航空插头焊接异常检测技术

2022-03-16蔡文龙李旺平刘安阳解瑞灯

兵器装备工程学报 2022年2期

蔡文龙，李旺平，刘安阳，解瑞灯

(北华航天工业学院电子与控制工程学院，河北廊坊 065000)

1 引言

航空插头是航空航天工业中使用最为广泛的基础元件，因其使用环境的复杂性，航空插头的可靠性和稳定性一直是人们关注的重点，而航空插头焊接合格与否决定了其可靠程度。目前主要通过人眼观察的方式来判断焊接是否合格，这种检测的效率并不高，特别是焊杯特别多的情况下，在检测时易出现疲劳烦躁等情况，使得检测效率大大降低。随着人工智能的迅速发展，借助机器视觉完成自动焊接已成为一个重要的研究方向，同样，航空插头焊接检测也可以借助机器视觉来完成，提高检测效率，降低检测成本。

近年来，关于基于机器视觉焊点检测的研究很多，文献[3]中基于计算机视觉与图像处理技术，研发了一种新型的船舶焊缝识别系统，对改善船舶焊缝的缺陷检测水平有重要作用。文献[4]中介绍了2种基于激光结构光组合的视觉传感器，能够实现焊接过程中的焊接坡口尺寸检测，焊缝跟踪及焊枪空间位姿检测等多种功能的集成。由于Vcsel的3D视觉传感器的优势，在焊接过程视觉传感中具有良好的研究和应用前景。

但由于航空插头的特殊性，图像分割等方法无法实现焊杯焊接检测，本文选择了模板匹配的方法实现航空插头的焊接检测，使用焊接合格和不合格的图片作为模板进行匹配，可以提高检测的正确率。

2 总体框图与检测对象

对采集的图像，进行灰度化、去除噪声等预处理操作，然后通过阈值分割得到焊杯信息，使用轮廓寻找得到其轮廓信息，根据轮廓信息计算出各焊杯的面积及位置坐标。根据焊杯面积实现焊杯搪锡合格的检测，在焊杯检测合格后进行焊杯焊接，然后对焊接的结果进行错焊漏焊检测，在没有错焊漏焊的情况下，进行焊偏检测，若没有焊偏的情况即为焊接合格，焊接检测结束。焊杯检测总体过程如图1所示。

图1 焊杯检测总体过程框图

本次研究中航空插头焊接多类微小异常检测对象为300芯航空插头，如图2所示。即此航空插头上有300个焊接点，且分布较为密集。利用该航空插头检测焊杯搪锡、漏焊错焊以及焊偏，以提高航空焊接头的精密性。

图2 航空插头焊接异常检测对象

3 焊杯搪锡检测

焊接搪锡检测主要是针对焊接点焊接完整度的检测，是焊接检测中重要的一个步骤，焊接点挂锡饱满度和搪锡精度都是制约焊接质量的重要指标，搪锡饱满且均匀的焊点是保证器件正常工作的重要条件。同时，搪锡优劣也关系到设备的安全系数问题，提高搪锡质量确保焊点搪锡达标是保障设备避免及规避安全事故的重要环节。现代航空焊接领域大多为自动焊接，为保证焊接效率和焊接可靠性，搪锡质量检测是保证工程可靠性的首要步骤。

通常标准化航空插头的焊杯表面会镀一层金，在与多芯电缆焊接时，可能会在某些条件下发生氧化，易出现电缆线脱离的不良情况。这类情况所导致的后果非常严重，在密集的航空航天领域，这类失误可能造成整个设备的损毁或者产生极大的运行安全隐患。因此在焊接前需要对焊杯进行搪锡。焊杯搪锡过程需完全填充焊杯。对于焊杯数量较多的航空插头，可能在搪锡时出现搪锡和不合格等现象，因此在完成搪锡之后，需要进行搪锡合格的检测。

对航天插头的搪锡检测主要分为以下几个步骤：

首先获取航空插头焊杯的圆心坐标及轮廓信息，及时更新轮廓信息并计算每个轮廓的面积，通过参数要求的标准，根据焊杯搪锡合格与否以及漏掉时面积不同，筛选出不合格以及漏掉的焊杯，并统计其数目。

根据焊杯轮廓信息获取航空插头焊杯坐标，存放在列表list1中，使用len()函数计算出该列表的长度，计算出焊杯的面积并存入列表list2中，从list2中获取需要检测的焊杯面积及其索引号，与焊杯搪锡不合格时焊杯面积阈值以及没有搪锡时焊杯面积的阈值进行比较，若<<，表示焊杯搪锡合格，删除列表list1中与索引号对应位置的坐标，否则表示搪锡不合格，删除list1中与索引号对应位置的坐标，并将其存入list3中，列表长度减1，判断列表的长度是否为0，若不等于0，表示还有未检测的焊杯，需要继续进行检修，否则，表示检测结束，提交搪锡不合格和漏掉的焊杯坐标系统，再次搪锡操作，然后再进行检测，直至全部合格。算法流程如图3所示。

