高衍慶

摘 要：機(jī)器視覺技術(shù)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多項(xiàng)技術(shù)來代替當(dāng)前監(jiān)控人員，對(duì)所監(jiān)控對(duì)象實(shí)施圖像理解與處理，目前在機(jī)械制造自動(dòng)化生產(chǎn)的檢測(cè)與測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域非常常見。本文就探討了機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的一些實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺技術(shù)；機(jī)械制造自動(dòng)化；工作原理；精密測(cè)量；檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）21-0036-01

當(dāng)前，機(jī)器視覺技術(shù)完全可以代替人類肉眼來實(shí)現(xiàn)視覺觀察功能，甚至能夠進(jìn)行更精確的視覺判斷與測(cè)量，借助計(jì)算機(jī)來對(duì)客觀三維世界中的各種目標(biāo)對(duì)象實(shí)施有效識(shí)別。就目前已有的機(jī)器視覺技術(shù)來看，它的判斷靈敏度與測(cè)量精度都較高，而且判斷測(cè)量速度極快，噪聲低，且具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，可以進(jìn)行與計(jì)算機(jī)聯(lián)動(dòng)的計(jì)算機(jī)信息數(shù)據(jù)處理過程，為企業(yè)生產(chǎn)降低工作量，提高生產(chǎn)效率。目前，機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)全面普及于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，尤其是在機(jī)械制造自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。

1 機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)成與工作原理

1.1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

機(jī)器視覺技術(shù)擁有獨(dú)立系統(tǒng)，它主要通過圖像攝取裝置來轉(zhuǎn)換被攝取目標(biāo)，最終形成圖像信號(hào)，在經(jīng)過專業(yè)圖像的像素分布、亮度、顏色、數(shù)字化處理后最終呈現(xiàn)出來。針對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像系統(tǒng)可以利用精密計(jì)算來明確各種圖像目標(biāo)特征，并根據(jù)這些特征來準(zhǔn)確判斷目標(biāo)對(duì)象內(nèi)容，基于視覺系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境劃分出PC-Based與PLC-Based兩個(gè)系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)并不輸出任何圖像視頻信號(hào)，它所輸出的是經(jīng)過特別運(yùn)算處理后的檢測(cè)結(jié)果，例如設(shè)備的尺寸數(shù)據(jù)等等。作為肉眼測(cè)量判斷的替代者，它所采用的是CCD照相機(jī)，它將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，然后傳送給專用圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行亮度、顏色、像素等重要信息的處理，最后轉(zhuǎn)化提取數(shù)字化信號(hào)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些處理后的數(shù)字化信號(hào)的預(yù)設(shè)容許度來評(píng)判目標(biāo)生產(chǎn)對(duì)象的相關(guān)尺寸、數(shù)量、長(zhǎng)度、面積或位置等等，再利用PLC或PC等等上位機(jī)來進(jìn)一步獲得檢測(cè)結(jié)果，控制諸如I/O系統(tǒng)或指揮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，促成設(shè)備工作流程[1]。

