視覺系統(tǒng)在工業(yè)自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用

周敬業(yè)

摘 要

在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中，會有各種各樣的產(chǎn)品需要測量和檢測，例如包裝產(chǎn)品上文字印刷質(zhì)量的檢查，機(jī)械加工尺寸的檢測等。這種生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用有著共通點(diǎn)，就是產(chǎn)品會大批量生產(chǎn)、而生產(chǎn)過程質(zhì)量的要求嚴(yán)格。現(xiàn)在企業(yè)對這樣重復(fù)性和精確性的工作崗位都是靠人工檢測完成，所以在一些企業(yè)生產(chǎn)線上都會看到很多檢測工人在進(jìn)行產(chǎn)品的檢測工作，這不單為企業(yè)添加了用工的成本和管理成本，同時(shí)還不能保證產(chǎn)品的100%合格率。因此在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)線上引入機(jī)器人視覺技術(shù)是很有必要的。

【關(guān)鍵詞】視覺 自動化 生產(chǎn)

1 視覺系統(tǒng)概述

視覺系統(tǒng)就是給機(jī)器或生產(chǎn)設(shè)備添加一套視覺系統(tǒng)。隨著圖像處理和模式識別等技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的圖像處理器和一些視覺設(shè)備以代替人來完成幾乎所有的信息處理。計(jì)算機(jī)的視覺系統(tǒng)是由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及信息綜合分析處理系統(tǒng)構(gòu)成。

在現(xiàn)代生產(chǎn)線上，人工在產(chǎn)品檢測過程中難免會出現(xiàn)視覺疲勞、每個(gè)人的判斷差異會導(dǎo)致出現(xiàn)不同程度的誤差，機(jī)器人視覺系統(tǒng)就不會存在上述問題。機(jī)器人視覺系統(tǒng)包括了光照系統(tǒng)、鏡頭系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)組成。對于每一個(gè)應(yīng)用都需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像頭、檢測目標(biāo)的尺寸、檢測目標(biāo)有無缺陷、視覺場地需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能來說，一般的機(jī)器人視頻系統(tǒng)分為：圖像采集、圖像處理和運(yùn)動控制等部分構(gòu)成。

1.1 傳統(tǒng)的人工存在的缺點(diǎn)

（1）傳統(tǒng)人工在檢測產(chǎn)品過程中會容易導(dǎo)致疲勞，或容易受外界的情緒影響，產(chǎn)品的結(jié)果誤差率保證；

（2）隨著工作環(huán)境的不斷變化，在很多受限制的場所中，不合適人工進(jìn)行工作。還有一些工作環(huán)境是對人會造成損害；

（3）人工對色彩的分辨能力比機(jī)器識別的強(qiáng)，但很容易受到個(gè)人的心理影響，導(dǎo)致精度低，不能確保準(zhǔn)確。

隨著科技的進(jìn)步，市場及客戶對產(chǎn)品的精密程度和質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)的定位方法已經(jīng)不能滿足用戶的需求。

1.2 視覺系統(tǒng)在生產(chǎn)線作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)

（1）分辨力強(qiáng)，能采集系統(tǒng)可具有10bit、12bit、16bit等灰度級，目前有8K的面陣攝像機(jī)，再通過各種不同級別光學(xué)鏡頭，可以檢測到很微小的誤差。

（2）對環(huán)境溫度、濕度適應(yīng)性強(qiáng)，在一些危險(xiǎn)場所作業(yè)，另外可加防護(hù)裝置。

（3）機(jī)器人視覺系統(tǒng)可以長時(shí)間對同一種產(chǎn)品進(jìn)行檢測，而能確保每次檢測的誤差得到一定的控制。

2 視覺系統(tǒng)的主要工作過程如下

2.1 圖像拍攝

在生產(chǎn)線上，檢測對象被檢測到在運(yùn)動攝像系統(tǒng)范圍內(nèi)，檢測器就會向圖像采集發(fā)送拍攝脈沖信號進(jìn)行拍攝。

2.2 圖像處理

2.2.1 圖像采集

光學(xué)系統(tǒng)采集圖像，將采集圖像數(shù)字化后的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計(jì)算機(jī)存儲器。

2.2.2 圖像處理

處理器運(yùn)用不同的計(jì)算法對圖像進(jìn)行處理、分析、識別、獲得重要的圖像要素。

2.2.3 特性提取

它使用計(jì)算機(jī)提取圖像信息，處理識別并量化圖像的關(guān)鍵特性，然后把重要數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。

