視覺系統(tǒng)在工業(yè)自動化生產(chǎn)中的應用

周敬業(yè)

摘 要

在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中，會有各種各樣的產(chǎn)品需要測量和檢測，例如包裝產(chǎn)品上文字印刷質(zhì)量的檢查，機械加工尺寸的檢測等。這種生產(chǎn)技術應用有著共通點，就是產(chǎn)品會大批量生產(chǎn)、而生產(chǎn)過程質(zhì)量的要求嚴格?，F(xiàn)在企業(yè)對這樣重復性和精確性的工作崗位都是靠人工檢測完成，所以在一些企業(yè)生產(chǎn)線上都會看到很多檢測工人在進行產(chǎn)品的檢測工作，這不單為企業(yè)添加了用工的成本和管理成本，同時還不能保證產(chǎn)品的100%合格率。因此在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)線上引入機器人視覺技術是很有必要的。

【關鍵詞】視覺 自動化 生產(chǎn)

1 視覺系統(tǒng)概述

視覺系統(tǒng)就是給機器或生產(chǎn)設備添加一套視覺系統(tǒng)。隨著圖像處理和模式識別等技術的快速發(fā)展，計算機的圖像處理器和一些視覺設備以代替人來完成幾乎所有的信息處理。計算機的視覺系統(tǒng)是由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及信息綜合分析處理系統(tǒng)構成。

在現(xiàn)代生產(chǎn)線上，人工在產(chǎn)品檢測過程中難免會出現(xiàn)視覺疲勞、每個人的判斷差異會導致出現(xiàn)不同程度的誤差，機器人視覺系統(tǒng)就不會存在上述問題。機器人視覺系統(tǒng)包括了光照系統(tǒng)、鏡頭系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)組成。對于每一個應用都需要考慮系統(tǒng)的運行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像頭、檢測目標的尺寸、檢測目標有無缺陷、視覺場地需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能來說，一般的機器人視頻系統(tǒng)分為：圖像采集、圖像處理和運動控制等部分構成。

1.1 傳統(tǒng)的人工存在的缺點

（1）傳統(tǒng)人工在檢測產(chǎn)品過程中會容易導致疲勞，或容易受外界的情緒影響，產(chǎn)品的結果誤差率保證；

（2）隨著工作環(huán)境的不斷變化，在很多受限制的場所中，不合適人工進行工作。還有一些工作環(huán)境是對人會造成損害；

（3）人工對色彩的分辨能力比機器識別的強，但很容易受到個人的心理影響，導致精度低，不能確保準確。

隨著科技的進步，市場及客戶對產(chǎn)品的精密程度和質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)的定位方法已經(jīng)不能滿足用戶的需求。

1.2 視覺系統(tǒng)在生產(chǎn)線作業(yè)的優(yōu)點

（1）分辨力強，能采集系統(tǒng)可具有10bit、12bit、16bit等灰度級，目前有8K的面陣攝像機，再通過各種不同級別光學鏡頭，可以檢測到很微小的誤差。

（2）對環(huán)境溫度、濕度適應性強，在一些危險場所作業(yè)，另外可加防護裝置。

（3）機器人視覺系統(tǒng)可以長時間對同一種產(chǎn)品進行檢測，而能確保每次檢測的誤差得到一定的控制。

2 視覺系統(tǒng)的主要工作過程如下

2.1 圖像拍攝

在生產(chǎn)線上，檢測對象被檢測到在運動攝像系統(tǒng)范圍內(nèi)，檢測器就會向圖像采集發(fā)送拍攝脈沖信號進行拍攝。

2.2 圖像處理

2.2.1 圖像采集

光學系統(tǒng)采集圖像，將采集圖像數(shù)字化后的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計算機存儲器。

2.2.2 圖像處理

處理器運用不同的計算法對圖像進行處理、分析、識別、獲得重要的圖像要素。

2.2.3 特性提取

它使用計算機提取圖像信息，處理識別并量化圖像的關鍵特性，然后把重要數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。

