機器視覺(jué)如何應對與工業(yè)自動(dòng)化系統集成應用的挑戰

　　機器視覺(jué)市場(chǎng)

　　機器視覺(jué)作為工業(yè)自動(dòng)化系統的重要組成之一，其技術(shù)與應用也隨著(zhù)自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展而日益成熟。具體體現在：圖像處理能力和速度不斷增強、光電器件性能的提高、各類(lèi)標準的逐漸統一以及價(jià)格的相對降低。據AIA(自動(dòng)成像協(xié)會(huì ))的市場(chǎng)研究調查報告，2006年全球機器視覺(jué)市場(chǎng)規模已經(jīng)超過(guò)了70億美元，并預測在今后五年內仍將保持持續的增長(cháng)勢頭。然而，隨著(zhù)供應商和集成商不斷的把機器視覺(jué)應用推向各個(gè)領(lǐng)域，機器視覺(jué)這一相對獨立的功能如何無(wú)縫的融入各行業(yè)各類(lèi)自動(dòng)化裝備遇到了前所未有的挑戰。

　　機器視覺(jué)的應用及挑戰

　　機器視覺(jué)應用主要可分為兩類(lèi)：

　　一類(lèi)是用于大規?；蛘吒邷y試要求的生產(chǎn)線(xiàn)上，如包裝、印刷、分揀等，或者在野外、核電等不適合人員工作的環(huán)境中，利用機器視覺(jué)方式代替傳統人工測量或檢試，同時(shí)實(shí)現人工條件下無(wú)法達到的可靠性、精確度及自動(dòng)化程度。

　　另一類(lèi)應用是必須用到高性能、精密機器視覺(jué)組件的專(zhuān)業(yè)設備制造，典型代表是最早帶動(dòng)整個(gè)機器視覺(jué)行業(yè)崛起的半導體制造設備。從上游晶圓加工制造的分類(lèi)切割，到末端電路板印刷、貼片，這類(lèi)設備都依賴(lài)于高精度的視覺(jué)測量以對運動(dòng)部件進(jìn)行導引與定位。例如，如果錫膏印刷工序存在定位偏差，且該問(wèn)題直到芯片貼裝后的在線(xiàn)測試才被發(fā)現，那么返修的成本將會(huì )是原成本的100倍以上。

　　然而，在上述應用中，機器視覺(jué)功能很少作為孤立的系統，而是以整個(gè)自動(dòng)化系統或者設備的有機組成部分之一出現，也往往在配合邏輯控制，運動(dòng)控制，數據采集，通信網(wǎng)絡(luò )以及企業(yè)數據庫管理等其它功能時(shí)，才能真正發(fā)揮出其優(yōu)勢。構建機器視覺(jué)系統，除了完成從光源調配到圖像處理軟件開(kāi)發(fā)系列過(guò)程外，更是面臨著(zhù)與上述種種復雜的自動(dòng)化系統功能集成所帶來(lái)的挑戰。單一的視覺(jué)開(kāi)發(fā)軟硬件方案，往往使得自動(dòng)化系統整體的開(kāi)發(fā)周期、成本和不確定性風(fēng)險都要由制造方或者集成商來(lái)承擔。機器視覺(jué)與自動(dòng)化系統集成的困難，很大程度上阻礙了其在相對保守的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應用。

