1 引言
“機器視覺”又稱圖像檢測技術，乃是光將被測對象的圖像作為信息的載體，從中提取有用的信息來達到測量的目的。它具有非接觸、高速度、測量范圍大、獲得的信息豐富等優(yōu)點。通過CCD攝像頭與光學系統(tǒng)、數(shù)字處理系統(tǒng)的結合，可實現(xiàn)不同的檢測要求。CCD元件可理解為一個由感光像素組成的點陣，其每個像素都一一對應了被測對象的二維圖像特征，即通過對像素點成像結果的分析可以間接分析對象的圖像特征。
“機器視覺”的用途很多，隨著上世紀九十年代以來光電、自動化和計算機圖象處理技術的迅速發(fā)展，機器視覺已在很多工業(yè)部門得到越來越廣泛的應用。作為一種新穎而又實用的傳感技術，圖像檢測單元近年已實現(xiàn)產(chǎn)品化，一些知名的廠商，如日本的松下公司、德國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，這對圖像檢測技術的推廣應用創(chuàng)造了很有利的條件。但相比之下，國內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)，機器視覺的應用也相當有限。但通過以下應用實例，可清楚地看出這項新技術的應用前景。
2 圖像檢測技術在精密測量中的應用
精密測量是機器視覺一個重要的應用領域，其對被測對象進行測量的原理如圖1所示。檢測系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、CCD攝像頭和計算機處理系統(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對象的檢測部位上，其邊緣輪廓經(jīng)過顯微光學鏡組成像在攝像機的面陣CCD像面上，經(jīng)計算機進行圖像處理后獲得被測對象邊緣輪廓的位置。如果使被測對象產(chǎn)生位移，再次測量其邊緣輪廓位置，則兩次位置之差便是位移量。顯然，若被測對象的兩條平行的邊緣輪廓能處于同一幅圖像內，則其二者位置之差即為相應尺寸。
圖l位移檢測系統(tǒng)示意圖
上述系統(tǒng)極為適合對大批量生產(chǎn)情況下工件的在線檢測，尤其是當被測對象尺寸較小、形狀比較簡單時，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，前者可達到每分鐘數(shù)百件，而后者多數(shù)為0．01ram的數(shù)量級。一般情況下，工件質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。當采用圖l所示系統(tǒng)進行測量時，零件(插腳)所形成的圖像由于與其明亮背景之間的強烈對比，而具有清晰的剪影效果。這樣的理想圖像為準確測量被檢對象的尺寸和輪廓(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檢測工位時產(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典型的背光檢測圖像
需指出的一點是，盡管采用的是對零件圖像的邊緣檢測，但根據(jù)工件的不同情況，具體做法上仍有差別。如對圖2所示零件(插腳)的圖像上可以設置三條(Ll、L2、L3)或多條檢測線，分別采用簡單的閥值法或單、雙峰法檢測出零件的邊緣信息。由于三條檢測線之間保持著相互垂直交叉的關系，因此可以通過聯(lián)立三線(或多線)的邊緣檢測點確定插腳相對于圖像平面的位置(x、Y)和轉角(e)。這些目標零件的位置信息(邊緣坐標和起始轉角)將傳送給計算機處理系統(tǒng)，以做出相應的評價。圖像檢測技術用于精密測量的另一個實例是在刀具預調測量中的應用。眾所周知，承擔現(xiàn)代汽車發(fā)動機生產(chǎn)的主體是數(shù)控機床、加工中心，它們所用的刀具必須經(jīng)測量預調，故各類刀具預調測量儀在生產(chǎn)過程中的應用越來越普遍。傳統(tǒng)的檢測方式是光學投影和光柵數(shù)顯表相結合，前者用于瞄準定位，而后者用于測量、讀數(shù)。整個過程需較多的人工參與，對操作人員的要求高，效率卻較低。幾年前誕生的新穎刀具預調測量儀把機器視覺、光柵技術、計算機軟硬件、，自動控制技術等有機結合，使傳統(tǒng)的工作方式發(fā)生了根本變化，無論在測量精度、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器視覺替代了傳統(tǒng)的光學投影，從而徹底改變了原有的工作模式。
在這種新穎儀器中，作為運動導軌的z軸、x軸和C(回轉)軸內，分別裝有直線光柵和圓光柵。被測刀具沿轉臺中心線、即c軸安裝。機器視覺傳感器位于叉形支架兩側，也就是跨越轉臺的中心線。支架的一端安放光源，另一端是攝像頭，被測刀具圖像由攝像頭讀取。
