機器視覺技術及其在機械制造自動化中的應用分析

高衍慶

摘 要：機器視覺技術利用計算機系統(tǒng)中多項技術來代替當前監(jiān)控人員，對所監(jiān)控對象實施圖像理解與處理，目前在機械制造自動化生產(chǎn)的檢測與測量應用領域非常常見。本文就探討了機器視覺技術在機械制造自動化中的一些實際應用。

關鍵詞：機器視覺技術；機械制造自動化；工作原理；精密測量；檢測

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0036-01

當前，機器視覺技術完全可以代替人類肉眼來實現(xiàn)視覺觀察功能，甚至能夠進行更精確的視覺判斷與測量，借助計算機來對客觀三維世界中的各種目標對象實施有效識別。就目前已有的機器視覺技術來看，它的判斷靈敏度與測量精度都較高，而且判斷測量速度極快，噪聲低，且具有較強的抗電磁干擾能力，可以進行與計算機聯(lián)動的計算機信息數(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，機器視覺技術已經(jīng)全面普及于各個行業(yè)領域，尤其是在機械制造自動化領域發(fā)揮了巨大作用。

1 機器視覺系統(tǒng)的基本構成與工作原理

1.1 系統(tǒng)基本構成

機器視覺技術擁有獨立系統(tǒng)，它主要通過圖像攝取裝置來轉(zhuǎn)換被攝取目標，最終形成圖像信號，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。針對機器視覺系統(tǒng)的圖像系統(tǒng)可以利用精密計算來明確各種圖像目標特征，并根據(jù)這些特征來準確判斷目標對象內(nèi)容，基于視覺系統(tǒng)運行環(huán)境劃分出PC-Based與PLC-Based兩個系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

機器視覺系統(tǒng)并不輸出任何圖像視頻信號，它所輸出的是經(jīng)過特別運算處理后的檢測結果，例如設備的尺寸數(shù)據(jù)等等。作為肉眼測量判斷的替代者，它所采用的是CCD照相機，它將被攝取目標轉(zhuǎn)換為圖像信號，然后傳送給專用圖像處理系統(tǒng)進行亮度、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。系統(tǒng)會根據(jù)這些處理后的數(shù)字化信號的預設容許度來評判目標生產(chǎn)對象的相關尺寸、數(shù)量、長度、面積或位置等等，再利用PLC或PC等等上位機來進一步獲得檢測結果，控制諸如I/O系統(tǒng)或指揮運動系統(tǒng)進行相應的控制動作，促成設備工作流程[1]。

2 機器視覺技術在機械制造自動化中的應用

2.1 機器視覺技術在設備精密測量中的應用

對于設備零件尺寸的精密測量，當前許多企業(yè)都會采用機器視覺技術。因為在機器視覺系統(tǒng)中擁有專業(yè)的光學系統(tǒng)、計算機處理系統(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對象檢測部位，再配合顯微光學鏡組與攝像機面陣來呈現(xiàn)被測對象的邊緣部分，最后得出被測對象邊緣輪廓實際位置。如果在測量中被測對象發(fā)生位移，則要對被測對象的邊緣輪廓位置進行二次測量和圖像處理，并結合兩次測量來計算出位移量。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，這樣還可以計算出兩次測量的相應尺寸，提高測量精度。由于當前企業(yè)生產(chǎn)線采用大批量機械流水線生產(chǎn)模式，所以可以利用機器視覺系統(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施在線檢測過程，提高檢測效率?？陀^講，這種測量方法對于形狀偏簡單、尺寸偏小的設備元件非常適合。舉個例子，當前汽車電子產(chǎn)品中的電子接插件就應該采用這種精密測量方法，提高成品生產(chǎn)效率與尺寸精度。根據(jù)已有的實踐生產(chǎn)經(jīng)驗來看，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，其數(shù)量級更是能夠精確到0.01mm以內(nèi)。

在刀具磨損與預調(diào)測量過程中，機器視覺技術也有其用武之地，例如測量某些形狀、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)測量方法更加簡單，不需要將刀具卸下再測量刀具磨損程度，它所采用的是光源檢測法。首先確定光線照射強度與拍攝角度，將光源通過光線射入到鏡頭周圍，進而最大限度減小由陰影所造成的測量誤差。此時再自由轉(zhuǎn)動夾具調(diào)整角度，隨著轉(zhuǎn)動角度越來越大，成像設備尺寸就會越來越小，這間接提高了機器視覺系統(tǒng)的實際測量范圍。另外，通過對磨損刀具前后橫向尺寸差及磨損度的計算對比，也相應簡化刀具機械精密測量自動化的應用過程。經(jīng)過實踐表明，如果采用機器視覺技術來測量刀具磨損并預調(diào)測量過程，它的測量信噪比會降低到46dB左右，無論是測量速度還是測量精度都達到了較高水準。而且該系統(tǒng)技術還支持在線測量，非常方便。從常規(guī)技術應用角度來講，機器視覺技術更適合于精密測量那些常規(guī)形狀刀具，而不適于測量幾何形狀過于復雜的特殊刀具。

