1 引言
“機器視覺”又稱圖像檢測技術(shù)，乃是光將被測對象的圖像作為信息的載體，從中提取有用的信息來達到測量的目的。它具有非接觸、高速度、測量范圍大、獲得的信息豐富等優(yōu)點。通過CCD攝像頭與光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字處理系統(tǒng)的結(jié)合，可實現(xiàn)不同的檢測要求。CCD元件可理解為一個由感光像素組成的點陣，其每個像素都一一對應(yīng)了被測對象的二維圖像特征，即通過對像素點成像結(jié)果的分析可以間接分析對象的圖像特征。
“機器視覺”的用途很多，隨著上世紀九十年代以來光電、自動化和計算機圖象處理技術(shù)的迅速發(fā)展，機器視覺已在很多工業(yè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。作為一種新穎而又實用的傳感技術(shù)，圖像檢測單元近年已實現(xiàn)產(chǎn)品化，一些知名的廠商，如日本的松下公司、德國的西門子公司等都推出了品種規(guī)格齊全的系列化產(chǎn)品，包括光源、攝像頭、處理器等，這對圖像檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了很有利的條件。但相比之下，國內(nèi)在這方面尚處于起步階段，即使在近20年獲得迅速發(fā)展的汽車制造業(yè)，機器視覺的應(yīng)用也相當有限。但通過以下應(yīng)用實例，可清楚地看出這項新技術(shù)的應(yīng)用前景。
2 圖像檢測技術(shù)在精密測量中的應(yīng)用
精密測量是機器視覺一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，其對被測對象進行測量的原理如圖1所示。檢測系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝像頭和計算機處理系統(tǒng)(圖中未表示)等組成。由光源發(fā)出的平行光束照射到被測對象的檢測部位上，其邊緣輪廓經(jīng)過顯微光學(xué)鏡組成像在攝像機的面陣CCD像面上，經(jīng)計算機進行圖像處理后獲得被測對象邊緣輪廓的位置。如果使被測對象產(chǎn)生位移，再次測量其邊緣輪廓位置，則兩次位置之差便是位移量。顯然，若被測對象的兩條平行的邊緣輪廓能處于同一幅圖像內(nèi)，則其二者位置之差即為相應(yīng)尺寸。
圖l位移檢測系統(tǒng)示意圖
上述系統(tǒng)極為適合對大批量生產(chǎn)情況下工件的在線檢測，尤其是當被測對象尺寸較小、形狀比較簡單時，更能顯示其優(yōu)越性。電子接插件、包括汽車電子產(chǎn)品中的接插件就是典型例子，它們的生產(chǎn)效率和成品尺寸精度都較高，前者可達到每分鐘數(shù)百件，而后者多數(shù)為0．01ram的數(shù)量級。一般情況下，工件質(zhì)量缺陷包括插腳的變形或扭曲、多余的金屬粘附(金屬碎屑)等，均反映為外形尺寸的誤差。當采用圖l所示系統(tǒng)進行測量時，零件(插腳)所形成的圖像由于與其明亮背景之間的強烈對比，而具有清晰的剪影效果。這樣的理想圖像為準確測量被檢對象的尺寸和輪廓(形狀)特征創(chuàng)造了條件。圖2顯示了一部分沖壓成形的插腳隨著金屬輸送帶通過檢測工位時產(chǎn)生的典型背光圖像。其中，插腳A發(fā)生了扭曲，插腳B上粘附著多余的金屬，插腳C斷面尺寸(寬)不合格。
圖2典型的背光檢測圖像
需指出的一點是，盡管采用的是對零件圖像的邊緣檢測，但根據(jù)工件的不同情況，具體做法上仍有差別。如對圖2所示零件(插腳)的圖像上可以設(shè)置三條(Ll、L2、L3)或多條檢測線，分別采用簡單的閥值法或單、雙峰法檢測出零件的邊緣信息。由于三條檢測線之間保持著相互垂直交叉的關(guān)系，因此可以通過聯(lián)立三線(或多線)的邊緣檢測點確定插腳相對于圖像平面的位置(x、Y)和轉(zhuǎn)角(e)。這些目標零件的位置信息(邊緣坐標和起始轉(zhuǎn)角)將傳送給計算機處理系統(tǒng)，以做出相應(yīng)的評價。