蔡文龍，李旺平，劉安陽(yáng)，解瑞燈

(北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與控制工程學(xué)院， 河北 廊坊 065000)

1 引言

航空插頭是航空航天工業(yè)中使用最為廣泛的基礎(chǔ)元件，因其使用環(huán)境的復(fù)雜性，航空插頭的可靠性和穩(wěn)定性一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，而航空插頭焊接合格與否決定了其可靠程度。目前主要通過(guò)人眼觀察的方式來(lái)判斷焊接是否合格，這種檢測(cè)的效率并不高，特別是焊杯特別多的情況下，在檢測(cè)時(shí)易出現(xiàn)疲勞煩躁等情況，使得檢測(cè)效率大大降低。隨著人工智能的迅速發(fā)展，借助機(jī)器視覺(jué)完成自動(dòng)焊接已成為一個(gè)重要的研究方向，同樣，航空插頭焊接檢測(cè)也可以借助機(jī)器視覺(jué)來(lái)完成，提高檢測(cè)效率，降低檢測(cè)成本。

近年來(lái)，關(guān)于基于機(jī)器視覺(jué)焊點(diǎn)檢測(cè)的研究很多，文獻(xiàn)[3]中基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理技術(shù)，研發(fā)了一種新型的船舶焊縫識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)改善船舶焊縫的缺陷檢測(cè)水平有重要作用。文獻(xiàn)[4]中介紹了2種基于激光結(jié)構(gòu)光組合的視覺(jué)傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過(guò)程中的焊接坡口尺寸檢測(cè)，焊縫跟蹤及焊槍空間位姿檢測(cè)等多種功能的集成。由于Vcsel的3D視覺(jué)傳感器的優(yōu)勢(shì)，在焊接過(guò)程視覺(jué)傳感中具有良好的研究和應(yīng)用前景。

但由于航空插頭的特殊性，圖像分割等方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊杯焊接檢測(cè)，本文選擇了模板匹配的方法實(shí)現(xiàn)航空插頭的焊接檢測(cè)，使用焊接合格和不合格的圖片作為模板進(jìn)行匹配，可以提高檢測(cè)的正確率。

2 總體框圖與檢測(cè)對(duì)象

對(duì)采集的圖像，進(jìn)行灰度化、去除噪聲等預(yù)處理操作，然后通過(guò)閾值分割得到焊杯信息，使用輪廓尋找得到其輪廓信息，根據(jù)輪廓信息計(jì)算出各焊杯的面積及位置坐標(biāo)。根據(jù)焊杯面積實(shí)現(xiàn)焊杯搪錫合格的檢測(cè)，在焊杯檢測(cè)合格后進(jìn)行焊杯焊接，然后對(duì)焊接的結(jié)果進(jìn)行錯(cuò)焊漏焊檢測(cè)，在沒(méi)有錯(cuò)焊漏焊的情況下，進(jìn)行焊偏檢測(cè)，若沒(méi)有焊偏的情況即為焊接合格，焊接檢測(cè)結(jié)束。焊杯檢測(cè)總體過(guò)程如圖1所示。

圖1 焊杯檢測(cè)總體過(guò)程框圖

本次研究中航空插頭焊接多類(lèi)微小異常檢測(cè)對(duì)象為300芯航空插頭，如圖2所示。即此航空插頭上有300個(gè)焊接點(diǎn)，且分布較為密集。利用該航空插頭檢測(cè)焊杯搪錫、漏焊錯(cuò)焊以及焊偏，以提高航空焊接頭的精密性。

圖2 航空插頭焊接異常檢測(cè)對(duì)象

3 焊杯搪錫檢測(cè)

焊接搪錫檢測(cè)主要是針對(duì)焊接點(diǎn)焊接完整度的檢測(cè)，是焊接檢測(cè)中重要的一個(gè)步驟，焊接點(diǎn)掛錫飽滿(mǎn)度和搪錫精度都是制約焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)，搪錫飽滿(mǎn)且均勻的焊點(diǎn)是保證器件正常工作的重要條件。同時(shí)，搪錫優(yōu)劣也關(guān)系到設(shè)備的安全系數(shù)問(wèn)題，提高搪錫質(zhì)量確保焊點(diǎn)搪錫達(dá)標(biāo)是保障設(shè)備避免及規(guī)避安全事故的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代航空焊接領(lǐng)域大多為自動(dòng)焊接，為保證焊接效率和焊接可靠性，搪錫質(zhì)量檢測(cè)是保證工程可靠性的首要步驟。

通常標(biāo)準(zhǔn)化航空插頭的焊杯表面會(huì)鍍一層金，在與多芯電纜焊接時(shí)，可能會(huì)在某些條件下發(fā)生氧化，易出現(xiàn)電纜線(xiàn)脫離的不良情況。這類(lèi)情況所導(dǎo)致的后果非常嚴(yán)重，在密集的航空航天領(lǐng)域，這類(lèi)失誤可能造成整個(gè)設(shè)備的損毀或者產(chǎn)生極大的運(yùn)行安全隱患。因此在焊接前需要對(duì)焊杯進(jìn)行搪錫。焊杯搪錫過(guò)程需完全填充焊杯。對(duì)于焊杯數(shù)量較多的航空插頭，可能在搪錫時(shí)出現(xiàn)搪錫和不合格等現(xiàn)象，因此在完成搪錫之后，需要進(jìn)行搪錫合格的檢測(cè)。

