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(lèi)，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(wèn)世便被人們爭(zhēng)相購(gòu)買(mǎi)[1]?？Х饶z囊的生產(chǎn)過(guò)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(duì)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(guò)小，會(huì)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(zhǎng)。因此對(duì)咖啡膠囊生產(chǎn)過(guò)程中的鋁箔焊接質(zhì)量檢測(cè)十分必要。

本文通過(guò)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)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(duì)咖啡膠囊底部鋁箔焊接質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線評(píng)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(cè)。

1 系統(tǒng)組成

該視覺(jué)檢測(cè)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(cè)軟件組成。CMOS相機(jī)實(shí)時(shí)采集當(dāng)前鋁箔圖片，并通過(guò)以太網(wǎng)將圖片傳輸至計(jì)算機(jī)，再由視覺(jué)檢測(cè)軟件進(jìn)行其鋁箔焊接質(zhì)量的檢測(cè)和評(píng)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)制作過(guò)程中的焊接次品和良品的區(qū)分分類(lèi)。

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(hào)，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(jué)檢測(cè)上?？紤]到檢測(cè)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(hào)的工業(yè)相機(jī)。

根據(jù)所選相機(jī)的型號(hào)，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(cè)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(jué)檢測(cè)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(jué)檢測(cè)軟件

視覺(jué)檢測(cè)軟件作為系統(tǒng)的核心，主要是對(duì)由相機(jī)獲取的圖片進(jìn)行圖像處理以及對(duì)所得出的結(jié)果進(jìn)行分析并輸出[4]。視覺(jué)檢測(cè)軟件界面是在VS2015平臺(tái)下使用Qt進(jìn)行編寫(xiě)。為了實(shí)現(xiàn)軟件能夠?qū)崟r(shí)處理由相機(jī)傳來(lái)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(kāi)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(kāi)啟相機(jī)、關(guān)閉相機(jī)、開(kāi)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(kāi)啟相機(jī)”功能按鈕時(shí)，開(kāi)啟第二線程并從相機(jī)讀取圖片，然后將傳來(lái)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(duì)最終測(cè)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(cè)項(xiàng)目

咖啡膠囊底部鋁箔的焊接質(zhì)量檢測(cè)主要是通過(guò)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(lái)判定。

2.1 相機(jī)標(biāo)定

鋁箔的焊接質(zhì)量檢測(cè)的4個(gè)參數(shù)均是根據(jù)視覺(jué)檢測(cè)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(duì)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(duì)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(pán)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(guò)熱焊頭完成鋁箔與杯體的焊接。在鋁箔沖切的過(guò)程中，由于切刀和鋁箔自身的張緊力影響，會(huì)導(dǎo)致沖切下的鋁箔大小并不是完全統(tǒng)一。如果鋁箔過(guò)小會(huì)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(guò)大，會(huì)對(duì)濾水盤(pán)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?jī)?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(jiǎn)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(duì)圖像進(jìn)行分割，通過(guò)對(duì)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(duì)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(duì)于一幅擁有L個(gè)灰度級(jí)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(lèi)間方差為

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

(5)

通過(guò)大津閾值法分割出鋁箔圓，再通過(guò)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(guò)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(huì)導(dǎo)致最終焊接上的鋁箔會(huì)相對(duì)于杯體發(fā)生一定程度上的偏心，當(dāng)同心度過(guò)大時(shí)，鋁箔焊接的一邊會(huì)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(guò)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(cè)流程如圖2所示。

圖2 鋁箔杯體同心度檢測(cè)流程

為了獲得杯體圓心坐標(biāo)，先對(duì)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(duì)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(duì)原始圖像使用直方圖均衡，能夠方便后續(xù)對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)邊緣提取，即可獲得杯體圓，通過(guò)該輪廓的最小包圍圓得到對(duì)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(huì)在杯底通過(guò)沖孔工位沖出一個(gè)直徑為4 mm的通孔，然后再通過(guò)熱焊頭將鋁箔焊接至咖啡膠囊的底部焊接平臺(tái)，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(píng)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(guò)小時(shí)，會(huì)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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)流程如圖3所示。

圖3 檢測(cè)焊環(huán)寬度流程圖

通過(guò)對(duì)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(guò)程中，熱焊頭會(huì)將鋁箔中心焊接圈以外的部分壓至平整，它的平整度對(duì)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(guò)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(lái)，在閾值化過(guò)后，通過(guò)計(jì)算平整區(qū)域面積(本研究中白色為前景)所占?jí)汉腑h(huán)的比例來(lái)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(tái)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(jiàn)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(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量。因此在獲取實(shí)際值時(shí)，使用二次元測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采用SRN3020光學(xué)影像測(cè)量?jī)x，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(cè)量使用10個(gè)樣本，先使用該視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，然后使用二次元測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，最后對(duì)比其絕對(duì)誤差，鋁箔大小測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 鋁箔大小測(cè)量結(jié)果 mm

根據(jù)實(shí)際值與測(cè)量值的絕對(duì)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(cè)量，先使用本研究的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，然后使用二次元測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，最后對(duì)比其絕對(duì)誤差，鋁箔杯體同心度測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 鋁箔杯體同心度測(cè)量結(jié)果 mm

根據(jù)實(shí)際值與測(cè)量值的絕對(duì)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(duì)于鋁箔杯體同心度測(cè)量的需求。

3.3 焊環(huán)寬度

焊環(huán)寬度的測(cè)量同樣使用10個(gè)樣本，先使用本研究的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)焊環(huán)寬度進(jìn)行測(cè)量，然后使用二次元測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量最為參考的實(shí)際值，最后對(duì)比其絕對(duì)誤差，鋁箔大小測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 焊環(huán)寬度測(cè)量結(jié)果 mm

根據(jù)焊環(huán)寬度的實(shí)際值與測(cè)量值的絕對(duì)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(duì)于焊環(huán)寬度測(cè)量的需求。

4 結(jié) 論

針對(duì)咖啡膠囊鋁箔焊接質(zhì)量檢測(cè)，搭建了整套視覺(jué)檢測(cè)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(duì)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(jué)檢測(cè)軟件，并使用C++及OpenCV圖像處理庫(kù)，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(cè)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(guò)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(guò)分析10個(gè)樣本的實(shí)際值與測(cè)量值的絕對(duì)誤差，測(cè)量的結(jié)果能夠滿足咖啡膠囊鋁箔焊接過(guò)程中的檢測(cè)需求。