1.引言

現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中涉及到各種各樣的檢驗(yàn)、生產(chǎn)監(jiān)視和零件識(shí)別應(yīng)用，如汽車零配件批量加工的尺寸檢查和自動(dòng)裝配的完整性檢查、電子裝配線的元件自動(dòng)定位、IC上的字符識(shí)別等。通常這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作是由肉眼來(lái)完成的，但在某些特殊情況下，如對(duì)微小尺寸的精確快速測(cè)量、形狀匹配以及顏色辨識(shí)等，依靠肉眼根本無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，其它物理量傳感器也難以勝任。人們開始考慮用CCD照相機(jī)抓取圖像后送入計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息來(lái)進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。這種方法是把計(jì)算機(jī)處理的快速性、可重復(fù)性與肉眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)的概念。

視覺檢測(cè)技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興測(cè)試技術(shù)。與計(jì)算機(jī)視覺研究的視覺模式識(shí)別、視覺理解等內(nèi)容不同，視覺檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)研究的是物體的幾何尺寸及物體的位置測(cè)量，如轎車白車身三維尺寸的測(cè)量、模具等三維面形的快速測(cè)量、大型工件同軸度測(cè)量以及共面性測(cè)量等，它可以廣泛應(yīng)用于在線測(cè)量、逆向工程等主動(dòng)、實(shí)時(shí)測(cè)量過程。視覺檢測(cè)技術(shù)在國(guó)外發(fā)展很快，早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局就曾預(yù)計(jì)未來(lái)90％的檢測(cè)任務(wù)將由視覺檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)完成。因此僅在80年代，美國(guó)就有100多家公司躋身于視覺檢測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)市場(chǎng)，可見視覺檢測(cè)系統(tǒng)確實(shí)很有發(fā)展前途。在近幾屆北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上已經(jīng)見到國(guó)外企業(yè)展出的應(yīng)用視覺檢測(cè)技術(shù)研制的先進(jìn)儀器，如流動(dòng)式光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、高速高精度數(shù)字化掃描系統(tǒng)、非接觸式光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。

2.機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成、分類及工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

(1)系統(tǒng)構(gòu)成

典型的視覺系統(tǒng)一般包括光源、鏡頭、CCD照相機(jī)、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊／輸入輸出單元等。

(2)工作原理

視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號(hào)，而是經(jīng)過運(yùn)算處理之后的檢測(cè)結(jié)果(如尺寸數(shù)據(jù))。通常，機(jī)器視覺檢測(cè)就是用機(jī)器代替肉眼來(lái)做測(cè)量和判斷。

首先采用CCD照相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)。圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長(zhǎng)度、數(shù)量、位置等。最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無(wú)等。上位機(jī)(如PC和PLC)實(shí)時(shí)獲得檢測(cè)結(jié)果后，指揮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作(如定位和分類)。

2.2 系統(tǒng)分類

從視覺系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境分類，可分為PC—BASED系統(tǒng)和PLC—BASED系統(tǒng)。基于PC的系統(tǒng)利用了其開放性、高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時(shí)系統(tǒng)總體成本較低。PC—Based系統(tǒng)內(nèi)含高性能圖像采集卡，一般可接多個(gè)鏡頭，并提供庫(kù)函數(shù)支持。目前世界一流的PC—Based視覺系統(tǒng)生產(chǎn)廠商美國(guó)Data Translation公司，其MACH 系列(如DT3155)和MV系列PC I工業(yè)視覺卡已經(jīng)成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)；配套軟件方面，32位SDK for Windows95/98/NT提供C/C++編程用DLL，DT Active Open Layer可視化控件提供VB和VC++下的圖形化編程環(huán)境，而DT Vision Foundry則是Windows下面向?qū)ο蟮臋C(jī)器視覺組態(tài)軟件，用戶可用它快速開發(fā)復(fù)雜高級(jí)的應(yīng)用。類似的還有美國(guó)NI公司，該公司將機(jī)器視覺和運(yùn)動(dòng)控制功能與其被廣泛應(yīng)用的Labview虛擬儀器軟件相結(jié)合，效果顯著。

