隨著其優(yōu)越性的逐漸凸顯捞勿，該技術(shù)已在包括汽車制造業(yè)在內(nèi)的批量生產(chǎn)企業(yè)中獲得越來越多的運用，應(yīng)用前景廣闊。自上世紀90年代初作為一項新技術(shù)進入實用階段以來坦仍，機器視覺經(jīng)過10多年的完善和發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域已日趨擴大叨襟。其在發(fā)達工業(yè)國家的應(yīng)用較為普及堆嘿，尤其在半導(dǎo)體和電子行業(yè)，約占總體應(yīng)用的40~50%围娃。而在國內(nèi)技乡，機器視覺產(chǎn)品的推出和應(yīng)用尚處于起步期。

 

機器視覺是利用圖像攝取裝置（分CCD和CMOS兩種）碎痘，將目標轉(zhuǎn)換成圖像信號技碍，傳送給專用的處理系統(tǒng)后皇苫，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息云许，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號烈拉；圖像系統(tǒng)通過對這些信號進行各種運算，抽取出目標的特徵辣候，進而根據(jù)判別的結(jié)果來完成各種運作牛拭。它具有非接觸、高速度大熟、工作范圍大割扬、獲得信息豐富等優(yōu)點。因其易于實現(xiàn)信息集成偿荷，故也成為制造業(yè)信息化中的一項基礎(chǔ)技術(shù)窘游。

 

機器視覺可用于標志識別、工況監(jiān)視跳纳、產(chǎn)品（零部件）檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域忍饰，對提高生產(chǎn)效率和自動化程度發(fā)揮很大作用。從技術(shù)層面看寺庄，機器視覺的主要功能可歸納為兩項艾蓝，即辨識和檢測。

 

辨識功能的應(yīng)用

 

辨識斗塘，亦稱自動識別赢织。相對而言，現(xiàn)代汽車制造業(yè)對機器視覺的辨識功能開發(fā)逛拱、利用最多敌厘。由此帶來了制造過程柔性化程度的提高，加工可靠性和產(chǎn)品可追溯性的強化朽合。

 

1.識別俱两、讀碼、可追溯性

 

隨著國家汽車召回制度的出臺祖擦，如何有效地實現(xiàn)產(chǎn)品的可追溯性已成當務(wù)之急舶酒。相比用于商品識別的條形碼，二維碼包含信息更多酷豫，于是缰橘，企業(yè)進一步采取為重要零部件打上二維碼的方式，將其包含的件號雀秤、批次等重要質(zhì)量信息赞拼，經(jīng)讀數(shù)頭識別采集后送至中央監(jiān)控室的服務(wù)器。

 

然后，再結(jié)合各總成和整車上的條形碼璃锻，一旦有需要秘驻，就可方便地查詢，迅速玫葡、準確地進行針對性的質(zhì)量追溯戳明。而讀數(shù)頭對二維碼的解讀，正是利用了機器視覺的圖像識別功能碴穴。

 

此外赋焕，通過讀取工件上的二維碼，還可控制生產(chǎn)操作和作業(yè)過程仰楚。例如隆判，發(fā)動機缸體的軸承檔與壓入的軸瓦，采用的是選擇裝配方式僧界，即兩者都按測量結(jié)果進行分組（一般分3~5組）蜜氨，然后一一對應(yīng)地進行壓裝。為了提高生產(chǎn)效率和杜絕錯裝捎泻，在成品缸體所打的二維碼中，包含了第1~5軸瓦檔（若為四缸發(fā)動機）的組別信息埋哟。

 

當工件在發(fā)動機裝配線上移至某一工位時笆豁，設(shè)置的讀數(shù)頭即自動讀碼，工位外側(cè)根據(jù)組數(shù)有3~5排盛放不同組別的軸瓦槽赤赊，前部有一指示燈闯狱。按1~5的壓裝順序，操作工人根據(jù)指示燈提示抛计，取出對應(yīng)的軸瓦放入軸承檔哄孤，顯然，代表不同組別的指示燈的先后閃爍取決于讀取二維碼中相關(guān)信息后發(fā)出的控制信號嫡澄。

 

2.提高作業(yè)的可靠性

 

為防止批量生產(chǎn)條件下作業(yè)工程（如：汽車發(fā)動機的裝配工序）出現(xiàn)諸如零件錯裝/漏裝旅霍，安裝不到位及其他問題，必須提高作業(yè)的可靠性改擂。建立在機器視覺辨識功能基礎(chǔ)上的各種有針對性的自動識別系統(tǒng)铣翁，對提高作業(yè)可靠性相當有效。以下舉2個典型案例胶棕。

