1 引言
“機(jī)器視覺(jué)”又稱圖像檢測(cè)技術(shù)，乃是光將被測(cè)對(duì)象的圖像作為信息的載體，從中提取有用的信息來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的。它具有非接觸、高速度、測(cè)量范圍大、獲得的信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)CCD攝像頭與光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字處理系統(tǒng)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)不同的檢測(cè)要求。CCD元件可理解為一個(gè)由感光像素組成的點(diǎn)陣，其每個(gè)像素都一一對(duì)應(yīng)了被測(cè)對(duì)象的二維圖像特征，即通過(guò)對(duì)像素點(diǎn)成像結(jié)果的分析可以間接分析對(duì)象的圖像特征。
“機(jī)器視覺(jué)”的用途很多，隨著上世紀(jì)九十年代以來(lái)光電、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)已在很多工業(yè)部門得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。作為一種新穎而又實(shí)用的傳感技術(shù)，圖像檢測(cè)單元近年已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，一些知名的廠商，如日本的松下公司、德國(guó)的西門子公司等都推出了品種規(guī)格齊全的系列化產(chǎn)品，包括光源、攝像頭、處理器等，這對(duì)圖像檢測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了很有利的條件。但相比之下，國(guó)內(nèi)在這方面尚處于起步階段，即使在近20年獲得迅速發(fā)展的汽車制造業(yè)，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用也相當(dāng)有限。但通過(guò)以下應(yīng)用實(shí)例，可清楚地看出這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用前景。
2 圖像檢測(cè)技術(shù)在精密測(cè)量中的應(yīng)用
精密測(cè)量是機(jī)器視覺(jué)一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，其對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量的原理如圖1所示。檢測(cè)系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝像頭和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(圖中未表示)等組成。由光源發(fā)出的平行光束照射到被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)部位上，其邊緣輪廓經(jīng)過(guò)顯微光學(xué)鏡組成像在攝像機(jī)的面陣CCD像面上，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理后獲得被測(cè)對(duì)象邊緣輪廓的位置。如果使被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生位移，再次測(cè)量其邊緣輪廓位置，則兩次位置之差便是位移量。顯然，若被測(cè)對(duì)象的兩條平行的邊緣輪廓能處于同一幅圖像內(nèi)，則其二者位置之差即為相應(yīng)尺寸。
圖l位移檢測(cè)系統(tǒng)示意圖
上述系統(tǒng)極為適合對(duì)大批量生產(chǎn)情況下工件的在線檢測(cè)，尤其是當(dāng)被測(cè)對(duì)象尺寸較小、形狀比較簡(jiǎn)單時(shí)，更能顯示其優(yōu)越性。電子接插件、包括汽車電子產(chǎn)品中的接插件就是典型例子，它們的生產(chǎn)效率和成品尺寸精度都較高，前者可達(dá)到每分鐘數(shù)百件，而后者多數(shù)為0．01ram的數(shù)量級(jí)。一般情況下，工件質(zhì)量缺陷包括插腳的變形或扭曲、多余的金屬粘附(金屬碎屑)等，均反映為外形尺寸的誤差。當(dāng)采用圖l所示系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，零件(插腳)所形成的圖像由于與其明亮背景之間的強(qiáng)烈對(duì)比，而具有清晰的剪影效果。這樣的理想圖像為準(zhǔn)確測(cè)量被檢對(duì)象的尺寸和輪廓(形狀)特征創(chuàng)造了條件。圖2顯示了一部分沖壓成形的插腳隨著金屬輸送帶通過(guò)檢測(cè)工位時(shí)產(chǎn)生的典型背光圖像。其中，插腳A發(fā)生了扭曲，插腳B上粘附著多余的金屬，插腳C斷面尺寸(寬)不合格。
