機(jī)械制造自動(dòng)化中機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用

王晏羽，常赫楠，高培哲，王昱潔

（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110159）

0 引言

隨著科技水平的不斷發(fā)展，機(jī)械制造自動(dòng)化取得了較大的進(jìn)步，但仍存在缺乏核心技術(shù)、創(chuàng)新能力不足以及人才匱乏等問題。在機(jī)械制造自動(dòng)化中應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)可以有效優(yōu)化機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)，為核心技術(shù)的研發(fā)提供支持，并減少人工操作、增加機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文將對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的應(yīng)用進(jìn)行簡要分析，以期為機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展提供幫助。

1 機(jī)器視覺技術(shù)的基本概述

（1）機(jī)器視覺技術(shù)的概念。機(jī)器視覺技術(shù)是人工智能技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)用了圖像處理技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)[1]。簡單來說，機(jī)器視覺技術(shù)就是利用機(jī)器視覺產(chǎn)品將被測目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信號(hào)，再將圖像信號(hào)傳輸至圖像處理系統(tǒng)，最后根據(jù)數(shù)字信號(hào)來控制現(xiàn)場。

（2）機(jī)器視覺技術(shù)的原理。機(jī)器視覺技術(shù)的工作原理較為簡單，見圖1。其中機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)會(huì)利用CAC照相機(jī)將被測目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信號(hào)，并將圖像信號(hào)傳輸至圖像處理系統(tǒng)中。圖像處理系統(tǒng)接收到圖像信號(hào)后，會(huì)根據(jù)圖像的亮度、像素以及顏色等信息對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，隨后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)圖像處理系統(tǒng)所傳輸?shù)拈L度信號(hào)、面積信號(hào)等數(shù)字信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。

（3）機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成。機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由照明、鏡頭、高速相機(jī)、圖像采集卡以及視覺處理器等設(shè)備共同組成的。其中照明模塊會(huì)對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入產(chǎn)生一定的影響，所以需要根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的光源，例如白熾燈、日光燈等；在選擇鏡頭（圖2）時(shí)需分析鏡頭的目標(biāo)高度、影像高度、焦距、中心點(diǎn)、放大倍數(shù)等數(shù)據(jù)；需要根據(jù)實(shí)際情況選擇模擬相機(jī)或標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)碼相機(jī)；圖像采集卡會(huì)對(duì)攝像頭接頭造成影響，常用的是PCI或AGP兼容捕獲。

（4）機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)勢。在長期發(fā)展過程中，機(jī)器視覺技術(shù)逐漸成熟。當(dāng)前，機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)具備了獨(dú)特的運(yùn)作程序以及功能模塊，其優(yōu)勢較為明顯。首先，機(jī)器視覺技術(shù)具有較強(qiáng)的客觀性與公正性。在機(jī)械制造自動(dòng)化過程中，可以大大降低產(chǎn)品尺寸、形狀等各個(gè)方面因人為主觀因素而受到的影響[2]。其次，機(jī)器視覺技術(shù)本身具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可廣泛應(yīng)用于多種機(jī)械設(shè)備中。此外，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用難度較小，不需要進(jìn)行過多復(fù)雜的編程。

（5）機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展趨勢。首先，在未來發(fā)展過程中我國工業(yè)的開放程度會(huì)越來越高，機(jī)器視覺技術(shù)的開放性與統(tǒng)一性也會(huì)越來越強(qiáng)。其次，在微電子以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，嵌入式系統(tǒng)備受人們的喜愛，所以機(jī)器視覺技術(shù)將向嵌入式、數(shù)控式以及集成式方向發(fā)展。此外，機(jī)器視覺技術(shù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)越來越統(tǒng)一，可以促進(jìn)機(jī)器視覺技術(shù)向一體化方向發(fā)展。

