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    機器視覺的概念引入和主要應(yīng)用

    在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢查、測量和零件識別應(yīng)用，例如汽車零配件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，飲料瓶蓋的印刷質(zhì)量檢查，產(chǎn)品包裝上的條碼和字符識別等。這類應(yīng)用的共同特點是連續(xù)大批量生產(chǎn)、對外觀質(zhì)量的要求非常高。通常這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作只能靠人工檢測來完成，我們經(jīng)常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線后面看到數(shù)以百計甚至逾千的檢測工人來執(zhí)行這道工序，在給工廠增加巨大的人工成本和管理成本的同時，仍然不能保證100%的檢驗合格率（即“零缺陷”），而當(dāng)今企業(yè)之間的競爭，已經(jīng)不允許哪怕是0.1%的缺陷存在。有些時候，如微小尺寸的精確快速測量，形狀匹配，顏色辨識等，用人眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，其它物理量傳感器也難有用武之地。這時，人們開始考慮把計算機的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性，與人類視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機器視覺的概念。 一般地說，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。首先采用CCD照相機將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，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；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長度、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、個數(shù)、合格/不合格、有/無等。機器視覺的特點是自動化、客觀、非接觸和高精度，與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機器視覺強調(diào)的是精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。 機器視覺極適用于大批量生產(chǎn)過程中的測量、檢查和辨識，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。其最大的應(yīng)用行業(yè)為：汽車，制藥，電子與電氣，制造，包裝/食品/飲料，醫(yī)學(xué)。如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(shù)目的檢查，對IC表面印字符的辨識，膠囊生產(chǎn)中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查，軸承生產(chǎn)中對滾珠數(shù)量和破損情況的檢查，食品包裝上面對生產(chǎn)日期的辨識，對標(biāo)簽貼放位置的檢查。目前，國際上視覺系統(tǒng)的應(yīng)用方興未艾，1998年的市場規(guī)模為46億美元，而在國內(nèi)，工業(yè)視覺系統(tǒng)尚處于概念導(dǎo)入期，各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動化的問題以后，已開始將目光轉(zhuǎn)向視覺測量自動化方面。
 
    機器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成和分類

    典型的視覺系統(tǒng)一般包括如下部分：光源，鏡頭，CCD照相機，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監(jiān)視器，通訊/輸入輸出單元等。視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號，而是經(jīng)過運算處理之后的檢測結(jié)果，如尺寸數(shù)據(jù)。上位機如PC和PLC實時獲得檢測結(jié)果后，指揮運動系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動作，如定位和分選。從視覺系統(tǒng)的運行環(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，同時系統(tǒng)總體成本較低。以美國DATA TRANSLATION公司為例，系統(tǒng)內(nèi)含高性能圖像捕獲卡,一般可接多個鏡頭，配套軟件方面，從低到高有幾個層次，如Windows95/98/NT環(huán)境下C/C++編程用DLL，可視化控件activeX提供VB和VC++下的圖形化編程環(huán)境， 甚至Windows下的面向?qū)ο蟮臋C器視覺組態(tài)軟件，用戶可用它快速開發(fā)復(fù)雜高級的應(yīng)用。在基于PLC的系統(tǒng)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(tǒng)，通過串行總線和I/O與PLC交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件一般利用高速專用ASIC或嵌入式計算機進(jìn)行圖像處理，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單裝置對顯示在監(jiān)視器中的菜單進(jìn)行配置，或在PC上開發(fā)軟件然后下載。基于PLC的系統(tǒng)體現(xiàn)了可靠性高、集成化，小型化、高速化、低成本的特點，代表廠商為日本松下、德國Siemens等。
 
    SIEMENS SIMATIC VS710機器視覺系統(tǒng)的特點

    德國Siemens公司在工業(yè)圖像處理方面擁有超過20年經(jīng)驗積累，SIMATIC VIDEOMAT是第一個高性能的單色和彩色圖像處理系統(tǒng)，并成為SIMATIC自動化系統(tǒng)中極重要的產(chǎn)品。而99年推出的SIMATIC VS710是業(yè)內(nèi)第一個智能化的、一體化的、帶PROFIBUS接口的、分布式的灰度級工業(yè)視覺系統(tǒng)，它將圖像處理器、CCD、I/O集成在一個小型機箱內(nèi)，提供PROFIBUS的聯(lián)網(wǎng)方式（通訊速率達(dá)12Mbps）或集成的I/O和RS232接口。更重要的，通過PC WINDOWS下的Pro Vision參數(shù)化軟件進(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。
SIMATIC VS710的主要技術(shù)特點如下：

    集成數(shù)字化照相機

    1. 高分辨率CCD，768X512方形像素

    2. 直接像素數(shù)字化采樣，無轉(zhuǎn)換誤差

    3. 集成全幀快門，適合運動物體

    4. 快門速度1/50-1/10，000s可選

    5. 集成頻閃控制

    集成CPU快速處理灰度圖像

    1. 80486 100M CPU，直接處理像素數(shù)據(jù)

