概述
自上世紀(jì)90年代初作為一項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段以來，機(jī)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(kuò)大。其在發(fā)達(dá)工業(yè)國家的應(yīng)用較為普及，尤其在半導(dǎo)體和電子行業(yè)，約占總體應(yīng)用的40~50%。而在國內(nèi)，機(jī)器視覺產(chǎn)品的推出和應(yīng)用尚處于起步期。隨著其優(yōu)越性的逐漸凸顯，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(yùn)用，應(yīng)用前景廣闊。
機(jī)器視覺是利用圖像攝取裝置（分CCD和CMOS兩種），將目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的處理系統(tǒng)后，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；圖像系統(tǒng)通過對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算，抽取出目標(biāo)的特徵，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來完成各種運(yùn)作。它具有非接觸、高速度、工作范圍大、獲得信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。因其易于實(shí)現(xiàn)信息集成，故也成為制造業(yè)信息化中的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。
機(jī)器視覺可用于標(biāo)志識別、工況監(jiān)視、產(chǎn)品（零部件）檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域，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，機(jī)器視覺的主要功能可歸納為兩項(xiàng)，即辨識和檢測。
辨識功能的應(yīng)用
辨識，亦稱自動識別。相對而言，現(xiàn)代汽車制造業(yè)對機(jī)器視覺的辨識功能開發(fā)、利用最多。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(qiáng)化。
1.識別、讀碼、可追溯性
隨著國家汽車召回制度的出臺，如何有效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可追溯性已成當(dāng)務(wù)之急。相比用于商品識別的條形碼，二維碼包含信息更多，于是，企業(yè)進(jìn)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、批次等重要質(zhì)量信息，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，一旦有需要，就可方便地查詢，迅速、準(zhǔn)確地進(jìn)行針對性的質(zhì)量追溯。而讀數(shù)頭對二維碼的解讀，正是利用了機(jī)器視覺的圖像識別功能。
此外，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。例如，發(fā)動機(jī)缸體的軸承檔與壓入的軸瓦，采用的是選擇裝配方式，即兩者都按測量結(jié)果進(jìn)行分組（一般分3~5組），然后一一對應(yīng)地進(jìn)行壓裝。為了提高生產(chǎn)效率和杜絕錯裝，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(jī)）的組別信息。
當(dāng)工件在發(fā)動機(jī)裝配線上移至某一工位時，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，前部有一指示燈。按1~5的壓裝順序，操作工人根據(jù)指示燈提示，取出對應(yīng)的軸瓦放入軸承檔，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。
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(jī)的裝配工序）出現(xiàn)諸如零件錯裝/漏裝，安裝不到位及其他問題，必須提高作業(yè)的可靠性。建立在機(jī)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)，對提高作業(yè)可靠性相當(dāng)有效。以下舉2個典型案例。
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，并做好準(zhǔn)備，其方法是探測缸體上緣（準(zhǔn)確到位的標(biāo)志），如果未發(fā)現(xiàn)該特徵部分，即發(fā)出報警信號。然后，對以下3項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行自動識別：1.活塞的有無；2.活塞位置的正確性（確切地講是“周向方位”）；3.活塞頂部表面的標(biāo)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。
整個識別過程如下：發(fā)動機(jī)被翻轉(zhuǎn)、裝入活塞，輸送系統(tǒng)使發(fā)動機(jī)隨托盤向自動識別工位移動；當(dāng)發(fā)動機(jī)即將到達(dá)時，先由二維碼讀數(shù)頭驗(yàn)明其“身份”，然后發(fā)信號給PLC；一旦發(fā)動機(jī)到達(dá)自動識別工位，
接近開關(guān)觸發(fā)，PLC向機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)出工作指令。如果活塞已安放在缸體內(nèi)，其標(biāo)識和字符與要求的型號、組別等完全一致，且裝配正確、即“周向方位”在規(guī)定范圍內(nèi)，則視覺系統(tǒng)發(fā)信給PLC，令發(fā)動機(jī)流向下一工位。
