機(jī)器視覺技術(shù)及其在機(jī)械制造自動(dòng)化中的實(shí)踐探索

新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 戚航

機(jī)器視覺和自動(dòng)化的本質(zhì)是一致的，所以該技術(shù)嵌入自動(dòng)化相關(guān)環(huán)節(jié)也是一種必然。當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展也是追隨著市場(chǎng)的需要來定奪走向的。很顯然，機(jī)器視覺作為優(yōu)于人類視覺的先進(jìn)技術(shù)，能夠符合自動(dòng)化生產(chǎn)的高效率、少成本要求。可以說，人們對(duì)機(jī)器視覺挖掘得越深，越有利于提高相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)力。然而，很多人對(duì)機(jī)器視覺的理解都停留在字面含義，不了解其更準(zhǔn)確的定義以及在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用。為此，本文做了以下闡釋：

1 關(guān)于機(jī)器視覺技術(shù)

1.1 技術(shù)概念

機(jī)器視覺技術(shù)是一項(xiàng)覆蓋多領(lǐng)域?qū)W術(shù)技術(shù)的科學(xué)技術(shù)[1]。對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)的理解，首先要談到人類視覺。人類視覺是引發(fā)機(jī)器視覺研究的基礎(chǔ)。機(jī)器視覺模擬人的視覺感官，以求實(shí)現(xiàn)如人一樣的對(duì)面前事物進(jìn)行分辨，從而替換人力，嵌入機(jī)器設(shè)備而使之改造升級(jí)。需重點(diǎn)提出的是，機(jī)器視覺不僅能仿人類視覺能力，同時(shí)還能對(duì)所“見”物體展開精確測(cè)量與定位等更高級(jí)的操作，它在某種意義上超越了人的視覺。

目前，CCD攝像機(jī)是機(jī)器視覺技術(shù)得以產(chǎn)生價(jià)值的關(guān)鍵。機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)揮功能就在于要對(duì)信息進(jìn)行提取，而CCD攝像機(jī)就像是它的瞳孔，為它進(jìn)行提取信息、監(jiān)測(cè)信息等操作。CCD攝像機(jī)所獲得信息都是以數(shù)據(jù)的形式收入電子信息軟件，然后實(shí)現(xiàn)以信息技術(shù)為依托的全方位檢測(cè)。可以說，CCD攝像機(jī)為機(jī)器視覺技術(shù)的操作平添了信息提取力，而信息技術(shù)則為它平添了超強(qiáng)的判斷力、數(shù)據(jù)分析力。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

機(jī)械制造自動(dòng)化領(lǐng)域隨著科學(xué)的進(jìn)步發(fā)展過程引人注目,很多研究者將機(jī)械制造自動(dòng)化和獨(dú)特的技術(shù)手段相結(jié)合[2]。伴隨工業(yè)生產(chǎn)的不斷改造升級(jí)，機(jī)器視覺技術(shù)早已成為更加系統(tǒng)化的、成熟的技術(shù)，擁有自己特定的、穩(wěn)定的運(yùn)作程序、模塊功能，如光學(xué)鏡頭、光源、顯示器、工業(yè)相機(jī)等。該技術(shù)的相關(guān)運(yùn)作原理可以理解為，圖像—信號(hào)—數(shù)字模型—數(shù)據(jù)評(píng)測(cè)。

機(jī)器視覺技術(shù)的在工業(yè)制造、生產(chǎn)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一方面，減少了開發(fā)的阻礙，降低了難度。這是因?yàn)槿藗兛梢岳孟嗤能浖黹_發(fā)視覺、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，而無需要求其對(duì)多種編程語言或環(huán)境進(jìn)行引申。另一方面，該技術(shù)使得數(shù)據(jù)可以在單個(gè)應(yīng)用中進(jìn)行相對(duì)固定的環(huán)路之間的傳遞，打破了物理層面的限制。這樣一來，數(shù)據(jù)的共享過程穩(wěn)定而不復(fù)雜，其做出的傳遞反饋也及時(shí)而價(jià)值非常，能幫助人們進(jìn)行更精密的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。此外，機(jī)器視覺技術(shù)還有噪聲污染小、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 技術(shù)未來走向

（1）開放標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)榻y(tǒng)一。一項(xiàng)工業(yè)技術(shù)的成熟，需要不斷經(jīng)過各領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)踐檢驗(yàn)[3]。而我國(guó)的工業(yè)發(fā)展也越來越走向了開放。所以，機(jī)器視覺技術(shù)的未來發(fā)展也將是開放的，但需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加以統(tǒng)一。這也是與世界接軌的要求，有利于技術(shù)的健康升級(jí)、縱深發(fā)展。

