杜婷婷

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)表明，電器工業(yè)行業(yè)在十一五期間得到了快速發(fā)展?！笆晃濉逼陂g，全行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值（當(dāng)年價(jià)）10768.44億元，工業(yè)銷售產(chǎn)值10517.27億元；2009年實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值28329.77億元，工業(yè)銷售產(chǎn)值27463.16億元。四年中，工業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)銷售產(chǎn)值分別增長了1.3倍之多，年平均增長達(dá)32%[1]。從“十二五”規(guī)劃建議及國家電網(wǎng)招標(biāo)情況看，智能電網(wǎng)建設(shè)包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度，預(yù)計(jì)在未來5年迎來建設(shè)投資高峰，將帶來超過6200億元的電力設(shè)備需求。由此可見，電器工業(yè)的迅猛發(fā)展為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的穩(wěn)步潛行提供了有利保障。同時(shí)，我們也必須看到行業(yè)在發(fā)展中存在的不足：經(jīng)營管理模式落后、設(shè)備落后，面對危機(jī)反應(yīng)緩慢，新產(chǎn)品開發(fā)嚴(yán)重滯后等影響著行業(yè)中企業(yè)的發(fā)展。

行業(yè)的發(fā)展必然要求適時(shí)進(jìn)行技術(shù)改造，淘汰落后的制造設(shè)備，重點(diǎn)擬放在企業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝設(shè)備、在線檢測技術(shù)與自動(dòng)檢測線、裝配技術(shù)與自動(dòng)裝配線等。并且大力提高產(chǎn)品的一致性和可靠性，順應(yīng)形式、謀求發(fā)展。目前在斷路器行業(yè)中，新技術(shù)的應(yīng)用是發(fā)展的方向，例如機(jī)器視覺技術(shù)已應(yīng)用于整線的開距、超程檢測工位，提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)并網(wǎng)于整線網(wǎng)絡(luò)。并且在電器行業(yè)諸如檢測缺陷、檢測裝配的完整性、電器元件的尺寸檢查、條碼的識(shí)別、定位等得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅降低檢驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品檢驗(yàn)精度及生產(chǎn)效率，為企業(yè)提供智能的系統(tǒng)解決方案。

1 機(jī)器視覺技術(shù)

在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗(yàn)、生產(chǎn)監(jiān)視和零件識(shí)別應(yīng)用，通常這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作只能由人眼來完成。然而有些時(shí)候，如微小尺寸的精確快速測量，形狀匹配，顏色辨識(shí)，用人眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，其他物理量傳感器也難以完成。這時(shí)，人們開始考慮用CCD照相機(jī)抓取圖像,送入計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息,來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別[2]。機(jī)器視覺的特點(diǎn)是自動(dòng)化、客觀、非接觸和高精度，與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機(jī)器視覺強(qiáng)調(diào)的是精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。例如：汽車零件尺寸的檢測；汽車部件自動(dòng)裝配的完整性檢測；玻璃瓶的尺寸及缺陷檢測；電子裝配線的元件自動(dòng)定位；印刷質(zhì)量的檢測；產(chǎn)品保證的條碼和字符識(shí)別等。以前這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作只能靠人工檢測來完成，于是我們經(jīng)常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線后面，看到數(shù)以百計(jì)甚至逾千的檢測工人來執(zhí)行這道工序，這在給工廠增加巨大的人工成本和管理成本的同時(shí)，仍然難以保證100%的檢驗(yàn)合格率（即“零缺陷”）。這時(shí)，人們開始考慮把計(jì)算機(jī)的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性，與人類視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此提出了機(jī)器視覺的概念，并陸續(xù)推出了不少工業(yè)化的產(chǎn)品和系統(tǒng)。

機(jī)器視覺首先采用CCD照相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等；最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無等。典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括如下部分：光源，鏡頭，CCD照相機(jī)，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監(jiān)視器，通訊/輸入輸出單元等。視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號(hào)，而是經(jīng)過運(yùn)算處理之后的檢測結(jié)果，如尺寸數(shù)據(jù)。上位機(jī)如PC和PLC實(shí)時(shí)獲得檢測結(jié)果后，指揮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或I/O 系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，如定位和分選。

