基于機器視覺的工件在線測量系統(tǒng)研究

金道城 趙有為 沙春 周杰

摘要：測量是制造技術中數(shù)據(jù)獲取的重要途徑，同時也是產(chǎn)品制造過程的關鍵工藝流程，關乎產(chǎn)品質(zhì)量。先進制造技術的發(fā)展，對測量提出了高精度、高效率、良好柔性等要求，傳統(tǒng)的產(chǎn)品尺寸測量是工人采用游標卡尺、千分尺等測量器件檢測工件，降低了生產(chǎn)效率或是采用簡單的機械裝置檢測。為了克服傳統(tǒng)檢測方式中的這些不足之處，基于機器視覺的非接觸在線測量方式應運而生。

關鍵詞：機器視覺;CCD;相機;可編程序控制器

一、概述

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢是數(shù)字自動化制造，這對加工精度、速度提出了嚴格的要求。傳統(tǒng)的加工精度僅限于毫米、微米級。對于精加工，這類精度級別已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在制造業(yè)的發(fā)展需求。目前的精加工制造精度已向著納米級的精度方向在發(fā)展了。制造業(yè)的發(fā)展以及對制造精度要求的提高也帶動了產(chǎn)品質(zhì)量、尺寸等檢測手段的發(fā)展，檢測方式越來越多樣化。各類檢測方法無論是在速度上還是在檢測精度上都得到了很大的提高。綜合加工制造與檢測手段兩方面的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，數(shù)字自動化制造在精度與效率上都得到了一個質(zhì)的飛躍。測量作為獲得產(chǎn)品制造精度的唯一途徑，在制造業(yè)里占據(jù)著舉足輕重的位置，它也是影響生產(chǎn)效率的一個重要因素。在線檢測手段在目前的這種工業(yè)發(fā)展水平下，它的推廣應用不僅能夠節(jié)省勞動力，還能集加工與測量于一體，大大提高生產(chǎn)效率。

近些年來，機器視覺技術無論是在硬件系統(tǒng)還是在軟件算法開發(fā)上都得到了迅速地發(fā)展，并且其在各個領域如工業(yè)、醫(yī)療、交通管理等中得到了廣泛的應用。由于機器視覺測量系統(tǒng)為非接觸式測量系統(tǒng)，并可實現(xiàn)快速、全自動化識別與測量，因此將機器視覺技術用于機械加工過程中對工件的加工尺寸進行在線測量意義重大。

本論文將首先要利用機器視覺對加工零件的圖像采集和標定建模，通過圖像傳輸、A/D轉(zhuǎn)化，將圖像傳輸給計算機，運用圖像處理技術，對圖像進行一系列的處理，主要運用圖像預處理、邊緣特性提取、曲線擬合等提取共建點額邊緣輪廓曲線，完成對工件尺寸的計算。

二、系統(tǒng)總體框架及結構

機器視覺系統(tǒng)指的是在某種光照條件下（比如說可見光、紫外線、紅外線甚至超聲波等光源），或攝像機采集物體在三維場景中呈現(xiàn)的圖像并傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)部，形成二維圖像;再利用數(shù)字圖像處理技術中預處理技術對采集到的二維圖像進行初步處理，提取圖像中的有用信息，構成對圖像的描述;繼而采用模式識別技術分類存儲提取到的有用信息;最后根據(jù)用戶需求得到更高層次的抽象描述，完成視覺測量的任務。測量系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

零件在線視覺測量系統(tǒng)通過對流水線上零件進行實時圖像獲取、處理、分析識別并做出判斷，經(jīng)過對次品的剔除完成在線測量任務。測量系統(tǒng)的實時性不僅取決于圖像采集和圖像處理的速度，同時還受到生產(chǎn)線速度影響。采用模塊化是設計思想，本文設計的零件在線視覺測量系統(tǒng)主要有以下部分組成：

