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1.引言 現代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監視和零件識別應用，如汽車(chē)零配件批量加工的尺寸檢查和自動(dòng)裝配的完整性檢查、電子裝配線(xiàn)的元件自動(dòng)定位、IC上的字符識別等。通常這種帶有高度重復性和智能性的工作是由肉眼來(lái)完成的，但在某些特殊情況下，如對微小尺寸的精確快速測量、形狀匹配以及顏色辨識等，依靠肉眼根本無(wú)法連續穩定地進(jìn)行，其它物理量傳感器也難以勝任。人們開(kāi)始考慮用CCD照相機抓取圖像后送入計算機或專(zhuān)用的圖像處理模塊，通過(guò)數字化處理，根據像素分布和亮度、顏色等信息來(lái)進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。這種方法是把計算機處理的快速性、可重復性與肉眼視覺(jué)的高度智能化和抽象能力相結合，由此產(chǎn)生了機器視覺(jué)測試技術(shù)的概念。 視覺(jué)測試技術(shù)是建立在計算機視覺(jué)研究基礎上的一門(mén)新興測試技術(shù)。與計算機視覺(jué)研究的視覺(jué)模式識別、視覺(jué)理解等內容不同，視覺(jué)測試技術(shù)重點(diǎn)研究的是物體的幾何尺寸及物體的位置測量，如轎車(chē)白車(chē)身三維尺寸的測量、模具等三維面形的快速測量、大型工件同軸度測量以及共面性測量等，它可以廣泛應用于在線(xiàn)測量、逆向工程等主動(dòng)、實(shí)時(shí)測量過(guò)程。視覺(jué)測試技術(shù)在國外發(fā)展很快，早在20世紀80年代，美國國家標準局就曾預計未來(lái)90％的檢測任務(wù)將由視覺(jué)測試系統來(lái)完成。因此僅在80年代，美國就有100多家公司躋身于視覺(jué)測試系統的經(jīng)營(yíng)市場(chǎng)，可見(jiàn)視覺(jué)測試系統確實(shí)很有發(fā)展前途。在近幾屆北京國際機床展覽會(huì )上已經(jīng)見(jiàn)到國外企業(yè)展出的應用視覺(jué)檢測技術(shù)研制的先進(jìn)儀器，如流動(dòng)式光學(xué)三坐標測量機、高速高精度數字化掃描系統、非接觸式光學(xué)三坐標測量機等。 2.機器視覺(jué)測試系統構成、分類(lèi)及工作原理 2.1 系統構成與工作原理 (1)系統構成 典型的視覺(jué)系統一般包括光源、鏡頭、CCD照相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監視器、通訊／輸入輸出單元等。 (2)工作原理 視覺(jué)系統的輸出并非圖像視頻信號，而是經(jīng)過(guò)運算處理之后的檢測結果(如尺寸數據)。通常，機器視覺(jué)測試就是用機器代替肉眼來(lái)做測量和判斷。 首先采用CCD照相機將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號。圖像系統對這些信號進(jìn)行各種運算來(lái)抽取目標的特征，如：面積、長(cháng)度、數量、位置等。最后，根據預設的容許度和其他條件輸出結果，如：尺寸、角度、偏移量、個(gè)數、合格/不合格、有/無(wú)等。上位機(如PC和PLC)實(shí)時(shí)獲得檢測結果后，指揮運動(dòng)系統或I/O系統執行相應的控制動(dòng)作(如定位和分類(lèi))。 2.2 系統分類(lèi) 從視覺(jué)系統的運行環(huán)境分類(lèi)，可分為PC—BASED系統和PLC—BASED系統�；赑C的系統利用了其開(kāi)放性、高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時(shí)系統總體成本較低。PC—Based系統內含高性能圖像采集卡，一般可接多個(gè)鏡頭，并提供庫函數支持。目前世界一流的PC—Based視覺(jué)系統生產(chǎn)廠(chǎng)商美國Data Translation公司，其MACH 系列(如DT3155)和MV系列PC I工業(yè)視覺(jué)卡已經(jīng)成為業(yè)界標準；配套軟件方面，32位SDK for Windows95/98/NT提供C/C++編程用DLL，DT Active Open Layer可視化控件提供VB和VC++下的圖形化編程環(huán)境，而DT Vision Foundry則是Windows下面向對象的機器視覺(jué)組態(tài)軟件，用戶(hù)可用它快速開(kāi)發(fā)復雜高級的應用。類(lèi)似的還有美國NI公司，該公司將機器視覺(jué)和運動(dòng)控制功能與其被廣泛應用的Labview虛擬儀器軟件相結合，效果顯著(zhù)。 與美國公司大力發(fā)展PC結構相比，日本和德國公司在PLC—Based系統方面走在前列。在PLC系統中，視覺(jué)的作用更像一個(gè)智能化的傳感器，圖像處理單元獨立于系統，通過(guò)串行總線(xiàn)和I/O與PLC交換數據。