（2）產(chǎn)品發(fā)生替代。計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展攻勢(shì)之下，嵌入式系統(tǒng)被越來越多的領(lǐng)域所關(guān)注[4]，其系統(tǒng)語言遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于板卡式，滿足市場(chǎng)對(duì)效率的要求，且便于維護(hù)、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，深受親睞。因此，我們可以斷定，在機(jī)器視覺技術(shù)的將來，會(huì)更多地依托于PC技術(shù)，且趨向于對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)控類技術(shù)的集成式發(fā)展。

（3）方案一體化。將技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一體化整合會(huì)更有利于對(duì)技術(shù)的推廣及大范圍實(shí)踐[5]，這是技術(shù)得以進(jìn)步的現(xiàn)實(shí)依托，且能夠?qū)崿F(xiàn)其在工業(yè)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，機(jī)器視覺技術(shù)在未來將走向方案標(biāo)準(zhǔn)一體化。

2 機(jī)器視覺技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的實(shí)踐應(yīng)用

2.1 機(jī)器視覺之于測(cè)量

（1）機(jī)器視覺與精密測(cè)量。該技術(shù)能夠利用自身功能下的光學(xué)系統(tǒng)以及處理系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量對(duì)標(biāo)物體。在測(cè)量過程中，技術(shù)設(shè)備對(duì)準(zhǔn)物體相關(guān)部位，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位，而其提取定位數(shù)據(jù)后，還能夠依托于顯微鏡把物體的精確輪廓加以勾勒。這是人眼無法比擬的測(cè)量能力。與此同時(shí)，為了最大限度地接近完美，該技術(shù)可以在短時(shí)內(nèi)采取多次定位測(cè)量，以避免數(shù)據(jù)漏洞。

（2）機(jī)器視覺與磨損測(cè)量。以往的人力磨損測(cè)量中，人們基于角度等需要，需要將設(shè)備等物體加以拆裝，極大地浪費(fèi)了時(shí)間、人力，且有再次損壞設(shè)備的隱憂[6]。而人的主觀因素很容易影響測(cè)量結(jié)果[7]，誤差也難以保證。機(jī)器視覺技術(shù)則完全不必進(jìn)行大的拆裝，減省人力、時(shí)間，而且可以依靠簡(jiǎn)單的操作即能精準(zhǔn)測(cè)量。這個(gè)過程中，磨損測(cè)量效率較高，且其多次、多磨損設(shè)備檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息能夠被整合為數(shù)字模型，幫助人們達(dá)成升級(jí)化的磨損測(cè)量監(jiān)管。

（3）機(jī)器視覺與預(yù)調(diào)測(cè)量。該技術(shù)在預(yù)調(diào)測(cè)量中有很強(qiáng)的存在價(jià)值。對(duì)測(cè)量的預(yù)調(diào)需要非常專業(yè)的人員進(jìn)行操作。而無論哪個(gè)行業(yè)，技術(shù)人才都是緊缺的，且用工投入的成本又高。有了機(jī)器視覺技術(shù)，工業(yè)企業(yè)可以將預(yù)調(diào)的技術(shù)人力更換為技術(shù)投入，不僅預(yù)調(diào)精準(zhǔn)，而且技術(shù)操作發(fā)揮穩(wěn)定、整齊劃一，大大降低了成本，減緩了人才焦慮。相關(guān)的工作原理在與其融合光學(xué)測(cè)量后升級(jí)、簡(jiǎn)化預(yù)調(diào)流程，進(jìn)而帶動(dòng)效益的增長(zhǎng)。

2.2 機(jī)器視覺之于自動(dòng)焊接

機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在自動(dòng)焊接過程中時(shí)，需要通過其CCD攝像機(jī)等關(guān)鍵的圖像采集元件獲得原始的圖像數(shù)據(jù)[8]，如熔池形狀數(shù)據(jù)等，然后發(fā)揮信息提取能力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)照，再配合其他施工設(shè)備完成自動(dòng)焊接。由于有精準(zhǔn)的對(duì)照數(shù)據(jù)，自動(dòng)焊接的誤差很小，質(zhì)量擁有保證。同時(shí)，在焊接施工中要涉及安全問題，有了機(jī)器視覺做替代，以往利用人力的安全顧慮被排除。而且機(jī)器視覺可以做到很多超越人力的操作，如焊接機(jī)器人的精度焊接就需要依靠該技術(shù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)由單一維度到多維的整合。

2.3 機(jī)器視覺之于工件定位

依托于機(jī)器視覺，生產(chǎn)流水線上的工件就能進(jìn)行充分且快速的圖像處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位以及類型識(shí)別，這就大大提高了工業(yè)機(jī)器人的分揀效率。工件定位的具體實(shí)現(xiàn)，需要在自動(dòng)化制造流程里安置CCD攝像機(jī)（根據(jù)規(guī)模確定安置數(shù)量）以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤零件位置。依據(jù)需要，人們可以采取更高像素的CCD攝像機(jī)，并對(duì)工件定位的具體精準(zhǔn)度進(jìn)行調(diào)控，如控制在＜0.1mm范圍等。

