機器視覺(jué)測試系統

1.引言

現代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監視和零件識別應用，如汽車(chē)零配件批量加工的尺寸檢查和自動(dòng)裝配的完整性檢查、電子裝配線(xiàn)的元件自動(dòng)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(lái)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(wú)法連續穩定地進(jìn)行，其它物理量傳感器也難以勝任。人們開(kāi)始考慮用CCD照相機抓取圖像后送入計算機或專(zhuān)用的圖像處理模塊，通過(guò)數字化處理，根據像素分布和亮度、顏色等信息來(lái)進(jìn)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(jué)的高度智能化和抽象能力相結合，由此產(chǎn)生了機器視覺(jué)測試技術(shù)的概念。

視覺(jué)測試技術(shù)是建立在計算機視覺(jué)研究基礎上的一門(mén)新興測試技術(shù)。與計算機視覺(jué)研究的視覺(jué)模式識別、視覺(jué)理解等內容不同，視覺(jué)測試技術(shù)重點(diǎn)研究的是物體的幾何尺寸及物體的位置測量，如轎車(chē)白車(chē)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(jué)測試系統構成、分類(lèi)及工作原理

2.1 系統構成與工作原理

(1)系統構成

典型的視覺(jué)系統一般包括光源、鏡頭、CCD照相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監視器、通訊／輸入輸出單元等。

(2)工作原理

視覺(jué)系統的輸出并非圖像視頻信號，而是經(jīng)過(guò)運算處理之后的檢測結果(如尺寸數據)。通常，機器視覺(jué)測試就是用機器代替肉眼來(lái)做測量和判斷。

首先采用CCD照相機將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號。圖像系統對這些信號進(jìn)行各種運算來(lái)抽取目標的特征，如：面積、長(cháng)度、數量、位置等。最后，根據預設的容許度和其他條件輸出結果，如：尺寸、角度、偏移量、個(gè)數、合格/不合格、有/無(wú)等。上位機(如PC和PLC)實(shí)時(shí)獲得檢測結果后，指揮運動(dòng)系統或I/O系統執行相應的控制動(dòng)作(如定位和分類(lèi))。

2.2 系統分類(lèi)

從視覺(jué)系統的運行環(huán)境分類(lèi)，可分為PC—BASED系統和PLC—BASED系統?；赑C的系統利用了其開(kāi)放性、高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時(shí)系統總體成本較低。PC—Based系統內含高性能圖像采集卡，一般可接多個(gè)鏡頭，并提供庫函數支持。目前世界一流的PC—Based視覺(jué)系統生產(chǎn)廠(chǎng)商美國Data Translation公司，其MACH 系列(如DT3155)和MV系列PC I工業(yè)視覺(jué)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下面向對象的機器視覺(jué)組態(tài)軟件，用戶(hù)可用它快速開(kāi)發(fā)復雜高級的應用。類(lèi)似的還有美國NI公司，該公司將機器視覺(jué)和運動(dòng)控制功能與其被廣泛應用的Labview虛擬儀器軟件相結合，效果顯著(zhù)。

與美國公司大力發(fā)展PC結構相比，日本和德國公司在PLC—Based系統方面走在前列。在PLC系統中，視覺(jué)的作用更像一個(gè)智能化的傳感器，圖像處理單元獨立于系統，通過(guò)串行總線(xiàn)和I/O與PLC交換數據。日本松下公司的Image Checker M100/M200系統可說(shuō)是這方面的代表。該系統利用高速專(zhuān)用ASIC進(jìn)行256級灰度檢測，帶邏輯條件和數學(xué)運算功能。系統軟件固化在圖像處理器中，通過(guò)類(lèi)似于游戲鍵盤(pán)的簡(jiǎn)單裝置對顯示在監視器中的菜單進(jìn)行配置，開(kāi)發(fā)周期短，系統可靠性高，其新一代產(chǎn)品A110/A210體現了集成化、小型化、高速化和低成本的特點(diǎn)。歐姆龍、Keyence等公司也有類(lèi)似的系統，但在技術(shù)性能上相對簡(jiǎn)單，更適用于進(jìn)行有無(wú)判別或形狀匹配等。而德國Siemens公司的智能化PROFIBUS工業(yè)視覺(jué)系統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(gè)機箱內，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(guò)PCWINDOWS下的Pro Vision軟件進(jìn)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)和一體化設計結合在一起，使得西門(mén)子在PC和PLC體系之間找到了完美的平衡。

3.機器視覺(jué)測試系統的典型應用領(lǐng)域及市場(chǎng)現狀

現代視覺(jué)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(xué)和計算機等技術(shù)不斷成熟和完善的基礎上，視覺(jué)技術(shù)這個(gè)新興技術(shù)門(mén)類(lèi)也得到迅速發(fā)展。

機器視覺(jué)的特點(diǎn)是自動(dòng)化、客觀(guān)性、非接

4.機器視覺(jué)測試系統在檢測方面的應用

機器視覺(jué)系統在工業(yè)在線(xiàn)檢測的各個(gè)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探測系統的大型工件平行度、垂直度測量?jì)x，它是以穩定的準直激光束為測量基線(xiàn)，配以回轉軸系，旋轉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(jìn)行比較。在加工或安裝大型工件時(shí)，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在線(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測系統

該系統以頻閃光作為照明光源，利用面陣和線(xiàn)陣CCD作為螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測器件，實(shí)現熱軋螺紋鋼幾何參數在線(xiàn)測量的動(dòng)態(tài)檢測。

(3)軸承狀態(tài)實(shí)時(shí)監控

采用視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)監控軸承的負載和溫度變化，消除過(guò)載和過(guò)熱的危險。該技術(shù)將傳統的通過(guò)測量滾珠表面來(lái)保證加工質(zhì)量和安全操作的被動(dòng)式測量變?yōu)橹鲃?dòng)監控。

(4)基于機器視覺(jué)的儀表板總成智能集成測試系統

汽車(chē)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(chǎng)前需要進(jìn)行一次質(zhì)量終檢。檢測項目包括速度表等五個(gè)儀表指針的指示誤差，24個(gè)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(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。機器視覺(jué)測試技術(shù)的智能集成測試系統改變了這種現狀，實(shí)現了對儀表板總成智能化、全自動(dòng)、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。