2 機(jī)械制造自動(dòng)化中機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用意義

在機(jī)械制造自動(dòng)化中應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)具有重要意義。（1）我們可以利用機(jī)器視覺技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工作業(yè)來提升機(jī)械制造的監(jiān)控效率。在科技水平不斷提升的過程中，機(jī)械制造的智能化與自動(dòng)化水平越來越高，但是仍然需要人工監(jiān)測，且其效率差、準(zhǔn)確性低，而應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)可以對(duì)機(jī)械制造生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，有利于增強(qiáng)機(jī)械制造的精準(zhǔn)性，提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。（2）應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)有利于增強(qiáng)機(jī)械制造的安全性。從實(shí)際情況來看，機(jī)械制造的安全系數(shù)相對(duì)較低，容易出現(xiàn)安全事故，而應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)可以避免機(jī)械制造中比較危險(xiǎn)的生產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)而保障工作人員的人身安全[3]。（3）有利于提高機(jī)械制造的效率與質(zhì)量。因?yàn)闄C(jī)械制造中不同的檢測人員在專業(yè)能力以及知識(shí)儲(chǔ)備等各個(gè)方面存在一定的差異，這便無法保障所有的機(jī)械產(chǎn)品都符合質(zhì)量和精度的要求。而機(jī)器視覺技術(shù)具有較強(qiáng)的固定性與客觀性，不會(huì)受到人為因素以及外界因素的影響。

3 機(jī)械制造自動(dòng)化中機(jī)器視覺技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 在工件檢測中的應(yīng)用

機(jī)械制造自動(dòng)化過程中應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備具有較高的精密性，對(duì)工件的質(zhì)量有較高的要求。所以在機(jī)械制造自動(dòng)化的狀態(tài)下進(jìn)行工件檢測有利于維護(hù)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量、增強(qiáng)生產(chǎn)安全性。但大多數(shù)機(jī)械制造企業(yè)都是通過人工檢測的方式進(jìn)行工件檢測，這不僅對(duì)檢測人員的專業(yè)能力提出了較高的要求，也會(huì)降低機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的應(yīng)用可以進(jìn)行工件檢測，因此機(jī)械制造企業(yè)應(yīng)加大對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)的研究力度，綜合分析機(jī)器視覺技術(shù)在工件檢測中的作用，根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)。從機(jī)械制造情況來看，利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工件檢測具有很多優(yōu)勢，可以在人為主導(dǎo)的基礎(chǔ)上完成人工無法完成的工作；可以全面深入地檢查工件中的問題并提供相應(yīng)的建議；可以提升工件檢測效率與質(zhì)量，增強(qiáng)工件檢測的精準(zhǔn)性；可以利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行工件檢測，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。具體應(yīng)用如下。

（1）利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工件定位。機(jī)器視覺系統(tǒng)中的CCD攝像機(jī)具有獲取被測目標(biāo)圖像的功能，能夠?qū)C(jī)械制造時(shí)間以及環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)測，因此機(jī)械制造企業(yè)可以利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工件定位。例如，機(jī)械制造企業(yè)可以利用CCD攝像機(jī)將工件定位精度控制在0.1 mm之內(nèi)，從而提升機(jī)械制造的自動(dòng)化水平[4]。

（2）利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工件質(zhì)量檢測。機(jī)械制造自動(dòng)化中存在諸多問題，例如注重?cái)?shù)量、輕視質(zhì)量等，所以一些工件的質(zhì)量得不到保障。若機(jī)械制造中應(yīng)用了不合格的工件，這會(huì)直接降低機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，繼而影響機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。為此，機(jī)械制造企業(yè)需要利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工件質(zhì)量檢測，彌補(bǔ)人工檢測中的不足。例如，汽車制造企業(yè)與內(nèi)燃機(jī)制造企業(yè)可以利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工件質(zhì)量檢測，增強(qiáng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，明確工作的缺陷與不足，從而提升機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。企業(yè)可以利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行連接桿頭爆炸檢測，判斷連接桿頭的接頭斷口面積是否在3 mm2以內(nèi)，接頭斷裂線性長度是否在2.5 mm以內(nèi)。在應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)時(shí)，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以通過漫射光照射等方式進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，并通過分析功率信號(hào)與圖像處理系統(tǒng)的結(jié)果判斷連接桿頭的斷裂尺寸是否合格。

