探索機器視覺技術(shù)在機械制造自動化中的應(yīng)用

夏永青

【摘 要】隨著現(xiàn)代科技的進步，機器視覺技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，在多個領(lǐng)域中都發(fā)揮出重要作用，機器視覺技術(shù)是通過運用計算機技術(shù)來模擬人的視覺系統(tǒng)，它的最大優(yōu)點在于運行速度快、信息量大、功能多。近年來，機器視覺技術(shù)在機械制造行業(yè)中也獲得了良好的發(fā)展，對機械制造自動化水平的提高起到了推動作用。

【關(guān)鍵詞】機器視覺技術(shù)；機械制造；自動化；檢測；應(yīng)用

機器視覺技術(shù)通過對人類的視覺模擬，對物象進行識別，可以用于精密測量，在惡劣環(huán)境中實施監(jiān)控，在生產(chǎn)中實時檢測，極大的提高了工作效率，應(yīng)用于機械制造自動化中，對機械制造自動化的發(fā)展具有重要意義。

一、機器視覺技術(shù)概述

機器視覺技術(shù)是一種利用計算機模擬人類的視覺功能提取物象信息，經(jīng)過識別分析后實現(xiàn)精密測量、實際檢測以及智能監(jiān)控的技術(shù)。機器視覺系統(tǒng)利用CCD攝像機將具體物象轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像傳輸入處理系統(tǒng)，對圖像的顏色、亮度、分布情況等信息進行綜合分析，將這些信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再次進行特征分析判斷，最終得出檢測結(jié)果輸出。指揮系統(tǒng)根據(jù)檢測結(jié)果作為執(zhí)行指標，根據(jù)結(jié)果做出相對相應(yīng)的操作指示，進行實際動作控制。該技術(shù)具有工作速度快、運行噪聲低、測量精準度高、作業(yè)靈敏、運用靈活等優(yōu)點，并且工作時間持久，能夠適應(yīng)更重環(huán)境，物象數(shù)據(jù)信息化處理程度高。

二、機械制造自動化中的應(yīng)用

1、在工件檢測中的應(yīng)用

機器視覺技術(shù)能夠探測部件表面缺陷。機械加工、內(nèi)燃機、摩托車以及汽車制造等領(lǐng)域的生產(chǎn)方式均為大批量機械生產(chǎn)，由于數(shù)目過大，在進行技術(shù)標準檢測過程中，若使用人工檢測方式，則必須花費大量人力資源以及時間，由于檢查人員的技術(shù)水平參差不齊，且容易受到疲勞、粗心、視覺分辨等人為因素影響，檢測過程缺乏規(guī)范化，檢測結(jié)果不夠準確，無法達到準確監(jiān)控，影響到產(chǎn)品出產(chǎn)品質(zhì)。機器視覺技術(shù)能夠彌補人工檢測出現(xiàn)的各項不足，對部件表面缺陷進行有效探測，節(jié)約人力資源，提高檢測結(jié)果的準確性，對產(chǎn)品質(zhì)量實現(xiàn)有效控制。較為典型的實例為連桿結(jié)合面爆口檢測，結(jié)合面破口線性長度不超過2.5mm（方向任意）或結(jié)合面破口面積不超過3mm2即為合格。機器視覺檢測系統(tǒng)在工件破口區(qū)域進行LED漫反射照射（設(shè)定照射形狀為方框式），利用光電耦合CCD元件將反射圖像轉(zhuǎn)化為電量信號，處理系統(tǒng)結(jié)合圖像以及電量信號進行綜合分析計算后得出數(shù)據(jù)結(jié)果。在應(yīng)用過程中，系統(tǒng)采取對比形式設(shè)定灰度二值化光源以及闊值，就是使用標準工件設(shè)定為參照物，分析得出各種數(shù)值后作為數(shù)據(jù)標準，進行待測工件檢測。目前，國外關(guān)于使用機器視覺技術(shù)的激光機器視覺檢測系統(tǒng)已經(jīng)成功在機械加工、汽車制造、電子生產(chǎn)等領(lǐng)域中應(yīng)用。許多國家投入資源進行該技術(shù)的應(yīng)用研究，并取得理想成果。北美汽車工業(yè)研究院關(guān)于BIN-PICKING研究成果為：結(jié)合模型數(shù)據(jù)與三維成像進行識別判斷，準確定位成像最佳點，能夠在7秒內(nèi)完成激光雷達掃描工件箱。我國研制的激光視覺檢測系統(tǒng)中，利用CCD技術(shù)、激光技術(shù)作為視覺傳感器，能夠準確測量物象的三圍坐標，能夠在7秒內(nèi)將整個汽車車身檢測完畢，工作效率提高100%。

2、在工件測量中的應(yīng)用

1）機器視覺技術(shù)能夠?qū)α慵M行精密測量，檢測系統(tǒng)包括計算機處理系統(tǒng)、CCD攝像頭以及光學系統(tǒng)，工作原理為：通過在需測量零件照射平行光束提供光源，利用顯微光學鏡放大零件邊緣輪廓后再使用CCD攝像頭成像輸入計算機處理系統(tǒng)進行成像數(shù)據(jù)處理，得出零件邊緣輪廓的精確位置。若想獲取位移量，僅需將測量零件進行位移后再次進行測量，計算出兩次結(jié)果之差，若在測量過程中，被測零件兩條邊緣輪廓線出現(xiàn)在同一成像中，該位移量則為被測零件的相應(yīng)尺寸。該系統(tǒng)對于大批量生產(chǎn)零件的測量檢查，特別是形狀簡單、體積較小的零件測量檢查十分具有優(yōu)越性。

