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    機器視覺測試系統

    2006-07-05 控制工程

    1.引言
        現代工業自動化生產中涉及到各種各樣的檢驗、生產監視和零件識別應用,如汽車零配件批量加工的尺寸檢查和自動裝配的完整性檢查、電子裝配線的元件自動定位、IC上的字符識別等。通常這種帶有高度重復性和智能性的工作是由肉眼來完成的,但在某些特殊情況下,如對微小尺寸的精確快速測量、形狀匹配以及顏色辨識等,依靠肉眼根本無法連續穩定地進行,其它物理量傳感器也難以勝任。人們開始考慮用CCD照相機抓取圖像后送入計算機或專用的圖像處理模塊,通過數字化處理,根據像素分布和亮度、顏色等信息來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。這種方法是把計算機處理的快速性、可重復性與肉眼視覺的高度智能化和抽象能力相結合,由此產生了機器視覺測試技術的概念。
        視覺測試技術是建立在計算機視覺研究基礎上的一門新興測試技術 
    。與計算機視覺研究的視覺模式識別、視覺理解等內容不同,視覺測試技術重點研究的是物體的幾何尺寸及物體的位置測量,如轎車白車身三維尺寸的測量、模具等三維面形的快速測量、大型工件同軸度測量以及共面性測量等,它可以廣泛應用于在線測量、逆向工程等主動、實時測量過程。視覺測試技術在國外發展很快,早在20世紀80年代,美國國家標準局就曾預計未來90%的檢測任務將由視覺測試系統來完成。因此僅在80年代,美國就有100多家公司躋身于視覺測試系統的經營市場,可見視覺測試系統確實很有發展前途。在近幾屆北京國際機床展覽會上已經見到國外企業展出的應用視覺檢測技術研制的先進儀器,如流動式光學三坐標測量機、高速高精度數字化掃描系統、非接觸式光學三坐標測量機等。 
    2.機器視覺測試系統構成、分類及工作原理
    2.1 系統構成與工作原理
    (1)系統構成
        典型的視覺系統一般包括光源、鏡頭、CCD照相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監視器、通訊/輸入輸出單元等。
    (2)工作原理
        視覺系統的輸出并非圖像視頻信號,而是經過運算處理之后的檢測結果(如尺寸數據)。通常,機器視覺測試就是用機器代替肉眼來做測量和判斷。
        首先采用CCD照相機將被攝取目標轉換成圖像信號,傳送給專用的圖像處理系統,根據像素分布和亮度、顏色等信息,轉變成數字化信號。圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征,如:面積、長度、數量、位置等。最后,根據預設的容許度和其他條件輸出結果,如:尺寸、角度、偏移量、個數、合格/不合格、有/無等。上位機(如PC和PLC)實時獲得檢測結果后,指揮運動系統或I/O系統執行相應的控制動作(如定位和分類)。
    2.2 系統分類
        從視覺系統的運行環境分類,可分為PC—BASED系統和PLC—BASED系統。基于PC的系統利用了其開放性、高度的編程靈活性和良好的Windows界面,同時系統總體成本較低。PC—Based系統內含高性能圖像采集卡,一般可接多個鏡頭,并提供庫函數支持。目前世界一流的PC—Based視覺系統生產廠商美國Data Translation公司,其MACH 系列(如DT3155)和MV系列PC I工業視覺卡已經成為業界標準;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++下的圖形化編程環境,而DT Vision Foundry則是Windows下面向對象的機器視覺組態軟件,用戶可用它快速開發復雜高級的應用。類似的還有美國NI公司,該公司將機器視覺和運動控制功能與其被廣泛應用的Labview虛擬儀器軟件相結合,效果顯著。
        與美國公司大力發展PC結構相比,日本和德國公司在PLC—Based系統方面走在前列。在PLC系統中,視覺的作用更像一個智能化的傳感器,圖像處理單元獨立于系統,通過串行總線和I/O與PLC交換數據。日本松下公司的Image Checker M100/M200系統可說是這方面的代表。該系統利用高速專用ASIC進行256級灰度檢測,帶邏輯條件和數學運算功能。系統軟件固化在圖像處理器中,通過類似于游戲鍵盤的簡單裝置對顯示在監視器中的菜單進行配置,開發周期短,系統可靠性高,其新一代產品A1
    10/A210體現了集成化、小型化、高速化和低成本的特點。歐姆龍、Keyence等公司也有類似的系統,但在技術性能上相對簡單,更適用于進行有無判別或形狀匹配等。而德國Siemens公司的智能化PROFIBUS工業視覺系統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集成在一個機箱內,提供PROFIBUS的聯網方式或集成的I/O和RS232接口,更重要的是通過PC