圖2典型的背光檢測(cè)圖像
需指出的一點(diǎn)是，盡管采用的是對(duì)零件圖像的邊緣檢測(cè)，但根據(jù)工件的不同情況，具體做法上仍有差別。如對(duì)圖2所示零件(插腳)的圖像上可以設(shè)置三條(Ll、L2、L3)或多條檢測(cè)線，分別采用簡(jiǎn)單的閥值法或單、雙峰法檢測(cè)出零件的邊緣信息。由于三條檢測(cè)線之間保持著相互垂直交叉的關(guān)系，因此可以通過(guò)聯(lián)立三線(或多線)的邊緣檢測(cè)點(diǎn)確定插腳相對(duì)于圖像平面的位置(x、Y)和轉(zhuǎn)角(e)。這些目標(biāo)零件的位置信息(邊緣坐標(biāo)和起始轉(zhuǎn)角)將傳送給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，以做出相應(yīng)的評(píng)價(jià)。圖像檢測(cè)技術(shù)用于精密測(cè)量的另一個(gè)實(shí)例是在刀具預(yù)調(diào)測(cè)量中的應(yīng)用。眾所周知，承擔(dān)現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的主體是數(shù)控機(jī)床、加工中心，它們所用的刀具必須經(jīng)測(cè)量預(yù)調(diào)，故各類刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是光學(xué)投影和光柵數(shù)顯表相結(jié)合，前者用于瞄準(zhǔn)定位，而后者用于測(cè)量、讀數(shù)。整個(gè)過(guò)程需較多的人工參與，對(duì)操作人員的要求高，效率卻較低。幾年前誕生的新穎刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x把機(jī)器視覺(jué)、光柵技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件、，自動(dòng)控制技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，使傳統(tǒng)的工作方式發(fā)生了根本變化，無(wú)論在測(cè)量精度、操作方便和工作效率上都有了極大的提高。而主要原因就是以機(jī)器視覺(jué)替代了傳統(tǒng)的光學(xué)投影，從而徹底改變了原有的工作模式。
在這種新穎儀器中，作為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的z軸、x軸和C(回轉(zhuǎn))軸內(nèi)，分別裝有直線光柵和圓光柵。被測(cè)刀具沿轉(zhuǎn)臺(tái)中心線、即c軸安裝。機(jī)器視覺(jué)傳感器位于叉形支架兩側(cè)，也就是跨越轉(zhuǎn)臺(tái)的中心線。支架的一端安放光源，另一端是攝像頭，被測(cè)刀具圖像由攝像頭讀取。
3 機(jī)器視覺(jué)用于工件表面缺陷檢測(cè)
工件表面缺陷、如連桿大小頭結(jié)合面的破口缺損是在制造過(guò)程中形成的，對(duì)表面缺陷的探測(cè)在批量生產(chǎn)的汽車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)等行業(yè)，迄今基本都采用人工目測(cè)方法。這樣的方法不但效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且對(duì)工藝標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的定量評(píng)定要求往往難以準(zhǔn)確執(zhí)行，從而影響對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的有效監(jiān)控。以連桿結(jié)合面爆口為例，其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的具體要求如
下：
(1)破口面積小于3mm2；
(2)破口任一方向的線性長(zhǎng)度小于2．5mm。
只要符合上述一個(gè)條件，就將判定不合格而被剔除。
必須指出，與以上精密測(cè)量中機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用的透射方式(又稱“背光”方式)不同，用于表面缺陷探測(cè)時(shí)，需采取圖3所示的反射方式。
圖3缺陷探測(cè)原理示意圖
