基于IMAQ Vision圓形連接器外觀污染識(shí)別系統(tǒng)

劉 超，許寶卉，劉 蜜，劉 鑫，周靖波

(1.運(yùn)城學(xué)院機(jī)電工程系，山西運(yùn)城 044000；2.貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550009)

0 引言

J599系列小圓形電連接器是一種滿足GJB 599A—93要求的電連接器件。其具有技術(shù)含量高、體積小、可靠性高、抗振動(dòng)沖擊等特性，在載人航天、航空、船舶領(lǐng)域的各類信號(hào)傳輸、電氣連接中應(yīng)用廣泛。J599系列連接器接觸件密度高，最多高達(dá)128芯，滿足絕大部分用戶需求，該系列產(chǎn)品供應(yīng)9種外殼尺寸，對(duì)應(yīng)高達(dá)千余種產(chǎn)品。該系列連接器通常由基座合件、外殼合件和接觸件構(gòu)成[1]。成品總裝工藝是將基座合件正確插裝入外殼合件中，成品灌環(huán)氧膠是該工藝生產(chǎn)流程中的重要環(huán)節(jié)之一[2]。環(huán)氧樹脂膠是一種熱固性樹脂膠水，其具有優(yōu)良的電絕緣、機(jī)械性能，且耐化學(xué)腐蝕及良好的粘接性能，其對(duì)連接器產(chǎn)品的可靠性、安全性起著重要作用[3]。

自動(dòng)灌環(huán)氧膠設(shè)備是在組裝好的基座與外殼的之間最大不超過(guò)2 mm的狹窄縫隙中灌入一定量的黑色B105環(huán)氧膠[4]。由于基座與外殼同軸度不理想、自動(dòng)灌環(huán)氧膠工藝無(wú)反饋、灌環(huán)氧膠過(guò)程受控度不高以及針頭最后一滴環(huán)氧膠滴漏等原因，在實(shí)際灌膠過(guò)程易出現(xiàn)環(huán)氧膠滴漏在產(chǎn)品表面、邊緣或加工工位夾具上，從而導(dǎo)致產(chǎn)品表面受環(huán)氧膠污染而影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。傳統(tǒng)的管控質(zhì)量方式是采用人工對(duì)成品表明外觀進(jìn)行檢測(cè)，該方式耗時(shí)費(fèi)力、效率低，且無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)灌環(huán)氧膠設(shè)備滴漏頻發(fā)問(wèn)題。為有效控制和掌握每只產(chǎn)品表面質(zhì)量、及時(shí)發(fā)現(xiàn)受環(huán)氧膠污染表面的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的圓形連接器灌膠污染在線識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，首先判斷是否存在待測(cè)產(chǎn)品，存在待測(cè)產(chǎn)品的圖像根據(jù)產(chǎn)品信息設(shè)計(jì)自適應(yīng)感興趣區(qū)域region of interest (ROI)，排除外界環(huán)境影響造成污染識(shí)別誤判。在ROI區(qū)域內(nèi)，通過(guò)一系列圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)氧膠污染識(shí)別與定位功能?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示該系統(tǒng)能嚴(yán)格管控產(chǎn)品質(zhì)量。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及基本原理

圖1為某型號(hào)圓形連接器插頭結(jié)構(gòu)示意圖。J599系列圓形連接器有9種殼體尺寸，接觸件規(guī)格分為#22、#20、#16等，該系列產(chǎn)品型號(hào)眾多，設(shè)計(jì)一種通用的連接器表面環(huán)氧膠污染視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)尤為重要。

圖1 圓形連接器插頭結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)氧膠污染識(shí)別系統(tǒng)工作原理描述如下：機(jī)器手從流線流入的托盤中依次抓取產(chǎn)品并放入旋轉(zhuǎn)夾爪中，旋轉(zhuǎn)夾爪夾緊產(chǎn)品移動(dòng)到灌膠位進(jìn)行環(huán)氧膠灌膠環(huán)節(jié)，灌膠后的產(chǎn)品移動(dòng)到外觀污染檢測(cè)位進(jìn)行CCD視覺(jué)檢測(cè)，CCD將拍攝的產(chǎn)品外觀照片上傳到圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品外觀環(huán)氧膠污染識(shí)別，若有污染將會(huì)進(jìn)行污染定位并將污染情況上傳PLC系統(tǒng)，由PLC控制系統(tǒng)將異常情況進(jìn)行報(bào)警、位置綁定、異常情況處理等；若產(chǎn)品無(wú)污染，機(jī)械手將從旋轉(zhuǎn)夾爪取出產(chǎn)品并放回托盤中相應(yīng)位置。

