机器视觉检验系统深度解读.docx

机器视觉检测系统内容起源网络，由“深圳机械展（11万，1100多家展商，超10万观众）”搜集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.现代工业自动化生产中包含到多种多样检验、生产监视和零件识别应用，如汽车零配件批量加工尺寸检验和自动装配完整性检验、电子装配线元件自动定位、IC上字符识别等。通常这种带有高度反复性和智能性工作是由肉眼来完成，但在一些特殊情况下，如对微小尺寸正确快速测量、形状匹配和颜色辨识等，依靠肉眼根本无法连续稳定地进行，其它物理量传感器也难以胜任。大家开始考虑用CCD摄影机抓取图像后送入计算机或专用图像处理模块，经过数字化处理，依据像素分布和亮度、颜色等信息来进行尺寸、形状、颜色等判别。这种方法是把计算机处理快速性、可反复性和肉眼视觉高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉检测技术概念。视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上一门新兴测试技术。和计算机视觉研究视觉模式识别、视觉了解等内容不一样，视觉检测技术关键研究是物体几何尺寸及物体位置测量，如轿车白车身三维尺寸测量、模具等三维面形快速测量、大型工件同轴度测量和共面性测量等，它能够广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。视觉检测技术在国外发展很快，早在20世纪80年代，美国国家标准局就曾估计未来90检测任务将由视觉检测系统来完成。所以仅在80年代，美国就有100多家企业跻身于视觉检测系统经营市场，可见视觉检测系统确实很有发展前途。在近几届北京国际机床展览会上已经见到国外企业展出应用视觉检测技术研制优异仪器，如流动式光学三坐标测量机、高速高精度数字化扫描系统、非接触式光学三坐标测量机等。2.机器视觉检测系统组成、分类及工作原理2.1 系统组成和工作原理(1)系统组成经典视觉系统通常包含光源、镜头、CCD摄影机、图像处理单元(或图像采集卡)、图像处理软件、监视器、通讯输入输出单元等。(2)工作原理视觉系统输出并非图像视频信号，而是经过运算处理以后检测结果(如尺寸数据)。通常，机器视觉检测就是用机器替换肉眼来做测量和判定。首先采取CCD摄影机将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用图像处理系统，依据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。图像系统对这些信号进行多种运算来抽取目标特征，如：面积、长度、数量、位置等。后，依据预设许可度和其它条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等。上位机(如PC和PLC)实时取得检测结果后，指挥运动系统或I/O系统实施对应控制动作(如定位和分类)。2.2 系统分类从视觉系统运行环境分类，可分为PCBASED系统和PLCBASED系统。基于PC系统利用了其开放性、高度编程灵活性和良好Windows界面，同时系统总体成本较低。PCBased系统内含高性能图像采集卡，通常可接多个镜头，并提供库函数支持。现在世界一流PCBased视觉系统生产厂商美国Data Translation企业，其MACH 系列(如DT3155)和MV系列PC I工业视觉卡已经成为业界标准；配套软件方面，32位SDK for Windows95/98/NT提供C/C+编程用DLL，DT Active Open Layer可视化控件提供VB和VC+下图形化编程环境，而DT Vision Foundry则是Windows下面向对象机器视觉组态软件，用户可用它快速开发复杂高级应用。类似还有美国NI企业，该企业将机器视觉和运动控制功效和其被广泛应用Labview虚拟仪器软件相结合，效果显著。和美国企业大力发展PC结构相比，日本和德国企业在PLCBased系统方面走在前列。在PLC系统中，视觉作用更像一个智能化传感器，图像处理单元独立于系统，经过串行总线和I/O和PLC交换数据。日本松下企业Image Checker M100/M200系统可说是这方面代表。该系统利用高速专用ASIC进行256级灰度检测，带逻辑条件和数学运算功效。系统软件固化在图像处理器中，经过类似于游戏键盘简单装置对显示在监视器中菜单进行配置，开发周期短，系统可*性高，其新一代产品A110/A210表现了集成化、小型化、高速化和低成本特点。