機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及其在機(jī)械制造自動(dòng)化中應(yīng)用的探討

劉澤宇

（廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 511458）

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備越來(lái)越人性化。有些企業(yè)開(kāi)始以人的思維模式過(guò)程為基礎(chǔ)，研發(fā)出人工智能的軟件或機(jī)器設(shè)備；有些企業(yè)則選擇將人類(lèi)的外部感官作為研究對(duì)象，制造出機(jī)械臂、機(jī)械眼睛等等，所以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于機(jī)械制造行業(yè)非常重要。

1 概述

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是一項(xiàng)覆蓋多領(lǐng)域?qū)W術(shù)技術(shù)的科學(xué)技術(shù)。包括人工智能學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、圖像的處理及分析等。這種技術(shù)主要就是來(lái)模仿人類(lèi)的功能性視覺(jué)，在進(jìn)行機(jī)械制造的自動(dòng)化生產(chǎn)流水線中，視覺(jué)系統(tǒng)根據(jù)攝像機(jī)的錄制和傳輸功能，將線上的物品形成特定的形象，并且傳入處理系統(tǒng)中進(jìn)行信息處理，完成物品的色彩、光亮度、圖案的填充，之后再對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，判斷分析后得出監(jiān)測(cè)結(jié)果（如圖1所示）。

圖1 視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的工作流程

在機(jī)械制造自動(dòng)化執(zhí)行相關(guān)指令的過(guò)程中，有一個(gè)系統(tǒng)非常重要，叫做指揮系統(tǒng)。就是以監(jiān)測(cè)的結(jié)果為執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，由此作出相應(yīng)的其他指令并控制。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是噪音相對(duì)較少，測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度較高，雖然工藝看起來(lái)較為復(fù)雜，但在實(shí)際的流水線作業(yè)過(guò)程中，僅僅需要0．1s的反應(yīng)時(shí)間，效率非常高；就算在周?chē)h(huán)境惡劣或工作時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，也可以有效實(shí)踐，對(duì)監(jiān)測(cè)物品的信息化處理的程度較強(qiáng)。

2 實(shí)施機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的重要意義

將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)的監(jiān)測(cè)方式，不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，而且使企業(yè)的生產(chǎn)效率增加。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)代化的機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越趨于智能化。人類(lèi)利用視覺(jué)技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)掌控成本的監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)，保證其出場(chǎng)的質(zhì)量，這種生產(chǎn)的模式、性能及自動(dòng)化的運(yùn)用，正好填補(bǔ)機(jī)械制造工業(yè)中危險(xiǎn)系數(shù)高的生產(chǎn)工作環(huán)境，經(jīng)常用機(jī)械來(lái)代替人工的視覺(jué)技術(shù)。另外，在產(chǎn)量較大的機(jī)械制造過(guò)程中，由于監(jiān)測(cè)人員的專(zhuān)業(yè)水平及專(zhuān)業(yè)知識(shí)的參差不齊，無(wú)法保證所有的人工檢查產(chǎn)品都能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求，也不能對(duì)精準(zhǔn)度提供保障，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)衡量產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)都是固定的，除了系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題，否則對(duì)商品監(jiān)測(cè)時(shí)的要求都是一致的，可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，達(dá)成了機(jī)器視覺(jué)的信息整合，是計(jì)算機(jī)集成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

3 在機(jī)械制造自動(dòng)化的工作中加入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于監(jiān)測(cè)質(zhì)量的施工過(guò)程中

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的主要功能就是對(duì)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品外觀進(jìn)行檢查，保證其質(zhì)量的一道檢測(cè)裝置，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在許多機(jī)械制造行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，尤其受到大型機(jī)械零件的青睞，例如：生產(chǎn)汽車(chē)零件、輪船零件、飛機(jī)零件等。這些零件的生產(chǎn)量較龐大，所以只依靠人工檢測(cè)無(wú)法保證產(chǎn)品的質(zhì)量。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品在監(jiān)測(cè)時(shí)，圖像顯示非常清晰，外觀的缺陷非常明顯，正好可以彌補(bǔ)人工檢測(cè)的不足。例如：在對(duì)曲軸進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，曲軸輕微彎曲有時(shí)候無(wú)法用肉眼識(shí)別，有些與標(biāo)準(zhǔn)只相差幾毫米，但利用機(jī)械視覺(jué)技術(shù)就可以及時(shí)對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)，而且這個(gè)技術(shù)的檢測(cè)項(xiàng)目非常全面，還可以同時(shí)對(duì)零件的細(xì)節(jié)處理、孔洞內(nèi)的細(xì)節(jié)處理、橫截面及連接處的細(xì)節(jié)處理進(jìn)行檢查。需要注意的是，技術(shù)人員必須要在施工前進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定、誤差設(shè)定和零件允許的誤差范圍進(jìn)行設(shè)定，然后將生產(chǎn)線上的產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)值相比較并篩選。不合格的產(chǎn)品需要立刻廢棄，防止混入市場(chǎng)的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)中，影響產(chǎn)品總體質(zhì)量及企業(yè)的發(fā)展。

機(jī)械視覺(jué)技術(shù)的表現(xiàn)形式不只有攝像和拍攝照片，還有紅外線掃描及聲吶掃描。這也是機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的重要證明，還有X光、激光等高科技技術(shù)，都可以作為機(jī)械制造行業(yè)的“眼睛”。