　　基于NI LabVIEW和機器視覺(jué)系統的解決方案

　　面對上述挑戰，NI LabVIEW軟件平臺及其機器視覺(jué)系統給出了很好的解決方案。

　　讓我們先從軟件的角度看機器視覺(jué)的開(kāi)發(fā)與集成過(guò)程：首先借助高效便捷的配置軟件VBAI(應用于自動(dòng)檢測的機器視覺(jué)生成器)和全面的視覺(jué)模塊(涵蓋了對所有制式和標準的相機的支持，提供模式匹配、OCR、顆粒分析、二維條形碼識別等數百種圖像處理功能)，用戶(hù)可以在交互式的開(kāi)發(fā)環(huán)境中驗證不同的相機和光源設置、采集方式與圖像處理算法，然后再將確認的步驟自動(dòng)生成對應于LabVIEW的可執行程序。LabVIEW軟件平臺具有直觀(guān)的圖形化開(kāi)發(fā)特性，使工程師把更多的精力集中在功能開(kāi)發(fā)而不是代碼撰寫(xiě)上。在整體系統開(kāi)發(fā)和集成過(guò)程中，工程師可直接利用對應的LabVIEW工具包和模塊，在統一的平臺下以相同的方式完成運動(dòng)控制、數據采集、工業(yè)通信和人機界面等功能，實(shí)現與各種PAC(可編程自動(dòng)化控制器)、PLC、工業(yè)設備、OPC客戶(hù)端及企業(yè)數據庫的連接與通信。對于這種開(kāi)發(fā)模式，無(wú)論是經(jīng)驗豐富的集成商還初級開(kāi)發(fā)者，都得以從不同設備所對應的專(zhuān)用甚至私有開(kāi)發(fā)方式與平臺、驅動(dòng)與協(xié)議、設備間互間的物理通信與同步這些困境中解放出來(lái)，大幅降低了系統集成的難度和成本。

　　從硬件體系架構來(lái)看，基于PC的機器視覺(jué)系統由于其開(kāi)放性和靈活性，在提供強大的處理能力的同時(shí)，也較容易實(shí)現與其它功能的集成，但是PC的架構由于可靠性和體積等原因，并不能完全滿(mǎn)足工業(yè)應用的需求。另一種方式是嵌入式架構，使用簡(jiǎn)單，可靠性高，但是功能相對單一，可集成度較差。為了解決這些矛盾，NI在其緊湊型的機器視覺(jué)系統(CVS)中，通過(guò)集成LabVIEW實(shí)時(shí)、FPGA技術(shù)，前所未有的實(shí)現了在同一嵌入式硬件平臺下完成I/O與通信協(xié)議的靈活定制以及運動(dòng)，可同時(shí)采集、處理3路圖像信號，并保證系統的堅固性和可靠性，達到工業(yè)現場(chǎng)惡劣環(huán)境下的應用要求(圖1)。

　　圖.1 FIG.1 NI 緊湊型的機器視覺(jué)系統

　　下面我們通過(guò)兩個(gè)實(shí)例分析，具體探討如何利用開(kāi)放靈活的軟硬件平臺集成機器視覺(jué)和多域功能應用，實(shí)現系統集成復雜度降低及開(kāi)發(fā)周期的縮短。

　　基于LabVIEW及同步的機器視覺(jué)、運動(dòng)控制、數據采集的自動(dòng)化半導體晶圓分類(lèi)系統

　　在半導體制造業(yè)，晶圓切割前必須根據其厚度(THK)、全厚度誤差(TTV)、彎曲度(BOW)、翹曲度(WARP)等電氣及物理參數進(jìn)行細致分類(lèi)，以達到嚴格的容差要求。為保證測量精度，傳統采用單點(diǎn)測量方式，需消耗大量的測試時(shí)間。為此，美國Gigamat Technologies公司研發(fā)出新一代的全掃描自動(dòng)分類(lèi)設備(圖2)，以提高吞吐率并要求能達到單點(diǎn)測試下的精度和重復性要求，這在技術(shù)上是相當大的挑戰。

　　圖.2自動(dòng)化半導體晶圓分類(lèi)系統

　　新全自動(dòng)晶圓分類(lèi)系統充分利用了LabVIEW平臺及其配套工具包，該系統分為晶圓對準和測量?jì)蓚€(gè)工作步驟。對準過(guò)程使用線(xiàn)掃描圖像采集方式和3軸運動(dòng)控制，通過(guò)同步圖像采集與底盤(pán)旋轉速率，在1秒內完成整張晶片6百萬(wàn)象素的圖像采集，利用LabVIEW視覺(jué)算法判斷晶片中心位置、平坦度和其它特性，據此調整晶圓位置實(shí)現其與參數測量平臺完全匹配。測量步驟要求對上下表面間距測量的分辨率小于0.0001mm，其解決辦法是在LabVIEW平臺下應用NI運動(dòng)控制工具生成平滑的圓弧及螺旋軌跡組合，精確控制旋轉中的晶片位置，使用NI數據采集卡完成多通道同步進(jìn)行的探針高速、高密度測量，實(shí)時(shí)記錄對應位置，據此進(jìn)行相關(guān)計算處理，獲取各項參數信息，最終得出分類(lèi)的結果。