圖像檢測技術(shù)用于精密測量的另一個實例是在刀具預(yù)調(diào)測量中的應(yīng)用。眾所周知，承擔(dān)現(xiàn)代汽車發(fā)動機生產(chǎn)的主體是數(shù)控機床、加工中心，它們所用的刀具必須經(jīng)測量預(yù)調(diào)，故各類刀具預(yù)調(diào)測量儀在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用越來越普遍。傳統(tǒng)的檢測方式是光學(xué)投影和光柵數(shù)顯表相結(jié)合，前者用于瞄準定位，而后者用于測量、讀數(shù)。整個過程需較多的人工參與，對操作人員的要求高，效率卻較低。幾年前誕生的新穎刀具預(yù)調(diào)測量儀把機器視覺、光柵技術(shù)、計算機軟硬件、，自動控制技術(shù)等有機結(jié)合，使傳統(tǒng)的工作方式發(fā)生了根本變化，無論在測量精度、操作方便和工作效率上都有了極大的提高。而主要原因就是以機器視覺替代了傳統(tǒng)的光學(xué)投影，從而徹底改變了原有的工作模式。
在這種新穎儀器中，作為運動導(dǎo)軌的z軸、x軸和C(回轉(zhuǎn))軸內(nèi)，分別裝有直線光柵和圓光柵。被測刀具沿轉(zhuǎn)臺中心線、即c軸安裝。機器視覺傳感器位于叉形支架兩側(cè)，也就是跨越轉(zhuǎn)臺的中心線。支架的一端安放光源，另一端是攝像頭，被測刀具圖像由攝像頭讀取。
3 機器視覺用于工件表面缺陷檢測
工件表面缺陷、如連桿大小頭結(jié)合面的破口缺損是在制造過程中形成的，對表面缺陷的探測在批量生產(chǎn)的汽車、摩托車、內(nèi)燃機等行業(yè)，迄今基本都采用人工目測方法。這樣的方法不但效率低，勞動強度大，且對工藝標準中規(guī)定的定量評定要求往往難以準確執(zhí)行，從而影響對產(chǎn)品質(zhì)量的有效監(jiān)控。以連桿結(jié)合面爆口為例，其評定標準的具體要求如
下：
(1)破口面積小于3mm2；
(2)破口任一方向的線性長度小于2．5mm。
只要符合上述一個條件，就將判定不合格而被剔除。
必須指出，與以上精密測量中機器視覺系統(tǒng)采用的透射方式(又稱“背光”方式)不同，用于表面缺陷探測時，需采取圖3所示的反射方式。
圖3缺陷探測原理示意圖
如圖3所示，本系統(tǒng)通過二個方形框式LED漫反射光源照亮待檢測工件的破口區(qū)域，光線照射到對象表面后，反射到攝像頭內(nèi)的光電耦合CCD元件上，即轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電量信號，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)電量信號對得到的圖像進行分析和計算，最終得到所需的數(shù)據(jù)。如前所述，CCD元件可理解為一個由感光像素組成的點陣。其每一個像素都一一對應(yīng)了對象的二維圖像特征，即通過對像素點成像結(jié)果的分析可以間接分析對象的圖像特征。比如通過對二值化圖像中的成像像素個數(shù)的計算，可以得到相應(yīng)的對象的長度值和面積值。
系統(tǒng)將得到的圖像進行二值化處理后，把二值圖像作為對象進行迸一步的計算分析。本系統(tǒng)在實際使用中，對于灰度的二值化閾值和光源的設(shè)定采用比對的方法實現(xiàn)。具體方法為：用已知的樣件作為標定的參照物。把已知的參照物測量值除以參照物對應(yīng)的像素值，即可得到像素與實際值之間的對應(yīng)比例值。通過調(diào)整光源亮度以及系統(tǒng)的二值化閾值，對灰度的二值化閾值進行優(yōu)化，保證系統(tǒng)對對象邊界具有相對較高的分辨率，即優(yōu)化后的二值化閾值和光源可以使邊界的變化產(chǎn)生盡量大的像素值變化。
圖4檢測位置示意圖
圖5系統(tǒng)組成
根據(jù)被測對象的特征(工件形狀、被測部位)和要求，參照視覺系統(tǒng)產(chǎn)品的有關(guān)標準，并按照所完成的設(shè)計，將能方便地選取合適的圖像檢測單元(器件)，組成相應(yīng)的檢測系統(tǒng)。以連桿結(jié)合面爆口為例，其系統(tǒng)的檢測要求如圖4所示，即分別檢測互為15。夾角的A．B．C三個(連桿側(cè)面的)破口面，最終以三個檢測結(jié)果中的最大值作為破口的真實值，進行判斷后并輸出結(jié)果。圖5為該系統(tǒng)組成示意圖，其中：