2.2.4 判斷提取

處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并做出視覺系統(tǒng)的方案。

2.3 輸入輸出信號

處理器把處理結(jié)果傳送到控制器動作，進(jìn)行運(yùn)動糾正和誤差糾正等。

3 視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的應(yīng)用

在企業(yè)的生產(chǎn)過程中會有越來越多的設(shè)備運(yùn)用到機(jī)器視覺系統(tǒng)技術(shù)，機(jī)器視覺系統(tǒng)現(xiàn)可以代替人的肉眼來做檢測和誤差判斷。在設(shè)備零件加工檢測、文字檢測過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)將產(chǎn)品的檢測目標(biāo)轉(zhuǎn)換成特有的圖像信號，再傳送給計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，圖像處理器根據(jù)圖像的像素分布和明度、顏彩等信息，轉(zhuǎn)變成為數(shù)學(xué)信號；系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行計(jì)算從而抽取出目標(biāo)特征，控制器根據(jù)輸出結(jié)果來控制生產(chǎn)設(shè)備的動作。例如飲料生產(chǎn)線上的外觀、液位、蓋帽等檢測系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示，一個(gè)完型的機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)包括如下部分：光照源系統(tǒng)，鏡頭系統(tǒng)，CCD攝像機(jī)，圖像處理器，圖像處理軟件，控制輸入輸出系統(tǒng)和控制機(jī)構(gòu)等組成。現(xiàn)今視覺產(chǎn)品分為兩大類。

3.2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是將CCD、內(nèi)存、處理器和通訊設(shè)備壓縮在一個(gè)模塊里，性價(jià)比高，使用方便。

3.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是傳統(tǒng)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，有CCD攝像機(jī)、視覺采集卡、計(jì)算機(jī)等，現(xiàn)在主要使用，但價(jià)格昂貴。

3.3 系統(tǒng)軟件的使用

視覺系統(tǒng)的輸出信號并不是圖像信號，而是經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)算處理過后的數(shù)字化信號，例如尺寸數(shù)據(jù)信號、顏色數(shù)據(jù)信號。控制處理器PC和PLC實(shí)時(shí)獲得計(jì)算機(jī)算圖像處理后的結(jié)果，并把執(zhí)行相應(yīng)的控制動作處理。

機(jī)器視覺系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境可分為PC系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)。由于PC的運(yùn)行系統(tǒng)的開放性和靈活性，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)總體成本較低，現(xiàn)大部分都是由PC來構(gòu)成機(jī)器視覺系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)有高性能圖像處理器和圖片捕獲卡，可接多個(gè)鏡頭，在軟件方面有Windows環(huán)境下的C/C++編程，可視化控件activeX提供了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，可以根據(jù)不同的需求開發(fā)出不同的應(yīng)用。

在PLC系統(tǒng)中，機(jī)器人視覺的作用更像一個(gè)智能傳感器，圖像處理系統(tǒng)需要單獨(dú)配置，再通過串行總線和I/O與PLC互相通信。視覺系統(tǒng)硬件會利用高速ASIC或嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，系統(tǒng)的處理軟件固定在圖像處理器中，通過簡單的鍵盤操作進(jìn)行配置。

4 視覺系統(tǒng)的發(fā)展

機(jī)器人視覺應(yīng)用系統(tǒng)可分為三個(gè)時(shí)代。第一個(gè)時(shí)代視覺機(jī)器人的功能比較簡單，一般是按設(shè)計(jì)人員規(guī)定的流水動作對圖像進(jìn)行處理并輸出結(jié)果。這種系統(tǒng)一般比較簡單，主要用于產(chǎn)品缺陷的檢測。第二個(gè)時(shí)代視覺機(jī)器人一般由計(jì)算機(jī)、圖像處理設(shè)備和控制輸出硬件構(gòu)成。在進(jìn)行圖像視覺的處理過程中還會有一定學(xué)習(xí)能力。第三個(gè)時(shí)代視覺機(jī)器人系統(tǒng)是目前國際主流的開發(fā)使用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)會采用一些高速圖像處理芯片、并行算法，具有智能性和高度的適應(yīng)性，能模擬人的視覺功能并能快速提取復(fù)雜的信息。

現(xiàn)在國內(nèi)機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，從而在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)領(lǐng)域上引入機(jī)器人視覺技術(shù)是很有必要的，如：印刷、制藥、加工等領(lǐng)域。將會極大的提高了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和速度，最大限度的保證了人身安全和運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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作者單位

珠海市技師學(xué)院 廣東省珠海市 519000endprint