　　除了以上的核心步驟外，該系統還包括了：觸摸屏人機界面;基于RS-485通信的晶圓升降機

　　控制;用于光源、機器功率和真空設備的數字I/O控制;以及與Microsoft Access數據庫連接以實(shí)現加工過(guò)程數字化加工。而這些功能，都是在LabVIEW平臺下統一開(kāi)發(fā)完成，Gigmat的經(jīng)理這樣評論“如果沒(méi)有LabVIEW以及NI機器視覺(jué)，運動(dòng)控制和數據采集產(chǎn)品的同步，這個(gè)項目就不可能達到經(jīng)濟可行”。

　　NI緊湊型機器視覺(jué)系統幫助汽車(chē)火花塞檢測達到6Sigma的重復性標準

　　汽車(chē)火花塞的偏心度和電極間距是決定其性能的關(guān)鍵指標。過(guò)去某領(lǐng)先的汽車(chē)火花塞制造商一直通過(guò)人工的方式對其進(jìn)行測量，因為測量精度低，必須采用過(guò)于嚴格的產(chǎn)品的公差帶限制，導致不必要的生產(chǎn)要求提高和產(chǎn)量減少。為了保證可靠的質(zhì)量控制，更快的檢測速度和產(chǎn)量的提高，該制造商決定建立基于機器視覺(jué)的全掃描尺寸定量系統。

　　系統由IEEE 1394相機、環(huán)形光源、堅固的NI CVS嵌入式機器視覺(jué)系統以及LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺構成。采集的火花塞圖像通過(guò)火線(xiàn)傳入CVS，在其上運行實(shí)時(shí)的圓形邊緣檢測等特殊算法，而通過(guò)對欠采樣的控制找到精度與處理時(shí)間的平衡點(diǎn)，測量精度達到0.01mm，完全滿(mǎn)足6Sigma標準。隨后，CVS通過(guò)其數字端口與生產(chǎn)線(xiàn)上的PLC和繼電器等設備通信，完成不合格品的自動(dòng)剔除工作，免去了人工干預。整個(gè)系統接入工廠(chǎng)以太網(wǎng)，可以進(jìn)行遠程的參數配置，校準以及產(chǎn)品信息的記錄。由于測試精度的提高，放寬了公差范圍，大幅提高了產(chǎn)量和效率。

　　結論

　　機器視覺(jué)應用正由起步時(shí)單純的圖像采集、處理分析、結果判斷輸出，發(fā)展成為自動(dòng)化系統重要組件之一。但是，相對人工檢測的方式機器視覺(jué)也存在著(zhù)特殊性，一定程度上體現在其靈活性和應變能力的限制。處理的不合適的話(huà)，即使一個(gè)看似很小的新功能引入，都有可能導致系統的重新設計。面對機器視覺(jué)集成度與靈活性與難題時(shí)，理想的工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW成為用戶(hù)開(kāi)發(fā)平臺的非常好的選擇。利用其中機器視覺(jué)模塊包含的豐富分析與處理算法，用戶(hù)可以根據其具體需求定制開(kāi)發(fā)或者簡(jiǎn)單升級相應的視覺(jué)功能，更可以這種統一的圖像化開(kāi)發(fā)方式實(shí)現對運動(dòng)控制，可編程自動(dòng)化控制器，數據采集等設備與功能的開(kāi)發(fā)，以及與三方的PLC，工業(yè)設備和數據庫軟件的無(wú)縫連接，從而完成涵蓋機器視覺(jué)功能在內的自動(dòng)化系統的開(kāi)發(fā)與集成。得益于這種系統構架，制造商能夠更方便的將機器視覺(jué)功能引入到其生產(chǎn)線(xiàn)，降低了其設備制造的技術(shù)難度，符合機器視覺(jué)向著(zhù)自動(dòng)化系統一體化發(fā)展的趨勢。