機(jī)器視覺技術(shù)及在機(jī)械制造自動化中的應(yīng)用

孫永忠

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水 741001）

0 引言

機(jī)器視覺技術(shù)是通過機(jī)器替代人眼完成各項測量與判斷工作，通過計算機(jī)技術(shù)識別客觀三維世界，通過模擬人類視覺與中樞神經(jīng)的處理方法，通過機(jī)器視覺技術(shù)系統(tǒng)的圖像拍攝裝置捕捉事物信息后，通過數(shù)據(jù)、圖像處理對各種物象信息進(jìn)行觀察與監(jiān)測，這種技術(shù)能夠與計算機(jī)靈活連接，并采用數(shù)字化處理技術(shù)，極大地減少了勞動率，在機(jī)械制造領(lǐng)域中，能夠完成圖像采集與捕獲、非接觸性測量與實時監(jiān)控等工作，是現(xiàn)代測量領(lǐng)域與測試技術(shù)的一個發(fā)展焦點。

1 機(jī)器視覺技術(shù)概述

（1）機(jī)器視覺技術(shù)是利用計算機(jī)模擬人類的視覺功能，準(zhǔn)確提取、分析、測量并監(jiān)控物象信息的一種技術(shù)。這項技術(shù)首先需要采用CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）攝像技術(shù)獲取物象信息，轉(zhuǎn)變具體物象后，使其成為所需圖像再輸入計算機(jī)進(jìn)行處理，然后分析、測量并計算圖像中包含的信息，最后以分析結(jié)果為依據(jù)，將結(jié)果直接轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的數(shù)字信號并輸出，以實現(xiàn)智能化監(jiān)控各種機(jī)器。CCD攝像技術(shù)是機(jī)器視覺技術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，它能綜合處理所獲取的圖像，并且以智能化的形式輸出分析報告。機(jī)器視覺技術(shù)具有高效率、精準(zhǔn)測量、低噪聲、應(yīng)用靈活等特點，能夠適用于多種測量環(huán)境，對于惡劣的測量環(huán)境也有很強(qiáng)的適用性，大幅度提高了測量工作效率和機(jī)械制造質(zhì)量，提高了機(jī)械制造效益。

（2）機(jī)器視覺系統(tǒng)的輸出結(jié)果是經(jīng)過計算、分析、處理后的檢測結(jié)果，系統(tǒng)中的圖像處理部分會對CCD攝像系統(tǒng)獲得的物象圖像信號進(jìn)行處理，通過像素、亮度以及顏色等信息，把圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)一步運(yùn)算這些信號，獲取物象目標(biāo)的基本外觀特征，與系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置的條件相結(jié)合，將運(yùn)算結(jié)果輸出為各種物象特征數(shù)據(jù)。上位機(jī)在獲取到運(yùn)算結(jié)果后，再利用控制系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2 機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動化中的運(yùn)用

2.1 在工業(yè)精密測量中的運(yùn)用

（1）機(jī)器視覺技術(shù)能夠精密測量零件尺寸。由CCD攝像頭、光學(xué)系統(tǒng)和計算機(jī)處理系統(tǒng)組成的檢測系統(tǒng)能夠?qū)α慵M(jìn)行精密測量。光源的平行光束照射到物象目標(biāo)檢測部位上，運(yùn)用顯微光學(xué)鏡技術(shù)使物象目標(biāo)邊緣輪廓在CCD鏡面上形成圖像，由計算機(jī)進(jìn)行處理以獲取物象目標(biāo)邊緣輪廓位置，對有物移問題的物象目標(biāo)，可重復(fù)測量邊緣輪廓位置，計算重復(fù)測量后的位置差值，獲取位移量，并作為物象目標(biāo)的尺寸值。這種方法很好地適用于尺寸較小、形狀較簡單的物象目標(biāo)的工件在線檢測工作。如各種電子接插件需要較高的生產(chǎn)效率，成品尺寸精度要求也較高，采用機(jī)器視覺技術(shù)后，能使每分鐘生產(chǎn)效率達(dá)到數(shù)百件，成品尺寸精度達(dá)到0.01 mm級。

