機器視覺技術及在機械制造自動化中的應用

孫永忠

（甘肅機電職業(yè)技術學院，甘肅天水 741001）

0 引言

機器視覺技術是通過機器替代人眼完成各項測量與判斷工作，通過計算機技術識別客觀三維世界，通過模擬人類視覺與中樞神經(jīng)的處理方法，通過機器視覺技術系統(tǒng)的圖像拍攝裝置捕捉事物信息后，通過數(shù)據(jù)、圖像處理對各種物象信息進行觀察與監(jiān)測，這種技術能夠與計算機靈活連接，并采用數(shù)字化處理技術，極大地減少了勞動率，在機械制造領域中，能夠完成圖像采集與捕獲、非接觸性測量與實時監(jiān)控等工作，是現(xiàn)代測量領域與測試技術的一個發(fā)展焦點。

1 機器視覺技術概述

（1）機器視覺技術是利用計算機模擬人類的視覺功能，準確提取、分析、測量并監(jiān)控物象信息的一種技術。這項技術首先需要采用CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）攝像技術獲取物象信息，轉變具體物象后，使其成為所需圖像再輸入計算機進行處理，然后分析、測量并計算圖像中包含的信息，最后以分析結果為依據(jù)，將結果直接轉化成相對應的數(shù)字信號并輸出，以實現(xiàn)智能化監(jiān)控各種機器。CCD攝像技術是機器視覺技術的重要技術基礎，它能綜合處理所獲取的圖像，并且以智能化的形式輸出分析報告。機器視覺技術具有高效率、精準測量、低噪聲、應用靈活等特點，能夠適用于多種測量環(huán)境，對于惡劣的測量環(huán)境也有很強的適用性，大幅度提高了測量工作效率和機械制造質量，提高了機械制造效益。

（2）機器視覺系統(tǒng)的輸出結果是經(jīng)過計算、分析、處理后的檢測結果，系統(tǒng)中的圖像處理部分會對CCD攝像系統(tǒng)獲得的物象圖像信號進行處理，通過像素、亮度以及顏色等信息，把圖像信號轉換成數(shù)字信號，進一步運算這些信號，獲取物象目標的基本外觀特征，與系統(tǒng)中預先設置的條件相結合，將運算結果輸出為各種物象特征數(shù)據(jù)。上位機在獲取到運算結果后，再利用控制系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)進行相應的操作。

2 機器視覺技術在機械制造自動化中的運用

2.1 在工業(yè)精密測量中的運用

（1）機器視覺技術能夠精密測量零件尺寸。由CCD攝像頭、光學系統(tǒng)和計算機處理系統(tǒng)組成的檢測系統(tǒng)能夠對零件進行精密測量。光源的平行光束照射到物象目標檢測部位上，運用顯微光學鏡技術使物象目標邊緣輪廓在CCD鏡面上形成圖像，由計算機進行處理以獲取物象目標邊緣輪廓位置，對有物移問題的物象目標，可重復測量邊緣輪廓位置，計算重復測量后的位置差值，獲取位移量，并作為物象目標的尺寸值。這種方法很好地適用于尺寸較小、形狀較簡單的物象目標的工件在線檢測工作。如各種電子接插件需要較高的生產(chǎn)效率，成品尺寸精度要求也較高，采用機器視覺技術后，能使每分鐘生產(chǎn)效率達到數(shù)百件，成品尺寸精度達到0.01 mm級。

（2）刀具磨損的精密測量。刀具出現(xiàn)磨損時，需要測量其磨損程度，但外界因影響較大，導致最終無法確保測量準確性。如傳統(tǒng)的刀具磨損檢測工作，首先要卸下刀具。機器視覺技術方便了這種檢測工作。對機器視覺系統(tǒng)進行一定的改進，通過光纖技術在鏡頭周圍插入光源降低陰影影響產(chǎn)生的測量誤差，提高夾具轉動范圍和角度，降低取像設備大小，通過實驗確定最佳狀態(tài)的光線照射強度與角度，并獲取最佳拍攝角度，該機器視覺系統(tǒng)使用范圍獲得了極大提高。通過刀具磨損前后在橫向上存在的尺寸差，精確計算刀具磨損值，實現(xiàn)簡單幾何形狀刀具的在線測量，簡化圖像處理流程，降低測量信噪比，提升測量精度和速度。

（3）工件預調(diào)測量。對工件預測測量的傳統(tǒng)方法主要是通過光學投影定位，利用光柵數(shù)顯表對工件讀數(shù)進行測量，這種測量方法需要投入的人力資源較大，需要具備的技術水平也較高，工作效率較低。采用機器視覺技術能夠制造技術更為先進的預調(diào)測量儀，將機器視覺技術、光柵技術、自動控制技術及計算機技術有機結合，精簡了測量操作流程，提高了測量效率與測量精度。