3 機器視覺用于工件表面缺陷檢測
工件表面缺陷、如連桿大小頭結合面的破口缺損是在制造過程中形成的，對表面缺陷的探測在批量生產(chǎn)的汽車、摩托車、內燃機等行業(yè)，迄今基本都采用人工目測方法。這樣的方法不但效率低，勞動強度大，且對工藝標準中規(guī)定的定量評定要求往往難以準確執(zhí)行，從而影響對產(chǎn)品質量的有效監(jiān)控。以連桿結合面爆口為例，其評定標準的具體要求如
下：
(1)破口面積小于3mm2；
(2)破口任一方向的線性長度小于2．5mm。
只要符合上述一個條件，就將判定不合格而被剔除。
必須指出，與以上精密測量中機器視覺系統(tǒng)采用的透射方式(又稱“背光”方式)不同，用于表面缺陷探測時，需采取圖3所示的反射方式。
圖3缺陷探測原理示意圖
如圖3所示，本系統(tǒng)通過二個方形框式LED漫反射光源照亮待檢測工件的破口區(qū)域，光線照射到對象表面后，反射到攝像頭內的光電耦合CCD元件上，即轉化成對應的電量信號，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)電量信號對得到的圖像進行分析和計算，最終得到所需的數(shù)據(jù)。如前所述，CCD元件可理解為一個由感光像素組成的點陣。其每一個像素都一一對應了對象的二維圖像特征，即通過對像素點成像結果的分析可以間接分析對象的圖像特征。比如通過對二值化圖像中的成像像素個數(shù)的計算，可以得到相應的對象的長度值和面積值。
系統(tǒng)將得到的圖像進行二值化處理后，把二值圖像作為對象進行迸一步的計算分析。本系統(tǒng)在實際使用中，對于灰度的二值化閾值和光源的設定采用比對的方法實現(xiàn)。具體方法為：用已知的樣件作為標定的參照物。把已知的參照物測量值除以參照物對應的像素值，即可得到像素與實際值之間的對應比例值。通過調整光源亮度以及系統(tǒng)的二值化閾值，對灰度的二值化閾值進行優(yōu)化，保證系統(tǒng)對對象邊界具有相對較高的分辨率，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檢測位置示意圖
圖5系統(tǒng)組成
根據(jù)被測對象的特征(工件形狀、被測部位)和要求，參照視覺系統(tǒng)產(chǎn)品的有關標準，并按照所完成的設計，將能方便地選取合適的圖像檢測單元(器件)，組成相應的檢測系統(tǒng)。以連桿結合面爆口為例，其系統(tǒng)的檢測要求如圖4所示，即分別檢測互為15。夾角的A．B．C三個(連桿側面的)破口面，最終以三個檢測結果中的最大值作為破口的真實值，進行判斷后并輸出結果。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換成數(shù)字圖像信號。結合面的破口缺損面積均不大于15*15ram，根據(jù)系統(tǒng)的標準對照表選取“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，保證取像質量。光源有熒光燈、鹵素燈、激光和LED光源等多種類型。綜合考慮光源的性價比，選用CCS公司120×120ram的框型紅色LED光源進行軸向照明O LED光源的特點是半衰期長、照明穩(wěn)定，而且功耗低(6w)可頻繁開關、易于控制。
(3)圖像處理單元的用途是根據(jù)需要對采集到的圖像進行處理、分析，同時把分析結果和圖像系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過RS232接口傳向PIE提供信號輸出和數(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：控制整個檢測系統(tǒng)各項功能的執(zhí)彳{�。�，同時也對圖像處理單元傳過來的數(shù)據(jù)進行校驗和判斷。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)分析結果。
4 圖像識別在汽車制造業(yè)中的應用
用于圖像識別的機器視覺系統(tǒng)的檢測原理雖然與以上表面缺陷探測相似，但作用、目的完全不同。且相比之下，即使在國內汽車制造業(yè)中的應用也較前兩個領域為多。在產(chǎn)品或包裝上打標識、粘貼徽記，乃至在輸送托(盤)架做上標記是企業(yè)生產(chǎn)中常用的做法，而現(xiàn)代工業(yè)則已越來越多地采取讓最終產(chǎn)品、甚至半成品(零部件)帶有用于識別的一維、二維條碼。在大批量生產(chǎn)條件下，如何對它們識別、判斷?若依靠人工肉眼檢查，不但勞動強度大，也難免錯檢漏判。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、二維條碼或識別某些印刷字體；此外，很多情況下，對零件的姿態(tài)、位置(方向)也必須進行辨識，特別在采用選擇裝配方式時。