從運(yùn)行環(huán)境的角度，機(jī)器視覺系統(tǒng)可分為PCBASED系統(tǒng)和PLC-BASED系統(tǒng)?；赑C的系統(tǒng)利用了其開放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時(shí)系統(tǒng)總體成本較低。這種系統(tǒng)內(nèi)含高性能圖像捕獲卡,一般可接多個(gè)鏡頭，配套軟件方面，從低到高有幾個(gè)層次，如Windows95/98/NT 環(huán)境下C/C++編程用DLL，可視化控件activeX提供VB 和VC++下的圖形化編程環(huán)境，甚至Windows下的面向?qū)ο蟮臋C(jī)器視覺組態(tài)軟件，用戶可用它快速開發(fā)復(fù)雜高級(jí)的應(yīng)用[3]。

在基于PLC的系統(tǒng)中，視覺的作用更像一個(gè)智能化的傳感器，圖像處理單元獨(dú)立于系統(tǒng)，通過串行總線和I/O與PLC交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件一般利用高速專用ASIC或嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，系統(tǒng)軟件固化在圖像處理器中，通過類似于游戲鍵盤的簡單裝置對顯示在監(jiān)視器中的菜單進(jìn)行配置，或在PC上開發(fā)軟件然后下載?；赑LC的系統(tǒng)體現(xiàn)了可靠性高、集成化，小型化、高速化、低成本的特點(diǎn)等。

2 機(jī)器視覺在電器工業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例

機(jī)器視覺技術(shù)適用于大批量生產(chǎn)過程中的測量，檢查和識(shí)別，如：零件尺寸、加工精度、零部件裝配的完整性，裝配尺寸精度、位置/角度測量、零件類型識(shí)別、特性/字符識(shí)別等。本文以在電器行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例來加以說明和展示。

2.1 斷路器開距、超程檢測的應(yīng)用

通過使用機(jī)器視覺傳感器測量測試桿的高度變化，間接測量出斷路器工件動(dòng)觸頭的高度變化，計(jì)算出開距、超程的位置（如圖1視覺檢測工位及圖2原理圖）。測量系統(tǒng)屬于間接測量，其測試過程：1）測量分閘時(shí)動(dòng)觸頭位置。2）測量合閘時(shí)動(dòng)觸頭位置。3）測量合閘時(shí)下壓靜觸頭斷電時(shí)動(dòng)觸頭位置。4）測量合閘時(shí)上抬動(dòng)觸頭斷電時(shí)動(dòng)觸頭位置。

圖1 視覺檢測工位

圖2 原理圖

開距是指斷路器動(dòng)觸頭與靜觸頭斷開后的距離。超程也叫超行程是指動(dòng)、靜觸頭在接觸后，機(jī)構(gòu)將繼續(xù)超行程運(yùn)動(dòng)，超出動(dòng)靜觸頭的那部分。本視覺檢測系統(tǒng)采用間接測量的方法，通過測試桿位置的變化（視覺檢測圖如3、圖4所示）來計(jì)算出相對應(yīng)的開距和超程的距離。

圖3 視覺檢測結(jié)果正確

圖4 視覺檢測結(jié)果錯(cuò)誤

2.2 電器零部件的完整性檢測的應(yīng)用

視覺檢測系統(tǒng)用于工件裝配工位，確保工件在工人手工裝配后，內(nèi)部不缺少元件；同時(shí)確保動(dòng)、靜觸頭匹配及是否有異物混入。待檢測工件型號(hào)多樣，共有5類待測產(chǎn)品。

