航空插頭焊接異常檢測技術

蔡文龍，李旺平，劉安陽，解瑞燈

(北華航天工業學院 電子與控制工程學院， 河北 廊坊 065000)

1 引言

航空插頭是航空航天工業中使用最為廣泛的基礎元件，因其使用環境的復雜性，航空插頭的可靠性和穩定性一直是人們關注的重點，而航空插頭焊接合格與否決定了其可靠程度。目前主要通過人眼觀察的方式來判斷焊接是否合格，這種檢測的效率并不高，特別是焊杯特別多的情況下，在檢測時易出現疲勞煩躁等情況，使得檢測效率大大降低。隨著人工智能的迅速發展，借助機器視覺完成自動焊接已成為一個重要的研究方向，同樣，航空插頭焊接檢測也可以借助機器視覺來完成，提高檢測效率，降低檢測成本。

近年來，關于基于機器視覺焊點檢測的研究很多，文獻[3]中基于計算機視覺與圖像處理技術，研發了一種新型的船舶焊縫識別系統，對改善船舶焊縫的缺陷檢測水平有重要作用。文獻[4]中介紹了2種基于激光結構光組合的視覺傳感器，能夠實現焊接過程中的焊接坡口尺寸檢測，焊縫跟蹤及焊槍空間位姿檢測等多種功能的集成。由于Vcsel的3D視覺傳感器的優勢，在焊接過程視覺傳感中具有良好的研究和應用前景。

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

2 總體框圖與檢測對象

對采集的圖像，進行灰度化、去除噪聲等預處理操作，然后通過閾值分割得到焊杯信息，使用輪廓尋找得到其輪廓信息，根據輪廓信息計算出各焊杯的面積及位置坐標。根據焊杯面積實現焊杯搪錫合格的檢測，在焊杯檢測合格后進行焊杯焊接，然后對焊接的結果進行錯焊漏焊檢測，在沒有錯焊漏焊的情況下，進行焊偏檢測，若沒有焊偏的情況即為焊接合格，焊接檢測結束。焊杯檢測總體過程如圖1所示。

圖1 焊杯檢測總體過程框圖

本次研究中航空插頭焊接多類微小異常檢測對象為300芯航空插頭，如圖2所示。即此航空插頭上有300個焊接點，且分布較為密集。利用該航空插頭檢測焊杯搪錫、漏焊錯焊以及焊偏，以提高航空焊接頭的精密性。

圖2 航空插頭焊接異常檢測對象

3 焊杯搪錫檢測

焊接搪錫檢測主要是針對焊接點焊接完整度的檢測，是焊接檢測中重要的一個步驟，焊接點掛錫飽滿度和搪錫精度都是制約焊接質量的重要指標，搪錫飽滿且均勻的焊點是保證器件正常工作的重要條件。同時，搪錫優劣也關系到設備的安全系數問題，提高搪錫質量確保焊點搪錫達標是保障設備避免及規避安全事故的重要環節。現代航空焊接領域大多為自動焊接，為保證焊接效率和焊接可靠性，搪錫質量檢測是保證工程可靠性的首要步驟。

通常標準化航空插頭的焊杯表面會鍍一層金，在與多芯電纜焊接時，可能會在某些條件下發生氧化，易出現電纜線脫離的不良情況。這類情況所導致的后果非常嚴重，在密集的航空航天領域，這類失誤可能造成整個設備的損毀或者產生極大的運行安全隱患。因此在焊接前需要對焊杯進行搪錫。焊杯搪錫過程需完全填充焊杯。對于焊杯數量較多的航空插頭，可能在搪錫時出現搪錫和不合格等現象，因此在完成搪錫之后，需要進行搪錫合格的檢測。

對航天插頭的搪錫檢測主要分為以下幾個步驟：

首先獲取航空插頭焊杯的圓心坐標及輪廓信息，及時更新輪廓信息并計算每個輪廓的面積，通過參數要求的標準，根據焊杯搪錫合格與否以及漏掉時面積不同，篩選出不合格以及漏掉的焊杯，并統計其數目。

根據焊杯輪廓信息獲取航空插頭焊杯坐標，存放在列表list1中，使用len()函數計算出該列表的長度，計算出焊杯的面積并存入列表list2中，從list2中獲取需要檢測的焊杯面積及其索引號，與焊杯搪錫不合格時焊杯面積閾值以及沒有搪錫時焊杯面積的閾值進行比較，若<<，表示焊杯搪錫合格，刪除列表list1中與索引號對應位置的坐標，否則表示搪錫不合格，刪除list1中與索引號對應位置的坐標，并將其存入list3中，列表長度減1，判斷列表的長度是否為0，若不等于0，表示還有未檢測的焊杯，需要繼續進行檢修，否則，表示檢測結束，提交搪錫不合格和漏掉的焊杯坐標系統，再次搪錫操作，然后再進行檢測，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芯航空插頭進行實驗，在正常光照條件下，當焊杯面積均小于100像素，判定此焊杯搪錫不合格，當焊杯面積均大于180像素，判定為未搪錫狀態，而搪錫合格的焊杯像素在100～180。實驗結果原圖如圖4(a)所示。在原圖中，標號1和2的是搪錫合格的焊杯，標號0的是搪錫不合格的焊杯，其他都是未搪錫的焊杯，在檢測結果中(見圖4(b))，通過標號0、1、2篩選出了搪錫不合格、搪錫合格和漏掉的焊杯，多次試驗證明檢測結果完全正確。