日本松下公司的Image Checker M100/M200系統可說(shuō)是這方面的代表。該系統利用高速專(zhuān)用ASIC進(jìn)行256級灰度檢測，帶邏輯條件和數學(xué)運算功能。系統軟件固化在圖像處理器中，通過(guò)類(lèi)似于游戲鍵盤(pán)的簡(jiǎn)單裝置對顯示在監視器中的菜單進(jìn)行配置，開(kāi)發(fā)周期短，系統可靠性高，其新一代產(chǎn)品A1 10/A210體現了集成化、小型化、高速化和低成本的特點(diǎn)。歐姆龍、Keyence等公司也有類(lèi)似的系統，但在技術(shù)性能上相對簡(jiǎn)單，更適用于進(jìn)行有無(wú)判別或形狀匹配等。而德國Siemens公司的智能化PROFIBUS工業(yè)視覺(jué)系統SIMATICVS 710提供了一體化的、分布式的高檔圖像處理方案，它將處理器、CCD、I/O集成在一個(gè)機箱內，提供PROFIBUS的聯(lián)網(wǎng)方式或集成的I/O和RS232接口，更重要的是通過(guò)PCWINDOWS下的Pro Vision軟件進(jìn)行組態(tài)。VS 710第一次將PC的靈活性、PLC的可靠性、分布式網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和一體化設計結合在一起，使得西門(mén)子在PC和PLC體系之間找到了完美的平衡。 3.機器視覺(jué)測試系統的典型應用領(lǐng)域及市場(chǎng)現狀 現代視覺(jué)理論和技術(shù)的發(fā)展，不僅在于模擬人眼能完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能勝任的工作。在當今電子、光學(xué)和計算機等技術(shù)不斷成熟和完善的基礎上，視覺(jué)技術(shù)這個(gè)新興技術(shù)門(mén)類(lèi)也得到迅速發(fā)展。 機器視覺(jué)的特點(diǎn)是自動(dòng)化、客觀(guān)性、非接觸和高精度。與一般意義上的圖像處理系統相比，機器視覺(jué)系統強調的是精度、速度以及工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。機器視覺(jué)特別適用于大批量生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢查，如：零件裝配完整性、裝配尺寸精度、零件加工精度、位置/角度測量、零件識別、特性/字符識別等，主要應用于包括汽車(chē)、制藥、電子與電氣、制造、包裝、食品、飲料、醫學(xué)等領(lǐng)域，用于對汽車(chē)儀表盤(pán)加工精度的檢查、高速貼片機上對電子元件的快速定位、對管腳數目的檢查、IC表面印字符的辨識、膠囊生產(chǎn)中對膠囊壁厚和外觀(guān)缺陷的檢查、軸承生產(chǎn)中對滾珠數量和破損情況的檢查、食品包裝上對生產(chǎn)日期的辨識、對標簽貼放位置的檢查以及醫療方面對細胞數量和性質(zhì)的判斷等。由于機器視覺(jué)系統可以快速獲取大量信息，易于自動(dòng)處理，也易于與設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，機器視覺(jué)系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機器視覺(jué)系統的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度，在一些不適合人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，采用機器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量不僅效率低而且精度不高，而用機器視覺(jué)檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度；此外，機器視覺(jué)易于實(shí)現信息集成，是實(shí)現計算機集成制造的基礎技術(shù)。國際上視覺(jué)系統的應用方興未艾，僅1998年的市場(chǎng)規模已達46億美元，而在國內，工業(yè)視覺(jué)系統尚處于概念導人期，各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動(dòng)化的問(wèn)題以后，才開(kāi)始將目光轉向視覺(jué)測量自動(dòng)化。 4.機器視覺(jué)測試系統在檢測方面的應用 機器視覺(jué)系統在工業(yè)在線(xiàn)檢測的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。 (1)大型工件平行度、垂直度測量采用激光掃描與CCD探測系統的大型工件平行度、垂直度測量?jì)x，它是以穩定的準直激光束為測量基線(xiàn)，配以回轉軸系，旋轉五角標棱鏡掃出互相平行或垂直的基準平面，并將其與被測大型工件的各面進(jìn)行比較。在加工或安裝大型工件時(shí)，可用該認錯器測量面間平行度及垂直度。 (2)熱軋螺紋鋼幾何參數在線(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測系統 該系統以頻閃光作為照明光源，利用面陣和線(xiàn)陣CCD作為螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測器件，實(shí)現熱軋螺紋鋼幾何參數在線(xiàn)測量的動(dòng)態(tài)檢測。 (3)軸承狀態(tài)實(shí)時(shí)監控 采用視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)監控軸承的負載和溫度變化，消除過(guò)載和過(guò)熱的危險。該技術(shù)將傳統的通過(guò)測量滾珠表面來(lái)保證加工質(zhì)量和安全操作的被動(dòng)式測量變?yōu)橹鲃?dòng)監控。 (4)基于機器視覺(jué)的儀表板總成智能集成測試系統 汽車(chē)儀表板總成上安裝有速度里程表、水溫表、汽油表、電流表、信號報警燈等，其生產(chǎn)批量大，出廠(chǎng)前需要進(jìn)行一次質(zhì)量終檢。檢測項目包括速度表等五個(gè)儀表指針的指示誤差，24個(gè)信號報警燈和若干照明燈是否損壞或漏裝等。通常采用人工目測方法檢查，但誤差大、可靠性差，不能滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。機器視覺(jué)測試技術(shù)的智能集成測試系統改變了這種現狀，實(shí)現了對儀表板總成智能化、全自動(dòng)、高精度、快速度的質(zhì)量檢測，克服了人工檢測所造成的各種誤差，大大提高了檢測的效率和可靠性。 (5)金屬板表面自動(dòng)探傷系統 在對表面質(zhì)量要求很高的特殊大型金屬板進(jìn)行檢測時(shí)，原始的檢測方法是采用人工目視或用百分表加探針進(jìn)行檢測，該方法不僅易受主觀(guān)因素的影響，而且可能給被測表面帶來(lái)新的劃傷。金屬板表面自動(dòng)探傷系統利用機器視覺(jué)測試技術(shù)對金屬表面缺陷進(jìn)行自動(dòng)檢查，可在生產(chǎn)過(guò)程中高速、準確地進(jìn)行檢測，同時(shí)由于該系統采用非接觸式測量，避免了產(chǎn)生新劃傷的可能。該系統采用激光器作為光源，通過(guò)針孔濾波器濾除激光束周?chē)碾s散光，采用擴束鏡和準直鏡使激光束變?yōu)槠叫泄獠⒁?5度的入射角均勻照射在被測金屬板表面上。金屬板放在檢驗臺上，檢驗臺可在x、y、z三個(gè)方向上移動(dòng)，攝像機采用TCD142D型2048線(xiàn)陣CCD，鏡頭采用普通照相機鏡頭，CCD接口電路采用單片機系統。PC主機主要完成圖像預處理及缺陷的分類(lèi)或劃痕的深度運算等，并可將檢測到的缺陷或劃痕圖像在顯示器上顯示。CCD接口電路和PC機之間通過(guò)RS.232口進(jìn)行雙向通訊，構成人機交互式數據采集與處理。該系統主要利用線(xiàn)陣CCD的自?huà)呙杼匦耘c被檢鋼板在x方向的移動(dòng)相結合，提取金屬板表面的三維圖像信息。 (6)汽車(chē)車(chē)身輪廓尺寸精度檢測系統 英國ROVER汽車(chē)公司800系列汽車(chē)車(chē)身輪廓尺寸精度的100％在線(xiàn)檢測，是機器視覺(jué)系統用于l3l工業(yè)檢測中的一個(gè)典型實(shí)例。該系統由62個(gè)測量單元組成，每個(gè)測量單元包括一臺激光器和一個(gè)CCD攝像機，用以檢測車(chē)身外殼上288個(gè)測量點(diǎn)；汽車(chē)車(chē)身置于測量框架下，通過(guò)軟件校準車(chē)身的精確位置。每個(gè)激光器、攝像機單元均在離線(xiàn)狀態(tài)下經(jīng)過(guò)校準，同時(shí)還有一個(gè)在離線(xiàn)狀態(tài)下用三坐標測量機校準過(guò)的校準裝置用以對攝像機進(jìn)行在線(xiàn)校準；檢測系統以每40秒檢測一個(gè)車(chē)身的速度，可檢測三種類(lèi)型的車(chē)身；系統將檢測結果與從CAD模型中提取出來(lái)的合格尺寸相比較，測量精度為±0.1mm。ROVER公司的質(zhì)量檢測人員用該系統來(lái)判別關(guān)鍵部分的尺寸一致性，如車(chē)身整體外型、車(chē)門(mén)、玻璃窗口等。檢測實(shí)踐證明，該系統可成功進(jìn)行800系列汽車(chē)車(chē)身輪廓尺寸精度的在線(xiàn)檢測，并將用于檢測ROVER公司其它系列的車(chē)身輪廓尺寸精度。 (7)奧迪白車(chē)身表面質(zhì)量檢測系統 奧迪公司最近研制成功了一種能夠對白車(chē)身表面缺陷進(jìn)行全自動(dòng)檢測的系統，取名為“智能控制白車(chē)身表面質(zhì)量檢測系統”。該檢測系統綜合采用了投影光柵直接相位采集、高速數字圖象處理、表面缺陷圖象模式自動(dòng)識別、智能化質(zhì)量判斷、自適應系統學(xué)習技術(shù)、高速數字信息網(wǎng)絡(luò )、松散化自調節軟硬件結構以及機器人系統控制技術(shù)，可以在傳動(dòng)速度為5m/min的生產(chǎn)線(xiàn)上，對焊裝完畢的白車(chē)身進(jìn)行100％的在線(xiàn)檢測。