(jié)果如表3所示。

表3 焊環(huán)寬度測量結(jié)果 mm

根據(jù)焊環(huán)寬度的實(shí)際值與測量值的絕對誤差分析，其誤差值穩(wěn)定在±0.1 mm內(nèi)，證明其能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中對于焊環(huán)寬度測量的需求。

4 結(jié) 論

針對咖啡膠囊鋁箔焊接質(zhì)量檢測，搭建了整套視覺檢測系統(tǒng)，包括硬件及軟件。硬件部分根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對相機(jī)、鏡頭以及光源進(jìn)行選型；軟件部分使用Qt搭建了新的視覺檢測軟件，并使用C++及OpenCV圖像處理庫，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行濾波、閾值分割、邊緣提取等操作，得到所需測量的參數(shù)的像素尺寸以及相應(yīng)位置的像素坐標(biāo)，再通過相機(jī)標(biāo)定的方法進(jìn)行像素尺寸到實(shí)際尺寸的轉(zhuǎn)換。最終通過分析10個(gè)樣本的實(shí)際值與測量值的絕對誤差，測量的結(jié)果能夠滿足咖啡膠囊鋁箔焊接過程中的檢測需求。