(1)CCD攝像頭用于采集破口圖像并轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號。結(jié)合面的破口缺損面積均不大于15*15ram，根據(jù)系統(tǒng)的標準對照表選取“視野”為20．0×21．4nun，由于CCD感光元件為512*480的像素點陣，故X軸向分辨率為21．4／512=0．0417ram／pixel，Y軸向分辨率為20．01480=0．0417mm／pixel。鏡頭選用松下電工的ANN847L鏡頭，此鏡頭焦距為f=50ram景深較大，可保證成像更為清晰。
(2)LED光源用于提供穩(wěn)定的、均勻的照明，保證取像質(zhì)量。光源有熒光燈、鹵素?zé)簟⒓す夂蚅ED光源等多種類型。綜合考慮光源的性價比，選用CCS公司120×120ram的框型紅色LED光源進行軸向照明O LED光源的特點是半衰期長、照明穩(wěn)定，而且功耗低(6w)可頻繁開關(guān)、易于控制。
(3)圖像處理單元的用途是根據(jù)需要對采集到的圖像進行處理、分析，同時把分析結(jié)果和圖像系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過RS232接口傳向PIE提供信號輸出和數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)使用松下公司的MultiCheckerVll0嵌入式圖像處理系統(tǒng)，集圖像處理和輸出為一體。嵌入式圖像處理系統(tǒng)的特點是處理器體積小(8．4×4．0×12cm)，功耗低(24Ⅵ)℃，O．7A)，而且環(huán)境適應(yīng)性好，能在環(huán)境溫度50。C的條件下連續(xù)工作。
(4)PLC：控制整個檢測系統(tǒng)各項功能的執(zhí)彳{亍．，同時也對圖像處理單元傳過來的數(shù)據(jù)進行校驗和判斷。本系統(tǒng)選用西門子公司的s7．226MX。
(5)監(jiān)示器作為人機交互界面，顯示圖像處理系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果。
4 圖像識別在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用
用于圖像識別的機器視覺系統(tǒng)的檢測原理雖然與以上表面缺陷探測相似，但作用、目的完全不同。且相比之下，即使在國內(nèi)汽車制造業(yè)中的應(yīng)用也較前兩個領(lǐng)域為多。在產(chǎn)品或包裝上打標識、粘貼徽記，乃至在輸送托(盤)架做上標記是企業(yè)生產(chǎn)中常用的做法，而現(xiàn)代工業(yè)則已越來越多地采取讓最終產(chǎn)品、甚至半成品(零部件)帶有用于識別的一維、二維條碼。在大批量生產(chǎn)條件下，如何對它們識別、判斷?若依靠人工肉眼檢查，不但勞動強度大，也難免錯檢漏判。另一方面，在生產(chǎn)線、特別是其中那些裝配工序的運行中，為正確完成規(guī)定的要求，往往也需解讀一維、二維條碼或識別某些印刷字體；此外，很多情況下，對零件的姿態(tài)、位置(方向)也必須進行辨識，特別在采用選擇裝配方式時。
電子標簽也是近年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它采用機器視覺的識別技術(shù)，將涉及發(fā)動機的各種質(zhì)量信息通過讀寫器無線寫入標簽或讀出。在有些發(fā)動機生產(chǎn)線的輸送裝置(托盤)上安裝有一個電子標簽，而每個加工或裝配工位則布置有一個讀寫器。讀寫器與PLC或計算機相連。
4.1 活塞在缸體內(nèi)的裝配
