探析機(jī)器視覺技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

張清郁

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

制造業(yè)為謀求更大的發(fā)展，就不得不有效解決人力成本提升、市場(chǎng)個(gè)性化需求越來越高、產(chǎn)品生命周期縮短等問題。智能制造正是以解決并突破相關(guān)問題而產(chǎn)生的新型制造生產(chǎn)方式，而機(jī)器視覺技術(shù)則是代替人力作業(yè)、提高生產(chǎn)效率、滿足市場(chǎng)個(gè)性化需求的有效技術(shù)手段，隨著技術(shù)研究的不斷突破，其在智能制造中的應(yīng)用廣度和深度將不斷深化。

1 概述

1.1 機(jī)器視覺技術(shù)概述

機(jī)器視覺技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)或圖像處理器、相關(guān)設(shè)備模擬人類的視覺功能，通過圖像信息獲取、分析和處理最終應(yīng)用在客觀事物的檢測(cè)和控制當(dāng)中。機(jī)器視覺技術(shù)讓機(jī)器擁有了眼睛和大腦，相較于傳統(tǒng)的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備，該技術(shù)的智能性和先進(jìn)性十分突出。機(jī)器視覺技術(shù)高度自動(dòng)化、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生產(chǎn)相率與精度高等優(yōu)勢(shì)使其在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，尤其體現(xiàn)在識(shí)別、檢測(cè)、測(cè)量等具體的生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中。按照應(yīng)用領(lǐng)域類型，機(jī)器視覺市場(chǎng)可劃分為工業(yè)和非工業(yè)應(yīng)用，目前工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，在非工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用正在快速增加。

1.2 智能制造概述

智能制造是由智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)組成，是傳統(tǒng)制造業(yè)在高度自動(dòng)化和自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力等方面不斷強(qiáng)化的現(xiàn)代未來型制造。智能制造在全球的影響力在不斷強(qiáng)化，美國的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃”、德國的“工業(yè)4.0”計(jì)劃、日本的“再興戰(zhàn)略”、韓國的“新增長(zhǎng)動(dòng)力戰(zhàn)略”和法國的“未來工業(yè)”計(jì)劃等，是主要發(fā)達(dá)國家在智能制造發(fā)展上謀求突破的實(shí)際規(guī)劃，中國則以“中國制造2025”強(qiáng)勢(shì)追趕并力求突破現(xiàn)有的發(fā)展瓶頸。智能制造將成為現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)的新的發(fā)展方向，也是我國經(jīng)濟(jì)追求創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)場(chǎng)。尤其基于當(dāng)前我國制造業(yè)的發(fā)展情況來看，雖然制造業(yè)的生產(chǎn)總量較高，但是產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn)較世界發(fā)達(dá)國家還有一定差距。為此，大力發(fā)展智能制造，在智能裝備、加工技術(shù)乃至資源管理、生產(chǎn)流程方面尋求智能化發(fā)展，尤其是機(jī)器視覺技術(shù)的研究與應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)窗口。

2 機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生的巨大影響

2.1 機(jī)器視覺讓設(shè)備變得更智能化

在行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展水平不斷提高的今天，更多的企業(yè)重視并實(shí)際引進(jìn)高新技術(shù)，機(jī)器視覺技術(shù)正是其中的重要技術(shù)之一。機(jī)器視覺技術(shù)引入制造業(yè)當(dāng)中，能夠充分發(fā)揮其檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)制造中對(duì)產(chǎn)品作自動(dòng)檢測(cè)與處理，可有效把控產(chǎn)品品質(zhì)，使得產(chǎn)品質(zhì)量得到有效提升。同時(shí)，機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)工作目標(biāo)物體的識(shí)別和定位功能，使得生產(chǎn)制造的實(shí)際效率不斷提高。具體而言，機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于智能化機(jī)器人當(dāng)中，如在自動(dòng)化生產(chǎn)線中對(duì)產(chǎn)品的堆放打包的角度看，傳統(tǒng)制造行業(yè)多通過人工操作，產(chǎn)品的體積和重量均較大，耗費(fèi)大量的人力資源不說，生產(chǎn)效率較低，還有可能發(fā)生安全隱患。重載機(jī)器人的引入則有效解決了相應(yīng)問題，機(jī)器視覺技術(shù)讓重載機(jī)器人擁有了視覺功能，能夠快速準(zhǔn)確地抓取到產(chǎn)品信息，通過快速的信息獲取和處理，使得產(chǎn)品的堆放、打包乃至成型得以快捷高效。

2.2 機(jī)器視覺將與多方技術(shù)融合

機(jī)器視覺技術(shù)研究與應(yīng)用的主要方向在于通過多種技術(shù)的融合應(yīng)用，形成視覺任務(wù)通用的視覺信息系統(tǒng)，為生產(chǎn)制造提供高度便捷的智能處理機(jī)制。雖然就當(dāng)前的研究應(yīng)用水平來看，其較人類視覺系統(tǒng)還有著很大的差距，短期內(nèi)無法極大提升其智能性，但以此為目標(biāo)，建立局部性的專用視覺系統(tǒng)，進(jìn)而發(fā)展到更為完善的一般系統(tǒng)，還是有著較為明朗的發(fā)展前景。

我國加工制造業(yè)快速發(fā)展，對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用需求不斷強(qiáng)化，為滿足加工制造的多種場(chǎng)景和多種需求，對(duì)生產(chǎn)、生活多個(gè)領(lǐng)域場(chǎng)合予以需求滿足，其正在不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)融合強(qiáng)化，使得整體技術(shù)系統(tǒng)更加智能化和便捷化。在當(dāng)前的靜止或瞬時(shí)視覺信息作為輸入功能的基礎(chǔ)上，不斷強(qiáng)化機(jī)器視覺、機(jī)器聽覺、機(jī)器嗅覺、機(jī)器觸覺并有機(jī)結(jié)合，將使未來的制造業(yè)在信息獲取和處理方面的能力進(jìn)一步強(qiáng)化，結(jié)合多傳感器融合技術(shù)，使得制造的效率不斷提高，智能性更加突出。

