發布時間：2021-03-26所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:咖啡膠囊的焊接質量直接影響了整個咖啡膠囊的氣密性以及最終在制作咖啡過程中的安全性。為了實現咖啡膠囊鋁箔焊接質量的非接觸式實時自動化檢測，設計一種基于機器視覺的咖啡膠囊鋁箔焊接質量檢測系統，其中包括視覺系統以及在線檢測軟件。其鋁箔焊接質
摘要:咖啡膠囊的焊接質量直接影響了整個咖啡膠囊的氣密性以及最終在制作咖啡過程中的安全性。為了實現咖啡膠囊鋁箔焊接質量的非接觸式實時自動化檢測，設計一種基于機器視覺的咖啡膠囊鋁箔焊接質量檢測系統，其中包括視覺系統以及在線檢測軟件。其鋁箔焊接質量檢測系統先由相機鏡頭等硬件獲取杯底鋁箔焊接圖像，再通過軟件對采集圖像進行濾波、閾值分割、邊緣提取等操作，測得鋁箔與杯體同心度、焊接環寬度、鋁箔大小以及壓焊比例4個關鍵參數，對制作過程中的焊接次品和良品進行分類識別，為咖啡膠囊的生產制造提供了實時的質量檢測。
關鍵詞:機器視覺;質量檢測;尺寸檢測;圖像處理;OTSU閾值法;最小二乘法擬合
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間內方便快捷地做出風味口感足夠媲美現磨咖啡的咖啡飲品，一經問世便被人們爭相購買[1]�？Х饶z囊的生產過程十分復雜繁瑣，每一步工序對于品質的把控十分嚴格，尤其對于其底部鋁箔的焊接質量，其焊接質量直接影響到整個咖啡膠囊的品質。如當咖啡膠囊底部的鋁箔出現偏焊的情況時，由于焊接面積過小，會導致咖啡膠囊的氣密性不足，空氣進入咖啡膠囊內部，直接影響咖啡膠囊內部咖啡的風味、大大地縮短了其保存時長。因此對咖啡膠囊生產過程中的鋁箔焊接質量檢測十分必要。
本文通過機器視覺檢測焊接完后鋁箔與杯體同心度、焊接環寬度、鋁箔大小以及壓焊比例這4個關鍵參數，對咖啡膠囊底部鋁箔焊接質量進行實時在線評估。為實際的咖啡膠囊的生產制作提供了自動化的實時質量檢測。
1系統組成
該視覺檢測系統主要由計算機、互補金屬氧化物半導體(complementarymetal-oxidesemiconductor，CMOS)相機、光源、鏡頭以及檢測軟件組成。CMOS相機實時采集當前鋁箔圖片，并通過以太網將圖片傳輸至計算機，再由視覺檢測軟件進行其鋁箔焊接質量的檢測和評估，進而實現對制作過程中的焊接次品和良品的區分分類。
1.1系統硬件
系統的硬件主要由CMOS相機、鏡頭、光源以及計算機組成[2]。
CMOS相機和鏡頭負責圖像的實時采集，它能夠將光學影像轉換為數字信號，并且其具有體積小、重量輕、受外界干擾的影響小的特點，因此，被廣泛應用在工業中的視覺檢測上�？紤]到檢測的精度以及工作距離，因此選用灰點公司的BFLY-PGE-31S4C-C型號的工業相機。
根據所選相機的型號，以及所需拍攝的視野范圍的大小選擇合適的鏡頭。由于所選相機接口為C接口，分辨率大小為2048×1536，傳感器靶面大小為1/8”，并且在實際檢測中鋁箔的大小約為9mm，因此，選用最大靶面為1/8”，焦距為25mm的定焦鏡頭。
光源是視覺檢測系統中一個重要的組成部分[3]，它直接影響到最終采集到的圖像質量。好的光源選擇在很大程度上減輕了后期進行圖像處理的難度。考慮到響應速度、壽命以及穩定性等多方面因素，最終選用發光二極管(lightemittingdiode，LED)光源。在正面打光時，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的核心，主要是對由相機獲取的圖片進行圖像處理以及對所得出的結果進行分析并輸出[4]。視覺檢測軟件界面是在VS2015平臺下使用Qt進行編寫。為了實現軟件能夠實時處理由相機傳來的圖片，軟件采用雙線程模式。