在刀具預調(diào)測量應用中，它突破了傳統(tǒng)中光學投影與光柵數(shù)顯表相結合的測量方式，而是采用機器視覺與光柵技術相結合，設計出了刀具預調(diào)測量儀技術，并融入了自動化控制思維，徹底顛覆了傳統(tǒng)測量方法，大幅度提高了測量的精度與簡易度，對刀具測量工作效率的提高也有很大幫助。

另外在逆向工程中，機器視覺測量技術也有應用，這里所提到的逆向工程主要針對現(xiàn)成工件進行測量。它會利用到3D數(shù)字化測量儀器技術，對逆向工程中的設備元件進行輪廓坐標值的快速準確測量，并基于編輯修改來調(diào)整建構它的曲面部分，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來制作樣品模型。在該精密測量技術體系中，它首先利用測量系統(tǒng)來測量樣品輪廓三維尺寸，并取得各點數(shù)據(jù)作為曲面處理予以加工，最終成型。當前，機器視覺系統(tǒng)也利用它的CCD照相機光電器件來進行基于三角法的快速輪廓視覺測量，再配合線結構光測量物體表面的基本結構輪廓。

綜上所述，機器視覺技術在設備精密測量領域的應用相當廣泛，它也豐富和強化了機械制造自動化技術應用過程，真正代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量技術，實現(xiàn)了高精度測量，非常值得推廣[2]。

2.2 機器視覺技術在設備檢測中的應用

除精密測量以外，機器視覺技術也能實現(xiàn)對于設備工件的有效檢測，例如它對與工件表面缺陷的檢測。在汽車生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)中，對于工件表面的傳統(tǒng)檢測方法還以人工目測為主，這種方法顯然效率低下且不夠精準，還有較大的勞動強度，對于汽車生產(chǎn)企業(yè)而言十分不利。如果采用機器視覺技術則更規(guī)范和精確，例如合理運用機器視覺系統(tǒng)中的CCD照相機技術，對產(chǎn)品表面缺陷進行檢測，也是為了優(yōu)化零件表面的質(zhì)量管理過程。在連桿結合面爆口的檢測過程中，它的常規(guī)評定標準為破口面積應該小于4mm2，任意方向的破口線性長度應該小于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漫反射光源配合機器視覺系統(tǒng)CCD照相機來合作檢測工件的坡口區(qū)域，將光線照射到工件表面并反射到照相機CCD元件上，形成電量信號。機器視覺系統(tǒng)會對CCD元件上所反射的的圖像電量信號進行分析計算，最終處理獲得有價值信息數(shù)據(jù)，再對圖像進行二值化處理，將處理過的二值化圖像作為結果對象實施針對性計算分析。從實際應用技術角度方面講，機器視覺系統(tǒng)在該技術流程中還采用到了灰度二值化閾值與光源，結合對比方法完成檢測過程。在檢測過程中，主要將汽車工件等已知內(nèi)容標定為參照物，用已知參照量測量值來對比參照物的實際像素值，最后得到汽車工件的表面缺陷對應比例值。然后再調(diào)整機器視覺系統(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結果能夠擁有較高水平的圖像分辨率，有效擴大工件表面的邊界光源像素值[3]。

3 結語

當前機器視覺技術已經(jīng)與加工制造領域緊密聯(lián)系起來，滿足了該領域中的諸多技術需求，甚至起到了決定性的生產(chǎn)技術應用作用。在未來，機器視覺技術將會更進一步刺激機械制造自動化領域的向前發(fā)展，促進自動化技術與智能化技術的相互結合，突破更多傳統(tǒng)技術應用領域，為人類制造業(yè)發(fā)展貢獻更多。

參考文獻

[1]何勇，孫釗，李華廈等.機器視覺技術及其在機械制造自動化中的應用[J].黑龍江科技信息，2016，（24）：119.

[2]白寧.淺談機器視覺技術及其在機械制造自動化中的應用[J].石化技術，2017，（3）：72.

[3]王暉.機器視覺技術及其在機械制造自動化中的應用分析[J].黑龍江科技信息，2017，（11）：76.endprint