王高偉，王福忠，劉群坡，王滿利，高如新，王振營

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

微精密玻璃封裝電連接器用于連接某模塊，固定其導(dǎo)線并與“管殼”(模塊的殼體)起絕緣作用。其體積很小(直徑為2.85 mm)，主要由接線柱、高溫玻璃和低溫玻璃層燒結(jié)而成(結(jié)構(gòu)如圖1所示)，檢測要求精度較高(同心度誤差檢測要求不高于0.05 mm，微精密玻璃封裝電連接器在組件殼體中的安裝如圖2所示)。高溫玻璃層相對于可伐合金柱的同心度為已知的合格狀態(tài)，而低溫玻璃層在熔封制造過程中，由于設(shè)備精度不高、故障、高溫玻璃放置點偏離等原因容易使低溫玻璃層厚度不均勻，從而使低溫玻璃層與高溫玻璃層同心度偏差過大，產(chǎn)生同心偏差過大的缺陷問題。此時玻璃封裝電連接器的絕緣性能會呈現(xiàn)“木桶效應(yīng)”式地降低。玻璃封裝電連接器在電子行業(yè)的需求量巨大，但是目前對于同心度是否合格的檢測主要是依靠人工結(jié)合放大鏡和人工輔助影像測量儀來完成的，檢測結(jié)果影像依靠人工經(jīng)驗。人長時間工作易產(chǎn)生眼疲勞，且勞動強度過大[1]；另外，依靠人眼檢測時主觀因素太多，在高強度工作導(dǎo)致過度疲勞和檢測速度快時可能會導(dǎo)致漏檢或誤檢，進而導(dǎo)致微精密玻璃封裝電連接器無法裝配或?qū)в型钠钸^大等缺陷的微精密玻璃封裝電連接器裝配應(yīng)用，產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題，使得裝配后的產(chǎn)品不可用或質(zhì)量不好需要返工，造成經(jīng)濟損失。目前關(guān)于玻璃封裝電連接器同心度自動化檢測的研究較少，因此對于微精密玻璃封裝電連接器同心度的自動化檢測已成為亟需解決的問題之一。

圖1 微精密玻璃封裝電連接器結(jié)構(gòu)圖

圖2 微精密玻璃封裝電連接器在“管殼”中的安裝

本文查閱了與微精密玻璃封裝電連接器形狀或工藝類似的其他器件的同心度檢測文獻。文獻[2]提出了基于降維Hough變換的零件同心度檢測算法，實現(xiàn)了對機械零件的同心度檢測，有一定的創(chuàng)新性。文獻[3～9]提出通過邊緣檢測的方法實現(xiàn)同心度的檢測。由于微精密玻璃封裝電連接器端面的紋理情況較為復(fù)雜，通過求取邊緣和Hough圓檢測的方式在獲取微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓圖像進行同心度檢測時無效。文獻[10]通過激光測距原理實現(xiàn)了對于大型鍛件同心度的測量，使用激光測距原理進行同心度檢測精度(約為0.5 mm)過大。文獻[11～12]提出通過最小二乘法擬合的方法實現(xiàn)機械零件的同軸度測量，然而此方法過于繁瑣。文獻[13]采用基于結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)，對小尺寸零件進行了同軸度檢測。該研究通過采集并處理視頻圖像為基礎(chǔ)進行檢測，運算量較大。工程應(yīng)用一般要求實時性要好，算法需簡潔、快速。因此，這些文獻的算法均不能滿足微精密玻璃封裝電連接器同心度的檢測。針對微精密玻璃封裝電連接器的端面紋理等較為復(fù)雜的特點，本文提出了基于二值化處理和孔洞填充融合圖像差分運算的方法，實現(xiàn)了對微精密玻璃封裝電連接器同心度的檢測。

1 同心度檢測算法框架

同心度檢測是微精密玻璃封裝電連接器高溫玻璃層與低溫玻璃層中心點偏離程度的檢測。本文針對微精密玻璃封裝電連接器端面特點，提出了基于二值化處理和孔洞填充融合差分算法的微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測。算法主要分為3個部分，分別為外圓主體圓心的獲取、內(nèi)圓高溫玻璃層圓心的獲取、計算同心度，具體算法框架如圖3所示。