以其中的一類產(chǎn)品圖片為例，如圖5 視覺系統(tǒng)處理后的圖片；

視覺系統(tǒng)處理后的圖片中，主要元件檢測如下：

A（銅排）：通過檢測邊的個(gè)數(shù)，可以確定銅排的方向；

B（動(dòng)觸頭）：檢測此區(qū)域內(nèi)的灰度值，可以判斷出動(dòng)觸頭的類型；

圖5 視覺系統(tǒng)處理后

C（動(dòng)觸頭）：根據(jù)B區(qū)域的結(jié)果來測量此區(qū)域白色部分的高，從而進(jìn)一步確定動(dòng)觸頭的類型；

D（保護(hù)墊片）：檢測此區(qū)域內(nèi)的白色部分，從而確定墊片是否存在；

E（滅弧柵）：檢測邊的數(shù)目，可以確定滅弧柵是否存在；

當(dāng)工件自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到檢測工位時(shí)，照相機(jī)拍攝照片，在一個(gè)視野內(nèi)檢測元?dú)饧臋z測狀態(tài)是否正確。通過照相機(jī)拍攝照片的比對，就可以判斷出該被檢測件的狀態(tài)是否正確。結(jié)果顯示在顯示器上，被檢測元件自動(dòng)彈出。工人可根據(jù)檢測結(jié)果對工件進(jìn)行復(fù)檢，對缺件的部分進(jìn)行補(bǔ)件。由此可見機(jī)器視覺系統(tǒng)的使用同時(shí)對于光學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)控制系統(tǒng)、物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)都有著密切的聯(lián)系，對于設(shè)計(jì)者的多學(xué)科，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等都有著很高的系統(tǒng)要求。

2.3 真空斷路器尺寸檢查（電子眼）工位

斷路器觸頭尺寸檢查包括相間距離、觸臂加觸頭長度以及提門彎板高度等項(xiàng)內(nèi)容，采用智能視覺檢測方法進(jìn)行6個(gè)觸頭距離位置以及提門彎板，滾輪位置的檢測，采用精密測試桿輔助檢測觸臂長度（如圖6所示）。

檢測時(shí)工件在輸送線上由定位裝置固定，定位基準(zhǔn)分別選擇底盤車輪下表面（Z方向），定位銷（Y方向），以及提門彎板的一個(gè)側(cè)面（X方向）。對觸頭端面的測量通過相機(jī)對觸頭端面進(jìn)行拍照，并計(jì)算出每相觸頭中心在X、Z方向與標(biāo)準(zhǔn)位置的誤差值。

對于提門彎板位置的檢測則通過機(jī)構(gòu)移動(dòng)來變換相機(jī)位置，從側(cè)面“位置1”及“位置2”分別完成兩側(cè)相關(guān)要素的測量。在此測量的同時(shí)通過檢測插入觸臂梅花觸頭中心孔內(nèi)的精密測試桿端部位置可確定Y方向觸臂長度的誤差值（如圖7所示）。當(dāng)產(chǎn)品型號(hào)發(fā)生變化時(shí)，可在換型準(zhǔn)備階段調(diào)整精密測試桿的間隔位置。上述方法測量精度受到相機(jī)分辨率、焦距及絲杠螺距精度的影響，按照同類測量設(shè)備的工程經(jīng)驗(yàn)最大測量誤差小于±0.5mm。

圖6 真空斷路器尺寸檢查（電子眼）工位

圖7 測試桿視覺測試圖

機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用大幅降低檢驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和效率，應(yīng)用前景廣闊，市場潛力巨大。作為高精度、非接觸的測量方案，視覺系統(tǒng)涉及到光學(xué)和圖像處理算法，本身就是高度專業(yè)化的產(chǎn)品，在整個(gè)測量控制系統(tǒng)中，往往要與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配合完成位置矯正和進(jìn)給控制；另外，生產(chǎn)線上對多工序進(jìn)行同步連續(xù)檢測時(shí)，必須使視覺系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機(jī)器視覺與運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的面貌。

3 結(jié)束語

機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展方興未艾，目前在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)藥、軸承、造幣、焊接等等許多領(lǐng)域。機(jī)器視覺技術(shù)要用到生產(chǎn)實(shí)際中則需要提供對科學(xué)的綜合解決方案，需要結(jié)合光學(xué)、機(jī)械、傳動(dòng)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通訊等多專業(yè)及多學(xué)科的技術(shù)。目前，我們已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用于電器元件檢測及裝配中?？梢灶A(yù)見，隨著我國電器工業(yè)以及制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)勢必在行業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

[1] 低壓電器信息, 2011(1).

[2] 朱錚濤, 黎紹發(fā).視覺測量技術(shù)及其在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程, 2004(4).

[3] 鄭清明.智能機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)檢測領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2005(12).