（4）逆向工程的測量。逆向工程即通過3D測量儀，對各種工件、樣品及模型等進行測量，獲取其輪廓坐標值，構建曲面，并對其進行編輯修改，轉換文件形式，并以測量數(shù)據(jù)為基礎建立三維坐標圖，最后進行加工獲得所需模具，也可利用快速成型機制作樣品模型。三維測量數(shù)據(jù)的準確性是最終模型質量的保障。在CCD光電技術基礎上，利用三角法可實現(xiàn)快速化的輪廓視覺測量，線結構光可作為物象表面輪廓結構的測量介質。激光能夠穿越振幅光柵系統(tǒng)，或者通過干涉儀直接生成干涉條紋，再將測量目標轉換成平面條紋結構投射出來，利用條紋變形的方式生成物體表面曲率與深度等變化值，CCD攝像系統(tǒng)對條紋圖像進行提取后，即可分析該物體表面結構變化。利用機器視覺系統(tǒng)，能夠將獲取的圖像實現(xiàn)視頻信號、模擬信號與數(shù)字信號的自由轉換，并根據(jù)模擬信號提供的數(shù)值進行像素化處理，使圖像能夠順利轉換成三維輪廓圖像或模型。這種數(shù)字化處理技術，能夠使計算機最終獲得的圖像數(shù)據(jù)以多個像素的形式呈現(xiàn)出來，每個像素的坐標特定，并與物體上的各個點相對應，利用灰度值表示像素即可。

2.2 機器視覺技術在工件檢測中的運用

（1）檢測工件表面缺陷。目前汽車、摩托車和內(nèi)燃機等生產(chǎn)行業(yè)，人工目測仍然是工件表面的主要檢測方法，這種方法效率低下、精準度低、勞動強度較高。利用機器視覺技術可提高檢測規(guī)范與精確度。CCD攝像技術能夠檢測工件表面缺陷，并以此作為零件表面質量管理的優(yōu)化過程。例如，在檢測連桿結合面的爆口中，其常規(guī)檢測標準是破口面積＜4 mm2，且任意方向破口的線性長度需＜3 mm，在檢測中利用LED（Light Emitting Diode）漫反射光源與CCD攝像技術，能夠合作檢測坡口區(qū)域，光線在工件表面照射后，會反射至CCD元件中，并生成電量信號。再由機器視覺系統(tǒng)分析計算CCD元件上反射生成的圖像電量信號，經(jīng)最終處理后獲取高價值數(shù)據(jù)，再做圖像二值化處理，并計算和分析處理結果。設定已有樣件為參照物，即可采用灰度二值化閾值和光源設定比對的方法進行處理。調(diào)整光源亮度、處理系統(tǒng)的二值化閾值后，對灰度二值化閾值進行優(yōu)化處理，提高機器視覺系統(tǒng)對對象邊界的分辨率，最后根據(jù)優(yōu)化后的閾值和光源亮度調(diào)整后的邊界變化產(chǎn)生的像素值獲取檢測結果。

（2）激光機器視覺檢測系統(tǒng)。國外部分機械加工、電子生產(chǎn)和汽車制造等領域已經(jīng)成功研制并使用該先進系統(tǒng)完成各項檢測。如北美汽車工業(yè)研究院完成的BIN-PICKING成果利用模型數(shù)據(jù)和三維成像技術相結合的方式完成識別判斷，精確定準最佳成像點，可使激光雷達在7 s內(nèi)完成整個工件箱的掃描。我國利用CCD攝像技術與激光技術研制成功視覺傳感器，能夠精確測量被測物象的三維坐標，并于7 s內(nèi)對整個汽車輻射完成檢測，工作效率可提升100%。

（3）檢測金屬板面。機械制造中會較為頻繁地使用金屬板，先檢測金屬板，能夠提高產(chǎn)品精度。傳統(tǒng)的加控針檢測，首先要直接接觸金屬板面完成檢測，因此可能會對金屬板造成劃傷。機器視覺檢測采用遠程攝像分析技術，無需直接接觸金屬板面，不僅能確保測量準確性，還能避免操作金屬板，同時，能夠全面分析金屬表面，并記錄準確信息，將檢測獲得的三維圖像呈現(xiàn)到顯像儀上，幫助研究人員準確定位金屬板缺陷，并及時處理。

2.3 在焊接機器人中的運用

焊接機器人是機械制動焊接工作的主要執(zhí)行者，在機器人控制系統(tǒng)中安裝機器視覺技術，能夠使焊接機器人加入可視化分析功能。機器人能夠根據(jù)具體的圖像數(shù)據(jù)分析與運算結果，確定焊接點，更好地感知焊接過程，不受焊接環(huán)境的限制，處理各種困難焊接環(huán)境下的焊接工作。

3 結語

機器視覺技術在機械制造行業(yè)中的運用在不斷延伸，傳統(tǒng)的攝像、采集、分析、運算、傳輸?shù)裙δ埽仓饾u實現(xiàn)了開放性的發(fā)展，機器視覺技術與自動化、智能化技術正不斷融合，基于機器視覺技術的各種軟硬件產(chǎn)品也正成為機械制造過程中的各種關鍵部分，不斷提高著機械制造的效率與質量。