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

4 漏焊錯焊檢測

在傳統的焊接作業中焊接失誤主要包括：虛焊，漏焊，錯焊，焊點扭曲，焊接過度等情況。在諸多焊接失誤當中最嚴重的便是錯焊和漏焊。在某些情況下焊接點所連接器件兩端的電壓要求不同，當出現錯焊時，器件工作電壓出現躍變會導致設備損毀，機器短路等嚴重事故。焊接漏焊所導致的問題主要為器件連接斷路，有時控制信號或供給信號的斷路會極大地影響工藝流程的執行過程，在流程化生產現場這種斷路所引起的事故會導致大范圍停工停產。故而錯焊和漏焊是焊接檢測中非常重要的檢測項目，特別是錯焊，若在焊接時沒及時發現，完成所有焊接后再進行檢測時，將成倍地增加檢測的難度和工作量。

為降低檢測難度，加快檢測效率并提升焊接合格率，本文針對具體情況進行焊杯錯焊及漏焊情況的檢測。通過多次實驗發現，當焊杯已經完成焊接時，因其有線纜的連接，其焊杯的分割形式完全不同于未焊接的焊杯，且無法再對其進行定位，無法獲得其坐標和半徑，針對這一情況本文提出了針對此類航天插頭的焊接檢測方案。

把航空插頭焊杯坐標存入列表中，并計算出列表長度，然后把需要焊接的焊杯坐標從列表中提取出，進行航空插頭焊接，在接收到焊接完成指令后，再次獲取航空插頭焊杯的坐標，存入另一個列表中，計算其長度。判斷兩個列表長度是否相等，若相等，表明出現漏焊情況，根據需要焊接的焊接坐標再進行焊接，若不相等，且兩個列表長度相差1，則通過兩列表做差得到因焊接消失的焊杯坐標，判斷需要焊接的坐標和消失的坐標和值都相等，若相等，表示成功焊接，從第一個列表中刪除需要焊接的坐標，若不相等，表示出現焊錯的情況，從第一個列表中刪除消失的焊杯坐標，然后根據需要焊接的焊接坐標再進行焊接，成功焊接后，第一個列表的長度減1，判斷該列表是否還有坐標，若有，繼續獲取坐標進行焊接，若沒有，表示航空插頭焊杯焊接完成。算法流程如圖5所示。

對比圖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輪廓信息繪制出焊杯輪廓，而航空插頭焊杯焊接線纜后，該位置的輪廓信息消失，無法繪制出其輪廓圖，該位置的焊杯坐標信息也消失，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

在焊接時可能由于定位的偏差，會出現線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的接觸面積很小，焊接不牢固，在外力的作用下很容易出現脫落的情況，當線纜過粗時由于焊杯之間間隔距離有限，偏焊導致的焊接較寬可能會導致焊杯之間線纜焊點接觸從而導致短路等事故。這種焊接不合格的情況在錯焊漏焊檢測中是檢測不出來的，且由于航空插頭的特殊性，無法使用普通的焊點檢測方法實現檢測，本文使用模板匹配的方法進行航空插頭焊杯焊偏情況的檢測。

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域叫做子圖，(，)為子圖的最下角在搜索圖上的坐標。可以利用下式計算和的相似性：

(1)

將其歸一化，得出模板匹配的相關系數：

(2)

當模板與子圖一樣時，相關系數(，)=1，在被搜索圖中完成全部搜索后，找到的最大值(,)，其對應的子圖, 即為匹配目標。

模板匹配中模板的選擇非常重要，一套標準的、適合匹配的模板是模板匹配成功的關鍵。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()函數對焊杯焊接檢測的模板圖像完成縮放，得到與待檢測目標大小一樣的圖像，對每個需要焊接的焊杯，在完成焊接之后，根據定位坐標得到ROI區域，作為模板匹配的目標對象。使用檢測模板依次與目標進行匹配，計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果，并把焊接結果返回給系統，進而判斷是否需要繼續焊接。

圖7 焊杯焊接檢測的模板

通過多次實驗發現，模板匹配進行焊接檢測，可以很好地篩選出焊偏的情況。

如圖8所示，選取4組焊接結果使用模板匹配完成檢測，使用標號0和1分別表示焊杯焊接合格和不合格(焊杯焊偏)，經多次試驗檢測結果完全正確。

圖8 焊杯焊偏檢測結果

6 結論

綜合航空焊接領域對焊接精度及合格率的要求，提出基于機器視覺的航空插頭焊接檢測方法。該檢測方法主要包含焊杯搪錫檢測、錯焊、漏焊以及焊偏3個方面。經多次實驗，證明了該方法實現了對航空插頭焊接合格檢測及各類焊接缺陷的識別，對航天焊接作業具有參考和應用價值。