3 機(jī)器視覺技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

3.1 機(jī)器視覺的感知技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

當(dāng)前制造業(yè)面臨的巨大難題在于勞動(dòng)力成本的不斷上升，產(chǎn)能需求越來越大，避免通過技術(shù)升級(jí)予以解決。工業(yè)機(jī)器人作為新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，在制造業(yè)中的應(yīng)用程度也就越來越高。當(dāng)前我國制造領(lǐng)域生產(chǎn)線裝配、分揀和搬運(yùn)等環(huán)節(jié)均應(yīng)用了工業(yè)機(jī)器人，其在提前編程和示教的基礎(chǔ)上完成作業(yè)，自我判斷能力已經(jīng)初具規(guī)模，對(duì)推動(dòng)智能制造發(fā)展起到了很大的作用。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的引入，目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)位姿求取方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得工業(yè)機(jī)器人的功能延伸性更強(qiáng)，實(shí)際工業(yè)制造的應(yīng)用效果越來越突出。

機(jī)器視覺技術(shù)高度的自適應(yīng)和智能化性能，成像技術(shù)、圖像自動(dòng)獲取技術(shù)、圖像自動(dòng)處理技術(shù)、圖像的配準(zhǔn)以及與智能裝備的聯(lián)合控制等實(shí)現(xiàn)了突出的感知能力。具體來講，機(jī)器視覺的感知技術(shù)可以有效應(yīng)用于智能制造中的產(chǎn)品檢測(cè)、精密測(cè)控以及自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域。機(jī)器視覺技術(shù)使得工業(yè)機(jī)器人具備更強(qiáng)的感知能力，眼睛功能使其不必事先具備離線編程機(jī)制，也可擺脫預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過感知能力的指引便能自動(dòng)識(shí)別并處理場(chǎng)景信息，完成抓取指定物體的處置，使得生產(chǎn)過程更加智能化和柔性化。

3.2 機(jī)器視覺的動(dòng)態(tài)監(jiān)控與反饋技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造當(dāng)中，自動(dòng)化生產(chǎn)線的運(yùn)用雖然極大提升了生產(chǎn)效率，但在實(shí)際運(yùn)用中，由于系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，一旦出現(xiàn)故障則可能影響整體生產(chǎn)線，造成產(chǎn)品質(zhì)量損失，企業(yè)也將面臨巨大的經(jīng)濟(jì)損失。機(jī)器視覺技術(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和反饋技術(shù)則很好地解決了相應(yīng)難題。在視覺技術(shù)中，動(dòng)態(tài)監(jiān)控與反饋技術(shù)可對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息反饋，對(duì)生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量差錯(cuò)進(jìn)行嚴(yán)密把控，通過容錯(cuò)能力的運(yùn)用，很好地降低了產(chǎn)品質(zhì)量差錯(cuò)率，避免停產(chǎn)及降低生產(chǎn)的缺陷率。同時(shí)，工業(yè)監(jiān)控視覺技術(shù)還可通過視覺監(jiān)控的閉環(huán)自適應(yīng)控制、圖像無損壓縮來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和反饋，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)完成位置調(diào)整、好壞篩選、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，很好地幫助了智能化生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的把控和整體調(diào)配。從當(dāng)前的應(yīng)用情況來看，該技術(shù)仍處于研發(fā)和應(yīng)用的起步階段。

3.3 機(jī)器視覺技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用實(shí)例

機(jī)器視覺技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用涉及到多個(gè)領(lǐng)域，并隨著該技術(shù)研究的不斷深入而不斷拓展。從當(dāng)前的應(yīng)用實(shí)例來看，涉及到包括醫(yī)療器械、電子制造、汽車制造等多種不同領(lǐng)域。

首先，機(jī)器視覺技術(shù)在醫(yī)療器械行業(yè)中的應(yīng)用，其可用于醫(yī)療器械行業(yè)的缺陷檢測(cè)，對(duì)于醫(yī)療產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)篩選和剔除，如西門子機(jī)器視覺技術(shù)結(jié)合西門子自動(dòng)化設(shè)備在線檢測(cè)注射針的外觀缺陷，并自動(dòng)剔除不合格產(chǎn)品的方法，正是其中的代表性應(yīng)用。其次，機(jī)器視覺技術(shù)在電子制造中的應(yīng)用，如芯片必須用極細(xì)的焊線焊接，以絕對(duì)準(zhǔn)確度將細(xì)的鋁或金線放置于非常小的墊面，通過機(jī)器視覺技術(shù)則很好的實(shí)現(xiàn)焊接位置的定位和處理，很好地完成高精尖的生產(chǎn)處理工作。此外，在汽車制造領(lǐng)域，機(jī)器視覺系統(tǒng)被廣泛用于汽車制造的工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域，實(shí)際的應(yīng)用效果越來越顯著。

4 結(jié)語

隨著制造業(yè)“機(jī)器換人”的演變，作為設(shè)備智能化過程必不可少的機(jī)器視覺也會(huì)隨之迅速發(fā)展。機(jī)器視覺技術(shù)正是可以幫助工廠減少污染并且以更低的成本獲得高效率的工具，可以預(yù)見的是，隨著機(jī)器視覺技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，它將在現(xiàn)代和未來的制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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