 

1. 活塞-連桿組件在缸體內(nèi)的裝配

 

該自動識別系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)為：首先判斷缸體是否已到位供馍，并做好準備，其方法是探測缸體上緣（準確到位的標志）水亮，如果未發(fā)現(xiàn)該特徵部分刽软，即發(fā)出報警信號。然后枢菇，對以下3項內(nèi)容進行自動識別：1.活塞的有無奏散；2.活塞位置的正確性（確切地講是“周向方位”）俯坐；3.活塞頂部表面的標識和字符（用于表明型號、選配時的組別及其它相關(guān)含義）與安裝的缸體是否一致君铁。

 

整個識別過程如下：發(fā)動機被翻轉(zhuǎn)检碗、裝入活塞，輸送系統(tǒng)使發(fā)動機隨托盤向自動識別工位移動码邻；當發(fā)動機即將到達時折剃，先由二維碼讀數(shù)頭驗明其“身份”，然后發(fā)信號給PLC像屋；一旦發(fā)動機到達自動識別工位怕犁，接近開關(guān)觸發(fā)，PLC向機器視覺系統(tǒng)發(fā)出工作指令己莺。如果活塞已安放在缸體內(nèi)奏甫，其標識和字符與要求的型號、組別等完全一致凌受，且裝配正確阵子、即“周向方位”在規(guī)定范圍內(nèi)，則視覺系統(tǒng)發(fā)信給PLC胜蛉，令發(fā)動機流向下一工位挠进。

 

如果活塞裝配有錯，則視覺系統(tǒng)提示PLC誊册，并通過人機界面報警皇驼，顯示屏將指示哪一缸的活塞裝配有誤以及屬何種錯誤。操作者確認識別的結(jié)果后窘吟，通過人機界面向PLC發(fā)出指令畦怒，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蠕蹋，只是在出現(xiàn)裝配錯誤桶邑、發(fā)出報警時才由人工干預(yù)。

 

關(guān)于活塞位置的正確性耻炕，即“周向方位”的含義法顺，如圖1。在活塞底部（白色形象）的上方有個箭頭定邪，它必須位于圖示位置快挡，即處于與被安放的缸體（黑色形象）4個缸孔的中心線相一致的狀態(tài)÷虺迹活塞置于機器視覺探頭之下時现蹂，通過一個圓框來判別箭頭是否處在正確位置。

 

圖1 活塞安放位置正確性的識別

 

2. 汽車車燈出廠前檢驗

 

各種車用燈具的日產(chǎn)量往往高達幾千只。產(chǎn)品出廠前的檢驗一般包括判別2個螺絲的定向凑懂，測定擰入深度（要求精度達到0.1mm）煤痕，并要求檢查塑料墊圈、擋水片接谨，以及墊片是否安裝正確摆碉，還要求記錄刻印在塑料座上的產(chǎn)品型號。

 

為此脓豪，采取了擁有4個攝像頭的機器視覺系統(tǒng)巷帝，它們均設(shè)置在裝配線上方，前2個攝像頭檢查螺絲的定向及擰入深度扫夜，第3臺檢查墊圈楞泼，擋水片，墊片等零件笤闯，第4臺則讀取零件型號堕阔。

 

4臺攝像頭所讀取的圖像送往1臺PC進行處理判斷并顯示結(jié)果。為避免外界雜光干擾颗味，該系統(tǒng)采用LED 照明裝置超陆。在這套機器視覺檢測系統(tǒng)投用之前，企業(yè)每班需要2名檢驗員鹃改，每件檢驗耗時30秒铅州，且有較大誤差。采用后則不再需要專職檢驗員定合，檢驗速度大大提高，每件僅耗時5.5秒叛榆，差錯率也降至零喂惜。

 

3.提高制造過程的柔性

 

現(xiàn)代汽車制造業(yè)，特別是轎車企業(yè)码遥，其發(fā)展方向是采用多品種服半、柔性化的混線生產(chǎn)模式，而工件識別技術(shù)就是實現(xiàn)這種生產(chǎn)模式的一個重要環(huán)節(jié)班粥，下面試舉例說明滤灸。 為了在一條自動線上同時生產(chǎn)屬于2種發(fā)動機的4種不同凸輪軸，采取了在工件指定的二檔軸頸間制作標志的方法溜勃，標志是事先加工在軸間的1~4道環(huán)帶翁旁，分別代表4種類型的凸輪軸，圖2是其中的2種廉丽。