圖3 同心度檢測算法框架

2 算法原理

2.1 外圓心的獲取

算法主要通過灰度化、二值化、孔洞填充和去除干擾來獲取玻璃端子主體部分，進而可以得到外圓低溫玻璃層中心點。

2.1.1 圖像的灰度化與二值化處理

灰度處理和二值化是圖像處理的基本操作，通過相機直接獲取的大多是三通道的彩色圖片，在圖像處理中計算較為繁瑣，需先轉(zhuǎn)化為單通道的灰度圖或二值圖像。灰度化處理，即將彩色圖像處理成灰色圖像的處理過程[14]，如式(1)所示。二值化是在灰度處理的基礎(chǔ)上按照一定閾值進行的一種二進制黑白化的圖像處理方法[15]，計算式如下

Igray(x,y)=0.299IR(x,y)+0.587IG(x,y)+

0.114IB(x,y)

(1)

(2)

式(1)中，IR(x,y)、IG(x,y)、IB(x,y)分別為原彩色圖I(x,y)對應(yīng)的紅、綠、藍單通道圖像；式(2)中Th(x,y)為閾值，實驗中可取0.35(取值范圍[0,1])。

經(jīng)二值化處理后可以得到微精密玻璃封裝電連接器初始外圓主體，要獲得完整的外圓主體還需進行其他操作。

2.1.2 孔洞填充和干擾去除

微精密玻璃封裝電連接器端面凹凸不平，較為粗糙，造成照片拍攝時微精密玻璃封裝電連接器表面光照顯示不均勻，使得主要連通域(微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓和外圓主體圖片)中存在細(xì)小的孔洞，需要填充以形成完整的連通區(qū)域[16]，如式(3)所示。

Xk=(Xk-1⊕B)∩AC，k=1,2,3…

(3)

式中，B為填充所用的結(jié)構(gòu)元素；AC為集合A的補集；填充從全黑圖像X0開始迭代，至Xk=Xk-1結(jié)束。

通過影像測量儀拍攝照片的左上角會有放大倍數(shù)和自動標(biāo)定的文字信息。另外，微精密玻璃封裝電連接器初始外圓主體周邊還存在零星噪聲點，這些文字和其他噪聲點會給外圓中心點的求取帶來嚴(yán)重干擾。因此，在孔洞填充處理后，還需要把這些干擾去除掉，僅保留微精密玻璃封裝電連接器的外圓主體部分，即去除小面積對象。要去除這些干擾，需要計算出各個連通區(qū)域的面積，并對這些面積進行對比以保留面積最大的主體外圓，去除干擾如式(4)和式(5)所示。

(4)

AF=Amax

(5)

其中，S為待計算的連通域區(qū)域；f(x,y)為區(qū)域像素值；AF為所求外圓主體；選取AS中面積最大的Amax區(qū)域。

2.1.3 外圓中心點的計算

干擾去除后即可得到微精密玻璃封裝電連接器的主體外圓圖像，本文選取外圓所在區(qū)域重心作為外圓圓心，如式(6)所示。

(6)

式中，n為主體區(qū)域的總像素數(shù)；(xi,yi)為第i(i=0,1,…,n-1)個像素點的坐標(biāo)。

2.2 內(nèi)圓圓心的計算

微精密玻璃封裝電連接器端面較為復(fù)雜，本文通過孔洞填充后的初始外圓主體與二值化后的初始外圓主體輪廓圖像進行差分運算，成功得到了微精密玻璃封裝電連接器初始內(nèi)圓輪廓。再經(jīng)過孔洞填充和噪聲去除等算法即可獲得內(nèi)圓圖像，進而得到內(nèi)圓中心。

