機器視覺技術在機械制造及其自動化中的應用

楊樹軍 蘇世卿

（新鄉職業技術學院 河南省新鄉市 453006）

近年來，基于普遍應用自動化技術的影響下，有關技術體系愈加成熟。通過自動化技術生產產品能夠減小機械生產的人工成本，并且提升生產質量和效率，引導企業提高經濟效益。然而，縱觀自動化技術的實際應用現狀而言，當今機械制造領域的自動化技術應用仍然面臨很大的缺陷，其中人為因素是造成相關問題的主導因素。想要很好地優化這種現狀，機械制造務必緊跟社會發展的節奏，清楚機器視覺技術的價值，以機械制造技術進行機械制造生產，進而實現機械制造自動化水平的深入提升，奠定我國現代化工業發展的良好基礎。下面，筆者主要對機器視覺技術及其在機械制造自動化中的應用問題進行了簡要地闡述。

1 機器視覺技術概述

機器視覺技術囊括了很多學科的技術，其中涵蓋圖像分析和處理、計算機技術、生物學、人工智能、物理學等[1]，此技術重點對人的功能視覺進行模仿，在機械制造自動化生產流水線上，視覺系統結合攝像機的錄制以及傳輸作用建構線上物品為一定的形象，以及在處理系統中傳輸和處理信息，以填充物品圖案、亮度、色彩，然后在分析之后向數字信號轉化，最終獲得相應的監測結果。

機械制造自動化對有關指令的執行中存在一個十分關鍵的系統，即指揮系統，其執行的指標是監測結果，然后做出其它的一些有關指令及實現控制操作。機器視覺技術的檢測結果準確性高、噪音小，盡管該技術比較復雜，可是在自動化流水線生產中，只要求0.1s 的反應時間[2]，因此具備十分高的效率。即使在長時間運行或復雜環境條件下也能夠有效應用，其具備非常強的物品監測和信息化處理能力。總之，機器視覺技術的應用，可以提升產品生產質量和效率。基于科技的持續進步，機械制造領域的智能化水平不斷提升，人們可以應用機器視覺技術優化機械制造自動化過程。

2 機器視覺技術在機械制造自動化中的具體應用

隨著社會經濟的發展和科技的進步，機器視覺技術不斷進步，機械制造自動化中普遍地應用此技術，其具體應用如下所述。

2.1 機器視覺技術在機械制造工件檢測中的應用

（1）應用工件表面缺陷的檢測。當今在內燃機、摩托車、汽車等制造領域應用的主導檢測手段是人工目測，如此的手段勞動強度大、精確度小、效率低。而機器視覺技術的應用能夠實現檢測精確性與規范性的提升。CCD 攝像技術可以對工件表面缺陷進行檢測[3]，以及優化管理零件表面質量。例如，連桿結合面爆口以小于4mm2的坡口面積作為一般的檢測指標，以及所有方向坡口的線性長度應小于3mm，在檢測時結合CCD 攝像技術和LED 漫反射光源可以協同檢測坡口范圍，光線照射工件表面之后向CCD 元件中反射，且形成電量信號。然后結合機器視覺系統對發射與形成在CCD 元件上的圖像電量信號進行分析計算，在處理之后得到有意義的數據信息，最后二值化處理圖像以及對處理結果進行計算與分析。以固有樣件作為參照，能夠應用光源設定比對與灰度二值化閾值的處理方法[4]。在優化光源亮度及處理二值化閾值之后再優化處理灰度二值化閾值，以使機器視覺系統對對象邊界分辨率提升，最終結合優化之后光源亮度的邊界改變以及閾值形成的像素值取得檢測結果。

（2）激光機器視覺檢測系統的應用。外國的一些汽車制造、電子制造、機械制造等行業業已成功地應用激光機器視覺檢測系統進行一系列的檢測。而我國結合激光技術與CCD 攝像技術成功研制了視覺傳感器，可以對物象的三維坐標進行精確檢測，且在七秒之內檢測完汽車整體的輻射性，提高了100%的工作效率。

（3）應用于金屬板面的檢測。金屬板被廣泛地應用于機械制造中，首先對金屬板進行檢測，可以實現產品精度的提升。以往檢測中應用加控針需要跟金屬板面進行直接的接觸，這樣會使金屬板存在劃傷的風險性。而機器視覺技術應用遠程攝像的方式勿需跟金屬板面直接接觸，不但提高了檢測的精確性，而且不再對金屬板進行操作，并且可以對金屬板面綜合分析，且準確記錄信息，以及在顯像儀上呈現檢測得到的三維圖像，引導工作者精準定位金屬板瑕疵，且實時處理。

2.2 機器視覺技術在機械制造精密測量中的應用

（1）應用于零件尺寸的精密測量。基于計算機處理系統和CCD 攝像頭光學系統組成的檢測系統可以精密測量零件。首先在物象目標檢測位置上照射光源的平行光束，應用顯微光學鏡技術方式，可以在CCD 鏡面形成物象目標邊緣輪廓的圖像，結合計算機處理的手段能夠獲得物象目標邊緣輪廓，并且能夠重復測量存在物移的物象目標的邊緣輪廓，以及對重復測量之后的輪廓差值進行計算，以取得位移量，且充當物象目標尺寸值。當在線檢測具備簡單形狀、較小尺寸的物象目標的工件時適宜應用如此的技術。例如一系列電子接插件要求的生產效率和成品尺寸精確標準都比較高，機器視覺技術的應用可以實現0.01mm 級的成品尺寸精度。

