1.引言

現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監(jiān)視和零件識別應用，如汽車零配件批量加工的尺寸檢查和自動裝配的完整性檢查、電子裝配線的元件自動定位、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，依靠肉眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進行，其它物理量傳感器也難以勝任。人們開始考慮用CCD照相機抓取圖像后送入計算機或?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的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機器視覺測試技術(shù)的概念。

視覺測試技術(shù)是建立在計算機視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興測試技術(shù)。與計算機視覺研究的視覺模式識別、視覺理解等內(nèi)容不同，視覺測試技術(shù)重點研究的是物體的幾何尺寸及物體的位置測量，如轎車白車身三維尺寸的測量、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測量、逆向工程等主動、實時測量過程。視覺測試技術(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90％的檢測任務將由視覺測試系統(tǒng)來完成。因此僅在80年代，美國就有100多家公司躋身于視覺測試系統(tǒng)的經(jīng)營市場，可見視覺測試系統(tǒng)確實很有發(fā)展前途。在近幾屆北京國際機床展覽會上已經(jīng)見到國外企業(yè)展出的應用視覺檢測技術(shù)研制的先進儀器，如流動式光學三坐標測量機、高速高精度數(shù)字化掃描系統(tǒng)、非接觸式光學三坐標測量機等。

2.機器視覺測試系統(tǒng)構(gòu)成、分類及工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

（1）系統(tǒng)構(gòu)成

典型的視覺系統(tǒng)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(jiān)視器、通訊／輸入輸出單元等。

（2）工作原理

視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號，而是經(jīng)過運算處理之后的檢測結(jié)果（如尺寸數(shù)據(jù)）。通常，機器視覺測試就是用機器代替肉眼來做測量和判斷。

首先采用CCD照相機將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，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。圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等。最后，根據(jù)預設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格、有/無等。上位機（如PC和PLC）實時獲得檢測結(jié)果后，指揮運動系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應的控制動作（如定位和分類）。

2.2 系統(tǒng)分類

從視覺系統(tǒng)的運行環(huán)境分類，可分為PC—BASED系統(tǒng)和PLC—BASED系統(tǒng)。基于PC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，同時系統(tǒng)總體成本較低。PC—Based系統(tǒng)內(nèi)含高性能圖像采集卡，一般可接多個鏡頭，并提供庫函數(shù)支持。目前世界一流的PC—Based視覺系統(tǒng)生產(chǎn)廠商美國Data Translation公司，其MACH 系列（如DT3155）和MV系列PC I工業(yè)視覺卡已經(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?qū)ο蟮臋C器視覺組態(tài)軟件，用戶可用它快速開發(fā)復雜高級的應用。類似的還有美國NI公司，該公司將機器視覺和運動控制功能與其被廣泛應用的Labview虛擬儀器軟件相結(jié)合，效果顯著。

與美國公司大力發(fā)展PC結(jié)構(gòu)相比，日本和德國公司在PLC—Based系統(tǒng)方面走在前列。在PLC系統(tǒng)中，視覺的作用更像一個智能化的傳感器，圖像處理單元獨立于系統(tǒng)，通過串行總線和I/O與PLC交換數(shù)據(jù)。日本松下公司的Image Checker M100/M200系統(tǒng)可說是這方面的代表。該系統(tǒng)利用高速專用ASIC進行256級灰度檢測，帶邏輯條件和數(shù)學運算功能。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)視器中的菜單進行配置，開發(fā)周期短，系統(tǒng)可靠性高，其新一代產(chǎn)品A1 10/A210體現(xiàn)了集成化、小型化、高速化和低成本的特點。歐姆龍、Keyence等公司也有類似的系統(tǒng)，但在技術(shù)性能上相對簡單，更適用于進行有無判別或形狀匹配等。而德國Siemens公司的智能化PROFIBUS工業(yè)視覺系統(tǒng)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集成在一個機箱內(nèi)，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PCWINDOWS下的Pro Vision軟件進行組態(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(shè)計結(jié)合在一起，使得西門子在PC和PLC體系之間找到了完美的平衡。

3.機器視覺測試系統(tǒng)的典型應用領(lǐng)域及市場現(xiàn)狀

現(xiàn)代視覺理論和技術(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、光學和計算機等技術(shù)不斷成熟和完善的基礎(chǔ)上，視覺技術(shù)這個新興技術(shù)門類也得到迅速發(fā)展。