要求微精密玻璃封裝電連接器高溫玻璃(內(nèi)圓)的相關(guān)信息，首先需要獲得內(nèi)圓圖像。在低溫玻璃熔封后會在其內(nèi)側(cè)形成一條暗黑色槽帶環(huán)，該槽帶環(huán)在二值圖中灰度值為0，而在外圓填充圖中為255。因此，外圓圖減去二值圖即可得到初始內(nèi)圓輪廓圖，如式(7)所示。

Ig(x,y)=If(x,y)-Ih(x,y)

(7)

其中，If(x,y)為孔洞填充處理的初始外圓主體圖；Ih(x,y)為二值化后的初始外圓主體輪廓圖。

初始內(nèi)圓輪廓圖再經(jīng)過孔洞填充(式(3))處理，填充初始內(nèi)圓中出現(xiàn)的細(xì)小孔洞，并進行形態(tài)學(xué)腐蝕操作，見式(8)。去除周圍噪點，即可得到完整高溫玻璃層的內(nèi)圓圖像。

E(X)=XΘS={x|S+x?X}

(8)

其中，X為被操作對象，即初始內(nèi)圓圖像；S為結(jié)構(gòu)元素。

最后，使用式(6)即可求得內(nèi)圓中心坐標(biāo)值。

2.3 同心度的計算

由于高溫玻璃層相對于可伐合金柱的同心度為已知的合格狀態(tài)，因此只需求出外圓低溫玻璃層圓心相對于內(nèi)圓的高溫玻璃層圓心度即可。通過以上計算已經(jīng)獲得了微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓與外圓的中心點的相關(guān)信息，可以得到兩圓心的距離；再通過影像測量儀自動標(biāo)定值，即可獲得零件的實際同心度值，同心度的計算，如式(9)所示。

(9)

式中，l為測量儀測得的像素長度，取值為0.007 604 mm；(x1,y1)和(x2,y2)分別為外圓(主體)低溫玻璃層與內(nèi)圓(高溫)玻璃層中心點坐標(biāo)。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 圖片獲取

微精密玻璃封裝電連接器圖像采集，使用MVP400CNC影像測量儀(圖4)射線機獲取的放大30.77倍微精密玻璃封裝電連接器圖像，圖像為640×480像素的彩色圖像。

圖4 圖像獲取平臺

3.2 實驗與結(jié)果分析

現(xiàn)有的微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測方法有熟練工人結(jié)合放大鏡檢測和人工結(jié)合影像測量儀檢測兩種。其中熟練工人的檢測準(zhǔn)確率較低，但速度稍快，大于6.5 s/個；人工結(jié)合影像測量儀的檢測方法速度慢，超過15 s/個，但準(zhǔn)確度高于純?nèi)斯z測。人工結(jié)合影像測量儀是自帶軟件結(jié)合人工通過“三點繪圓”法進行檢測，即人工在電連接器內(nèi)圓和外圓邊界處分別找取3個點來擬合內(nèi)圓和外圓，代替高溫玻璃層和低溫玻璃層的邊界圓，再通過多次調(diào)整邊界點，得到高溫玻璃和低溫玻璃層中心點來獲得同心度(圖5)。為驗證本算法的準(zhǔn)確度和高效性，本文設(shè)置了以下3個實驗，實驗樣本選擇背景較為復(fù)雜的實際安裝(實驗1)與平時檢測的微精密玻璃封裝電連接器(實驗2、實驗3)。

圖5 人工結(jié)合測量儀的同心度檢測方法

3.2.1 算法驗證(實驗1)

以PC(i5-8265U CPU)為硬件平臺，MATLAB(2016a)為軟件平臺進行的算法實驗分析。針對微精密玻璃封裝電連接器的端面特點，通過二值化、形態(tài)學(xué)填充和腐蝕操作、移除小對象(去除干擾噪聲)、圖像差運算等一系列圖像處理方法獲得微精密玻璃封裝電連接器的內(nèi)外圓圖像，進而實現(xiàn)了對微精密玻璃封裝電連接器同心度的檢測。