（2）刀具磨損的精密測量。刀具出現(xiàn)磨損時，需要測量其磨損程度，但外界因影響較大，導(dǎo)致最終無法確保測量準(zhǔn)確性。如傳統(tǒng)的刀具磨損檢測工作，首先要卸下刀具。機(jī)器視覺技術(shù)方便了這種檢測工作。對機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行一定的改進(jìn)，通過光纖技術(shù)在鏡頭周圍插入光源降低陰影影響產(chǎn)生的測量誤差，提高夾具轉(zhuǎn)動范圍和角度，降低取像設(shè)備大小，通過實驗確定最佳狀態(tài)的光線照射強(qiáng)度與角度，并獲取最佳拍攝角度，該機(jī)器視覺系統(tǒng)使用范圍獲得了極大提高。通過刀具磨損前后在橫向上存在的尺寸差，精確計算刀具磨損值，實現(xiàn)簡單幾何形狀刀具的在線測量，簡化圖像處理流程，降低測量信噪比，提升測量精度和速度。

（3）工件預(yù)調(diào)測量。對工件預(yù)測測量的傳統(tǒng)方法主要是通過光學(xué)投影定位，利用光柵數(shù)顯表對工件讀數(shù)進(jìn)行測量，這種測量方法需要投入的人力資源較大，需要具備的技術(shù)水平也較高，工作效率較低。采用機(jī)器視覺技術(shù)能夠制造技術(shù)更為先進(jìn)的預(yù)調(diào)測量儀，將機(jī)器視覺技術(shù)、光柵技術(shù)、自動控制技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，精簡了測量操作流程，提高了測量效率與測量精度。

（4）逆向工程的測量。逆向工程即通過3D測量儀，對各種工件、樣品及模型等進(jìn)行測量，獲取其輪廓坐標(biāo)值，構(gòu)建曲面，并對其進(jìn)行編輯修改，轉(zhuǎn)換文件形式，并以測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立三維坐標(biāo)圖，最后進(jìn)行加工獲得所需模具，也可利用快速成型機(jī)制作樣品模型。三維測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是最終模型質(zhì)量的保障。在CCD光電技術(shù)基礎(chǔ)上，利用三角法可實現(xiàn)快速化的輪廓視覺測量，線結(jié)構(gòu)光可作為物象表面輪廓結(jié)構(gòu)的測量介質(zhì)。激光能夠穿越振幅光柵系統(tǒng)，或者通過干涉儀直接生成干涉條紋，再將測量目標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面條紋結(jié)構(gòu)投射出來，利用條紋變形的方式生成物體表面曲率與深度等變化值，CCD攝像系統(tǒng)對條紋圖像進(jìn)行提取后，即可分析該物體表面結(jié)構(gòu)變化。利用機(jī)器視覺系統(tǒng)，能夠?qū)@取的圖像實現(xiàn)視頻信號、模擬信號與數(shù)字信號的自由轉(zhuǎn)換，并根據(jù)模擬信號提供的數(shù)值進(jìn)行像素化處理，使圖像能夠順利轉(zhuǎn)換成三維輪廓圖像或模型。這種數(shù)字化處理技術(shù)，能夠使計算機(jī)最終獲得的圖像數(shù)據(jù)以多個像素的形式呈現(xiàn)出來，每個像素的坐標(biāo)特定，并與物體上的各個點相對應(yīng)，利用灰度值表示像素即可。