光源照明模塊、光學成像模塊、光電觸發(fā)模塊、圖像獲取模塊、圖像處理模塊、PLC、觸摸屏等。

1、相機規(guī)格及型號

本相機為智能化一體相機，通過內(nèi)含的CMOS傳感器采集高質(zhì)量現(xiàn)場圖像，內(nèi)嵌數(shù)字圖像處理（DSP）芯片，能脫離PC機對圖像進行運算處理，PLC 在接收到相機的圖像處理結果后，進行動作輸出。SV5其規(guī)格如下：

圖像接收元件：1/3英寸灰COMS ?????????分辨率：640*480

鏡頭安裝方式：C安裝 ?????????????色 ??彩：256色灰度

最快采集速率：60幀/s ???????????最快處理速率：60幀/s

輸入口：2個 ??????????????????????????輸出口：5個

以太網(wǎng)通訊速率：100Mbps ??串行口RS-485波特率：38400

重量：約200克（不含鏡頭）

2、光源控制器

光源源控制器采用型號SIC-242，內(nèi)置兩路可控光源輸出，兩路相機觸發(fā)端，及五路相機數(shù)據(jù)輸出端，AB端子為RS485通訊端口，兩路光源手動調(diào)節(jié)開關，留7路站號選擇，下圖為各部分說明。

各部分名稱如下：

1.光源控制端子排 ????????2.光源控制端子標簽

3.相機連接串口 ??????????4.串口蓋板

5.相機輸出/入端子標簽 ???6.相機輸出/入端子排

7.端子臺安裝/拆卸螺絲 ???8.光源控制模式轉(zhuǎn)換開關

9.光源亮度手動調(diào)節(jié)1 ????10.光源亮度調(diào)節(jié)2

11.電源指示燈 ???????????12.通訊波特率/站號撥碼開關

13.安裝孔（2個） ???????14.機身標簽

15.上蓋拆卸搭扣

光源控制的通訊指令：

寫指令：10（MRGW）

地址： ????????數(shù)值：

00 00 ?????????0000——關，0001——開

00 01 ?????????PWM1亮度值范圍：0000-00FF

00 02 ?????????PWM2亮度值范圍：0000-00FF

00 03 ?????????PWM3亮度值范圍：0000-00FF

00 04 ?????????PWM4亮度值范圍：0000-00FF

PLC控制光源亮度程序（第二路光源）：

光源控制器A、B接到PLC的A、B。

觸摸屏控制光源亮度程序（控制第二路光源）：

（1）接線：光源控制器的A/B分別接到觸摸屏4端子/7端子

（2）觸摸屏系統(tǒng)設置如下：

三、結論

本設計在的基礎上研究了機械零件大小測量裝置，重點將測量準確性放在首位，對視覺測量系統(tǒng)中的系統(tǒng)標定和數(shù)字圖像處理技術以及設備選型、數(shù)值準確度衡量以及誤差測量等開展了進一步的分析。

機械零件的種類和尺寸多種多樣，并且還持續(xù)的有新的樣式出來，采用非接觸測量的方式實現(xiàn)對機械尺寸的檢測，因此需要加倍的付出與實踐才能研究出更優(yōu)良的測量方法和裝置。我們要堅信，通過刻苦的實踐與經(jīng)驗的累積只，終會在某一天未，能夠通過機械方式替代人體勞作，使制造業(yè)向更美好的明天前行。

參考文獻：

[1]王明躍.視覺在線零件尺寸測量方法研究[D].天津：天津理工大學，2014.

[2]李慧德.基于機器視覺的在線尺寸測量方法的研究[D].天津：天津理工大學，2014.

[3]廖維.基于機器視覺的工件加工尺寸在線測量方法與系統(tǒng)研究[D].湖北：武漢理工大學，2012.

基金來源：

江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃——基于機器視覺的工件在線測量系統(tǒng)研究（201712056010Y）。

作者簡介：

金道城，南通理工學院機械設計制造及其自動化專業(yè)。