 

圖2 帶識別標志的工件

 

在工件進入某道工序（如凸輪軸的最終檢測）之前倦微，線上所設(shè)置的光電視覺傳感器將通過讀取上述標志，正確地對工件進行識別（如圖3），然后發(fā)出相應(yīng)的控制信號欣福，以執(zhí)行不同的工作程序责球。譬如，當圖2中的凸輪軸在進入終檢工位的前兩個工位時拓劝，綜合測量機就會根據(jù)收到的指令雏逾，調(diào)用不同的程序，以對該工件進行正確檢測郑临。

 

圖3 視覺系統(tǒng)對工件的識別

 

檢測功能的應(yīng)用

 

檢測是機器視覺的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域栖博，其與“辨識”的主要區(qū)別就是前者為定量，而后者為定性牧抵。檢測功能可表現(xiàn)為多種形態(tài)的工作模式笛匙，適用于批量生產(chǎn)條件下，尤其是現(xiàn)代汽車制造業(yè)中不同場合的需要犀变。

 

1.精密測量

 

應(yīng)用機器視覺進行精密測量妹孙，建立在對被測對象圖像的邊緣檢測的基礎(chǔ)之上，如圖4所示考叽。檢測系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)肢姜、CCD攝像頭和計算機處理系統(tǒng)（圖中未標示）等組成。

 

圖4 測量系統(tǒng)工作示意圖

 

由光源發(fā)出的平行光束照射到被測對象的檢測部位上连碎，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像面上驰闺，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)生位移弧哥，再次測量其邊緣輪廓位置呕豪，則兩次位置之差便是位移量。顯然榆眷，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)糯档，則其兩者位置之差即為相應(yīng)尺寸。

 

上述系統(tǒng)特別適合對大批量生產(chǎn)情況下工件的在線檢測屡旺，尤其是在被測對象尺寸較小蜡幼、形狀比較簡單時，其優(yōu)越性更加突出端制。汽車電子產(chǎn)品中的接插件就是一個典型例子嗓万，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)百件灸叼，而后者多數(shù)為0.01mm的數(shù)量級神汹。

 

一般情況下，工件的質(zhì)量缺陷包括插腳的變形或扭曲古今、多余的金屬粘附（金屬碎屑）等慎冤，均反映為外形尺寸的誤差疼燥。當采用圖4所示系統(tǒng)進行測量時，由于零件（插腳）形成的圖像與其明亮背景之間具有強烈對比蚁堤，呈現(xiàn)出清晰的剪影效果醉者。這就為準確測量被檢對象的尺寸和輪廓（形狀）特徵創(chuàng)造了條件。

 

圖5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)生的典型背光圖像披诗。其中撬即，插腳A發(fā)生了扭曲，插腳B上粘附著多余的金屬呈队，插腳C斷面尺寸（寬）不合格——這些都屬于常見的質(zhì)量缺陷剥槐。

 

圖5 典型的背光檢測圖像

 

用機器視覺進行精密測量的另一個實例是刀具預(yù)調(diào)測量儀。傳統(tǒng)的檢測方式是光學(xué)投影和光柵數(shù)顯表相結(jié)合宪摧，前者用于瞄準定位助潭，而后者用于測量、讀數(shù)连欲。整個過程需較多的人工參與打且，對操作人員要求高，效率卻并不高椅损。

 

幾年前誕生的新穎刀具預(yù)調(diào)測量儀帘战，將機器視覺、光柵技術(shù)吉挎、計算機軟硬件斑永、自動控制技術(shù)等有機結(jié)合，無論在測量精度氨固、操作方便和工作效率上都有了革命性的提高蛀埂。其主要原因就是以機器視覺替代了傳統(tǒng)的光學(xué)投影，徹底改變了原有工作模式解瀑。

 

在這種新穎儀器中妇乏，作為運動導(dǎo)軌的Z軸、X軸和C（回轉(zhuǎn)）軸內(nèi)鬓催，分別裝有直線光柵和圓光柵，被測刀具沿轉(zhuǎn)臺中心線恨锚、即C軸安裝宇驾。機器視覺傳感器位于叉形支架兩側(cè)，也即猴伶，跨越轉(zhuǎn)臺的中心線课舍。支架的一端安放光源，另一端是攝像頭他挎，被測刀具的圖像由攝像頭讀取筝尾。

 

2.工件表面缺陷檢測

 

