機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造及其自動(dòng)化中的應(yīng)用

鄧榮琦 朱翠霞

（滕州市中等職業(yè)教育中心學(xué)校 山東省滕州市 277599）

科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步在一定程度上促進(jìn)了我國(guó)機(jī)械制造業(yè)整體水平的提升，其中最具有代表性的就是視頻技術(shù)和紅外線(xiàn)成像技術(shù)，在這兩種技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)由此誕生，并得到了良好的發(fā)展。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐證明可以發(fā)現(xiàn)，合理應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不僅可以明顯減少不必要的人力資源投入，同時(shí)還可以從根本上提高機(jī)械制造工作的效率，為我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展注入新動(dòng)力。作為先進(jìn)技術(shù)背景下的重要手段，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)取替了原有的人力操作，將其應(yīng)用于機(jī)械制造自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，也是提高機(jī)械生產(chǎn)制造業(yè)綜合生產(chǎn)效率的必然措施。

1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

從當(dāng)前實(shí)際情況來(lái)看，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)將完全取代人體肉眼的觀察功能，甚至可以進(jìn)行精準(zhǔn)的判斷與測(cè)繪，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)有效識(shí)別客觀三維世界當(dāng)中的各種目標(biāo)對(duì)象。同時(shí)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在具體應(yīng)用過(guò)程中，靈敏度和測(cè)量精確度都特別高，而且判斷測(cè)量速度非?？?，不會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，抗電磁干擾能力也十分突出，能夠與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)動(dòng)進(jìn)而完成計(jì)算機(jī)信息數(shù)據(jù)的處理，為機(jī)械制造行業(yè)降低工作量?，F(xiàn)如今，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已應(yīng)用到了各行各業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，特別是在機(jī)械制造自動(dòng)化領(lǐng)域，發(fā)揮出了較大的價(jià)值。

1.1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中擁有完全獨(dú)立的系統(tǒng)，它能夠利用圖像攝取裝置來(lái)轉(zhuǎn)換需要攝取的目標(biāo)，進(jìn)而形成良好的圖像信號(hào)，隨后再針對(duì)顏色、信號(hào)以及亮度等方面進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的數(shù)字化處理，最終將圖像信息呈現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)還可以通過(guò)精密的計(jì)算來(lái)掌握機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的各項(xiàng)圖像特點(diǎn)，并以此為參考來(lái)判斷目標(biāo)對(duì)象具體內(nèi)容，圍繞機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以將運(yùn)行環(huán)境劃分成PC-Based 與PLC-Based兩種不同的系統(tǒng)。

1.2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中的原理

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中并不需要多余的圖像、視頻信號(hào)，它所能夠輸出的是經(jīng)過(guò)特殊處理之后的檢測(cè)結(jié)果，像機(jī)械設(shè)備的尺寸數(shù)據(jù)等。作為替代肉眼識(shí)別的主要技術(shù)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用的是CCD 照相機(jī)，可以將攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，隨后遞送到專(zhuān)業(yè)的處理系統(tǒng)中，對(duì)其亮度、像素以及顏色等內(nèi)容進(jìn)行處理，最終提取出所需要的數(shù)字化信號(hào)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以根據(jù)這些處理之后的數(shù)字化信號(hào)來(lái)判斷目標(biāo)對(duì)象的生產(chǎn)尺寸、數(shù)量、面積以及區(qū)域位置等等，再配合PLC 控制技術(shù)與PC 技術(shù)來(lái)深入分析檢測(cè)結(jié)果，比如I/O 系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)智慧系統(tǒng)中的動(dòng)作控制，最終來(lái)完善機(jī)械制造設(shè)備的工作流程。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)運(yùn)行原理流程如圖1 所示。