電子標簽也是近年發(fā)展起來的一項新技術，它采用機器視覺的識別技術，將涉及發(fā)動機的各種質量信息通過讀寫器無線寫入標簽或讀出。在有些發(fā)動機生產(chǎn)線的輸送裝置(托盤)上安裝有一個電子標簽，而每個加工或裝配工位則布置有一個讀寫器。讀寫器與PLC或計算機相連。
4.1 活塞在缸體內的裝配
圖像識別技術在用于“活塞一缸體裝配工序”時。其主要環(huán)節(jié)包括：判斷缸體到位并做好檢測準備；探測缸體上緣(準確到位的標志)，如果未發(fā)現(xiàn)該特征部分，即發(fā)出報警信號；在檢測系統(tǒng)中建立坐標系；識別這樣三項內容：活塞的有無，活塞位置的正確性(確切地講是“方位”)，活塞頂部表面的標識和字符一用于表明型號、選擇裝配時的組別及其它相關含義。
整個檢測、識別過程如下：發(fā)動機被翻轉、裝入活塞，輸送系統(tǒng)使發(fā)動機隨托盤向檢測工位移動；當發(fā)動機即將到達檢測工位時，由電子標簽讀寫器驗明其“身份”，然后發(fā)信號給PLC；而當發(fā)動機到達檢測工位，接近開關觸發(fā)，PLC給機器視覺系統(tǒng)發(fā)出工作指令；如果活塞在缸體內的裝配正確，視覺系統(tǒng)發(fā)信給PLC，然后寫入電子標簽，發(fā)動機繼續(xù)流向下一工位。如果活塞裝配有錯，則視覺系統(tǒng)提示PIE，并通過人機界面報警，顯示屏將指示哪一缸的活塞裝配有錯、何種錯誤。操作者確認檢測結果后，通過使人機界面PIE發(fā)出指令，將結果寫入電子標簽，并且將發(fā)動機直接輸送到返修區(qū)域進行返修。整個檢測過程全部自動完成，只是在出現(xiàn)裝配錯誤、發(fā)出報警時才由人工干予。
4.2 主軸承蓋在缸體上的裝配
在四缸發(fā)動機的缸體生產(chǎn)線，主軸承蓋在缸體上的裝配是又一個典型示例。5個主軸承蓋的前端部呈不同的臺階狀，各不相同。通過每個零件上的數(shù)字標識，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)生錯裝現(xiàn)象，導致下道工序產(chǎn)生廢品。
為此，在生產(chǎn)線的擰緊裝配工位和翻轉工位之間設置一檢測工位，通過自動識別，判斷裝配結果的正確性。若全部正確，則缸體繼續(xù)流向下一工位，否則報警并給PLC發(fā)出指令，使生產(chǎn)線停機，將有問題的缸體下線返修。為了適應l件／分鐘的裝配節(jié)拍，采用在缸體移動過程中檢測，2個光電視覺傳感器分別前后布置在生產(chǎn)線的上方和一側。前一個為零件定位傳感器，用以自動準確地觸發(fā)采樣，后一個用于動態(tài)識別5個主軸承蓋的表面幾何形狀。根據(jù)預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，可確定是否裝錯并指示具體出錯位置。
整個檢測、識別過程為：缸體在完成主軸承蓋的擰緊工序后，沿輥道向檢測工位移動，而兩側導軌的約束作用，保證了零件自動找正位置。當進入檢測工位時，定位傳感器首先探測到第1主軸承蓋邊緣，隨即由另一個傳感器識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，對第2一第5個主軸承蓋進行探測和識別。通過與預置值比較，就可對有否錯裝零件作出判斷。每次探測都有計數(shù)和顯示，整個檢測過程在缸體輸送移動中完成，不必額外增加檢測時間。
5 結束語
圖像檢測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性一般可以通過準確性指標和重復性指標來衡量。以用于連桿表面缺陷檢測的專用設備為例，用戶要求的準確性指標為：評價值<10％(評價值=最大偏差值，樣板標準值)，重復性指標為：極差值≤10％缺陷公差(極差值為連續(xù)lO次測量值中最大值與最小值的差值)。用于上海大眾的一臺專用設備經(jīng)過測評，系統(tǒng)的準確性指標僅為評價值的O．04％，重復性指標為缺陷公差的4．0％，均達到要求，而且系統(tǒng)還有一定的潛力可進行更高級別的應用開發(fā)。
總的來說，圖像檢測系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中的應用，大大提高了工藝運行質量和生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，通過在不少國內大企業(yè)的成功應用，展現(xiàn)了良好的前景。
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