2 IMAQ Vision視覺(jué)處理系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)利用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，實(shí)現(xiàn)高精度、可重復(fù)測(cè)量，其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天領(lǐng)域的在線檢測(cè)、缺陷識(shí)別、質(zhì)量管控方面應(yīng)用廣泛[5-6]。LabVIEW是基于G語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)軟件，其具有集成度高、開(kāi)發(fā)速度快、通信接口豐富等優(yōu)勢(shì)，是開(kāi)發(fā)測(cè)量、控制系統(tǒng)的理想選擇軟件平臺(tái)之一[7-9]。IMAQ Vision是LabVIEW內(nèi)置視覺(jué)開(kāi)發(fā)工具包，具有豐富的圖像處理函數(shù)，提供了包括圖像采集、系統(tǒng)校準(zhǔn)、圖像處理、幾何量測(cè)量等函數(shù)[10-11]?；贚abVIEW與IMAQ Vision能夠快速開(kāi)發(fā)出各種機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12]采用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于IMAQ Vision的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在番茄表面霉斑缺陷檢測(cè)中取得良好效果。文獻(xiàn)[13]采用NI-IMAQdx模塊開(kāi)發(fā)視覺(jué)程序用于評(píng)價(jià)激光光斑的特征參數(shù)，為激光光斑測(cè)量提供了一種新的解決思路。

2.1 自適應(yīng)ROI區(qū)域

環(huán)氧膠污染識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)是根據(jù)污染區(qū)域與非污染區(qū)域存在明顯的灰度值變化來(lái)判斷的。在識(shí)別產(chǎn)品表面是否存在污染時(shí)不需要關(guān)注產(chǎn)品之外的視野范圍內(nèi)的其余區(qū)域，即需要在感興趣區(qū)域(ROI)內(nèi)進(jìn)行圖像分析與處理。由于設(shè)計(jì)的污染識(shí)別系統(tǒng)兼容規(guī)格、大小不一的產(chǎn)品，固定的ROI區(qū)域不利于精確識(shí)別，基于上述分析，為了提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種滿足需求的自適應(yīng)ROI區(qū)域。自適應(yīng)ROI算法主要由2部分構(gòu)成。長(zhǎng)時(shí)間使用的夾爪存在刮擦、輪廓邊緣掉漆等噪聲干擾，為減少背景噪聲對(duì)產(chǎn)品圖像處理的影響，通常根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)確定大致ROI區(qū)域，消除非產(chǎn)品干擾信息；進(jìn)一步，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品污染識(shí)別區(qū)域的精定位，確定不同產(chǎn)品的自適應(yīng)ROI區(qū)域。

J599系列圓形連接器產(chǎn)品規(guī)格較多，在調(diào)試或者生產(chǎn)過(guò)程中可對(duì)具體規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行ROI的設(shè)置與保存。系統(tǒng)界面如圖2(a)所示，操作順序?yàn)椋盒D(zhuǎn)夾爪上放入產(chǎn)品并夾緊，移動(dòng)到拍照位，在“型號(hào)”輸入框輸入產(chǎn)品正確型號(hào)，點(diǎn)擊“調(diào)試產(chǎn)品”，然后點(diǎn)擊“手動(dòng)拍照”，根據(jù)實(shí)際情況確定ROI后點(diǎn)擊“確定ROI”，再點(diǎn)擊“新增產(chǎn)品”，產(chǎn)品ROI數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中。產(chǎn)品測(cè)量過(guò)程中，將根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)的ROI值，整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

(a)ROI保存數(shù)據(jù)庫(kù)界面

輸入的圖像經(jīng)過(guò)ROI粗定位后，首先利用Operators函數(shù)中Multiply算子，對(duì)圖像中的每個(gè)像素灰度值乘以3，凸顯產(chǎn)品表面與背景的對(duì)比度；然后采用Color Plane Extraction顏色平面抽取函數(shù)從輸入的彩色圖中提取RGB模型中的紅色平面，得到8位的灰度圖。使用Color Plane Extraction函數(shù)抽取某個(gè)平面時(shí)，若圖像相應(yīng)的成份越多，表明顏色模型中對(duì)應(yīng)的通道的值越大，抽取該顏色平面得到的灰度圖像也就會(huì)越亮，反之，則越暗，如圖3所示；最后，將輸出結(jié)果通過(guò)Find Circular Edge函數(shù)查找產(chǎn)品表面圓邊，得到圓像素參數(shù)為：坐標(biāo)(1 426.62，1 012.38)，半徑138.75，圖像處理如圖3所示。為了降低白色圓邊緣對(duì)于污染識(shí)別的干擾，將實(shí)際測(cè)得的半徑減去2個(gè)像素得到自適應(yīng)ROI的圓形區(qū)域半徑以提升污染識(shí)別與定位的準(zhǔn)確度。