機器視覺的特點是自動化、客觀性、非接觸和高精度。與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機器視覺系統(tǒng)強調(diào)的是精度、速度以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。機器視覺特別適用于大批量生產(chǎn)過程中的質(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、制藥、電子與電氣、制造、包裝、食品、飲料、醫(yī)學等領(lǐng)域，用于對汽車儀表盤加工精度的檢查、高速貼片機上對電子元件的快速定位、對管腳數(shù)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缺陷的檢查、軸承生產(chǎn)中對滾珠數(shù)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(yī)療方面對細胞數(shù)量和性質(zhì)的判斷等。由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，易于自動處理，也易于與設(shè)計信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度，在一些不適合人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，采用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量不僅效率低而且精度不高，而用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度；此外，機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。國際上視覺系統(tǒng)的應用方興未艾，僅1998年的市場規(guī)模已達46億美元，而在國內(nèi)，工業(yè)視覺系統(tǒng)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)自動化的問題以后，才開始將目光轉(zhuǎn)向視覺測量自動化。

4.機器視覺測試系統(tǒng)在檢測方面的應用

機器視覺系統(tǒng)在工業(yè)在線檢測的各個領(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(tǒng)的大型工件平行度、垂直度測量儀，它是以穩(wěn)定的準直激光束為測量基線，配以回轉(zhuǎn)軸系，旋轉(zhuǎn)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行比較。在加工或安裝大型工件時，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(shù)在線動態(tài)檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)以頻閃光作為照明光源，利用面陣和線陣CCD作為螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測器件，實現(xiàn)熱軋螺紋鋼幾何參數(shù)在線測量的動態(tài)檢測。

（3）軸承狀態(tài)實時監(jiān)控

采用視覺技術(shù)實時監(jiān)控軸承的負載和溫度變化，消除過載和過熱的危險。該技術(shù)將傳統(tǒng)的通過測量滾珠表面來保證加工質(zhì)量和安全操作的被動式測量變?yōu)橹鲃颖O(jiān)控。

（4）基于機器視覺的儀表板總成智能集成測試系統(tǒng)

汽車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，出廠前需要進行一次質(zhì)量終檢。檢測項目包括速度表等五個儀表指針的指示誤差，24個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，不能滿足自動化生產(chǎn)的需要。機器視覺測試技術(shù)的智能集成測試系統(tǒng)改變了這種現(xiàn)狀，實現(xiàn)了對儀表板總成智能化、全自動、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）金屬板表面自動探傷系統(tǒng)

在對表面質(zhì)量要求很高的特殊大型金屬板進行檢測時，原始的檢測方法是采用人工目視或用百分表加探針進行檢測，該方法不僅易受主觀因素的影響，而且可能給被測表面帶來新的劃傷。金屬板表面自動探傷系統(tǒng)利用機器視覺測試技術(shù)對金屬表面缺陷進行自動檢查，可在生產(chǎn)過程中高速、準確地進行檢測，同時由于該系統(tǒng)采用非接觸式測量，避免了產(chǎn)生新劃傷的可能。該系統(tǒng)采用激光器作為光源，通過針孔濾波器濾除激光束周圍的雜散光，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三個方向上移動，攝像機采用TCD142D型2048線陣CCD，鏡頭采用普通照相機鏡頭，CCD接口電路采用單片機系統(tǒng)。PC主機主要完成圖像預處理及缺陷的分類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RS.232口進行雙向通訊，構(gòu)成人機交互式數(shù)據(jù)采集與處理。該系統(tǒng)主要利用線陣CCD的自掃描特性與被檢鋼板在x方向的移動相結(jié)合，提取金屬板表面的三維圖像信息。

（6）汽車車身輪廓尺寸精度檢測系統(tǒng)

英國ROVER汽車公司800系列汽車車身輪廓尺寸精度的100％在線檢測，是機器視覺系統(tǒng)用于l3l工業(yè)檢測中的一個典型實例。該系統(tǒng)由62個測量單元組成，每個測量單元包括一臺激光器和一個CCD攝像機，用以檢測車身外殼上288個測量點；汽車車身置于測量框架下，通過軟件校準車身的精確位置。每個激光器、攝像機單元均在離線狀態(tài)下經(jīng)過校準，同時還有一個在離線狀態(tài)下用三坐標測量機校準過的校準裝置用以對攝像機進行在線校準；檢測系統(tǒng)以每40秒檢測一個車身的速度，可檢測三種類型的車身；系統(tǒng)將檢測結(jié)果與從CAD模型中提取出來的合格尺寸相比較，測量精度為±0.1mm。ROVER公司的質(zhì)量檢測人員用該系統(tǒng)來判別關(guān)鍵部分的尺寸一致性，如車身整體外型、車門、玻璃窗口等。檢測實踐證明，該系統(tǒng)可成功進行800系列汽車車身輪廓尺寸精度的在線檢測，并將用于檢測ROVER公司其它系列的車身輪廓尺寸精度。