工件表面缺陷捡需，比如連桿大小頭結(jié)合面的破口缺損是在制造過程中形成的。迄今為止筹淫，在批量生產(chǎn)的汽車站辉、摩托車、內(nèi)燃機等行業(yè)损姜，對表面缺陷的探測基本都是人工目測方式饰剥。此法不但效率低、勞動強度大摧阅，且難以準確執(zhí)行工藝標準中規(guī)定的定量評定寺癌，影響了對產(chǎn)品質(zhì)量的有效監(jiān)控。

 

以連桿大頭孔結(jié)合面的爆口為例铣啰，其評定標準的具體要求如下：1）破口面積小于3mm2绅荒， 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肌搔，就將判定不合格而被剔除肝羊。

 

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）不同翎味，表面缺陷探測需采取反射方式蝉择。此時，系統(tǒng)通過一個方形框式LED漫反射光源照亮待檢測工件的破口區(qū)域民逾，光線照射到對象表面后蛀植，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)的電量信號垫凝，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填要，最終得到所需數(shù)據(jù)。

 

如前所述仔戈，CCD元件可理解為一個由感光像素組成的點陣关串。其每個像素都一一對應(yīng)了對象的二維圖像特徵，即通過對像素點成像結(jié)果的分析可間接分析對象的圖像特徵监徘。比如通過對二值化圖像中的成像像素個數(shù)的計算晋修，便能得到相應(yīng)對象的長度值和面積值。

 

圖6 檢測系統(tǒng)組成

 

以連桿結(jié)合面爆口為例凰盔，根據(jù)被測對象的特徵（工件形狀墓卦、被測部位）和要求，需分別檢測互為15°夾角的A-B-C 3個（連桿側(cè)面的）破口面户敬，最終以3個檢測結(jié)果中的最大值作為破口的真實值落剪，進行判斷并輸出結(jié)果。據(jù)此尿庐，組成了如圖6所示的檢測系統(tǒng)忠怖，它主要包括：

 

1. CCD攝像頭呢堰；用于采集破口圖像并轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號。

 

2. LED光源凡泣；用于提供穩(wěn)定枉疼、均勻的照明，保證取像質(zhì)量噪终。

 

3. 圖像處理單元磕泡；其可根據(jù)需要，對采集到的圖像進行處理痒蛇、分析萎括，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PLC。系統(tǒng)使用松下的MultiCheckerV110嵌入式圖像處理系統(tǒng)俺下，集圖像處理和輸出為一體巡蛋。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（24VDC,0.7A）预铁，且環(huán)境適應(yīng)性好嚣赤，能在環(huán)境溫度50℃的條件下連續(xù)工作。

 

4. PLC簸翠；它控制整個檢測系統(tǒng)各項功能的執(zhí)行违冲，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蒋毕。

 

5. 監(jiān)示器略荡。它作為人機交互界面，顯示圖像處理系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果歉胶。

 

3.機器視覺在檢測自由曲面中的應(yīng)用

 

汽車車身以及其覆蓋件（焊接件汛兜、沖壓件等）大多呈自由曲面狀，多年來通今，對它們的檢測主要是采用坐標測量機粥谬。為提高測量效率，尤其是考慮到強化對生產(chǎn)過程的監(jiān)控辫塌，自上世紀九十年代中期起漏策，利用先進的光學(xué)測量系統(tǒng)在現(xiàn)場實施在線檢測的方式逐漸興起，而這種新興測量裝置正是激光傳感器和機器視覺相結(jié)合的產(chǎn)物臼氨。

 

光學(xué)測量裝置的工作原理是三角測量法掺喻。由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過聚焦，照射在被測物表面一也，其反射光通過成像透鏡，成像于圖像攝取裝置的CCD面陣上喉脖。依據(jù)三角測量的原理椰苟，當被測表面偏離基準面時抑月，在圖像接受器件上的成像點也將產(chǎn)生相應(yīng)偏離，據(jù)此能求得被測工件表面不同部位的實際值跷塘。

 

上述激光視覺測量經(jīng)過多年發(fā)展苗鸦，已從早期主要用于一維尺寸和距離的檢測，進入到三維測量跋共，但其工作原理仍為三角測量法外羽。

 

當然，相比利用三坐標測量機檢測工件的自由曲面絮很，激光視覺測量的重復(fù)性R和精度AC要低得多捡奖。正因為此，它們主要用于在線檢測戚绪，通過高效窍蚤、快速的100%測量和對實測值進行統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對動態(tài)生產(chǎn)過程的質(zhì)量監(jiān)控曙辛。

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