圖3 ROI精定位算法

2.2 環(huán)氧膠污染識(shí)別算法

傳統(tǒng)連接器灌環(huán)氧膠表面質(zhì)量管控是采用人工逐一檢查的方式，為有效控制和掌握每只產(chǎn)品表面質(zhì)量、提升設(shè)備自動(dòng)化和柔性化程度，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的圓形連接器灌膠污染在線識(shí)別系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能，一是采用視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)每一只產(chǎn)品灌膠后的表面質(zhì)量檢測(cè)，判斷是否存在環(huán)氧膠污染物；二是判斷每次灌環(huán)氧膠過(guò)程是否存在產(chǎn)品。

在污染物識(shí)別模塊中，在自適應(yīng)ROI區(qū)域內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品表面特征提取。產(chǎn)品表面受污染后會(huì)呈現(xiàn)黑色多異物，輸入圖像抽取RGB-Red Plane平面后正常表面會(huì)呈現(xiàn)白色，因此先根據(jù)直方圖設(shè)置二值化閾值進(jìn)行二值化操作，提取污染物特征。由于污染物與產(chǎn)品插孔圖像灰度圖像均呈現(xiàn)黑色，為更好地分割污染區(qū)域，將二值化后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕操作，在粒子分析之前再進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹操作。污染識(shí)別模塊和識(shí)別算法如圖4、圖5所示。

圖4 污染物識(shí)別模塊

圖5 污染識(shí)別算法

經(jīng)污染識(shí)別算法分析處理后得到圖6(a)所示結(jié)果。圖6(a)中包含連接器產(chǎn)品插孔和污染的白色區(qū)域，通過(guò)圖4下側(cè)污染物邏輯判斷for循環(huán)進(jìn)行圓孔與污染物的區(qū)分判斷，污染物識(shí)別模塊處理結(jié)果如圖6(b)所示。

(a)識(shí)別結(jié)果

3 系統(tǒng)測(cè)試

為解決連接器生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品表面質(zhì)量人工檢測(cè)的不足，以LabVIEW2014為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于IMAQ Vision視覺(jué)庫(kù)開(kāi)發(fā)圖7所示污染物檢測(cè)視覺(jué)系統(tǒng)。上位機(jī)界面主要由圖像處理顯示控件、PLC與GFCam通信成功指示控件、產(chǎn)品處理結(jié)果合格與否指示控件、生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示控件、歷史數(shù)據(jù)表格控件、消息提示框和操作按鈕構(gòu)成，上位機(jī)界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單。圖7為20B型號(hào)某連接器表面污染物識(shí)別結(jié)果，該產(chǎn)品表面有2處污染，視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別正確，且通過(guò)黑色矩形框定位正確，該系統(tǒng)視覺(jué)污染物識(shí)別速度為132 ms，與人工視覺(jué)相比，效率大幅提升。圖8為20B型號(hào)其余產(chǎn)品視覺(jué)檢測(cè)結(jié)果圖，圖8(a)有2處小面積污染；圖8(b)有1處大面積污染，外表面邊緣處存在2處污染，中間位置存在1處不明顯污染。污染物檢測(cè)視覺(jué)系統(tǒng)在識(shí)別上述產(chǎn)品時(shí)完全正確，且定位準(zhǔn)確，該系統(tǒng)在處理單個(gè)產(chǎn)品時(shí)耗時(shí)少。

圖7 上位機(jī)界面

(a)小面積污染

4 結(jié)束語(yǔ)

為解決連接器灌環(huán)氧膠過(guò)程人工檢測(cè)產(chǎn)品表面質(zhì)量的不足，在LabVIEW中開(kāi)發(fā)了一套基于IMAQ Vision的圓形連接器外觀污染識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交換界面，此外，設(shè)計(jì)自適應(yīng)ROI算法對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品的表面進(jìn)行精確定位，然后在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行污染物識(shí)別與定位。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能正確區(qū)分正常與污染區(qū)域，準(zhǔn)確識(shí)別出污染區(qū)域數(shù)量與位置，此外，單個(gè)產(chǎn)品視覺(jué)處理速度達(dá)到130 ms左右，

該系統(tǒng)為圓形連接器灌環(huán)氧膠工藝的質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)提供了一種有效解決方案。