欧姆龙、Keyence等企业也有类似系统，但在技术性能上相对简单，更适适用于进行有没有判别或形状匹配等。而德国Siemens企业智能化PROFIBUS工业视觉系统SIMATICVS 710提供了一体化、分布式高级图像处理方案，它将处理器、CCD、I/O集成在一个机箱内，提供PROFIBUS联网方法或集成I/O和RS232接口，更关键是经过PCWINDOWS下Pro Vision软件进行组态。VS 710第一次将PC灵活性、PLC可靠性、分布式网络技术和一体化设计结合在一起，使得西门子在PC和PLC体系之间找到了完美平衡。3.机器视觉检测系统经典应用领域及市场现实状况现代视觉理论和技术发展，不仅在于模拟人眼能完成功效，更关键是它能完成人眼所不能胜任工作。在当今电子、光学和计算机等技术不停成熟和完善基础上，视觉技术这个新兴技术门类也得到快速发展。机器视觉特点是自动化、客观性、非接触和高精度。和通常意义上图像处理系统相比，机器视觉系统强调是精度、速度和工业现场环境下可靠性。机器视觉尤其适适用于大批量生产过程中质量检验，如：零件装配完整性、装配尺寸精度、零件加工精度、位置/角度测量、零件识别、特征/字符识别等，关键应用于包含汽车、制药、电子和电气、制造、包装、食品、饮料、医学等领域，用于对汽车仪表盘加工精度检验、高速贴片机上对电子元件快速定位、对管脚数目标检验、IC表面印字符辨识、胶囊生产中对胶囊壁厚和外观缺点检验、轴承生产中对滚珠数量和破损情况检验、食品包装上对生产日期辨识、对标签贴放位置检验和医疗方面对细胞数量和性质判定等。因为机器视觉系统能够快速获取大量信息，易于自动处理，也易于和设计信息和加工控制信息集成，所以，在现代自动化生产过程中，机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。机器视觉系统特点是提升生产柔性和自动化程度，在部分不适合人工作业危险工作环境或人工视觉难以满足要求场所，采取机器视觉来替换人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检验产品质量不仅效率低而且精度不高，而用机器视觉检测方法能够大大提升生产效率和生产自动化程度；另外，机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造基础技术。国际上视觉系统应用方兴未艾，仅1998年市场规模已达46亿美元，而在中国，工业视觉系统尚处于概念导人期，各行业领先企业在处理了生产自动化问题以后，才开始将眼光转向视觉测量自动化。4.机器视觉检测系统在检测方面应用机器视觉系统在工业在线检测各个领域得到广泛应用。(1)大型工件平行度、垂直度测量采取激光扫描和CCD探测系统大型工件平行度、垂直度测量仪，它是以稳定准直激光束为测量基线，配以回转轴系，旋转五角标棱镜扫出相互平行或垂直基准平面，并将其和被测大型工件各面进行比较。在加工或安装大型工件时，可用该认错器测量面间平行度及垂直度。(2)热轧螺纹钢几何参数在线动态检测系统该系统以频闪光作为照明光源，利用面阵和线阵CCD作为螺纹钢外形轮廓尺寸探测器件，实现热轧螺纹钢几何参数在线测量动态检测。(3)轴承状态实时监控采取视觉技术实时监控轴承负载和温度改变，消除过载和过热危险。该技术将传统经过测量滚珠表面来确保加工质量和安全操作被动式测量变为主动监控。(4)基于机器视觉仪表板总成智能集成测试系统汽车仪表板总成上安装有速度里程表、水温表、汽油表、电流表、信号报警灯等，其生产批量大，出厂前需要进行一次质量终检。检测项目包含速度表等五个仪表指针指示误差，24个信号报警灯和若干照明灯是否损坏或漏装等。通常采取人工目测方法检验，但误差大、可靠性差，不能满足自动化生产需要。机器视觉检测技术智能集成测试系统改变了这种现实状况，实现了对仪表板总成智能化、全自动、高精度、快速度质量检测，克服了人工检测所造成多种误差，大大提升了检测效率和可靠性。(5)金属板表面自动探伤系统在对表面质量要求很高特殊大型金属板进行检测时，原始检测方法是采取人工目视或用百分表加探针进行检测，该方法不仅易受主观原因影响，而且可能给被测表面带来新划伤。金属板表面自动探伤系统利用机器视觉检测技术对金属表面缺点进行自动检验，可在生产过程中高速、正确地进行检测，同时因为该系统采取非接触式测量，避免了产生新划伤可能。该系统采取激光器作为光源，经过针孔滤波器滤除激光束周围杂散光，采取扩束镜和准直镜使激光束变为平行光并以45度入射角均匀照射在被测金属板表面上。金属板放在检验台上，检验台可在x、y、z三个方向上移动，摄像机采取TCD142D型2048线阵CCD，镜头采取一般摄影机镜头，CCD接口电路采取单片机系统。