2.4 機(jī)器視覺之于工件檢測(cè)

自動(dòng)化生產(chǎn)之下，工件檢測(cè)符合安全生產(chǎn)的要求，能夠更好地維護(hù)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，避免操作漏洞。鑒于自動(dòng)化生產(chǎn)往往是成批走量式的生產(chǎn)，其產(chǎn)品交付中一旦發(fā)生個(gè)別化的工件不合格，就會(huì)帶來一系列的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致最后的產(chǎn)品交易無法成功，且影響企業(yè)聲譽(yù)。而人力檢測(cè)工件不僅工程量巨大，不確定的干擾也多，檢測(cè)質(zhì)量難保障。相對(duì)的，機(jī)器視覺技術(shù)則統(tǒng)統(tǒng)避免了這些問題。尤其是它能到達(dá)人的視覺無法到達(dá)的精細(xì)之處，找到問題真正所在，極大地確保了生產(chǎn)質(zhì)量安全。在具體的相關(guān)應(yīng)用上，該技術(shù)在汽車生產(chǎn)行業(yè)有很好的價(jià)值發(fā)揮。

3 有關(guān)優(yōu)化機(jī)器視覺技術(shù)在我國(guó)機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用的建議

3.1 博引外長(zhǎng)，吸收國(guó)外技術(shù)精華

我國(guó)工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，其機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展也迅速普及，在范圍更大的領(lǐng)域發(fā)揮著功用。這些都與我國(guó)的制造業(yè)優(yōu)勢(shì)分不開。由此而帶來的，來自許多外國(guó)的具有國(guó)際水平的機(jī)器視覺技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、成熟系統(tǒng)等也為我國(guó)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展帶來了新契機(jī)。在這樣的情況下，我國(guó)工業(yè)企業(yè)需要保持科學(xué)的態(tài)度、兼容并蓄的風(fēng)格，對(duì)國(guó)際性的技術(shù)加以學(xué)習(xí)、借鑒、融合。博引外長(zhǎng)自然不是完全的“拿來主義”，我們可以立足于本國(guó)的機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用成果以及企業(yè)自身的經(jīng)營(yíng)需要，積極吸收國(guó)外技術(shù)的精華，使其作為外力來催化技術(shù)的升級(jí)。

3.2 善于內(nèi)省，以政策扶持作保障

我國(guó)的機(jī)器視覺技術(shù)盡管在速度上異軍突起，但是畢竟是后起之秀，有著技術(shù)底子弱的先天劣勢(shì)。這就很大程度上桎梏了相關(guān)技術(shù)的大范圍應(yīng)用與縱深研究。因此，我國(guó)的機(jī)器視覺技術(shù)要想獲得更優(yōu)質(zhì)的發(fā)展，還需要來自國(guó)家的政策扶持。政策扶持可以讓相關(guān)技術(shù)的研究、推廣獲得外界更高的認(rèn)可，也有利于吸引大量資金的投入。因此，我們善于內(nèi)省自身技術(shù)的缺陷，尋求內(nèi)部的策略優(yōu)化是必要的。

3.3 集眾之長(zhǎng)，各企業(yè)間合作研發(fā)

技術(shù)的可持續(xù)升級(jí)需要有專業(yè)的人才投入研發(fā)、大量的資金投入作為基礎(chǔ)等。這不是單個(gè)企業(yè)可以做到的。因此，我國(guó)的工業(yè)企業(yè)可以形成行業(yè)內(nèi)的合作關(guān)系，協(xié)同研發(fā)更高級(jí)的機(jī)器視覺技術(shù)，集眾之長(zhǎng)，謀長(zhǎng)遠(yuǎn)之利。由于每一個(gè)工業(yè)企業(yè)都有自身的特點(diǎn)，企業(yè)間的合作就可以建立在各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，大家按照各自優(yōu)勢(shì)投入的占比進(jìn)行效益分成。企業(yè)合作帶來的技術(shù)發(fā)展也會(huì)為我國(guó)整體經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力的提升做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

通過機(jī)器視覺技術(shù)在當(dāng)下機(jī)械自動(dòng)化的相關(guān)實(shí)踐可以看出，該技術(shù)具有人力所無法企及的優(yōu)勢(shì)，是機(jī)器代替人力發(fā)展趨勢(shì)的一大代表。在未來，隨著人們不斷地博引外長(zhǎng)、內(nèi)省成長(zhǎng)以及合作共研，我國(guó)的機(jī)器視覺技術(shù)將在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域突破在測(cè)量、自動(dòng)焊接、工件定位、工件檢測(cè)上的應(yīng)用，而擁有更全方位的拓展。為此，人們需要繼續(xù)以尊重科學(xué)、尊重技術(shù)、尊重生產(chǎn)規(guī)律等態(tài)度負(fù)重前行。