對(duì)航天插頭的搪錫檢測(cè)主要分為以下幾個(gè)步驟：

首先獲取航空插頭焊杯的圓心坐標(biāo)及輪廓信息，及時(shí)更新輪廓信息并計(jì)算每個(gè)輪廓的面積，通過(guò)參數(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)焊杯搪錫合格與否以及漏掉時(shí)面積不同，篩選出不合格以及漏掉的焊杯，并統(tǒng)計(jì)其數(shù)目。

根據(jù)焊杯輪廓信息獲取航空插頭焊杯坐標(biāo)，存放在列表list1中，使用len()函數(shù)計(jì)算出該列表的長(zhǎng)度，計(jì)算出焊杯的面積并存入列表list2中，從list2中獲取需要檢測(cè)的焊杯面積及其索引號(hào)，與焊杯搪錫不合格時(shí)焊杯面積閾值以及沒(méi)有搪錫時(shí)焊杯面積的閾值進(jìn)行比較，若<<，表示焊杯搪錫合格，刪除列表list1中與索引號(hào)對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)，否則表示搪錫不合格，刪除list1中與索引號(hào)對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)，并將其存入list3中，列表長(zhǎng)度減1，判斷列表的長(zhǎng)度是否為0，若不等于0，表示還有未檢測(cè)的焊杯，需要繼續(xù)進(jìn)行檢修，否則，表示檢測(cè)結(jié)束，提交搪錫不合格和漏掉的焊杯坐標(biāo)系統(tǒng)，再次搪錫操作，然后再進(jìn)行檢測(cè)，直至全部合格。算法流程如圖3所示。

圖3 算法流程框圖

本文采用P48K6Q系列26芯航空插頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在正常光照條件下，當(dāng)焊杯面積均小于100像素，判定此焊杯搪錫不合格，當(dāng)焊杯面積均大于180像素，判定為未搪錫狀態(tài)，而搪錫合格的焊杯像素在100～180。實(shí)驗(yàn)結(jié)果原圖如圖4(a)所示。在原圖中，標(biāo)號(hào)1和2的是搪錫合格的焊杯，標(biāo)號(hào)0的是搪錫不合格的焊杯，其他都是未搪錫的焊杯，在檢測(cè)結(jié)果中(見(jiàn)圖4(b))，通過(guò)標(biāo)號(hào)0、1、2篩選出了搪錫不合格、搪錫合格和漏掉的焊杯，多次試驗(yàn)證明檢測(cè)結(jié)果完全正確。

圖4 焊杯搪錫檢測(cè)Fig.4 Solder cup tinning test

4 漏焊錯(cuò)焊檢測(cè)

在傳統(tǒng)的焊接作業(yè)中焊接失誤主要包括：虛焊，漏焊，錯(cuò)焊，焊點(diǎn)扭曲，焊接過(guò)度等情況。在諸多焊接失誤當(dāng)中最嚴(yán)重的便是錯(cuò)焊和漏焊。在某些情況下焊接點(diǎn)所連接器件兩端的電壓要求不同，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)焊時(shí)，器件工作電壓出現(xiàn)躍變會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損毀，機(jī)器短路等嚴(yán)重事故。焊接漏焊所導(dǎo)致的問(wèn)題主要為器件連接斷路，有時(shí)控制信號(hào)或供給信號(hào)的斷路會(huì)極大地影響工藝流程的執(zhí)行過(guò)程，在流程化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)這種斷路所引起的事故會(huì)導(dǎo)致大范圍停工停產(chǎn)。故而錯(cuò)焊和漏焊是焊接檢測(cè)中非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目，特別是錯(cuò)焊，若在焊接時(shí)沒(méi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，完成所有焊接后再進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將成倍地增加檢測(cè)的難度和工作量。

為降低檢測(cè)難度，加快檢測(cè)效率并提升焊接合格率，本文針對(duì)具體情況進(jìn)行焊杯錯(cuò)焊及漏焊情況的檢測(cè)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊杯已經(jīng)完成焊接時(shí)，因其有線(xiàn)纜的連接，其焊杯的分割形式完全不同于未焊接的焊杯，且無(wú)法再對(duì)其進(jìn)行定位，無(wú)法獲得其坐標(biāo)和半徑，針對(duì)這一情況本文提出了針對(duì)此類(lèi)航天插頭的焊接檢測(cè)方案。