軟件中，主線程負責整個軟件的界面顯示以及控制第二個線程的開啟和關閉，其主界面包括菜單欄、圖像顯示區域以及結果顯示區域。菜單欄包含著6個功能按鈕，功能分別是開啟相機、關閉相機、開始相機標定并將標定結果存至TXT文件、讀取標定文件、保存當前圖片以及讀取本地圖片。
第二個線程的主要功能是進行相機通信、圖像處理以及結果計算。相機通信模塊主要負責相機與軟件的圖片傳輸，當主界面中按下“開啟相機”功能按鈕時，開啟第二線程并從相機讀取圖片，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操作，并將提取的結果顯示在主線程的圖像顯示區域，同時將獲得的參數傳輸到結果計算模塊，最后在結果計算模塊中完成對最終測量結果的計算，并將結果輸出到主線程的結果顯示區域。
2檢測項目
咖啡膠囊底部鋁箔的焊接質量檢測主要是通過鋁箔與杯體同心度、焊接環寬度、鋁箔大小以及壓焊比例4個關鍵參數來判定。
2.1相機標定
鋁箔的焊接質量檢測的4個參數均是根據視覺檢測的實際物理尺寸得出。為了得到更加精確的結果，必須在進行實驗之前對相機進行標定，首先使用張正友標定法以得到相機的內外參數[5]，再利用這些參數對標定板圖片進行矯正，最后根據標定板的實際尺寸得出像素尺寸與實際尺寸的比例系數[6]。
使用的標定板的規格為12×9的棋盤標定板，每一格的實際尺寸為1.5mm，標定流程如圖1所示。
2.2鋁箔大小
在咖啡膠囊的生產制作中，先由鋁箔焊接工位沖切出規定大小的鋁箔，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，會導致沖切下的鋁箔大小并不是完全統一。如果鋁箔過小會導致焊接面積變小，直接影響到鋁箔與杯體的焊接質量;如果鋁箔過大，會對濾水盤的安裝焊接等后續工序造成影響。所以，鋁箔大小符合規定大小(直徑大于8.5mm且小于9mm)是判斷其焊接質量優良的一個基本衡量標準。
提取鋁箔的ROI區域不僅可以簡單得出鋁箔的大小，并且是一個基礎工作，便于后續目標尺寸的提取。由于使用的相機采集到的是彩色圖像，所以首先將獲得的圖像轉換成灰度圖像，然后將所得到的圖像進行二值化處理，本文研究采用大津自動閾值法。
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以及焊接頭與杯體的不同心，會導致最終焊接上的鋁箔會相對于杯體發生一定程度上的偏心，當同心度過大時，鋁箔焊接的一邊會出現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量的一個標準，其鋁箔與杯體同心度的大小需小于0.5mm。
在獲得鋁箔大小時，已經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，因此需要再獲得杯體的圓心坐標，整體檢測流程如圖2所示。
為了獲得杯體圓心坐標，先對輸入圖像(灰度圖像)做直方圖均衡，其目的是增強局部的對比度，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，因此對原始圖像使用直方圖均衡，能夠方便后續對于杯體輪廓的提取。
在進行完直方圖均衡后，考慮到噪聲的影響，需要對獲得的圖像進行濾波處理，本文研究采用的是高斯濾波。這是因為圖像的大多數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能夠避免振鈴現象[9]。濾波后的圖像通過閾值處理獲得二值圖像，實現圖像的分割，該系統中設置閾值為240，可以很好地獲得前景為杯體底部圓的圖像。
2.4焊環寬度
在咖啡膠囊進行鋁箔焊接前，會在杯底通過沖孔工位沖出一個直徑為4mm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。