3.2 應(yīng)用于測(cè)量的施工過(guò)程中

在機(jī)械制造的自動(dòng)化過(guò)程中，測(cè)量與檢測(cè)之間存在著共同的特點(diǎn)。檢測(cè)一般有兩種方法，第一種方法是將產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行全方位的比較，若超出已知的誤差數(shù)值，則不合格；第二種方法是先測(cè)量零件的精準(zhǔn)度，然后再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的精準(zhǔn)度進(jìn)行測(cè)量，兩者相對(duì)比得出是否合格的結(jié)論。由于第二種檢測(cè)的方法過(guò)于復(fù)雜，所以應(yīng)用第一種檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量的企業(yè)較多。但第一種方法的中心點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)件的長(zhǎng)度、大小、接口大小等是否準(zhǔn)確，只有標(biāo)準(zhǔn)件的相關(guān)數(shù)值準(zhǔn)確，才能夠保證后續(xù)檢測(cè)的產(chǎn)品質(zhì)量能夠達(dá)標(biāo)，同時(shí)在機(jī)械制造中，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還有許多其他的應(yīng)用。在測(cè)量中加入機(jī)械視覺(jué)技術(shù)方法的具體操作，就是先固定其位置，然后確定好測(cè)量點(diǎn)之間的距離，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的掃描，形成圖像并做好相關(guān)的處理，然后計(jì)算距離或計(jì)算出信號(hào)反射時(shí)的相關(guān)參數(shù)。測(cè)量中的原則是由簡(jiǎn)到難，先由簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開(kāi)始，逐漸向復(fù)雜的測(cè)量技術(shù)過(guò)度，若想要對(duì)復(fù)雜構(gòu)成的零件進(jìn)行測(cè)量，可以將其分解成幾個(gè)簡(jiǎn)單的組成部分，將測(cè)量好的數(shù)值進(jìn)行整合，降低測(cè)量的工作難度。

還可以在機(jī)械視覺(jué)技術(shù)中加入光學(xué)投影技術(shù)，大量等寬等距離的平行夾縫光學(xué)儀器叫做光柵，可以運(yùn)用這種顯示技術(shù)來(lái)提高測(cè)量的精準(zhǔn)度，使其精準(zhǔn)度以微米為計(jì)算單位，但是這種技術(shù)存在一個(gè)缺點(diǎn)，就是成本投入較高，降低企業(yè)的盈利，所以很少有企業(yè)選擇這種方式。但這種發(fā)展趨勢(shì)卻是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展方向，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，可以降低其成本投入，這是一個(gè)全面化、精準(zhǔn)化的發(fā)展目標(biāo)。

利用測(cè)量?jī)x器對(duì)定制的零件進(jìn)行測(cè)量叫做逆向工程測(cè)量。首先需要對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量并得出數(shù)據(jù)，然后建立三維立體的坐標(biāo)，運(yùn)用CAD軟件對(duì)其進(jìn)行圖像的加工，最后運(yùn)用CNC加工機(jī)制造出模型。在整個(gè)工藝的進(jìn)程中，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度影響著整個(gè)模型的質(zhì)量，這是逆向工程中最重要的環(huán)節(jié)。在科技的發(fā)展過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也被應(yīng)用在逆向工程零件的檢測(cè)中，這項(xiàng)技術(shù)是以三角法作為建立的基礎(chǔ)，讓線和光對(duì)零件進(jìn)行表面輪廓的測(cè)量，同時(shí)投射出平面的條紋光結(jié)構(gòu)，形成不同的變形條紋，再對(duì)零件的表面輪廓進(jìn)行研究分析。值得注意的是，在基于CCD軟件對(duì)圖像的提取時(shí)，要進(jìn)行3次的信號(hào)轉(zhuǎn)換后才可以對(duì)其進(jìn)行保存，即需要通過(guò)視頻—模擬—數(shù)字之間3種信號(hào)的轉(zhuǎn)換。另外，將分析后的圖像存儲(chǔ)信息傳輸給監(jiān)視設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行處理，才可以得出相對(duì)準(zhǔn)確的零件模型圖。

3.3 應(yīng)用于焊接機(jī)器人的施工中

許多零件的磨損度由于各方面原因不能進(jìn)行測(cè)量，所以在機(jī)器人焊接過(guò)程中，加入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。這是一種利用射線探傷儀器、紅外線攝像儀器、CCD攝像儀器等增加機(jī)器人焊接的視覺(jué)能力，幫助焊接機(jī)器人提高焊接的質(zhì)量。視覺(jué)能力由一維、二維、三維這3種傳感組成。對(duì)一維傳感的組件進(jìn)行檢測(cè)有一個(gè)或者多個(gè)的接收光電單位；二維傳感就是利用電力設(shè)備或者機(jī)械設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行平面掃描；對(duì)多個(gè)一維傳感和二維傳感信息進(jìn)行信息處理及整合，可以得到三維傳感。因?yàn)楹附庸ぷ鞯奈ｋU(xiǎn)性較大，容易對(duì)施工人員的生命安全產(chǎn)生威脅，所以只能利用焊接機(jī)器人進(jìn)行工作，不能人為操作。但是現(xiàn)階段，擁有機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的焊接機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，其技術(shù)還有許多需要完善和研究的問(wèn)題，科學(xué)技術(shù)人才要幫助機(jī)器人進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步、可靠、智能、可控制能力及焊接精準(zhǔn)度的全面提升，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造行業(yè)全面自動(dòng)化的理想化工作狀態(tài)，推動(dòng)我國(guó)制造行業(yè)的不斷發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械制造的重要組成部分就是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，是保障機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展基礎(chǔ)。簡(jiǎn)單的采集功能、分析功能、傳輸數(shù)據(jù)功能，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)階段的機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展需要，這樣的趨勢(shì)間接證明了機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展方向正在朝著開(kāi)放性轉(zhuǎn)變。所以必須要不斷的對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行完善和更新。