    WINDOWS下的Pro Vision軟件進行組態。VS 710第一次將PC的靈活性、PLC的可靠性、分布式網絡技術和一體化設計結合在一起,使得西門子在PC和PLC體系之間找到了完美的平衡。
    3.機器視覺測試系統的典型應用領域及市場現狀
        現代視覺理論和技術的發展,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。在當今電子、光學和計算機等技術不斷成熟和完善的基礎上,視覺技術這個新興技術門類也得到迅速發展。
        機器視覺的特點是自動化、客觀性、非接觸和高精度。與一般意義上的圖像處理系統相比,機器視覺系統強調的是精度、速度以及工業現場環境下的可靠性。機器視覺特別適用于大批量生產過程中的質量檢查,如:零件裝配完整性、裝配尺寸精度、零件加工精度、位置/角度測量、零件識別、特性/字符識別等,主要應用于包括汽車、制藥、電子與電氣、制造、包裝、食品、飲料、醫學等領域,用于對汽車儀表盤加工精度的檢查、高速貼片機上對電子元件的快速定位、對管腳數目的檢查、IC表面印字符的辨識、膠囊生產中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查、軸承生產中對滾珠數量和破損情況的檢查、食品包裝上對生產日期的辨識、對標簽貼放位置的檢查以及醫療方面對細胞數量和性質的判斷等。由于機器視覺系統可以快速獲取大量信息,易于自動處理,也易于與設計信息以及加工控制信息集成,因此,在現代自動化生產過程中,機器視覺系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域。機器視覺系統的特點是提高生產的柔性和自動化程度,在一些不適合人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合,采用機器視覺來替代人工視覺;同時在大批量工業生產過程中,用人工視覺檢查產品質量不僅效率低而且精度不高,而用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度;此外,機器視覺易于實現信息集成,是實現計算機集成制造的基礎技術。國際上視覺系統的應用方興未艾,僅1998年的市場規模已達46億美元,而在國內,工業視覺系統尚處于概念導人期,各行業的領先企業在解決了生產自動化的問題以后,才開始將目光轉向視覺測量自動化。 
    4.機器視覺測試系統在檢測方面的應用
        機器視覺系統在工業在線檢測的各個領域得到廣泛應用。
    (1)大型工件平行度、垂直度測量采用激光掃描與CCD探測系統的大型工件平行度、垂直度測量儀,它是以穩定的準直激光束為測量基線,配以回轉軸系,旋轉五角標棱鏡掃出互相平行或垂直的基準平面,并將其與被測大型工件的各面進行比較 
    。在加工或安裝大型工件時,可用該認錯器測量面間平行度及垂直度。 
    (2)熱軋螺紋鋼幾何參數在線動態檢測系統該系統以頻閃光作為照明光源,利用面陣和線陣CCD作為螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測器件,實現熱軋螺紋鋼幾何參數在線測量的動態檢測。
    (3)軸承狀態實時監控
        采用視覺技術實時監控軸承的負載和溫度變化,消除過載和過熱的危險。該技術將傳統的通過測量滾珠表面來保證加工質量和安全操作的被動式測量變為主動監控。
    (4)基于機器視覺的儀表板總成智能集成測試系統
        汽車儀表板總成上安裝有速度里程表、水溫表、汽油表、電流表、信號報警燈等,其生產批量大,出廠前需要進行一次質量終檢。檢測項目包括速度表等五個儀表指針的指示誤差,24個信號報警燈和若干照明燈是否損壞或漏裝等。通常采用人工目測方法檢查,但誤差大、可靠性差,不能滿足自動化生產的需要。機器視覺測試技術的智能集成測試系統改變了這種現狀,實現了對儀表板總成智能化、全自動、高精度、快速度的質量檢測,克服了人工檢測所造成的各種誤差,大大提高了檢測的效率和可靠性。
    (5)金屬板表面自動探傷系統
        在對表面質量要求很高的特殊大型金屬板進行檢測時,原始的檢測方法是采用人工目視或用百分表加探針進行檢測,該方法不僅易受主觀因素的影響,而且可能給被測表面帶來新的劃傷。金屬板表面自動探傷系統利用機器視覺測試技術對金屬表面缺陷進行自動檢查,可在生產過程中高速、準確地進行檢測,同時由于該系統采用非接觸式測量,避免了產生新劃傷的可能。該系統采用激光器作為光源,通過針孔濾波器濾除激光束周圍的雜散光,采用擴束鏡和準直鏡使激光束變為平行光并以45度的入射角均勻照射在被測金屬板表面上。金屬板放在檢驗臺上,檢驗臺可在x、y、z三個方向上移動,攝像機采用TCD142D型2048線陣CCD,鏡頭采用普通照相機鏡頭,CCD接口電路采用單片機系統。PC主機主要完成圖像預處理及缺陷的分類或劃痕的深度運算等,并可將檢測到的缺陷或劃痕圖像在顯示器上顯示。CCD接口電路和PC機之間通過RS.232口進行雙向通訊,構成人機交互式數據采集與處理。該系統主要利用線陣CCD的自掃描特性與被檢鋼板在x方向的移動相結合,提取金屬板表面的三維圖像信息。