2 機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的應(yīng)用

2.1 機(jī)器視覺技術(shù)在設(shè)備精密測(cè)量中的應(yīng)用

對(duì)于設(shè)備零件尺寸的精密測(cè)量，當(dāng)前許多企業(yè)都會(huì)采用機(jī)器視覺技術(shù)。因?yàn)樵跈C(jī)器視覺系統(tǒng)中擁有專業(yè)的光學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)以及CCD攝像頭，它們收集光源，并將光源所發(fā)出的平行光束照射到被測(cè)對(duì)象檢測(cè)部位，再配合顯微光學(xué)鏡組與攝像機(jī)面陣來呈現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的邊緣部分，最后得出被測(cè)對(duì)象邊緣輪廓實(shí)際位置。如果在測(cè)量中被測(cè)對(duì)象發(fā)生位移，則要對(duì)被測(cè)對(duì)象的邊緣輪廓位置進(jìn)行二次測(cè)量和圖像處理，并結(jié)合兩次測(cè)量來計(jì)算出位移量。另外，可根據(jù)位移前后的偏差位移量來合并兩幅圖像的邊緣輪廓，將它們歸整到同一圖像中，這樣還可以計(jì)算出兩次測(cè)量的相應(yīng)尺寸，提高測(cè)量精度。由于當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)線采用大批量機(jī)械流水線生產(chǎn)模式，所以可以利用機(jī)器視覺系統(tǒng)來輔助大批量流水線產(chǎn)品生產(chǎn)，通過上述描述方法來實(shí)施在線檢測(cè)過程，提高檢測(cè)效率?？陀^講，這種測(cè)量方法對(duì)于形狀偏簡(jiǎn)單、尺寸偏小的設(shè)備元件非常適合。舉個(gè)例子，當(dāng)前汽車電子產(chǎn)品中的電子接插件就應(yīng)該采用這種精密測(cè)量方法，提高成品生產(chǎn)效率與尺寸精度。根據(jù)已有的實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來看，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1分鐘內(nèi)數(shù)百件產(chǎn)品的檢測(cè)，其數(shù)量級(jí)更是能夠精確到0.01mm以內(nèi)。

在刀具磨損與預(yù)調(diào)測(cè)量過程中，機(jī)器視覺技術(shù)也有其用武之地，例如測(cè)量某些形狀、尺寸特殊的工件或者某些已經(jīng)形變的工件。它相比于傳統(tǒng)測(cè)量方法更加簡(jiǎn)單，不需要將刀具卸下再測(cè)量刀具磨損程度，它所采用的是光源檢測(cè)法。首先確定光線照射強(qiáng)度與拍攝角度，將光源通過光線射入到鏡頭周圍，進(jìn)而最大限度減小由陰影所造成的測(cè)量誤差。此時(shí)再自由轉(zhuǎn)動(dòng)夾具調(diào)整角度，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度越來越大，成像設(shè)備尺寸就會(huì)越來越小，這間接提高了機(jī)器視覺系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量范圍。另外，通過對(duì)磨損刀具前后橫向尺寸差及磨損度的計(jì)算對(duì)比，也相應(yīng)簡(jiǎn)化刀具機(jī)械精密測(cè)量自動(dòng)化的應(yīng)用過程。經(jīng)過實(shí)踐表明，如果采用機(jī)器視覺技術(shù)來測(cè)量刀具磨損并預(yù)調(diào)測(cè)量過程，它的測(cè)量信噪比會(huì)降低到46dB左右，無論是測(cè)量速度還是測(cè)量精度都達(dá)到了較高水準(zhǔn)。而且該系統(tǒng)技術(shù)還支持在線測(cè)量，非常方便。從常規(guī)技術(shù)應(yīng)用角度來講，機(jī)器視覺技術(shù)更適合于精密測(cè)量那些常規(guī)形狀刀具，而不適于測(cè)量幾何形狀過于復(fù)雜的特殊刀具。

在刀具預(yù)調(diào)測(cè)量應(yīng)用中，它突破了傳統(tǒng)中光學(xué)投影與光柵數(shù)顯表相結(jié)合的測(cè)量方式，而是采用機(jī)器視覺與光柵技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x技術(shù)，并融入了自動(dòng)化控制思維，徹底顛覆了傳統(tǒng)測(cè)量方法，大幅度提高了測(cè)量的精度與簡(jiǎn)易度，對(duì)刀具測(cè)量工作效率的提高也有很大幫助。