把航空插頭焊杯坐標(biāo)存入列表中，并計(jì)算出列表長(zhǎng)度，然后把需要焊接的焊杯坐標(biāo)從列表中提取出，進(jìn)行航空插頭焊接，在接收到焊接完成指令后，再次獲取航空插頭焊杯的坐標(biāo)，存入另一個(gè)列表中，計(jì)算其長(zhǎng)度。判斷兩個(gè)列表長(zhǎng)度是否相等，若相等，表明出現(xiàn)漏焊情況，根據(jù)需要焊接的焊接坐標(biāo)再進(jìn)行焊接，若不相等，且兩個(gè)列表長(zhǎng)度相差1，則通過(guò)兩列表做差得到因焊接消失的焊杯坐標(biāo)，判斷需要焊接的坐標(biāo)和消失的坐標(biāo)和值都相等，若相等，表示成功焊接，從第一個(gè)列表中刪除需要焊接的坐標(biāo)，若不相等，表示出現(xiàn)焊錯(cuò)的情況，從第一個(gè)列表中刪除消失的焊杯坐標(biāo)，然后根據(jù)需要焊接的焊接坐標(biāo)再進(jìn)行焊接，成功焊接后，第一個(gè)列表的長(zhǎng)度減1，判斷該列表是否還有坐標(biāo)，若有，繼續(xù)獲取坐標(biāo)進(jìn)行焊接，若沒(méi)有，表示航空插頭焊杯焊接完成。算法流程如圖5所示。

對(duì)比圖6中焊接前后的輪廓圖，焊接前，航空插頭所有焊杯都能夠根據(jù)輪廓信息繪制出焊杯輪廓，而航空插頭焊杯焊接線(xiàn)纜后，該位置的輪廓信息消失，無(wú)法繪制出其輪廓圖，該位置的焊杯坐標(biāo)信息也消失，但未焊接的焊杯，其輪廓信息不受影響，仍能繪制出輪廓圖。

5 焊偏檢測(cè)

在焊接時(shí)可能由于定位的偏差，會(huì)出現(xiàn)線(xiàn)纜焊接在焊杯外壁的情況，此情況雖然不影響正常使用，但焊杯是圓形，使得焊杯外壁與焊線(xiàn)的接觸面積很小，焊接不牢固，在外力的作用下很容易出現(xiàn)脫落的情況，當(dāng)線(xiàn)纜過(guò)粗時(shí)由于焊杯之間間隔距離有限，偏焊導(dǎo)致的焊接較寬可能會(huì)導(dǎo)致焊杯之間線(xiàn)纜焊點(diǎn)接觸從而導(dǎo)致短路等事故。這種焊接不合格的情況在錯(cuò)焊漏焊檢測(cè)中是檢測(cè)不出來(lái)的，且由于航空插頭的特殊性，無(wú)法使用普通的焊點(diǎn)檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，本文使用模板匹配的方法進(jìn)行航空插頭焊杯焊偏情況的檢測(cè)。

圖5 算法流程框圖

圖6 焊接前后的原圖和輪廓圖

模板匹配的基本過(guò)程：模板(，)疊放在被搜索圖(，)上平移，模板覆蓋被搜索圖的那塊區(qū)域叫做子圖，(，)為子圖的最下角在搜索圖上的坐標(biāo)?？梢岳孟率接?jì)算和的相似性：

(1)

將其歸一化，得出模板匹配的相關(guān)系數(shù)：

(2)

當(dāng)模板與子圖一樣時(shí)，相關(guān)系數(shù)(，)=1，在被搜索圖中完成全部搜索后，找到的最大值(,)，其對(duì)應(yīng)的子圖, 即為匹配目標(biāo)。

模板匹配中模板的選擇非常重要，一套標(biāo)準(zhǔn)的、適合匹配的模板是模板匹配成功的關(guān)鍵。本文選取焊杯焊偏的各種情況的圖片作為匹配的模板。使用resize()函數(shù)對(duì)焊杯焊接檢測(cè)的模板圖像完成縮放，得到與待檢測(cè)目標(biāo)大小一樣的圖像，對(duì)每個(gè)需要焊接的焊杯，在完成焊接之后，根據(jù)定位坐標(biāo)得到ROI區(qū)域，作為模板匹配的目標(biāo)對(duì)象。使用檢測(cè)模板依次與目標(biāo)進(jìn)行匹配，計(jì)算出其匹配的相似比例，選擇出匹配度最高的模板，判斷得到焊接合格與否的結(jié)果，并把焊接結(jié)果返回給系統(tǒng)，進(jìn)而判斷是否需要繼續(xù)焊接。

圖7 焊杯焊接檢測(cè)的模板

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模板匹配進(jìn)行焊接檢測(cè)，可以很好地篩選出焊偏的情況。

如圖8所示，選取4組焊接結(jié)果使用模板匹配完成檢測(cè)，使用標(biāo)號(hào)0和1分別表示焊杯焊接合格和不合格(焊杯焊偏)，經(jīng)多次試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果完全正確。

圖8 焊杯焊偏檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

綜合航空焊接領(lǐng)域?qū)附泳燃昂细衤实囊螅岢龌跈C(jī)器視覺(jué)的航空插頭焊接檢測(cè)方法。該檢測(cè)方法主要包含焊杯搪錫檢測(cè)、錯(cuò)焊、漏焊以及焊偏3個(gè)方面。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，證明了該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空插頭焊接合格檢測(cè)及各類(lèi)焊接缺陷的識(shí)別，對(duì)航天焊接作業(yè)具有參考和應(yīng)用價(jià)值。