2.2.4 判斷提取

處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進行處理，并做出視覺系統(tǒng)的方案。

2.3 輸入輸出信號

處理器把處理結果傳送到控制器動作，進行運動糾正和誤差糾正等。

3 視覺系統(tǒng)的應用

3.1 系統(tǒng)的應用

在企業(yè)的生產(chǎn)過程中會有越來越多的設備運用到機器視覺系統(tǒng)技術，機器視覺系統(tǒng)現(xiàn)可以代替人的肉眼來做檢測和誤差判斷。在設備零件加工檢測、文字檢測過程中，機器視覺系統(tǒng)將產(chǎn)品的檢測目標轉(zhuǎn)換成特有的圖像信號，再傳送給計算機圖像處理系統(tǒng)，圖像處理器根據(jù)圖像的像素分布和明度、顏彩等信息，轉(zhuǎn)變成為數(shù)學信號；系統(tǒng)對這些信號進行計算從而抽取出目標特征，控制器根據(jù)輸出結果來控制生產(chǎn)設備的動作。例如飲料生產(chǎn)線上的外觀、液位、蓋帽等檢測系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)的構成

如圖1所示，一個完型的機器視覺系統(tǒng)應包括如下部分：光照源系統(tǒng)，鏡頭系統(tǒng)，CCD攝像機，圖像處理器，圖像處理軟件，控制輸入輸出系統(tǒng)和控制機構等組成?，F(xiàn)今視覺產(chǎn)品分為兩大類。

3.2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是將CCD、內(nèi)存、處理器和通訊設備壓縮在一個模塊里，性價比高，使用方便。

3.2.2 計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)是傳統(tǒng)的機器視覺系統(tǒng)，有CCD攝像機、視覺采集卡、計算機等，現(xiàn)在主要使用，但價格昂貴。

3.3 系統(tǒng)軟件的使用

視覺系統(tǒng)的輸出信號并不是圖像信號，而是經(jīng)過計算機處理器運算處理過后的數(shù)字化信號，例如尺寸數(shù)據(jù)信號、顏色數(shù)據(jù)信號。控制處理器PC和PLC實時獲得計算機算圖像處理后的結果，并把執(zhí)行相應的控制動作處理。

機器視覺系統(tǒng)的運行環(huán)境可分為PC系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)。由于PC的運行系統(tǒng)的開放性和靈活性，同時整個系統(tǒng)總體成本較低，現(xiàn)大部分都是由PC來構成機器視覺系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)內(nèi)有高性能圖像處理器和圖片捕獲卡，可接多個鏡頭，在軟件方面有Windows環(huán)境下的C/C++編程，可視化控件activeX提供了VB和VC++下的圖形化編程環(huán)境，甚至Windows下的面向?qū)ο蟮臋C器視覺組態(tài)軟件，可以根據(jù)不同的需求開發(fā)出不同的應用。

在PLC系統(tǒng)中，機器人視覺的作用更像一個智能傳感器，圖像處理系統(tǒng)需要單獨配置，再通過串行總線和I/O與PLC互相通信。視覺系統(tǒng)硬件會利用高速ASIC或嵌入式計算機進行圖像處理，系統(tǒng)的處理軟件固定在圖像處理器中，通過簡單的鍵盤操作進行配置。

4 視覺系統(tǒng)的發(fā)展

機器人視覺應用系統(tǒng)可分為三個時代。第一個時代視覺機器人的功能比較簡單，一般是按設計人員規(guī)定的流水動作對圖像進行處理并輸出結果。這種系統(tǒng)一般比較簡單，主要用于產(chǎn)品缺陷的檢測。第二個時代視覺機器人一般由計算機、圖像處理設備和控制輸出硬件構成。在進行圖像視覺的處理過程中還會有一定學習能力。第三個時代視覺機器人系統(tǒng)是目前國際主流的開發(fā)使用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)會采用一些高速圖像處理芯片、并行算法，具有智能性和高度的適應性，能模擬人的視覺功能并能快速提取復雜的信息。

現(xiàn)在國內(nèi)機器視覺技術已經(jīng)日趨成熟，從而在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)領域上引入機器人視覺技術是很有必要的，如：印刷、制藥、加工等領域。將會極大的提高了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和速度，最大限度的保證了人身安全和運行穩(wěn)定可靠。

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作者單位

珠海市技師學院 廣東省珠海市 519000endprint