微精密玻璃封裝電連接器表面紋理特征較為復(fù)雜，通過傳統(tǒng)同心度檢測算法檢測微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓時無效?；诖?，本文算法中的關(guān)鍵之處在于微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓輪廓的檢測。實驗中通過微精密玻璃封裝電連接器端面特點，即在低溫玻璃熔封后會在其內(nèi)側(cè)形成一條暗黑色槽帶環(huán)，該槽帶環(huán)在二值圖中灰度值為0，而在外圓填充圖中為255。因此通過孔洞填充后的初始外圓主體與二值化后的初始外圓主體輪廓圖像進行差分運算，即可得到完整的初始內(nèi)圓輪廓圖，如圖6所示。

圖6 內(nèi)圓輪廓的獲取

通過圖3框圖中所示算法可求得微精密玻璃封裝電連接器外圓心、內(nèi)圓心及其圓心度。同心度檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 同心度檢測實驗驗證結(jié)果

3.2.2 與人工結(jié)合影像測量儀(MVP400CNC)的檢測結(jié)果對比(實驗2)

由于微精密玻璃封裝電連接器在裝配中精度要求為0.05 mm，為驗證該算法在實際工程應(yīng)用中的實用性，實驗隨機選擇10個微精密玻璃封裝電連接器(如圖8所示，標(biāo)號從左到右，由上到下依次為1～10)作為實驗對象。文中以人工結(jié)合影像測量儀檢測為真值，將該算法檢測結(jié)果與其做出對比，算法與采用影像測量儀測量數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 微精密玻璃封裝電連接器圖

圖9 本文算法與影像測量儀結(jié)果對比

從圖9中可以看出，本文算法與采用人工結(jié)合影像測量儀檢測得到的同心度值的誤差范圍在0.003～0.050 mm之間。其中，3號樣本測量值誤差較大，主要是因為它的另一面出現(xiàn)缺塊導(dǎo)致放置歪斜，使得算法檢測時出現(xiàn)測量誤差；10號樣本，使用本算法和人工結(jié)合影像測量儀的同心度測量值分別為0.034 3 mm與0.051 1 mm，算法檢測失誤。

3.2.3 與現(xiàn)有人工檢測結(jié)果對比(實驗3)

本文提出的檢測算法檢測數(shù)據(jù)與采用人工檢測結(jié)果對比如表1所示。

表1 算法檢測數(shù)據(jù)與純?nèi)斯z測結(jié)果

由表1可以看出，樣本3和樣本5算法檢測出同心度值分別為0.073 5 mm和0.076 2 mm。圖8中所示采用人工結(jié)合影像測量儀檢測為0.012 02 mm和0.079 mm，均超過了標(biāo)準(zhǔn)0.05 mm；而人工判斷則顯示均為合格品，檢測精度低。

在實際工程應(yīng)用中，算法檢測的實時性和應(yīng)用成本也是重要的評判指標(biāo)。實驗中，采用人工結(jié)合影像測量儀的檢測時間大于15 s，而人工檢測時間大于6.5 s，算法檢測每個微精密玻璃封裝電連接器圖像的時間小于0.32 s。經(jīng)過與采用人工結(jié)合影像測量儀和純?nèi)斯そ?jīng)驗判斷結(jié)果進行對比，該算法能夠解決由于同心度偏差檢測時精度要求高而導(dǎo)致人工檢測誤差率高且速度慢的問題，并且提高了檢測精度，縮短了微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測時間。

4 結(jié)束語

針對微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測研究，根據(jù)其端面紋理異常復(fù)雜的特點，本文提出了基于二值化處理和孔洞填充融合差分的微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測算法。利用該算法可以得到電連接器的內(nèi)圓圖像。通過連通域面積最大法可以得到其主體圖像。由內(nèi)圓和主體中心的距離即可得到同心度偏差，實現(xiàn)了微精密玻璃封裝電連接器同心度的檢測。最后，將不同方法的檢測結(jié)果進行對比，測試結(jié)果表明，本文提出的同心度檢測算法可以提高檢測效率和準(zhǔn)確度，有效縮短了檢測時間，為該器件的自動質(zhì)量檢測與裝配打下了良好的基礎(chǔ)。