    (6)汽車車身輪廓尺寸精度檢測系統
        英國ROVER汽車公司800系列汽車車身輪廓尺寸精度的100%在線檢測,是機器視覺系統用于l3l工業檢測中的一個典型實例。該系統由62個測量單元組成,每個測量單元包括一臺激光器和一個CCD攝像機,用以檢測車身外殼上288個測量點;汽車車身置于測量框架下,通過軟件校準車身的精確位置。每個激光器、攝像機單元均在離線狀態下經過校準,同時還有一個在離線狀態下用三坐標測量機校準過的校準裝置用以對攝像機進行在線校準;檢測系統以每40秒檢測一個車身的速度,可檢測三種類型的車身;系統將檢測結果與從CAD模型中提取出來的合格尺寸相比較,測量精度為±0.1mm。ROVER公司的質量檢測人員用該系統來判別關鍵部分的尺寸一致性,如車身整體外型、車門、玻璃窗口等。檢測實踐證明,該系統可成功進行800系列汽車車身輪廓尺寸精度的在線檢測,并將用于檢測ROVER公司其它系列的車身輪廓尺寸精度。
    (7)奧迪白車身表面質量檢測系統
        奧迪公司最近研制成功了一種能夠對白車身表面缺陷進行全自動檢測的系統,取名為“智能控制白車身表面質量檢測系統”。該檢測系統綜合采用了投影光柵直接相位采集、高速數字圖象處理、表面缺陷圖象模式自動識別、智能化質量判斷、自適應系統學習技術、高速數字信息網絡、松散化自調節軟硬件結構以及機器人系統控制技術,可以在傳動速度為5m/min的生產線上,對焊裝完畢的白車身進行100%的在線檢測。整車檢驗時間為1分20秒。通過自動測試與分析,將過去靠肉眼無法分辨的表面缺陷直接標記在車身上,使白車身進入噴漆工序之前即可對缺陷處進行打磨,節省了表面噴涂過程中的打磨工序,既節約了大量制造成本,同時又提高了車身的表面質量。
        此外,在許多其它方法難以檢測的場合,利用機器視覺系統可以有效地實現。機器視覺的應用正越來越多地代替人去完成許多工作,這無疑在很大程度上提高了生產自動化水平和檢測系統的智能水平。
    5.機器視覺系統與CMM的集成
        隨著國際市場競爭的加劇,各國的制造企業越來越清楚地認識到,產品質量的好壞,是決定企業生產和經營成敗的關鍵。隨著市場環境的多樣化,企業對龐大的與質量有關的數據的采集、處理和傳遞提出了更高的要求,更具柔性和自動化的CAQ系統呈現出以下發展趨勢:①在必要的情況下,CAQ系統可以100%地檢測產品,而不像現在普遍采用的抽樣檢測;②將檢測規劃集成到加工過程中,形成閉環反饋控制系統,在檢測時確定產品相對于標準尺寸的偏差,并在線糾正,因此,可獲得近100%的優質產品;③機器視覺和先進的圖像處理技術、逆向工程技術已廣泛地應用于自動化檢測,因此,可完成智能化、柔性、快速和低成本的檢測目標。④適用于不同產品結構的檢測技術可將新的產品技術要求直接從CAD/CAM數據庫傳輸到檢測系統中,不需要操作人員編制特殊的程序。
        機器視覺和逆向工程等技術的發展及其與CMM的集成,可以進一步提高CMM的測量效率。對于具有原始CAD模型的測量對象,可以利用機器視覺系統,迅速識別對象物的形狀及其在測量平臺的位置和狀態,完成機器坐標系、工件坐標系、攝像機坐標系三者之間的轉換,幫助CMM實現檢測路徑自動形成與測量結果判斷。機器視覺系統將采集到的信息傳輸到計算機,同時計算機控制視覺系統的操作,另一方面計算機將生成的檢測規劃傳輸到CMM控制器中,由該控制器控制CMM測量,再將測量結果反饋回主控計算機,形成閉環反饋檢測系統。
        為了生成檢測規則,利用CAD/CAM數據庫中所存在的信息,將機器視覺得到的圖像數據與CAD數據進行匹配,自動確定工件位置,選定檢測項目、檢測點和檢測路徑;確定測量點的方法是:為盡可能減少測量誤差,事先對測量對象均以等間隔指定測量點;最后生成CMM的測量指令傳輸到CMM控制器上,開始測量 
    。對于不存在原始CAD模型的測量對象,可以采用逆向工程技術,即通過對機器視覺系統所采集到的測量點的三維坐標進行處理,重建該物體的CAD模型。 
    6.結語
        機器視覺測試系統能夠大幅降低檢驗成本,提高產品質量,加快生產速度和提高生產效率。作為高精度、非接觸的測量方案,視覺系統涉及到光學和圖像處理算法,本身就是高度專業化的產品,在整個測量控制系統中,往往要與運動控制系統配合完成位置和進給控制。另外,生產線上對多工序進行同步連續檢測時,必須使視覺系統具備分布式聯網能力。機器視覺與運動控制、網絡通訊等先進技術的結合正在改變工業自動化生產的面貌。隨著機器視覺技術自身的成熟和發展,可以預計,它將在現代和未來制造企業中得到越來越廣泛的應用。


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