如圖3所示，本系統(tǒng)通過(guò)二個(gè)方形框式LED漫反射光源照亮待檢測(cè)工件的破口區(qū)域，光線照射到對(duì)象表面后，反射到攝像頭內(nèi)的光電耦合CCD元件上，即轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電量信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)電量信號(hào)對(duì)得到的圖像進(jìn)行分析和計(jì)算，最終得到所需的數(shù)據(jù)。如前所述，CCD元件可理解為一個(gè)由感光像素組成的點(diǎn)陣。其每一個(gè)像素都一一對(duì)應(yīng)了對(duì)象的二維圖像特征，即通過(guò)對(duì)像素點(diǎn)成像結(jié)果的分析可以間接分析對(duì)象的圖像特征。比如通過(guò)對(duì)二值化圖像中的成像像素個(gè)數(shù)的計(jì)算，可以得到相應(yīng)的對(duì)象的長(zhǎng)度值和面積值。
系統(tǒng)將得到的圖像進(jìn)行二值化處理后，把二值圖像作為對(duì)象進(jìn)行迸一步的計(jì)算分析。本系統(tǒng)在實(shí)際使用中，對(duì)于灰度的二值化閾值和光源的設(shè)定采用比對(duì)的方法實(shí)現(xiàn)。具體方法為：用已知的樣件作為標(biāo)定的參照物。把已知的參照物測(cè)量值除以參照物對(duì)應(yīng)的像素值，即可得到像素與實(shí)際值之間的對(duì)應(yīng)比例值。通過(guò)調(diào)整光源亮度以及系統(tǒng)的二值化閾值，對(duì)灰度的二值化閾值進(jìn)行優(yōu)化，保證系統(tǒng)對(duì)對(duì)象邊界具有相對(duì)較高的分辨率，即優(yōu)化后的二值化閾值和光源可以使邊界的變化產(chǎn)生盡量大的像素值變化。
圖4檢測(cè)位置示意圖
圖5系統(tǒng)組成
根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特征(工件形狀、被測(cè)部位)和要求，參照視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)品的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并按照所完成的設(shè)計(jì)，將能方便地選取合適的圖像檢測(cè)單元(器件)，組成相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)。以連桿結(jié)合面爆口為例，其系統(tǒng)的檢測(cè)要求如圖4所示，即分別檢測(cè)互為15。夾角的A．B．C三個(gè)(連桿側(cè)面的)破口面，最終以三個(gè)檢測(cè)結(jié)果中的最大值作為破口的真實(shí)值，進(jìn)行判斷后并輸出結(jié)果。圖5為該系統(tǒng)組成示意圖，其中：
(1)CCD攝像頭用于采集破口圖像并轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。結(jié)合面的破口缺損面積均不大于15*15ram，根據(jù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表選取“視野”為20．0×21．4nun，由于CCD感光元件為512*480的像素點(diǎn)陣，故X軸向分辨率為21．4／512=0．0417ram／pixel，Y軸向分辨率為20．01480=0．0417mm／pixel。鏡頭選用松下電工的ANN847L鏡頭，此鏡頭焦距為f=50ram景深較大，可保證成像更為清晰。
(2)LED光源用于提供穩(wěn)定的、均勻的照明，保證取像質(zhì)量。光源有熒光燈、鹵素?zé)�、激光和LED光源等多種類型。綜合考慮光源的性價(jià)比，選用CCS公司120×120ram的框型紅色LED光源進(jìn)行軸向照明O LED光源的特點(diǎn)是半衰期長(zhǎng)、照明穩(wěn)定，而且功耗低(6w)可頻繁開(kāi)關(guān)、易于控制。
(3)圖像處理單元的用途是根據(jù)需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理、分析，同時(shí)把分析結(jié)果和圖像系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過(guò)RS232接口傳向PIE提供信號(hào)輸出和數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)使用松下公司的MultiCheckerVll0嵌入式圖像處理系統(tǒng)，集圖像處理和輸出為一體。嵌入式圖像處理系統(tǒng)的特點(diǎn)是處理器體積小(8．4×4．0×12cm)，功耗低(24Ⅵ)℃，O．7A)，而且環(huán)境適應(yīng)性好，能在環(huán)境溫度50。C的條件下連續(xù)工作。
(4)PLC：控制整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的執(zhí)彳{�。�，同時(shí)也對(duì)圖像處理單元傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和判斷。本系統(tǒng)選用西門子公司的s7．226MX。
