機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動化中的應(yīng)用分析

摘 要 本文中介紹了機(jī)器視覺技術(shù)的組成及原理，列舉了機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動化中的應(yīng)用情況，對從事檢測、測量及焊接方面的各種機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行分析，指出系統(tǒng)的特點及使用領(lǐng)域，為機(jī)器視覺技術(shù)與機(jī)械制造自動化的進(jìn)一步融合提供參考。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺技術(shù)；機(jī)械制造自動化；應(yīng)用；分析

前言

隨著紅外線成像技術(shù)以及視頻技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)器視覺技術(shù)利用計算機(jī)進(jìn)行物象識別及測量判斷，可在高危環(huán)境下取代人工監(jiān)控，實現(xiàn)自動化作業(yè)。極大的提高工作效率，降低勞動危險性。對促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)機(jī)械制造自動化有十分重要的意義。

1 機(jī)器視覺技術(shù)概述

1.1 系統(tǒng)組成

機(jī)器視覺系統(tǒng)利用圖像攝取裝置獲得目標(biāo)圖像信號，并利用圖像處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，圖像系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化信號抽取目標(biāo)特征進(jìn)行判別并控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。圖1為典型采用機(jī)械視覺的分揀系統(tǒng)，該機(jī)器視覺系統(tǒng)主要包括光敏傳感器、傳送器、顯示器、打印機(jī)、計算機(jī)、圖像采集卡、分檢機(jī)構(gòu)及光源等部分。通過給視覺系統(tǒng)配置不同的動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)可擴(kuò)展不同的系統(tǒng)功能[1]。

1.2 工作原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)主要功能是代替人類來進(jìn)行目標(biāo)物的測量及判斷。視覺系統(tǒng)采用CCD照相機(jī)獲取目標(biāo)圖像信號，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)圖像信息的亮度、像素分布及顏色等特征將其轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字化信號。圖像系統(tǒng)通過對這些運算數(shù)字化信號進(jìn)行運算來獲得目標(biāo)物的長、寬、高、數(shù)量及位置等特征。視覺系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的條件輸出具體的數(shù)值（尺寸、偏移量、角度、數(shù)量等）或邏輯判斷（合格、不合格、有或無等）。系統(tǒng)根據(jù)輸出的檢測結(jié)果，發(fā)出相應(yīng)的信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)動作[2]。

2 在機(jī)械制造中的實際應(yīng)用

2.1 用于精密測量

（1）零件位移精密測量。精密位移檢測系統(tǒng)由光源、CCD攝像頭和計算機(jī)處理系統(tǒng)等部分組成。利用平行光束照射檢測部位，顯微像組將檢測部位邊緣輪廓成像在CCD像面上，利用計算機(jī)對圖像進(jìn)行計算得到被測部位輪廓位置。檢測系統(tǒng)可根據(jù)兩次輸出的位置差計算被測量物體的位移量。這種檢測系統(tǒng)適用于尺寸較小、形狀簡單的大批量產(chǎn)品，精度能達(dá)到0.01mm[3]。

（2）刀具磨損測量。利用機(jī)器視覺可在線檢測刀具磨損程度，該系統(tǒng)最關(guān)鍵的問題是誤差因素控制，將光纖插入鏡頭周圍提供光源，選擇合適的拍攝角度、最佳光線照射強(qiáng)度及角度，減小陰影，降低誤差。該系統(tǒng)通過計算刀具磨損前后的橫向尺寸差來測量磨損度。系統(tǒng)體積小、夾具自由轉(zhuǎn)動角度大、測量精度高、速度快，適用于測量幾何形狀簡單的刀具[4]。

（3）在逆向工程中的應(yīng)用。逆向工程可實現(xiàn)對現(xiàn)有工件（樣品、不規(guī)則自由曲面、模型）的快速復(fù)制。通過測量儀器測量出輪廓坐標(biāo)值，經(jīng)編輯、修改、擬合曲面后得到工件的圖形存檔，可通過CNC或快速成型機(jī)制作樣品模型。因此逆向工程的關(guān)鍵問題是輪廓坐標(biāo)值采集的準(zhǔn)確性。輪廓視覺測量技術(shù)可快速準(zhǔn)確的得到工件的輪廓坐標(biāo)值數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)利用平面條紋結(jié)構(gòu)光照射測量工件，利用CCD攝像機(jī)攝取變形條紋圖像并轉(zhuǎn)換成模擬信號進(jìn)行存儲。同時將模擬信號傳送到監(jiān)視器上進(jìn)行圖像處理，便可得到工件的三維數(shù)字化輪廓圖像[5]。

2.2 在檢測方面的應(yīng)用

（1）檢測工件表面缺陷。基于CCD的產(chǎn)品表面缺陷檢測技術(shù)可快速準(zhǔn)確的檢測到缺陷零部件，確保工件表面質(zhì)量。以連桿結(jié)合面爆口視覺檢測系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用方形框式LED漫反射光源照射破口區(qū)域，利用光電耦合CCD元件得到坡口區(qū)域的電量信號，經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)根的計算分析得到所需的數(shù)據(jù)。根據(jù)系得到的像素值與實際值之間的對應(yīng)比例值判斷工件接合面是否合格[6]。

（2）激光機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)。激光機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、電子及機(jī)械加工行業(yè)中。比較典型的是“白車身二維激光視覺檢測系統(tǒng)”， 該系統(tǒng)利用CCD技術(shù)及激光技術(shù)可實現(xiàn)7min完成汽車白車身檢測工作，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠， 可適用車型范圍廣[7]。

2.3 在焊接機(jī)器人中的應(yīng)用

機(jī)器視覺技術(shù)在焊接機(jī)器人的應(yīng)用，使焊接機(jī)器人不僅具有對常規(guī)焊縫的視覺感知能力，還可以處理強(qiáng)弧光及飛濺干擾下的焊縫圖像，實時提取焊接參數(shù)信息，并預(yù)測焊接組織性能，可在高危場合高質(zhì)量完成自動焊接作業(yè)。焊接機(jī)器人的視覺傳感系統(tǒng)一般由多個低維傳感器組成（一維視覺傳感、二維視覺傳感、三維視覺傳感）。對采集的信息進(jìn)行綜合處理。焊接機(jī)器人視覺系統(tǒng)需要具備的功能有優(yōu)化焊接參數(shù)、識別焊接特征、調(diào)節(jié)焊接位姿、跟蹤焊縫、規(guī)劃焊接路徑、控制焊縫熔透等[8]。

3 結(jié)束語

機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)率，工件的檢測或測量結(jié)果快速準(zhǔn)確。采用機(jī)器視覺系統(tǒng)的焊接機(jī)器人可實現(xiàn)自動化作業(yè)及代替人力在高危環(huán)境中施工。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)將極大促進(jìn)機(jī)械制造自動化的發(fā)展。

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作者簡介

張小現(xiàn)（1986-），男，籍貫：湖南省衡陽，學(xué)歷：本科，畢業(yè)院校：湖南理工學(xué)院；研究方向：自動化工程與機(jī)器視覺。