與美國(guó)公司大力發(fā)展PC結(jié)構(gòu)相比，日本和德國(guó)公司在PLC—Based系統(tǒng)方面走在前列。在PLC系統(tǒng)中，視覺的作用更像一個(gè)智能化的傳感器，圖像處理單元獨(dú)立于系統(tǒng)，通過串行總線和I/O與PLC交換數(shù)據(jù)。日本松下公司的Image Checker M100/M200系統(tǒng)可說(shuō)是這方面的代表。該系統(tǒng)利用高速專用ASIC進(jìn)行256級(jí)灰度檢測(cè)，帶邏輯條件和數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。系統(tǒng)軟件固化在圖像處理器中，通過類似于游戲鍵盤的簡(jiǎn)單裝置對(duì)顯示在監(jiān)視器中的菜單進(jìn)行配置，開發(fā)周期短，系統(tǒng)可*性高，其新一代產(chǎn)品A110/A210體現(xiàn)了集成化、小型化、高速化和低成本的特點(diǎn)。歐姆龍、Keyence等公司也有類似的系統(tǒng)，但在技術(shù)性能上相對(duì)簡(jiǎn)單，更適用于進(jìn)行有無(wú)判別或形狀匹配等。而德國(guó)Siemens公司的智能化PROFIBUS工業(yè)視覺系統(tǒng)SIMATICVS 710提供了一體化的、分布式的高檔圖像處理方案，它將處理器、CCD、I/O集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，提供PROFIBUS的聯(lián)網(wǎng)方式或集成的I/O和RS232接口，更重要的是通過PCWINDOWS下的Pro Vision軟件進(jìn)行組態(tài)。VS 710第一次將PC的靈活性、PLC的可靠性、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和一體化設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，使得西門子在PC和PLC體系之間找到了完美的平衡。

3.機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的典型應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)現(xiàn)狀

現(xiàn)代視覺理論和技術(shù)的發(fā)展，不僅在于模擬人眼能完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能勝任的工作。在當(dāng)今電子、光學(xué)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)不斷成熟和完善的基礎(chǔ)上，視覺技術(shù)這個(gè)新興技術(shù)門類也得到迅速發(fā)展。

機(jī)器視覺的特點(diǎn)是自動(dòng)化、客觀性、非接觸和高精度。與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機(jī)器視覺系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是精度、速度以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。機(jī)器視覺特別適用于大批量生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢查，如：零件裝配完整性、裝配尺寸精度、零件加工精度、位置/角度測(cè)量、零件識(shí)別、特性/字符識(shí)別等，主要應(yīng)用于包括汽車、制藥、電子與電氣、制造、包裝、食品、飲料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，用于對(duì)汽車儀表盤加工精度的檢查、高速貼片機(jī)上對(duì)電子元件的快速定位、對(duì)管腳數(shù)目的檢查、IC表面印字符的辨識(shí)、膠囊生產(chǎn)中對(duì)膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查、軸承生產(chǎn)中對(duì)滾珠數(shù)量和破損情況的檢查、食品包裝上對(duì)生產(chǎn)日期的辨識(shí)、對(duì)標(biāo)簽貼放位置的檢查以及醫(yī)療方面對(duì)細(xì)胞數(shù)量和性質(zhì)的判斷等。由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，易于自動(dòng)處理，也易于與設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度，在一些不適合人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，采用機(jī)器視覺來(lái)替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量不僅效率低而且精度不高，而用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度；此外，機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。國(guó)際上視覺系統(tǒng)的應(yīng)用方興未艾，僅1998年的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)46億美元，而在國(guó)內(nèi)，工業(yè)視覺系統(tǒng)尚處于概念導(dǎo)人期，各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動(dòng)化的問題以后，才開始將目光轉(zhuǎn)向視覺測(cè)量自動(dòng)化。