（2）應用于刀具磨損的精密測量。由于受到外界因素的嚴重影響，造成難以提高刀具磨損測量的精確性。在以往測量刀具磨損時先將刀具卸下，而機器視覺技術提高了測量工作的便捷性。可以改進機器視覺系統，結合光纖技術將光源插入鏡頭周圍，以減小陰影形成的測量誤差，實現夾具轉動角度與范圍的提升及取像設備大小的降低，結合試驗明確最為理想的光線照射角度和強度，且取得最優拍攝視角，大大提升了機器視覺系統的應用范圍。結合刀具磨損前后面臨的橫向尺寸差對刀具磨損值進行精確地計算，以在線測量簡單幾何形狀的刀具，實現圖像處理過程的簡化和測量信噪比的減小，從而提升測量速度與精度。

（3）應用于工件預調測量。在以往應用光學投影定位進行工件預調測量、以光柵數顯表測量工件讀數，如此的測量技術要求投入較大的人力，并且需要具備較高的技術水平，工作效率也不高。機器視覺技術的應用可以生產先進的預調測量儀，從而有效統一計算機技術、光柵技術、機器視覺技術、自動控制技術，這實現了測量精度與效率的提升、操作程序的簡化。

（4）應用于逆向工程的測量。逆向工程是結合3D 測量儀測量一系列模型、樣品、工件等，取得輪廓坐標值，建構曲面且實現編輯和文件形式的轉換，且基于策略數據構建三維坐標圖，再結合加工得到要求的模具，也能夠結合迅速成型機生產樣品模型。最終模型的質量保障在于準確的三維測量數據。以CCD 光電技術和三角法能夠迅速測量輪廓視覺，而物象表面輪廓構造的測量介質是線結構光。激光可穿越振幅光柵系統，要么結合干涉儀形成干涉條紋，然后轉換測量目標為平面條紋構造進行投射，再結合條紋變形法生成改變值（物體表面深度和曲率）CCD 攝像系統提取條紋圖像之后能夠對物體表面構造改變進行分析。結合機器視覺系統可以把取得的圖像自由地轉換為數字信號、模擬信號、視頻信號[5]，且結合模擬信號數值予以像素化處理，讓圖像可以向三位模型或輪廓圖像轉換。如此的數字化處理方法可以通過很多像素的形式呈現計算機最后得到的圖像數據，各個像素具備特定坐標，且對應物體上的一系列點，結合灰度值表征像素。

2.3 機器視覺技術在機械制造工件定位中的應用

機器視覺技術的應用可以精確地定位處理被加工零件，僅僅要求安裝攝像機就能夠在自動化設備上自動定位被加工零件，以及還能夠自動卸料，切實使無人化操作實現，大大提升機械制造的自動化水平。一般而言，定位精確受到攝像機像素以及數量、定位時間的影響，應全面兼顧成本和定位需要應用適宜數量的攝像機，這樣不但能夠實現工作目標，而且節省了成本支出。例如，確定定位時間為2s，應用的攝像機像素為100 萬，平面工作臺面積是300×300的條件下，使用1 個攝像機能夠達到0.1mm 的定位精度，而使用兩個攝像機能夠達到0.05mm 的定位精度，以及使用3 個攝像機能夠達到0.02mm 的定位精度。總之，有關工作者只要根據實際需要對定位精度進行確認即可。

2.4 機器視覺技術在機械制造機器人自動焊接中的應用

在很多領域，機器視覺技術都具備非常關鍵的應用作用，其可以提升自動焊接效率，也可以確保焊接的安全系數的增加，焊接機器人可開展可視化分析工作，并且感知焊接過程以及明確焊接位置等。對于機器視覺技術在機器人自動焊接中的應用而言，其重點是結合圖像采集軟件進行工作。機器視覺技術的應用可以提高機械制造的自動化水平，以及在進行焊接時，可以通過該技術檢測熔池形狀和控制熔透等，這都有利于順利地開展焊接工作，且奠定之后生產工作的良好基礎。在目前，我國應用的機器視覺技術重點體現在汽車、航天等領域，這一系列領域對機械制造的標準和要求比較高，要求各個環節都嚴格根據標準進行，即使面臨較小的失誤，也會造成最后結果狀態的不標準。而在焊接中機器視覺技術具備非常重要的作用和無可替代的價值，可以用機器人焊接取代傳統的人工焊接，并且提升機器人焊接的精度和安全性，以及完善人工操作面臨的缺陷，例如在惡劣的環境狀況下，機器視覺技術可以獲取一維到三維的數據[6]，這都是人工方式難以完成的操作，并且機器視覺技術能夠有效整合獲取的數據，以服務于機械自動化生產工作，切實使機器人自動焊接實現，保障生產的正常開展。當然，機器人焊接工作還要求我們進一步探究，在機器人焊接中應用機器視覺技術也存在一些難以攻克的難題，有關工作者需要不斷摸索和實驗，提高應用的智能化水平以及可控性和穩定性。

3 結論

綜上所述，基于科技的不斷發展，機器視覺技術不斷進步，其被普遍地應用于機械制造自動化中，通過上述機器視覺技術在機械制造工件檢測、精密測量、工件定位、機器人自動焊接中的應用，能夠明確機器視覺技術的應用，不但確保了機械數據收集和處理效率、質量的提升，奠定了我國機械制造自動化迅速發展的堅實基礎，而且有利于其它新型產業的發展。為此，有關工作者應學習和掌握有關技術，進一步探究機器視覺技術的應用領域和完善技術體系，從而確保機械制造自動化領域的穩定與健康發展。