图3 算法流程框图

本文采用P48K6Q系列26芯航空插头进行实验，在正常光照条件下，当焊杯面积均小于100像素，判定此焊杯搪锡不合格，当焊杯面积均大于180像素，判定为未搪锡状态，而搪锡合格的焊杯像素在100～180。实验结果原图如图4(a)所示。在原图中，标号1和2的是搪锡合格的焊杯，标号0的是搪锡不合格的焊杯，其他都是未搪锡的焊杯，在检测结果中(见图4(b))，通过标号0、1、2筛选出了搪锡不合格、搪锡合格和漏掉的焊杯，多次试验证明检测结果完全正确。

图4 焊杯搪锡检测Fig.4 Solder cup tinning test

4 漏焊错焊检测

在传统的焊接作业中焊接失误主要包括：虚焊，漏焊，错焊，焊点扭曲，焊接过度等情况。在诸多焊接失误当中最严重的便是错焊和漏焊。在某些情况下焊接点所连接器件两端的电压要求不同，当出现错焊时，器件工作电压出现跃变会导致设备损毁，机器短路等严重事故。焊接漏焊所导致的问题主要为器件连接断路，有时控制信号或供给信号的断路会极大地影响工艺流程的执行过程，在流程化生产现场这种断路所引起的事故会导致大范围停工停产。故而错焊和漏焊是焊接检测中非常重要的检测项目，特别是错焊，若在焊接时没及时发现，完成所有焊接后再进行检测时，将成倍地增加检测的难度和工作量。

为降低检测难度，加快检测效率并提升焊接合格率，本文针对具体情况进行焊杯错焊及漏焊情况的检测。通过多次实验发现，当焊杯已经完成焊接时，因其有线缆的连接，其焊杯的分割形式完全不同于未焊接的焊杯，且无法再对其进行定位，无法获得其坐标和半径，针对这一情况本文提出了针对此类航天插头的焊接检测方案。

把航空插头焊杯坐标存入列表中，并计算出列表长度，然后把需要焊接的焊杯坐标从列表中提取出，进行航空插头焊接，在接收到焊接完成指令后，再次获取航空插头焊杯的坐标，存入另一个列表中，计算其长度。判断两个列表长度是否相等，若相等，表明出现漏焊情况，根据需要焊接的焊接坐标再进行焊接，若不相等，且两个列表长度相差1，则通过两列表做差得到因焊接消失的焊杯坐标，判断需要焊接的坐标和消失的坐标和值都相等，若相等，表示成功焊接，从第一个列表中删除需要焊接的坐标，若不相等，表示出现焊错的情况，从第一个列表中删除消失的焊杯坐标，然后根据需要焊接的焊接坐标再进行焊接，成功焊接后，第一个列表的长度减1，判断该列表是否还有坐标，若有，继续获取坐标进行焊接，若没有，表示航空插头焊杯焊接完成。算法流程如图5所示。

对比图6中焊接前后的轮廓图，焊接前，航空插头所有焊杯都能够根据轮廓信息绘制出焊杯轮廓，而航空插头焊杯焊接线缆后，该位置的轮廓信息消失，无法绘制出其轮廓图，该位置的焊杯坐标信息也消失，但未焊接的焊杯，其轮廓信息不受影响，仍能绘制出轮廓图。

5 焊偏检测

在焊接时可能由于定位的偏差，会出现线缆焊接在焊杯外壁的情况，此情况虽然不影响正常使用，但焊杯是圆形，使得焊杯外壁与焊线的接触面积很小，焊接不牢固，在外力的作用下很容易出现脱落的情况，当线缆过粗时由于焊杯之间间隔距离有限，偏焊导致的焊接较宽可能会导致焊杯之间线缆焊点接触从而导致短路等事故。这种焊接不合格的情况在错焊漏焊检测中是检测不出来的，且由于航空插头的特殊性，无法使用普通的焊点检测方法实现检测，本文使用模板匹配的方法进行航空插头焊杯焊偏情况的检测。

图5 算法流程框图

图6 焊接前后的原图和轮廓图

模板匹配的基本过程：模板(，)叠放在被搜索图(，)上平移，模板覆盖被搜索图的那块区域叫做子图，(，)为子图的最下角在搜索图上的坐标。可以利用下式计算和的相似性：

(1)

将其归一化，得出模板匹配的相关系数：

(2)

当模板与子图一样时，相关系数(，)=1，在被搜索图中完成全部搜索后，找到的最大值(,)，其对应的子图, 即为匹配目标。

模板匹配中模板的选择非常重要，一套标准的、适合匹配的模板是模板匹配成功的关键。本文选取焊杯焊偏的各种情况的图片作为匹配的模板。使用resize()函数对焊杯焊接检测的模板图像完成缩放，得到与待检测目标大小一样的图像，对每个需要焊接的焊杯，在完成焊接之后，根据定位坐标得到ROI区域，作为模板匹配的目标对象。使用检测模板依次与目标进行匹配，计算出其匹配的相似比例，选择出匹配度最高的模板，判断得到焊接合格与否的结果，并把焊接结果返回给系统，进而判断是否需要继续焊接。