如果活塞裝配有錯，則視覺系統(tǒng)提示PLC，并通過人機(jī)界面報警，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(rèn)識別的結(jié)果后，通過人機(jī)界面向PLC發(fā)出指令，并且將發(fā)動機(jī)直接輸送到返修區(qū)域進(jìn)行返修。整個檢測過程全部自動完成，只是在出現(xiàn)裝配錯誤、發(fā)出報警時才由人工干預(yù)。
關(guān)于活塞位置的正確性，即“周向方位”的含義，如圖1。在活塞底部（白色形象）的上方有個箭頭，它必須位于圖示位置，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)。活塞置于機(jī)器視覺探頭之下時，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(yàn)
各種車用燈具的日產(chǎn)量往往高達(dá)幾千只。產(chǎn)品出廠前的檢驗(yàn)一般包括判別2個螺絲的定向，測定擰入深度（要求精度達(dá)到0.1mm），并要求檢查塑料墊圈、擋水片，以及墊片是否安裝正確，還要求記錄刻印在塑料座上的產(chǎn)品型號。
為此，采取了擁有4個攝像頭的機(jī)器視覺系統(tǒng)，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，第3臺檢查墊圈，擋水片，墊片等零件，第4臺則讀取零件型號。
4臺攝像頭所讀取的圖像送往1臺PC進(jìn)行處理判斷并顯示結(jié)果。為避免外界雜光干擾，該系統(tǒng)采用LED 照明裝置。在這套機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)投用之前，企業(yè)每班需要2名檢驗(yàn)員，每件檢驗(yàn)耗時30秒，且有較大誤差。采用后則不再需要專職檢驗(yàn)員，檢驗(yàn)速度大大提高，每件僅耗時5.5秒，差錯率也降至零。
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)，其發(fā)展方向是采用多品種、柔性化的混線生產(chǎn)模式，而工件識別技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)這種生產(chǎn)模式的一個重要環(huán)節(jié)，下面試舉例說明。 為了在一條自動線上同時生產(chǎn)屬于2種發(fā)動機(jī)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(biāo)志的方法，標(biāo)志是事先加工在軸間的1~4道環(huán)帶，分別代表4種類型的凸輪軸，圖2是其中的2種。
圖2 帶識別標(biāo)志的工件
在工件進(jìn)入某道工序（如凸輪軸的最終檢測）之前，線上所設(shè)置的光電
視覺傳感器將通過讀取上述標(biāo)志，正確地對工件進(jìn)行識別（如圖3），然后發(fā)出相應(yīng)的控制信號，以執(zhí)行不同的工作程序。譬如，當(dāng)圖2中的凸輪軸在進(jìn)入終檢工位的前兩個工位時，綜合測量機(jī)就會根據(jù)收到的指令，調(diào)用不同的程序，以對該工件進(jìn)行正確檢測。
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(jī)器視覺的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，其與“辨識”的主要區(qū)別就是前者為定量，而后者為定性。檢測功能可表現(xiàn)為多種形態(tài)的工作模式，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。
1.精密測量
應(yīng)用機(jī)器視覺進(jìn)行精密測量，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。檢測系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝像頭和計算機(jī)處理系統(tǒng)（圖中未標(biāo)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，其邊緣輪廓經(jīng)過顯微光學(xué)鏡組成像在攝像機(jī)的面陣CCD像面上，經(jīng)計算機(jī)進(jìn)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，再次測量其邊緣輪廓位置，則兩次位置之差便是位移量。顯然，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)，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，尤其是在被測對象尺寸較小、形狀比較簡單時，其優(yōu)越性更加突出。汽車電子產(chǎn)品中的接插件就是一個典型例子，它們的生產(chǎn)效率和成品尺寸精度都較高，前者可達(dá)到每分鐘數(shù)百件，而后者多數(shù)為0.01mm的數(shù)量級。
一般情況下，工件的質(zhì)量缺陷包括插腳的變形或扭曲、多余的金屬粘附（金屬碎屑）等，均反映為外形尺寸的誤差。當(dāng)采用圖4所示系統(tǒng)進(jìn)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(qiáng)烈對比，呈現(xiàn)出清晰的剪影效果。這就為準(zhǔn)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。其中，插腳A發(fā)生了扭曲，插腳B上粘附著多余的金屬，插腳C斷面尺寸（寬）不合格——這些都屬于常見的質(zhì)量缺陷。
圖5 典型的背光檢測圖像
用機(jī)器視覺進(jìn)行精密測量的另一個實(shí)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，前者用于瞄準(zhǔn)定位，而后者用于測量、讀數(shù)。整個過程需較多的人工參與，對操作人員要求高，效率卻并不高。
