機器視覺測試系統(tǒng)

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

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)?；赑C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A110/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

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。