另外在逆向工程中，機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)也有應(yīng)用，這里所提到的逆向工程主要針對(duì)現(xiàn)成工件進(jìn)行測(cè)量。它會(huì)利用到3D數(shù)字化測(cè)量?jī)x器技術(shù)，對(duì)逆向工程中的設(shè)備元件進(jìn)行輪廓坐標(biāo)值的快速準(zhǔn)確測(cè)量，并基于編輯修改來調(diào)整建構(gòu)它的曲面部分，存檔圖形并將它轉(zhuǎn)化為CAD/CAM可讀文件，最后通過快速成型機(jī)來制作樣品模型。在該精密測(cè)量技術(shù)體系中，它首先利用測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)量樣品輪廓三維尺寸，并取得各點(diǎn)數(shù)據(jù)作為曲面處理予以加工，最終成型。當(dāng)前，機(jī)器視覺系統(tǒng)也利用它的CCD照相機(jī)光電器件來進(jìn)行基于三角法的快速輪廓視覺測(cè)量，再配合線結(jié)構(gòu)光測(cè)量物體表面的基本結(jié)構(gòu)輪廓。

綜上所述，機(jī)器視覺技術(shù)在設(shè)備精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，它也豐富和強(qiáng)化了機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用過程，真正代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量，非常值得推廣[2]。

2.2 機(jī)器視覺技術(shù)在設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

除精密測(cè)量以外，機(jī)器視覺技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備工件的有效檢測(cè)，例如它對(duì)與工件表面缺陷的檢測(cè)。在汽車生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)中，對(duì)于工件表面的傳統(tǒng)檢測(cè)方法還以人工目測(cè)為主，這種方法顯然效率低下且不夠精準(zhǔn)，還有較大的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于汽車生產(chǎn)企業(yè)而言十分不利。如果采用機(jī)器視覺技術(shù)則更規(guī)范和精確，例如合理運(yùn)用機(jī)器視覺系統(tǒng)中的CCD照相機(jī)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，也是為了優(yōu)化零件表面的質(zhì)量管理過程。在連桿結(jié)合面爆口的檢測(cè)過程中，它的常規(guī)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為破口面積應(yīng)該小于4mm2，任意方向的破口線性長(zhǎng)度應(yīng)該小于3mm，如果不能滿足上述條件中的任意一條，汽車工件產(chǎn)品都會(huì)被視為不合格次品被淘汰。這里采用到LED漫反射光源配合機(jī)器視覺系統(tǒng)CCD照相機(jī)來合作檢測(cè)工件的坡口區(qū)域，將光線照射到工件表面并反射到照相機(jī)CCD元件上，形成電量信號(hào)。機(jī)器視覺系統(tǒng)會(huì)對(duì)CCD元件上所反射的的圖像電量信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，最終處理獲得有價(jià)值信息數(shù)據(jù)，再對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，將處理過的二值化圖像作為結(jié)果對(duì)象實(shí)施針對(duì)性計(jì)算分析。從實(shí)際應(yīng)用技術(shù)角度方面講，機(jī)器視覺系統(tǒng)在該技術(shù)流程中還采用到了灰度二值化閾值與光源，結(jié)合對(duì)比方法完成檢測(cè)過程。在檢測(cè)過程中，主要將汽車工件等已知內(nèi)容標(biāo)定為參照物，用已知參照量測(cè)量值來對(duì)比參照物的實(shí)際像素值，最后得到汽車工件的表面缺陷對(duì)應(yīng)比例值。然后再調(diào)整機(jī)器視覺系統(tǒng)光源亮度，間接調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)中的二值化閾值，確保汽車工件表面檢測(cè)結(jié)果能夠擁有較高水平的圖像分辨率，有效擴(kuò)大工件表面的邊界光源像素值[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)與加工制造領(lǐng)域緊密聯(lián)系起來，滿足了該領(lǐng)域中的諸多技術(shù)需求，甚至起到了決定性的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用作用。在未來，機(jī)器視覺技術(shù)將會(huì)更進(jìn)一步刺激機(jī)械制造自動(dòng)化領(lǐng)域的向前發(fā)展，促進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)與智能化技術(shù)的相互結(jié)合，突破更多傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，為人類制造業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)更多。

參考文獻(xiàn)

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