咖啡膠囊鋁箔焊環寬度是評估鋁箔焊接好壞的一個最直接的參數，當焊環寬度過小時，會導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。在實際生產過程中，應該確保鋁箔焊接環寬度大于1mm。
在確定鋁箔所在的感興趣區域(regionofinterest，ROI)后，將鋁箔部分單獨保存至一張圖像，再對該圖像進行圖像處理，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。
通過對鋁箔ROI圖像進行高斯濾波，然后使用閾值化處理，獲得二值化圖像，閾值設置為80，將獲得的二值化圖像進行邊緣提取，提取輪廓面積大于10000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。在實際生產過程中，須要保證壓焊比例大于0.5。
為了計算壓焊比例，需要將壓焊環單獨提取出來，在閾值化過后，通過計算平整區域面積(本研究中白色為前景)所占壓焊環的比例來求得。壓焊環外部圓即為鋁箔外輪廓，壓焊環內部圓的提取較為復雜。實拍的鋁箔圖像中，壓焊環與鋁箔中心焊接平臺之間有一圈反光帶，并且壓焊環往往是不連續的，所以不能直接提取出壓焊環的內部圓。因此需要根據鋁箔中心焊接圓與反光帶的寬度，找出在壓焊環區域中，所有屬于壓焊環內部圓上的點，然后根據這些點使用最小二乘法擬合，進而獲得壓焊環的內部圓[10]。獲得壓焊環內部圓后，根據它的大小和圓心坐標制作圓內像素為255的掩膜，讓掩模與之前的二值圖像做“與運算”，即可獲得整個壓焊環(見圖4)，最終求出壓焊環比例。
3實驗結果與分析
由于鋁箔焊接發生在杯體內部，人工很難借助卡尺等接觸式測量工具進行測量。因此在獲取實際值時，使用二次元測量儀進行測量。實驗采用SRN3020光學影像測量儀，其分辨率達到0.001mm，重復精度為0.003mm，能夠滿足實驗需求。
3.1鋁箔大小
鋁箔大小的測量使用10個樣本，先使用該視覺檢測系統進行測量，然后使用二次元測量儀進行測量，最后對比其絕對誤差，鋁箔大小測量結果如表1所示。
根據實際值與測量值的絕對誤差，其誤差值穩定在±0.1mm內，能夠滿足實際生產中的需求。
3.2鋁箔杯體同心度
使用同樣的10個樣本進行鋁箔杯體同心度的測量，先使用本研究的視覺檢測系統進行測量，然后使用二次元測量儀進行測量，最后對比其絕對誤差，鋁箔杯體同心度測量結果如表2所示。
根據實際值與測量值的絕對誤差，其誤差值穩定在±0.05mm內，能夠滿足實際生產中對于鋁箔杯體同心度測量的需求。
3.3焊環寬度
焊環寬度的測量同樣使用10個樣本，先使用本研究的視覺檢測系統對焊環寬度進行測量，然后使用二次元測量儀進行測量最為參考的實際值，最后對比其絕對誤差，鋁箔大小測量結果如表3所示。
根據焊環寬度的實際值與測量值的絕對誤差分析，其誤差值穩定在±0.1mm內，證明其能夠滿足實際生產中對于焊環寬度測量的需求。
4結論
針對咖啡膠囊鋁箔焊接質量檢測，搭建了整套視覺檢測系統，包括硬件及軟件。硬件部分根據實際生產情況，對相機、鏡頭以及光源進行選型;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，根據實際情況進行濾波、閾值分割、邊緣提取等操作，得到所需測量的參數的像素尺寸以及相應位置的像素坐標，再通過相機標定的方法進行像素尺寸到實際尺寸的轉換。最終通過分析10個樣本的實際值與測量值的絕對誤差，測量的結果能夠滿足咖啡膠囊鋁箔焊接過程中的檢測需求。——論文作者：丁勁鋒，徐曉佐，顏東朋，柴子俊
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