（7）奧迪白車身表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)

奧迪公司最近研制成功了一種能夠?qū)Π总嚿肀砻嫒毕葸M行全自動檢測的系統(tǒng)，取名為“智能控制白車身表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)”。該檢測系統(tǒng)綜合采用了投影光柵直接相位采集、高速數(shù)字圖象處理、表面缺陷圖象模式自動識別、智能化質(zhì)量判斷、自適應系統(tǒng)學習技術(shù)、高速數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)、松散化自調(diào)節(jié)軟硬件結(jié)構(gòu)以及機器人系統(tǒng)控制技術(shù)，可以在傳動速度為5m/min的生產(chǎn)線上，對焊裝完畢的白車身進行100％的在線檢測。整車檢驗時間為1分20秒。通過自動測試與分析，將過去靠肉眼無法分辨的表面缺陷直接標記在車身上，使白車身進入噴漆工序之前即可對缺陷處進行打磨，節(jié)省了表面噴涂過程中的打磨工序，既節(jié)約了大量制造成本，同時又提高了車身的表面質(zhì)量。

此外，在許多其它方法難以檢測的場合，利用機器視覺系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)。機器視覺的應用正越來越多地代替人去完成許多工作，這無疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動化水平和檢測系統(tǒng)的智能水平。

5.機器視覺系統(tǒng)與CMM的集成

隨著國際市場競爭的加劇，各國的制造企業(yè)越來越清楚地認識到，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，是決定企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營成敗的關(guān)鍵。隨著市場環(huán)境的多樣化，企業(yè)對龐大的與質(zhì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)的采集、處理和傳遞提出了更高的要求，更具柔性和自動化的CAQ系統(tǒng)呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：①在必要的情況下，CAQ系統(tǒng)可以100％地檢測產(chǎn)品，而不像現(xiàn)在普遍采用的抽樣檢測；②將檢測規(guī)劃集成到加工過程中，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在檢測時確定產(chǎn)品相對于標準尺寸的偏差，并在線糾正，因此，可獲得近100％的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；③機器視覺和先進的圖像處理技術(shù)、逆向工程技術(shù)已廣泛地應用于自動化檢測，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(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)可將新的產(chǎn)品技術(shù)要求直接從CAD/CAM數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)中，不需要操作人員編制特殊的程序。

機器視覺和逆向工程等技術(shù)的發(fā)展及其與CMM的集成，可以進一步提高CMM的測量效率。對于具有原始CAD模型的測量對象，可以利用機器視覺系統(tǒng)，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(zhuǎn)換，幫助CMM實現(xiàn)檢測路徑自動形成與測量結(jié)果判斷。機器視覺系統(tǒng)將采集到的信息傳輸?shù)接嬎銠C，同時計算機控制視覺系統(tǒng)的操作，另一方面計算機將生成的檢測規(guī)劃傳輸?shù)紺MM控制器中，由該控制器控制CMM測量，再將測量結(jié)果反饋回主控計算機，形成閉環(huán)反饋檢測系統(tǒng)。

為了生成檢測規(guī)則，利用CAD/CAM數(shù)據(jù)庫中所存在的信息，將機器視覺得到的圖像數(shù)據(jù)與CAD數(shù)據(jù)進行匹配，自動確定工件位置，選定檢測項目、檢測點和檢測路徑；確定測量點的方法是：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；最后生成CMM的測量指令傳輸?shù)紺MM控制器上，開始測量。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)，即通過對機器視覺系統(tǒng)所采集到的測量點的三維坐標進行處理，重建該物體的CAD模型。

6.結(jié)語

機器視覺測試系統(tǒng)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，視覺系統(tǒng)涉及到光學和圖像處理算法，本身就是高度專業(yè)化的產(chǎn)品，在整個測量控制系統(tǒng)中，往往要與運動控制系統(tǒng)配合完成位置和進給控制。另外，生產(chǎn)線上對多工序進行同步連續(xù)檢測時，必須使視覺系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機器視覺與運動控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等先進技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動化生產(chǎn)的面貌。隨著機器視覺技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預計，它將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應用。

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