圖1：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用流程圖

2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)分析

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)主要是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)條件，利用計(jì)算機(jī)中的先進(jìn)技術(shù)來(lái)模擬人類(lèi)視覺(jué)，并獲取相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以有效提高圖像識(shí)別的有效性。同時(shí)，在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了智能化監(jiān)控，為科學(xué)研究工作的順利進(jìn)行提供了充足保障，并且也為各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)提供了有利的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以制定出更加可靠精準(zhǔn)的方案，獲取更加全面且真實(shí)的數(shù)據(jù)，使相關(guān)校對(duì)數(shù)據(jù)信息相關(guān)機(jī)制更加完善。此外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也利用了攝像機(jī)本身的現(xiàn)實(shí)作用，通過(guò)錄入事物的圖像，對(duì)圖像內(nèi)部特征進(jìn)行分析和研究，最后將各種信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信號(hào)，當(dāng)操作人員獲取到這些數(shù)字化信號(hào)之后，就可以為日后各項(xiàng)監(jiān)測(cè)作業(yè)提供可靠依據(jù)。從機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展角度而言，其主要表現(xiàn)出的特點(diǎn)為：精準(zhǔn)度高、工作效率強(qiáng)以及工作時(shí)長(zhǎng)充足的運(yùn)作特點(diǎn)，面對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)環(huán)境，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還具備較強(qiáng)的全面性特點(diǎn)，能夠有效規(guī)避數(shù)據(jù)遺忘等情況。除此之外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)使相關(guān)操作人員的工作變得更加靈活，數(shù)據(jù)信息的處理效率也明顯提高，是現(xiàn)代化建設(shè)過(guò)程中一種必不可少的先進(jìn)技術(shù)措施。

3 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備精密測(cè)量當(dāng)中

通常在機(jī)械設(shè)備零件精準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是大部分企業(yè)的必然選擇。這是由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包含著功能強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)光學(xué)系統(tǒng)和CCD 攝像頭，這些組成內(nèi)容可以高效收集光源，并將發(fā)射出來(lái)的光源照射到被監(jiān)測(cè)對(duì)象的區(qū)域部位上，再配合顯微光學(xué)鏡組與被檢測(cè)對(duì)象的邊緣部分，最終可以掌握被檢測(cè)對(duì)象整體輪廓情況。如果在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，被檢測(cè)對(duì)象發(fā)生了位移，那么就需要對(duì)其輪廓位置進(jìn)行二次處理和圖像修改，利用多次計(jì)算來(lái)得出計(jì)算量。此外，還可以根據(jù)位移前后所產(chǎn)生的偏差位移量來(lái)整合兩幅檢測(cè)圖像的邊緣輪廓，將他們歸納到同一個(gè)圖像當(dāng)中，這樣就可以得出兩次測(cè)量之后的標(biāo)準(zhǔn)尺寸數(shù)值，進(jìn)而提升測(cè)量工作的精準(zhǔn)性。從目前實(shí)際情況來(lái)看，因?yàn)闄C(jī)械制造企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)通常都是流水作業(yè)模式，因此視覺(jué)系統(tǒng)可以起到一定的輔助作用，幫助生產(chǎn)流水線(xiàn)能夠大批次地生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品，而利用以上方法進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)效率能夠大大提高。從客觀角度而言，此測(cè)量方法適用于一些形狀簡(jiǎn)單且結(jié)構(gòu)偏小的一些機(jī)械元件。像汽車(chē)電子零件設(shè)計(jì)過(guò)程中就可以利用精密測(cè)量方法，這樣一來(lái)產(chǎn)品的精準(zhǔn)性和生產(chǎn)效率就可以得到明顯提升。從目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用之后的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在一分鐘內(nèi)完成上百件產(chǎn)品的檢測(cè)，并且誤差精準(zhǔn)度可以精確到0.01mm。

3.2 在工件檢測(cè)中的應(yīng)用

在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造自動(dòng)化過(guò)程中，其優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在工件檢測(cè)方面，通過(guò)該技術(shù)可以對(duì)機(jī)械設(shè)備中的零部件曲線(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)如今，汽車(chē)制造業(yè)與內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)都是我國(guó)需要大力機(jī)械生產(chǎn)的行業(yè)，在這一類(lèi)型機(jī)械生產(chǎn)活動(dòng)中，因?yàn)椴煌瑔T工的工作能力和專(zhuān)業(yè)程度相差甚遠(yuǎn)，并且測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也存在差異性，所以在機(jī)械測(cè)試過(guò)程中經(jīng)常會(huì)投入大量的物力和人力。同時(shí)，在機(jī)械制造自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程中，由于經(jīng)常出現(xiàn)人工操作誤差較大的情況，這也在一定程度上降低了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用機(jī)械視覺(jué)技術(shù)可以快速檢測(cè)出機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備零部件中所存在的缺陷問(wèn)題，使最終的檢測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效掌控。例如：連接桿頭爆炸監(jiān)測(cè)就是一個(gè)十分典型的例子，在任意一個(gè)方向的接頭斷裂線(xiàn)性長(zhǎng)度不能超過(guò)2.5 毫米，接頭斷口面積也不能超過(guò)3 平方毫米。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以通過(guò)漫射光照射的方式來(lái)轉(zhuǎn)換圖像電信號(hào)。通過(guò)分析其中的功率信號(hào)和圖像處理系統(tǒng)結(jié)果可以得知，在具體應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)置了比較灰度二值化的光源與濃度。除此之外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也可以廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)當(dāng)中，比如汽車(chē)電子元件生產(chǎn)以及視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)等，目前已經(jīng)取得了十分顯著的成績(jī)，國(guó)家也開(kāi)始對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)給予了高度認(rèn)可和支持，并投入了大量資源來(lái)促進(jìn)發(fā)展。