(5)監(jiān)示器作為人機(jī)交互界面，顯示圖像處理系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果。
4 圖像識(shí)別在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用
用于圖像識(shí)別的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的檢測(cè)原理雖然與以上表面缺陷探測(cè)相似，但作用、目的完全不同。且相比之下，即使在國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)中的應(yīng)用也較前兩個(gè)領(lǐng)域?yàn)槎唷Ｔ诋a(chǎn)品或包裝上打標(biāo)識(shí)、粘貼徽記，乃至在輸送托(盤)架做上標(biāo)記是企業(yè)生產(chǎn)中常用的做法，而現(xiàn)代工業(yè)則已越來(lái)越多地采取讓最終產(chǎn)品、甚至半成品(零部件)帶有用于識(shí)別的一維、二維條碼。在大批量生產(chǎn)條件下，如何對(duì)它們識(shí)別、判斷?若依靠人工肉眼檢查，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，也難免錯(cuò)檢漏判。另一方面，在生產(chǎn)線、特別是其中那些裝配工序的運(yùn)行中，為正確完成規(guī)定的要求，往往也需解讀一維、二維條碼或識(shí)別某些印刷字體；此外，很多情況下，對(duì)零件的姿態(tài)、位置(方向)也必須進(jìn)行辨識(shí)，特別在采用選擇裝配方式時(shí)。
電子標(biāo)簽也是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它采用機(jī)器視覺(jué)的識(shí)別技術(shù)，將涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的各種質(zhì)量信息通過(guò)讀寫器無(wú)線寫入標(biāo)簽或讀出。在有些發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的輸送裝置(托盤)上安裝有一個(gè)電子標(biāo)簽，而每個(gè)加工或裝配工位則布置有一個(gè)讀寫器。讀寫器與PLC或計(jì)算機(jī)相連。
4.1 活塞在缸體內(nèi)的裝配
圖像識(shí)別技術(shù)在用于“活塞一缸體裝配工序”時(shí)。其主要環(huán)節(jié)包括：判斷缸體到位并做好檢測(cè)準(zhǔn)備；探測(cè)缸體上緣(準(zhǔn)確到位的標(biāo)志)，如果未發(fā)現(xiàn)該特征部分，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)；在檢測(cè)系統(tǒng)中建立坐標(biāo)系；識(shí)別這樣三項(xiàng)內(nèi)容：活塞的有無(wú)，活塞位置的正確性(確切地講是“方位”)，活塞頂部表面的標(biāo)識(shí)和字符一用于表明型號(hào)、選擇裝配時(shí)的組別及其它相關(guān)含義。
整個(gè)檢測(cè)、識(shí)別過(guò)程如下：發(fā)動(dòng)機(jī)被翻轉(zhuǎn)、裝入活塞，輸送系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)隨托盤向檢測(cè)工位移動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)即將到達(dá)檢測(cè)工位時(shí)，由電子標(biāo)簽讀寫器驗(yàn)明其“身份”，然后發(fā)信號(hào)給PLC；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)檢測(cè)工位，接近開(kāi)關(guān)觸發(fā)，PLC給機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)出工作指令；如果活塞在缸體內(nèi)的裝配正確，視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)信給PLC，然后寫入電子標(biāo)簽，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)流向下一工位。如果活塞裝配有錯(cuò)，則視覺(jué)系統(tǒng)提示PIE，并通過(guò)人機(jī)界面報(bào)警，顯示屏將指示哪一缸的活塞裝配有錯(cuò)、何種錯(cuò)誤。操作者確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果后，通過(guò)使人機(jī)界面PIE發(fā)出指令，將結(jié)果寫入電子標(biāo)簽，并且將發(fā)動(dòng)機(jī)直接輸送到返修區(qū)域進(jìn)行返修。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程全部自動(dòng)完成，只是在出現(xiàn)裝配錯(cuò)誤、發(fā)出報(bào)警時(shí)才由人工干予。