2）機器視覺技術(shù)能夠進行工件預調(diào)測量。以往的工件預調(diào)測量方式是使用光學投影進行定位，使用光柵數(shù)顯表進行測量讀數(shù)，該種方式技術(shù)水平要求高，且耗費人力資源較多，工作效率卻難以提高。新型預調(diào)測量儀將傳統(tǒng)的測量方法與機器視覺技術(shù)相結(jié)合，即在光柵技術(shù)基礎(chǔ)上加入自動控制技術(shù)、計算機系統(tǒng)處理技術(shù)、機器視覺技術(shù)，顛覆以往的預調(diào)測量方式，簡化了操作流程，極大程度上提高了工作效率以及測量精度。

3）逆向工程中的工件測量。逆向工程是指利用測量儀對定制工件進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)建立三維坐標圖后使用CAD/CAM系統(tǒng)進行圖像加工，最后由CNC加工機完成模型。其中測量數(shù)據(jù)的精確度決定了模型質(zhì)量，在逆向工程中起到關(guān)鍵作用。隨著科技的發(fā)展，機器視覺技術(shù)被用于逆向工程工件測量中，即目前的快速輪廓視覺測量技術(shù)，該技術(shù)的建立基礎(chǔ)為三角法，利用線結(jié)構(gòu)光進行工件表面的輪廓測量。在工件表面投射平面條紋結(jié)構(gòu)光，形成不同的條紋變形，進行工件表面輪廓變化分析。其中，CCD在進行條紋圖像攝取時，經(jīng)過三次信號轉(zhuǎn)后才進行保存，即視頻信號——模擬信號——數(shù)字信號。同時將存儲信息輸出至監(jiān)視器，使用計算機處理系統(tǒng)進行圖像處理，最終得出工件模型圖。

4）機器視覺技術(shù)能夠進行工件磨損度測量。由于受到各種因素限制，許多工件難以進行磨損度測量，例如在進行高速切割機的道具磨損度測量時，必須拆卸下刀具，增加了測量難度。因此可利用機器視覺技術(shù)進行磨損度測量，避免了刀具拆裝的程序，簡化了測量過程。

3、在焊接機器人中的應(yīng)用

機器視覺技術(shù)在機器人焊接中的應(yīng)用，是指利用X光探傷儀、紅外攝像儀、CCD攝像機等處理技術(shù)使焊機具備視覺功能，從而提高機器人焊接質(zhì)量。視覺功能包括一維傳感、二維傳感以及三維傳感三種傳感，一維傳感的檢查組件為一個或多個光電接收單位，即單光電；二維傳感的平面陳列成像通過電或機械掃描獲?。煌ㄟ^對多個一維或二維傳感信息數(shù)據(jù)的綜合處理，可獲得三維傳感。由于焊接工作危險系數(shù)大，許多操作無法實現(xiàn)人為直接操作，一些工作環(huán)境也無法直接進行人工作業(yè)。例如核輻射環(huán)境、水下、熔池、溶液飛濺等環(huán)境。機器視覺技術(shù)的應(yīng)用彌補了人工作業(yè)的不足，能夠進行熔池數(shù)據(jù)的實時提取，在弧光飛濺且強烈的情況下實現(xiàn)焊縫圖像的提取，對焊接性能、焊接結(jié)構(gòu)以及焊接組織進行預測，確保焊接質(zhì)量。目前，該技術(shù)在熔池形狀、焊道形貌檢測，焊道控制、熔透控制，焊縫跟蹤得到推廣應(yīng)用，進一步提高了機器人焊接的智能化、自動化程度。由于焊接過程復雜、視覺系統(tǒng)應(yīng)用造價高等問題，目前機器視覺技術(shù)在機器人焊接中的應(yīng)用難以實現(xiàn)大規(guī)模普及應(yīng)用，還需進行深入研究，進一步了解該系統(tǒng)的實時性、可靠性、智能性、可控性以及精確性等。其中對于焊縫熔透控制、焊縫跟蹤、焊接路徑規(guī)劃、焊炬位姿調(diào)節(jié)、焊接參數(shù)優(yōu)化以及接頭特征識別等方面的機器視覺技術(shù)應(yīng)用研究，均取得了卓越成效。目前，已經(jīng)有實力雄厚的企業(yè)進行機器視覺技術(shù)焊接機器人的開發(fā)，相較于以往的焊接機器人，機器視覺技術(shù)焊接機器人性能更

為優(yōu)越，功能也更為強大，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，發(fā)展前景值得期待。目前機器視覺技術(shù)焊接機器人已經(jīng)在管道、航天、汽車等領(lǐng)域的焊接生產(chǎn)中得到應(yīng)用，并取得良好成效。

三、結(jié)束語

綜上所述，由于機械制造行業(yè)對機器視覺技術(shù)的需求越來越大，應(yīng)用范圍正逐步擴大，對于該技術(shù)的要求也不斷提高，直接催動了機器視覺技術(shù)的發(fā)展。各國十分重視該項技術(shù)的發(fā)展研究，投入大量資源進行研究?；谶@樣的發(fā)展形勢下，機器視覺技術(shù)已不能局限于單純的采集數(shù)據(jù)、分析處理以及結(jié)果判定，未來的發(fā)展方向應(yīng)更具開放性，與自動化緊密融合是目前該項技術(shù)的必然發(fā)展趨勢，并且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，最終實現(xiàn)機械制造的智能化。

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