2.2 機(jī)器視覺技術(shù)在工件檢測中的運(yùn)用

（1）檢測工件表面缺陷。目前汽車、摩托車和內(nèi)燃機(jī)等生產(chǎn)行業(yè)，人工目測仍然是工件表面的主要檢測方法，這種方法效率低下、精準(zhǔn)度低、勞動強(qiáng)度較高。利用機(jī)器視覺技術(shù)可提高檢測規(guī)范與精確度。CCD攝像技術(shù)能夠檢測工件表面缺陷，并以此作為零件表面質(zhì)量管理的優(yōu)化過程。例如，在檢測連桿結(jié)合面的爆口中，其常規(guī)檢測標(biāo)準(zhǔn)是破口面積＜4 mm2，且任意方向破口的線性長度需＜3 mm，在檢測中利用LED（Light Emitting Diode）漫反射光源與CCD攝像技術(shù)，能夠合作檢測坡口區(qū)域，光線在工件表面照射后，會反射至CCD元件中，并生成電量信號。再由機(jī)器視覺系統(tǒng)分析計算CCD元件上反射生成的圖像電量信號，經(jīng)最終處理后獲取高價值數(shù)據(jù)，再做圖像二值化處理，并計算和分析處理結(jié)果。設(shè)定已有樣件為參照物，即可采用灰度二值化閾值和光源設(shè)定比對的方法進(jìn)行處理。調(diào)整光源亮度、處理系統(tǒng)的二值化閾值后，對灰度二值化閾值進(jìn)行優(yōu)化處理，提高機(jī)器視覺系統(tǒng)對對象邊界的分辨率，最后根據(jù)優(yōu)化后的閾值和光源亮度調(diào)整后的邊界變化產(chǎn)生的像素值獲取檢測結(jié)果。

（2）激光機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)。國外部分機(jī)械加工、電子生產(chǎn)和汽車制造等領(lǐng)域已經(jīng)成功研制并使用該先進(jìn)系統(tǒng)完成各項檢測。如北美汽車工業(yè)研究院完成的BIN-PICKING成果利用模型數(shù)據(jù)和三維成像技術(shù)相結(jié)合的方式完成識別判斷，精確定準(zhǔn)最佳成像點，可使激光雷達(dá)在7 s內(nèi)完成整個工件箱的掃描。我國利用CCD攝像技術(shù)與激光技術(shù)研制成功視覺傳感器，能夠精確測量被測物象的三維坐標(biāo)，并于7 s內(nèi)對整個汽車輻射完成檢測，工作效率可提升100%。

（3）檢測金屬板面。機(jī)械制造中會較為頻繁地使用金屬板，先檢測金屬板，能夠提高產(chǎn)品精度。傳統(tǒng)的加控針檢測，首先要直接接觸金屬板面完成檢測，因此可能會對金屬板造成劃傷。機(jī)器視覺檢測采用遠(yuǎn)程攝像分析技術(shù)，無需直接接觸金屬板面，不僅能確保測量準(zhǔn)確性，還能避免操作金屬板，同時，能夠全面分析金屬表面，并記錄準(zhǔn)確信息，將檢測獲得的三維圖像呈現(xiàn)到顯像儀上，幫助研究人員準(zhǔn)確定位金屬板缺陷，并及時處理。

2.3 在焊接機(jī)器人中的運(yùn)用

焊接機(jī)器人是機(jī)械制動焊接工作的主要執(zhí)行者，在機(jī)器人控制系統(tǒng)中安裝機(jī)器視覺技術(shù)，能夠使焊接機(jī)器人加入可視化分析功能。機(jī)器人能夠根據(jù)具體的圖像數(shù)據(jù)分析與運(yùn)算結(jié)果，確定焊接點，更好地感知焊接過程，不受焊接環(huán)境的限制，處理各種困難焊接環(huán)境下的焊接工作。

3 結(jié)語

機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的運(yùn)用在不斷延伸，傳統(tǒng)的攝像、采集、分析、運(yùn)算、傳輸?shù)裙δ?，也逐漸實現(xiàn)了開放性的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)與自動化、智能化技術(shù)正不斷融合，基于機(jī)器視覺技術(shù)的各種軟硬件產(chǎn)品也正成為機(jī)械制造過程中的各種關(guān)鍵部分，不斷提高著機(jī)械制造的效率與質(zhì)量。