幾年前誕生的新穎刀具預(yù)調(diào)測量儀，將機(jī)器視覺、光柵技術(shù)、計算機(jī)軟硬件、自動控制技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，無論在測量精度、操作方便和工作效率上都有了革命性的提高。其主要原因就是以機(jī)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。
在這種新穎儀器中，作為運(yùn)動導(dǎo)軌的Z軸、X軸和C（回轉(zhuǎn)）軸內(nèi)，分別裝有直線光柵和圓光柵，被測刀具沿轉(zhuǎn)臺中心線、即C軸安裝。機(jī)器視覺傳感器位于叉形支架兩側(cè)，也即，跨越轉(zhuǎn)臺的中心線。支架的一端安放光源，另一端是攝像頭，被測刀具的圖像由攝像頭讀取。
2.工件表面缺陷檢測
工件表面缺陷，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，在批量生產(chǎn)的汽車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)等行業(yè)，對表面缺陷的探測基本都是人工目測方式。此法不但效率低、勞動強(qiáng)度大，且難以準(zhǔn)確執(zhí)行工藝標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的定量評定，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，其評定標(biāo)準(zhǔn)的具體要求如下：1）破口面積小于3mm2， 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，就將判定不合格而被剔除。
必須指出，與以上精密測量中機(jī)器視覺系統(tǒng)采用的透射方式（又稱“背光” 方式）不同，表面缺陷探測需采取反射方式。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，光線照射到對象表面后，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，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)電量信號對得到的圖像進(jìn)行分析和計算，最終得到所需數(shù)據(jù)。
如前所述，CCD元件可理解為一個由感光像素組成的點(diǎn)陣。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(diǎn)成像結(jié)果的分析可間接分析對象的圖像特徵。比如通過對二值化圖像中的成像像素個數(shù)的計算，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，根據(jù)被測對象的特徵（工件形狀、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，最終以3個檢測結(jié)果中的最大值作為破口的真實(shí)值，進(jìn)行判斷并輸出結(jié)果。據(jù)此，組成了如圖6所示的檢測系統(tǒng)，它主要包括：
1. CCD攝像頭；用于采集破口圖像并轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號。
2. LED光源；用于提供穩(wěn)定、均勻的照明，保證取像質(zhì)量。
3. 圖像處理單元；其可根據(jù)需要，對采集到的圖像進(jìn)行處理、分析，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)，集圖像處理和輸出為一體。嵌入式圖像處理系統(tǒng)的特點(diǎn)是處理器體積小（8.4×4.0×12cm）功耗低（24VDC,0.7A），且環(huán)境適應(yīng)性好，能在環(huán)境溫度50℃的條件下連續(xù)工作。
4. PLC；它控制整個檢測系統(tǒng)各項(xiàng)功能的執(zhí)行，同時也對圖像處理單元傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和判斷。本系統(tǒng)選用西門子公司的S7-226MX。
5. 監(jiān)示器。它作為人機(jī)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。
3.機(jī)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、沖壓件等）大多呈自由曲面狀，多年來，對它們的檢測主要是采用坐標(biāo)測量機(jī)。為提高測量效率，尤其是考慮到強(qiáng)化對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，自上世紀(jì)九十年代中期起，利用先進(jìn)的光學(xué)測量系統(tǒng)在現(xiàn)場實(shí)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(jī)器視覺相結(jié)合的產(chǎn)物。
光學(xué)測量裝置的工作原理是三角測量法。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，其反射光通過成像透鏡，成像于圖像攝取裝置的CCD面陣上。依據(jù)三角測量的原理，當(dāng)被測表面偏離基準(zhǔn)面時，在圖像接受器件上的成像點(diǎn)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(shí)際值。
上述激光視覺測量經(jīng)過多年發(fā)展，已從早期主要用于一維尺寸和距離的檢測，進(jìn)入到三維測量，但其工作原理仍為三角測量法。
當(dāng)然，相比利用三坐標(biāo)測量機(jī)檢測工件的自由曲面，激光視覺測量的重復(fù)性R和精度AC要低得多。正因?yàn)榇耍鼈冎饕糜谠诰€檢測，通過高效、快速的100%測量和對實(shí)測值進(jìn)行統(tǒng)計分析，實(shí)現(xiàn)對動態(tài)生產(chǎn)過程的質(zhì)量監(jiān)控。