4.2 主軸承蓋在缸體上的裝配
在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體生產(chǎn)線，主軸承蓋在缸體上的裝配是又一個(gè)典型示例。5個(gè)主軸承蓋的前端部呈不同的臺(tái)階狀，各不相同。通過(guò)每個(gè)零件上的數(shù)字標(biāo)識(shí)，按規(guī)定順序和方向安裝。由于零件混雜、數(shù)量又大，常發(fā)生錯(cuò)裝現(xiàn)象，導(dǎo)致下道工序產(chǎn)生廢品。
為此，在生產(chǎn)線的擰緊裝配工位和翻轉(zhuǎn)工位之間設(shè)置一檢測(cè)工位，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別，判斷裝配結(jié)果的正確性。若全部正確，則缸體繼續(xù)流向下一工位，否則報(bào)警并給PLC發(fā)出指令，使生產(chǎn)線停機(jī)，將有問(wèn)題的缸體下線返修。為了適應(yīng)l件／分鐘的裝配節(jié)拍，采用在缸體移動(dòng)過(guò)程中檢測(cè)，2個(gè)光電視覺(jué)傳感器分別前后布置在生產(chǎn)線的上方和一側(cè)。前一個(gè)為零件定位傳感器，用以自動(dòng)準(zhǔn)確地觸發(fā)采樣，后一個(gè)用于動(dòng)態(tài)識(shí)別5個(gè)主軸承蓋的表面幾何形狀。根據(jù)預(yù)先置入的各主軸承蓋特征參數(shù)和采集到的傳感器輸出信號(hào)，可確定是否裝錯(cuò)并指示具體出錯(cuò)位置。
整個(gè)檢測(cè)、識(shí)別過(guò)程為：缸體在完成主軸承蓋的擰緊工序后，沿輥道向檢測(cè)工位移動(dòng)，而兩側(cè)導(dǎo)軌的約束作用，保證了零件自動(dòng)找正位置。當(dāng)進(jìn)入檢測(cè)工位時(shí)，定位傳感器首先探測(cè)到第1主軸承蓋邊緣，隨即由另一個(gè)傳感器識(shí)別其前端部的幾何形狀，經(jīng)控制器采樣、處理；然后缸體繼續(xù)前移，對(duì)第2一第5個(gè)主軸承蓋進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。通過(guò)與預(yù)置值比較，就可對(duì)有否錯(cuò)裝零件作出判斷。每次探測(cè)都有計(jì)數(shù)和顯示，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程在缸體輸送移動(dòng)中完成，不必額外增加檢測(cè)時(shí)間。
5 結(jié)束語(yǔ)
圖像檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性一般可以通過(guò)準(zhǔn)確性指標(biāo)和重復(fù)性指標(biāo)來(lái)衡量。以用于連桿表面缺陷檢測(cè)的專用設(shè)備為例，用戶要求的準(zhǔn)確性指標(biāo)為：評(píng)價(jià)值<10％(評(píng)價(jià)值=最大偏差值，樣板標(biāo)準(zhǔn)值)，重復(fù)性指標(biāo)為：極差值≤10％缺陷公差(極差值為連續(xù)lO次測(cè)量值中最大值與最小值的差值)。用于上海大眾的一臺(tái)專用設(shè)備經(jīng)過(guò)測(cè)評(píng)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性指標(biāo)僅為評(píng)價(jià)值的O．04％，重復(fù)性指標(biāo)為缺陷公差的4．0％，均達(dá)到要求，而且系統(tǒng)還有一定的潛力可進(jìn)行更高級(jí)別的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
總的來(lái)說(shuō)，圖像檢測(cè)系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，大大提高了工藝運(yùn)行質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)在不少國(guó)內(nèi)大企業(yè)的成功應(yīng)用，展現(xiàn)了良好的前景。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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