    2. 16MB RAM，可執(zhí)行復(fù)雜程序

    3. 16MB FLASHDISK,最多存儲200個程序
 
    4. 2MB 圖像存儲器，可在處理圖像時同步抓取下一幅圖像

    5. 采用倍速掃描技術(shù)，圖像采集過程中即可進(jìn)行評估

    6. 半幀模式時吞吐率達(dá)25件/秒，全幀模式時達(dá)16件/秒

    采用標(biāo)準(zhǔn)連接接口

    1. PROFIBUS-DP,傳輸率9.6Kbit/s-12Mbit/s

    2. 節(jié)點地址號1-125，標(biāo)準(zhǔn)9針接口，RS485

    3. RS232接口，9.6Kbit/s-115Kbit/s

    4. 數(shù)字2I/4O,24V/0.5A,光電隔離

    5. 直接VGA 監(jiān)視器接口

    6. 標(biāo)準(zhǔn)C-mount鏡頭接口

    7. 工業(yè)24V,0.6A電源

    采用ProVision軟件進(jìn)行參數(shù)化

    1. 利用PROFIBUS-DP對幾個從屬VS710進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，包括圖像傳輸

    2. 針對所有參數(shù)的在線示教功能，用RS232和PROFIBUS進(jìn)行在線參數(shù)傳輸

    3. 完整的檢查工具（邊緣檢測，園/環(huán)模式搜索…）

    4. 友好的界面，（drag&drop, copy&paste…）

    5. 畫面只顯示有問題的圖像而不影響處理性能 
   
    運行溫度范圍0-50攝氏度

    EC,UL,CSA,FM認(rèn)證

    SIMATIC VS710在包裝行業(yè)的應(yīng)用

    VS710的幾個重要的特征：一體化和小型化、網(wǎng)絡(luò)化、編程靈活性、可靠性和經(jīng)濟性，使之在包裝領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如瓶子的分類和液位測量，標(biāo)簽、蓋子、盒子的檢查，可樂瓶的形狀、尺寸、密封性、完整性的檢查等。從包裝物的形狀上分類有：包裝盒、包裝箱，包裝袋，金屬箔，管狀、泡狀、盤狀、杯狀，廣口瓶、細(xì)口瓶，罐狀，桶狀等。從包裝內(nèi)容上分類有：

    1. 食品和飲料：食品、糖果、煙草、飲料（含酒精和不含酒精）；

    2. 化妝品：清潔類和洗滌類、磨面類、乳液類；

    3. 制藥：藥片、膠囊、藥膏、藥液；

    4. 建材和化工：粉劑、顆粒、液體；

    5. 金屬：電器、工具、連接件。

    舉例如下：

    1. 項目：檢查煙盒的印刷圖案在盒體和翻蓋的連接處是否匹配

    速度：8-10只/秒

    好處：代替人工，高速度。
 
    2. 項目：檢查放在底盤上的餅干的形狀（是否破碎）和完整性（是否有缺失）

    速度：16塊/秒

    好處：保證每一塊餅干在包裝前形狀完整。

    3. 項目：化妝品瓶子外觀質(zhì)量的最終檢查

    i. 標(biāo)簽種類

    ii. 標(biāo)簽位置和偏移量

    iii. 瓶子的種類

    iv. 蓋子是否蓋緊

    速度：20個/秒

    好處：只有外觀最完美的產(chǎn)品才能離開灌裝線，標(biāo)簽和瓶子內(nèi)容完全對應(yīng)。

    4. 項目：灌裝線上啤酒瓶檢測

    i. 瓶體分類

    ii. 標(biāo)簽檢查

    iii. 瓶口破損檢測

    iv. 灌裝液位測量

    速度：25只/秒，支持靜態(tài)和動態(tài)測量

    好處：減少系統(tǒng)停機時間，提高效率。

    5. 項目：標(biāo)簽印刷是否與實物相符

    i. 印刷代碼識別（OCR）

    ii. 印刷質(zhì)量檢查

    iii. 表面檢測

    iv. 外形輪廓檢查

    速度：10件/秒，支持靜態(tài)和動態(tài)測量

    6. 項目：旋開式瓶蓋內(nèi)襯墊測量

    i. 內(nèi)襯墊本身完整性（多料/少料）

    ii. 油污檢測

    速度：16個/秒

    7. 項目：皇冠式瓶蓋印刷質(zhì)量測量

    i. 圖案是否印偏

    ii. 圖案是否模糊

    速度：10個/秒

    8. 項目：口服液瓶尺寸和外觀檢查

    i. 瓶高，瓶口直徑，垂直度

    ii. 瓶口裂紋

    速度：10個/秒

    結(jié)論

    總之，應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)能夠大幅降低檢驗成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和效率。作為高精度、非接觸的測量方案，視覺系統(tǒng)涉及到光學(xué)和圖像處理算法，本身就是高度專業(yè)化的產(chǎn)品，在整個測量控制系統(tǒng)中，往往要與運動控制系統(tǒng)配合完成位置矯正和進(jìn)給控制；另外，生產(chǎn)線上對多工序進(jìn)行同步連續(xù)檢測時，必須使視覺系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機器視覺與運動控制，網(wǎng)絡(luò)通訊等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動化生產(chǎn)的面貌。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了像北京四通電機公司這樣的具備運動控制，機器視覺，網(wǎng)絡(luò)通訊幾方面技術(shù)背景的系統(tǒng)集成商，他們專業(yè)化的技術(shù)支持和服務(wù)能力使之成為原始供應(yīng)商和最終用戶之間的橋梁。而對包裝企業(yè)來說，意識到技術(shù)發(fā)展的趨勢并首先付諸實施者無疑將走在競爭的前列。