（3）利用機(jī)器視覺技術(shù)檢測工件外觀。機(jī)械制造企業(yè)不僅需要利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工件定位與工件質(zhì)量檢測，也需要進(jìn)行工件外觀檢測，確保工件的各個(gè)方面都符合要求。機(jī)器視覺技術(shù)可以完整展示工件外觀的缺陷。例如，在曲軸檢測過程中，檢測人員可能無法發(fā)現(xiàn)曲軸輕微的卷曲情況。此時(shí)就需要利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)曲軸進(jìn)行外觀檢測，判斷曲軸的外觀質(zhì)量是否符合要求。同時(shí)，工作人員也可以利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，例如對(duì)工件的孔洞進(jìn)行細(xì)節(jié)處理、對(duì)工件的連接處進(jìn)行細(xì)節(jié)處理等。但是在應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)之前，工作人員需要科學(xué)設(shè)定工件允許誤差范圍，并對(duì)工件進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 在工件測量中的應(yīng)用

工件測量是機(jī)械制造自動(dòng)化中提升產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。常用的工件測量方法有兩種，一種是對(duì)工件與標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行對(duì)比分析，如果工件與標(biāo)準(zhǔn)件之間存在差異就判定工件不合格，另一種是測量工件精度與標(biāo)準(zhǔn)件精度，再對(duì)二者的精度進(jìn)行對(duì)比分析，從而判斷工件是否合格。相比于第1種方法，第2種測量方法的流程較為復(fù)雜，所以大多數(shù)機(jī)械制造企業(yè)都會(huì)選擇第1種測量方法。但第1種測量方法對(duì)測量技術(shù)的要求比較高，不僅需要明確標(biāo)準(zhǔn)件的長度、大小以及規(guī)格，也需要對(duì)工件的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，僅依靠人工測量無法保障測量的準(zhǔn)確性。機(jī)器視覺技術(shù)不僅在工件檢測中發(fā)揮著重要作用，也在工件測量中發(fā)揮著重要作用，機(jī)械制造企業(yè)可以利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工件測量。具體應(yīng)用如下。

（1）明確機(jī)器視覺技術(shù)在工件測量中的應(yīng)用方法。在工件測量中應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)時(shí)需要先固定工件位置，明確工作位置與CCD攝像機(jī)之間的距離，再利用攝像機(jī)進(jìn)行拍攝與掃描，再對(duì)圖像信息進(jìn)行綜合處理，根據(jù)處理結(jié)果判斷工件質(zhì)量。在應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)時(shí)，機(jī)械制造企業(yè)需要堅(jiān)持先易后難的原則，降低測量難度。若工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜就需要先進(jìn)行分解處理，再進(jìn)行測量。其次，機(jī)械制造企業(yè)可以將光學(xué)投影技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)同時(shí)應(yīng)用在工件測量中，利用光柵等設(shè)備增強(qiáng)工件測量的精準(zhǔn)性。

（2）利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行定制工件的測量。對(duì)定制工件進(jìn)行測量屬于逆向工程測量，對(duì)測量技術(shù)手段的要求較高。在測量過程中，測量人員需要先獲取工件數(shù)據(jù)，之后構(gòu)建三維立體坐標(biāo)，并利用CAD以及CAM等軟件系統(tǒng)對(duì)圖像信息進(jìn)行有效處理，最后利用CNC等加工軟件構(gòu)建工件三維模型。三維模型的構(gòu)建會(huì)受到工件測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，所以測量人員可以將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在工件測量中，從而增強(qiáng)測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。在逆向工程測量中應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)主要是在三角法的基礎(chǔ)上利用光、線測量工件的輪廓，并反映出不同的條紋，之后測量人員就可以根據(jù)條紋信息進(jìn)行工件輪廓分析。但是，在利用CCD攝像機(jī)提取工件圖像信息時(shí)需要進(jìn)行視頻信號(hào)、模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，之后需要將信息傳輸給處理系統(tǒng)，從而獲取高精度的工件模型。