3.3 在工件測(cè)量過(guò)程中的應(yīng)用

工件測(cè)量是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的關(guān)鍵應(yīng)用內(nèi)容之一，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及CCD 攝影機(jī)組成，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以快速測(cè)量工件預(yù)設(shè)情況。以往的測(cè)量方法主要采用的是光學(xué)投影法，利用此方法可以確定工件的預(yù)設(shè)位置，需要投入大量的人力成本，在技術(shù)方面也有嚴(yán)格要去，所以傳統(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法確保其精準(zhǔn)性。而新型的測(cè)量方式就是利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行優(yōu)化，將先進(jìn)的光柵技術(shù)。計(jì)算機(jī)處理技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)整合到一起，利用預(yù)設(shè)測(cè)量的渠道來(lái)對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提升測(cè)量工作的精確性，為下一步提高整體工作效率做好鋪墊。在工件定制與測(cè)量過(guò)程中，還可以應(yīng)用逆向工程測(cè)量法，在測(cè)量定制工件信息之后，建立起十分完善的基礎(chǔ)三位坐標(biāo)圖，利用CAD 和CAM 等系統(tǒng)來(lái)處理圖像信息，建立完整的模型結(jié)構(gòu)，模型建立的質(zhì)量會(huì)在很大程度上受數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，所以全面推廣使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以有效提高被測(cè)量對(duì)象精準(zhǔn)性。因?yàn)樵诖饲榫诚?，CCD 在被條紋圖像吸收過(guò)后，就只會(huì)剩下數(shù)字、視頻以及模擬等三個(gè)信號(hào)，所輸出的數(shù)據(jù)信息也會(huì)呈現(xiàn)在顯示屏上。除了利用機(jī)器視覺(jué)計(jì)數(shù)測(cè)量工具尺寸之外，還可以測(cè)量機(jī)械設(shè)備元件的磨損程度，在多樣化因素的影響下，檢測(cè)工件的磨損程度將會(huì)變得更高。

3.4 刀具磨損和預(yù)調(diào)測(cè)量中的應(yīng)用

在此過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也可以發(fā)揮出應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)，像測(cè)量某些形狀和尺寸形變較為嚴(yán)重的工件。它可以比傳統(tǒng)方式更加簡(jiǎn)單，并不需要將刀具卸下之后再進(jìn)行測(cè)量，而是利用光源檢測(cè)法去檢驗(yàn)刀具的磨損程度。在此過(guò)程中，首先要明確光照強(qiáng)度與拍攝角度，確保鏡頭周?chē)軌驌碛凶銐虻墓饩€(xiàn)，以此來(lái)規(guī)避受陰影影響所導(dǎo)致的測(cè)量誤差。在此區(qū)間內(nèi)可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)夾具來(lái)調(diào)整合適的角度，伴隨著角度轉(zhuǎn)動(dòng)幅度越來(lái)越大，成像設(shè)備尺寸會(huì)隨之減小，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)范圍也因此大大提升。另外，在對(duì)比刀具磨損程度之后，可以合理簡(jiǎn)化刀具機(jī)械精密測(cè)量自動(dòng)化的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用證明，如果在測(cè)量精度調(diào)整和速度判斷方面應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，那么從常規(guī)角度分析來(lái)看，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)更適合用于精密測(cè)量當(dāng)中，它的測(cè)量信噪會(huì)一直降到50dB 左右。此外，從常規(guī)技術(shù)角度分析來(lái)看，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)更適用于常規(guī)形狀刀具這樣的測(cè)量過(guò)程中，并不適用于幾何結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜的特殊刀具當(dāng)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)自動(dòng)化發(fā)展建設(shè)具有十分重要的推動(dòng)作用，機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)能夠穩(wěn)定高效的運(yùn)行直接取決于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用的好壞，對(duì)此相關(guān)工作人員需要對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行深入探索，強(qiáng)化機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域的具體應(yīng)用，以此從根本上來(lái)促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)的深入發(fā)展，突破原有傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，為制造行業(yè)的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。