整車(chē)檢驗時(shí)間為1分20秒。通過(guò)自動(dòng)測試與分析，將過(guò)去靠肉眼無(wú)法分辨的表面缺陷直接標記在車(chē)身上，使白車(chē)身進(jìn)入噴漆工序之前即可對缺陷處進(jìn)行打磨，節省了表面噴涂過(guò)程中的打磨工序，既節約了大量制造成本，同時(shí)又提高了車(chē)身的表面質(zhì)量。 此外，在許多其它方法難以檢測的場(chǎng)合，利用機器視覺(jué)系統可以有效地實(shí)現。機器視覺(jué)的應用正越來(lái)越多地代替人去完成許多工作，這無(wú)疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平和檢測系統的智能水平。 5.機器視覺(jué)系統與CMM的集成 隨著(zhù)國際市場(chǎng)競爭的加劇，各國的制造企業(yè)越來(lái)越清楚地認識到，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，是決定企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)成敗的關(guān)鍵。隨著(zhù)市場(chǎng)環(huán)境的多樣化，企業(yè)對龐大的與質(zhì)量有關(guān)的數據的采集、處理和傳遞提出了更高的要求，更具柔性和自動(dòng)化的CAQ系統呈現出以下發(fā)展趨勢：①在必要的情況下，CAQ系統可以100％地檢測產(chǎn)品，而不像現在普遍采用的抽樣檢測；②將檢測規劃集成到加工過(guò)程中，形成閉環(huán)反饋控制系統，在檢測時(shí)確定產(chǎn)品相對于標準尺寸的偏差，并在線(xiàn)糾正，因此，可獲得近100％的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；③機器視覺(jué)和先進(jìn)的圖像處理技術(shù)、逆向工程技術(shù)已廣泛地應用于自動(dòng)化檢測，因此，可完成智能化、柔性、快速和低成本的檢測目標。④適用于不同產(chǎn)品結構的檢測技術(shù)可將新的產(chǎn)品技術(shù)要求直接從CAD/CAM數據庫傳輸到檢測系統中，不需要操作人員編制特殊的程序。 機器視覺(jué)和逆向工程等技術(shù)的發(fā)展及其與CMM的集成，可以進(jìn)一步提高CMM的測量效率。對于具有原始CAD模型的測量對象，可以利用機器視覺(jué)系統，迅速識別對象物的形狀及其在測量平臺的位置和狀態(tài)，完成機器坐標系、工件坐標系、攝像機坐標系三者之間的轉換，幫助CMM實(shí)現檢測路徑自動(dòng)形成與測量結果判斷。機器視覺(jué)系統將采集到的信息傳輸到計算機，同時(shí)計算機控制視覺(jué)系統的操作，另一方面計算機將生成的檢測規劃傳輸到CMM控制器中，由該控制器控制CMM測量，再將測量結果反饋回主控計算機，形成閉環(huán)反饋檢測系統。 為了生成檢測規則，利用CAD/CAM數據庫中所存在的信息，將機器視覺(jué)得到的圖像數據與CAD數據進(jìn)行匹配，自動(dòng)確定工件位置，選定檢測項目、檢測點(diǎn)和檢測路徑；確定測量點(diǎn)的方法是：為盡可能減少測量誤差，事先對測量對象均以等間隔指定測量點(diǎn)；最后生成CMM的測量指令傳輸到CMM控制器上，開(kāi)始測量。對于不存在原始CAD模型的測量對象，可以采用逆向工程技術(shù)，即通過(guò)對機器視覺(jué)系統所采集到的測量點(diǎn)的三維坐標進(jìn)行處理，重建該物體的CAD模型。 6.結語(yǔ) 機器視覺(jué)測試系統能夠大幅降低檢驗成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和提高生產(chǎn)效率。作為高精度、非接觸的測量方案，視覺(jué)系統涉及到光學(xué)和圖像處理算法，本身就是高度專(zhuān)業(yè)化的產(chǎn)品，在整個(gè)測量控制系統中，往往要與運動(dòng)控制系統配合完成位置和進(jìn)給控制。另外，生產(chǎn)線(xiàn)上對多工序進(jìn)行同步連續檢測時(shí)，必須使視覺(jué)系統具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機器視覺(jué)與運動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò )通訊等先進(jìn)技術(shù)的結合正在改變工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的面貌。隨著(zhù)機器視覺(jué)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預計，它將在現代和未來(lái)制造企業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應用。 |