（3）將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在不同的測量任務(wù)中。機(jī)械制造企業(yè)可以將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在精密測量、磨損測量以及預(yù)調(diào)測量等任務(wù)中，提高測量結(jié)果的價(jià)值。首先，機(jī)械制造企業(yè)可以利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行精密測量。在測量時(shí)，測量人員需要利用機(jī)器視覺設(shè)備對(duì)工件進(jìn)行定位和參數(shù)提取，準(zhǔn)確勾勒工件的輪廓。同時(shí)，機(jī)器視覺技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次測量，有利于增強(qiáng)測量的精密性。其次，機(jī)械制造企業(yè)可以利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行磨損測量。在傳統(tǒng)的磨損測量中，測量人員需要拆裝工件，不僅會(huì)消耗大量的時(shí)間，也可能會(huì)損壞工件，且測量結(jié)果會(huì)受到人為主觀因素的影響。利用機(jī)器視覺技術(shù)可以在不拆裝工件的基礎(chǔ)上對(duì)工件的磨損情況進(jìn)行測量，并通過數(shù)字模型展現(xiàn)工件的磨損情況。此外，機(jī)械制造企業(yè)可以利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行預(yù)調(diào)測量。預(yù)調(diào)測量對(duì)測量人員的專業(yè)素養(yǎng)有較高的要求，利用機(jī)器視覺技術(shù)有利于降低預(yù)調(diào)測量的難度。

3.3 在焊接機(jī)器人中的應(yīng)用

焊接機(jī)器人指的是進(jìn)行焊接的工業(yè)機(jī)器人（圖3），具有可重復(fù)編程、用途多等特點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，焊接機(jī)器人越來越成熟，且具有多重優(yōu)點(diǎn)。例如，應(yīng)用焊接機(jī)器人有利于提高焊接質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、將工作人員從危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來、降低焊接難度。在焊接機(jī)器人中應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)可以提升焊接機(jī)器人的視覺能力，繼而提高焊接準(zhǔn)確性。焊接機(jī)器人的視覺能力是由一維傳感、二維傳感以及三維傳感共同構(gòu)成的，可以利用接收光電單位對(duì)一維傳感組件進(jìn)行檢測；利用機(jī)電設(shè)備對(duì)二維傳感組件進(jìn)行平面掃描；通過一維傳感信息與二維傳感信息獲取三維傳感信息。在焊接機(jī)器人中應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)主要是應(yīng)用CCD攝像機(jī)、紅外線攝像儀器以及射線探傷儀器，有利于優(yōu)化焊接機(jī)器人的性能。應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)可以利用CCD攝像機(jī)獲取焊接圖像數(shù)據(jù)，例如熔池形狀數(shù)據(jù)等，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的分析和處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分配，再利用焊接機(jī)器人中的其他設(shè)施進(jìn)行自動(dòng)焊接，從而控制焊接誤差[5]。近年來，無論是汽車行業(yè)還是航天行業(yè)都對(duì)機(jī)械制造提出了更高的要求，而焊接是機(jī)械制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在焊接過程中不能出現(xiàn)任何問題。因此，機(jī)械制造企業(yè)應(yīng)提高對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)的重視程度，分析如何在焊接機(jī)器人中應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)。同時(shí)，機(jī)械制造企業(yè)也需要制定技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，利用先進(jìn)技術(shù)代替人工焊接，保障工作人員的人身安全。

4 結(jié)語

機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中發(fā)揮著重要作用，可以為工件檢測、工件測量以及焊接機(jī)器人等制造工作提供技術(shù)支持。但機(jī)器視覺技術(shù)的功能還不夠完善，技術(shù)人員需在數(shù)據(jù)采集、分析以及傳輸?shù)裙δ艿幕A(chǔ)上對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行改造升級(jí)，進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。