丁勁鋒， 徐曉佐， 顏東朋， 柴子俊

(華中科技大學 機械科學與工程學院 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間內(nèi)方便快捷地做出風味口感足夠媲美現(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(xiàn)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(nèi)部，直接影響咖啡膠囊內(nèi)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(chǎn)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(huán)寬度、鋁箔大小以及壓焊比例這4個關鍵參數(shù)，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(chǎn)制作提供了自動化的實時質量檢測。

1 系統(tǒng)組成

該視覺檢測系統(tǒng)主要由計算機、互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconductor,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(wǎng)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(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、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(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，因此,被廣泛應用在工業(yè)中的視覺檢測上?？紤]到檢測的精度以及工作距離，因此選用灰點公司的BFLY-PGE-31S4C-C型號的工業(yè)相機。

根據(jù)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2 048×1 536，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?？紤]到響應速度、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，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(xiàn)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(qū)域以及結果顯示區(qū)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(qū)域，同時將獲得的參數(shù)傳輸?shù)浇Y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(qū)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(huán)寬度、鋁箔大小以及壓焊比例4個關鍵參數(shù)來判定。

2.1 相機標定

鋁箔的焊接質量檢測的4個參數(shù)均是根據(jù)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(nèi)外參數(shù)[5]，再利用這些參數(shù)對標定板圖片進行矯正，最后根據(jù)標定板的實際尺寸得出像素尺寸與實際尺寸的比例系數(shù)[6]。

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

圖1 標定流程

最終得到的相機內(nèi)參分別為：

1)相機內(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]。

標定總體誤差為0.089 383像素，實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(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)是判斷其焊接質量優(yōu)良的一個基本衡量標準。

提取鋁箔的ROI區(qū)域不僅可以簡單得出鋁箔的大小，并且是一個基礎工作，便于后續(xù)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。

大津閾值法(OTSU閾值法[7,8])是一種自適應的閾值方法。閾值化的本質是對圖像進行分割，通過對灰度圖像設置一個閾值，進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個灰度級并且像素點總個數(shù)為N的圖像，設其中灰度值為i的像素點的個數(shù)為ni，其歸一化的灰度直方圖Pi=ni/N，由于閾值t將圖像中的像素點可分為C0和C1兩個部分。C0為灰度值在0至t之間的像素點，其像素個數(shù)為N0，C1灰度值在t+1至L-1之間的像素點，其像素個數(shù)為N1。因此可以得到C0的概率w0與其均值u0的表達式

(1)

(2)

同理可得C1的概率w1與其均值u1的表達式

(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(fā)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(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量的一個標準，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，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，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。

圖2 鋁箔杯體同心度檢測流程

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(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(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，實現(xiàn)圖像的分割，該系統(tǒng)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。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的圓心坐標，設鋁箔圓心坐標為(x0，y0)，杯體圓心坐標為(x1，y1)故鋁箔杯體同心度C的計算公式如下

(6)

式中k為相機標定后得到的實際尺寸與像素尺寸的比例系數(shù)。

2.4 焊環(huán)寬度

在咖啡膠囊進行鋁箔焊接前，會在杯底通過沖孔工位沖出一個直徑為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最直接的參數(shù)，當焊環(huán)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(chǎn)過程中，應該確保鋁箔焊接環(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。

圖3 檢測焊環(huán)寬度流程圖

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。在實際生產(chǎn)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(huán)單獨提取出來，在閾值化過后，通過計算平整區(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)部圓的提取較為復雜。實拍的鋁箔圖像中，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，然后根據(jù)這些點使用最小二乘法擬合，進而獲得壓焊環(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“與運算”，即可獲得整個壓焊環(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 實驗結果與分析

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0.001 mm，重復精度為0.003 mm，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(tǒng)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。

表1 鋁箔大小測量結果 mm

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

表2 鋁箔杯體同心度測量結果 mm

根據(jù)實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個樣本，先使用本研究的視覺檢測系統(tǒng)對焊環(huán)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。

表3 焊環(huán)寬度測量結果 mm

根據(jù)焊環(huán)寬度的實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)，證明其能夠滿足實際生產(chǎn)中對于焊環(huán)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(tǒng)，包括硬件及軟件。硬件部分根據(jù)實際生產(chǎn)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(jù)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(shù)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。