PC主机关键完成图像预处理及缺点分类或划痕深度运算等，并可将检测到缺点或划痕图像在显示器上显示。CCD接口电路和PC机之间经过RS.232口进行双向通讯，组成人机交互式数据采集和处理。该系统关键利用线阵CCD自扫描特征和被检钢板在x方向移动相结合，提取金属板表面三维图像信息。(6)汽车车身轮廓尺寸精度检测系统英国ROVER汽车企业800系列汽车车身轮廓尺寸精度100在线检测，是机器视觉系统用于l3l工业检测中一个经典实例。该系统由62个测量单元组成，每个测量单元包含一台激光器和一个CCD摄像机，用以检测车身外壳上288个测量点；汽车车身置于测量框架下，经过软件校准车身正确位置。每个激光器、摄像机单元均在离线状态下经过校准，同时还有一个在离线状态下用三坐标测量机校准过校准装置用以对摄像机进行在线校准；检测系统以每40秒检测一个车身速度，可检测三种类型车身；系统将检测结果和从CAD模型中提取出来合格尺寸相比较，测量精度为0.1mm。ROVER企业质量检测人员用该系统来判别关键部分尺寸一致性，如车身整体外型、车门、玻璃窗口等。检测实践证实，该系统可成功进行800系列汽车车身轮廓尺寸精度在线检测，并将用于检测ROVER企业其它系列车身轮廓尺寸精度。(7)奥迪白车身表面质量检测系统奥迪企业最近研制了一个能够对白车身表面缺点进行全自动检测系统，取名为“智能控制白车身表面质量检测系统”。该检测系统综合采取了投影光栅直接相位采集、高速数字图象处理、表面缺点图象模式自动识别、智能化质量判定、自适应系统学习技术、高速数字信息网络、松散化自调整软硬件结构和机器人系统控制技术，能够在传动速度为5m/min生产线上，对焊装完成白车身进行100在线检测。整车检验时间为1分20秒。经过自动测试和分析，将过去靠肉眼无法分辨表面缺点直接标识在车身上，使白车身进入喷漆工序之前即可对缺点处进行打磨，节省了表面喷涂过程中打磨工序，既节省了大量制造成本，同时又提升了车身表面质量。另外，在很多其它方法难以检测场所，利用机器视觉系统能够有效地实现。机器视觉应用正越来越多地替换人去完成很多工作，这无疑在很大程度上提升了生产自动化水平和检测系统智能水平。5.机器视觉系统和CMM集成伴随国际市场竞争加剧，各国制造企业越来越清楚地认识到，产品质量好坏，是决定企业生产和经营成败关键。伴随市场环境多样化，企业对庞大和质量相关数据采集、处理和传输提出了更高要求，更具柔性和自动化CAQ系统展现出以下发展趋势：在必需情况下，CAQ系统能够100地检测产品，而不像现在普遍采取抽样检测；将检测计划集成到加工过程中，形成闭环反馈控制系统，在检测时确定产品相对于标准尺寸偏差，并在线纠正，所以，可取得近100优质产品；机器视觉和优异图像处理技术、逆向工程技术已广泛地应用于自动化检测，所以，可完成智能化、柔性、快速和低成本检测目标。适适用于不一样产品结构检测技术可将新产品技术要求直接从CAD/CAM数据库传输到检测系统中，不需要操作人员编制特殊程序。机器视觉和逆向工程等技术发展及其和CMM集成，能够深入提升CMM测量效率。对于含有原始CAD模型测量对象，能够利用机器视觉系统，快速识别对象物形状及其在测量平台位置和状态，完成机器坐标系、工件坐标系、摄像机坐标系三者之间转换，帮助CMM实现检测路径自动形成和测量结果判定。机器视觉系统将采集到信息传输到计算机，同时计算机控制视觉系统操作，其次计算机将生成检测计划传输到CMM控制器中，由该控制器控制CMM测量，再将测量结果反馈回主控计算机，形成闭环反馈检测系统。为了生成检测规则，利用CAD/CAM数据库中所存在信息，将机器视认为到图像数据和CAD数据进行匹配，自动确定工件位置，选定检测项目、检测点和检测路径；确定测量点方法是：为尽可能降低测量误差，事先对测量对象均以等间隔指定测量点；后期生成CMM测量指令传输到CMM控制器上，开始测量。对于不存在原始CAD模型测量对象，能够采取逆向工程技术，即经过对机器视觉系统所采集到测量点三维坐标进行处理，重建该物体CAD模型。6.结语机器视觉检测系统能够大幅降低检验成本，提升产品质量，加紧生产速度和提升生产效率。作为高精度、非接触测量方案，视觉系统包含到光学和图像处理算法，本身就是高度专业化产品，在整个测量控制系统中，往往要和运动控制系统配合完成位置和进给控制。另外，生产线上对多工序进行同时连续检测时，必需使视觉系统含有分布式联网能力。机器视觉和运动控制、网络通讯等优异技术结合正在改变工业自动化生产面貌。伴随机器视觉技术本身成熟和发展，能够估计，它将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛应用。