圖像識別技術(shù)在用于“活塞一缸體裝配工序”時。其主要環(huán)節(jié)包括：判斷缸體到位并做好檢測準備；探測缸體上緣(準確到位的標志)，如果未發(fā)現(xiàn)該特征部分，即發(fā)出報警信號；在檢測系統(tǒng)中建立坐標系；識別這樣三項內(nèi)容：活塞的有無，活塞位置的正確性(確切地講是“方位”)，活塞頂部表面的標識和字符一用于表明型號、選擇裝配時的組別及其它相關(guān)含義。
整個檢測、識別過程如下：發(fā)動機被翻轉(zhuǎn)、裝入活塞，輸送系統(tǒng)使發(fā)動機隨托盤向檢測工位移動；當發(fā)動機即將到達檢測工位時，由電子標簽讀寫器驗明其“身份”，然后發(fā)信號給PLC；而當發(fā)動機到達檢測工位，接近開關(guān)觸發(fā)，PLC給機器視覺系統(tǒng)發(fā)出工作指令；如果活塞在缸體內(nèi)的裝配正確，視覺系統(tǒng)發(fā)信給PLC，然后寫入電子標簽，發(fā)動機繼續(xù)流向下一工位。如果活塞裝配有錯，則視覺系統(tǒng)提示PIE，并通過人機界面報警，顯示屏將指示哪一缸的活塞裝配有錯、何種錯誤。操作者確認檢測結(jié)果后，通過使人機界面PIE發(fā)出指令，將結(jié)果寫入電子標簽，并且將發(fā)動機直接輸送到返修區(qū)域進行返修。整個檢測過程全部自動完成，只是在出現(xiàn)裝配錯誤、發(fā)出報警時才由人工干予。
4.2 主軸承蓋在缸體上的裝配
在四缸發(fā)動機的缸體生產(chǎn)線，主軸承蓋在缸體上的裝配是又一個典型示例。5個主軸承蓋的前端部呈不同的臺階狀，各不相同。通過每個零件上的數(shù)字標識，按規(guī)定順序和方向安裝。由于零件混雜、數(shù)量又大，常發(fā)生錯裝現(xiàn)象，導(dǎo)致下道工序產(chǎn)生廢品。
為此，在生產(chǎn)線的擰緊裝配工位和翻轉(zhuǎn)工位之間設(shè)置一檢測工位，通過自動識別，判斷裝配結(jié)果的正確性。若全部正確，則缸體繼續(xù)流向下一工位，否則報警并給PLC發(fā)出指令，使生產(chǎn)線停機，將有問題的缸體下線返修。為了適應(yīng)l件／分鐘的裝配節(jié)拍，采用在缸體移動過程中檢測，2個光電視覺傳感器分別前后布置在生產(chǎn)線的上方和一側(cè)。前一個為零件定位傳感器，用以自動準確地觸發(fā)采樣，后一個用于動態(tài)識別5個主軸承蓋的表面幾何形狀。根據(jù)預(yù)先置入的各主軸承蓋特征參數(shù)和采集到的傳感器輸出信號，可確定是否裝錯并指示具體出錯位置。
整個檢測、識別過程為：缸體在完成主軸承蓋的擰緊工序后，沿輥道向檢測工位移動，而兩側(cè)導(dǎo)軌的約束作用，保證了零件自動找正位置。當進入檢測工位時，定位傳感器首先探測到第1主軸承蓋邊緣，隨即由另一個傳感器識別其前端部的幾何形狀，經(jīng)控制器采樣、處理；然后缸體繼續(xù)前移，對第2一第5個主軸承蓋進行探測和識別。通過與預(yù)置值比較，就可對有否錯裝零件作出判斷。每次探測都有計數(shù)和顯示，整個檢測過程在缸體輸送移動中完成，不必額外增加檢測時間。
5 結(jié)束語
圖像檢測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性一般可以通過準確性指標和重復(fù)性指標來衡量。以用于連桿表面缺陷檢測的專用設(shè)備為例，用戶要求的準確性指標為：評價值<10％(評價值=最大偏差值，樣板標準值)，重復(fù)性指標為：極差值≤10％缺陷公差(極差值為連續(xù)lO次測量值中最大值與最小值的差值)。用于上海大眾的一臺專用設(shè)備經(jīng)過測評，系統(tǒng)的準確性指標僅為評價值的O．04％，重復(fù)性指標為缺陷公差的4．0％，均達到要求，而且系統(tǒng)還有一定的潛力可進行更高級別的應(yīng)用開發(fā)。
總的來說，圖像檢測系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，大大提高了工藝運行質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，通過在不少國內(nèi)大企業(yè)的成功應(yīng)用，展現(xiàn)了良好的前景。
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