“機器視(shi)覺”的用途很多，随着20世(shi)紀90年代以來光電、自動化和計算機圖像處理技術的迅速发展，機器(qi)視覺已在包括汽车製造業在内的很多(duo)工業部門得到越來越廣泛的應用。作為(wei)一種新颖而又實用的傳感技(ji)術，圖(tu)像檢測單元近年已實現產品化，一些知名的廠商，如(ru)日本的松下公司、德國的西門子(zi)公司等都推出了品種規格齊全(quan)的系列化產品，包括光源、摄像头、處理器等(deng)，對圖(tu)像檢測技術的推廣應用创(chuang)造了有利的条件。與此同時(shi)，所颁布的相(xiang)關標準不但規範了生產，而且為用戶(hu)在不同情形下選(xuan)用合適的檢測單元，更(geng)快、更好地進行系統設計提供了依據。
圖1 位移檢測系統(tong)示意圖
相比之下(xia)，國内在这方面尚處於(yu)起步阶段(duan)，即使(shi)在近20年(nian)获(huo)得迅速发展的汽车製造業，機器(qi)視覺的(de)應用也相当有限。但通過以下應用實例，可清(qing)楚地看出这項新技術的應用(yong)前景。在精密測量中的應(ying)用精密測量是機(ji)器視覺一個重要的應用领域，其對(dui)被測對象進行(xing)測量的原理如圖1所示。檢測系統主(zhu)要(yao)由光學系統、CCD摄像头和計算(suan)機處(chu)理系統（圖中(zhong)未表示）等組成。由光源发出的平(ping)行光束(shu)照射到被測對象的檢測部位上，其边缘轮廓經過顯微(wei)光學镜組(zu)成像在摄像機的面阵CCD像面上，經計算機進行圖像處理后(hou)获得被測對象边缘轮廓的位置。如果(guo)使被測對象產生位移，再(zai)次測量其边缘轮(lun)廓位置，則兩次位置(zhi)之差便是(shi)位移量。顯(xian)然，若被測對象的兩条平行的边缘轮廓能處於同(tong)一(yi)幅圖像内，則其二者位置之差即為相應尺(chi)寸。
上述系統極為適合對大(da)批量生產情况下工件的在線檢(jian)測，尤其是当被測對象尺(chi)寸较小、形(xing)状比较(jiao)簡單時，更能顯示其(qi)優越性。電子接插件，包括(kuo)汽车電(dian)子產品中的接插件就是典型例子，它(ta)們的生產效率和成品尺寸精度都较高，前者可達到每分鐘数百件，而后(hou)者多数為0.01mm的数量級。当(dang)采用圖1所示系統進行測量(liang)時，零件（插脚）所形成的圖像由於與其明亮背景之(zhi)間(jian)的強烈對比，而具有(you)清晰的剪影效果(guo)。这樣的理想圖像(xiang)為準確測量被檢對象的尺寸和轮(lun)廓（形状）特征(zheng)创造了条件。圖2顯示了一部分冲壓成形的插(cha)脚随着金屬輸送带通過檢測工(gong)位時產生的典型背光圖像。
需指出的一點是(shi)，盡(jin)管(guan)采用的是對零件圖像的边缘檢測，但根據(ju)工(gong)件的不同情况，具體(ti)做法上仍(reng)有差別。如對圖2所示零件(jian)（插脚）的圖像上(shang)可(ke)以設置3条（L1、L2、L3）或多条檢測線，分別采用簡單(dan)的阀值法或單雙峰法檢測出零件的边(bian)缘信息。由於3条(tiao)檢測線之間保持(chi)着相互垂直交叉的關系，因此可以通過聯(lian)立(li)3線（或多線）的边缘檢測點確定插脚相對於圖像平(ping)面(mian)的位置（X、Y）和轉角（?）。这些目標零件的位置信息（边(bian)缘坐標和(he)起始轉角）將傳送(song)給計算機處理系統，以(yi)做出(chu)相應的評价。
圖像檢測技術用於精密測量的另一個實例(li)是在刀具预調測(ce)量中的應用。傳統的(de)檢測(ce)方式是光學投影和光栅数顯表相結合，前者用(yong)於瞄準(zhun)定位，后者(zhe)用(yong)於測量、讀数。整個(ge)過程(cheng)需较多的人工參與，對操作人員的要求高，效率卻较(jiao)低(di)。几年(nian)前诞生的新颖刀(dao)具预調測量儀把機器視覺、光栅技術(shu)、計算(suan)機软硬件、自動控製技術等(deng)有機結合，使傳統的工作方式发生了根本變化，无论在測量精度、操作方便和工作效率上都(dou)有(you)了極大的提高。而主要原因就是以機器視覺替代了傳統的光(guang)學投影，从而彻底改變了原有的工作模式。
在这種新颖儀(yi)器中，作為運(yun)動(dong)导轨的Z轴、X轴(zhou)和C（回轉(zhuan)）轴内(nei)，分別裝有直線光栅和圆光栅，被測刀具沿轉臺中(zhong)心(xin)線（即C轴）0安(an)裝。機器視覺(jue)傳感器位於叉形支架兩侧，也就是跨越轉臺的(de)中心(xin)線。支架的一端安放光源，而另一端是摄像头，被測刀具的圖(tu)像由(you)摄像头讀取。
對工件表面缺陷的檢測
對表面缺(que)陷的(de)探測在批量生產的汽车、摩托车、内燃機等行(xing)業，迄今基本(ben)都采(cai)用人工目測方法。这樣的(de)方法不但效率(lv)低、劳動(dong)強度大，且對工藝標準中(zhong)規(gui)定的定量評定要求往往难以準確執行，从而影(ying)響對產品質量的(de)有效监控。
以(yi)连(lian)杆結合面爆口為例，其評定標準的具體要求是：破口(kou)面积小於3mm2；破口任一(yi)方向的(de)線性长度小於2.5mm。只要符合上述任一条(tiao)件，就將判定(ding)不(bu)合格而被剔除。
必须指出(chu)，與以上精密測量中機器視覺系統采用的透射(she)方(fang)式（又称“背光” 方式）不同，用於表面缺陷探(tan)測時，需采取圖3所示的反(fan)射方式。
该系統通過一(yi)個(ge)方形框式LED漫反射光源照亮待檢測工件的破口區(qu)域(yu)，光線照射到對象(xiang)表面(mian)后，反射到摄(she)像头内的光(guang)電耦合CCD元件上，即轉化成對應(ying)的電量信(xin)號；圖像處理系統根據電(dian)量信(xin)號對得到的圖像進行分析和計算，最(zui)終得到所需的数據。系(xi)統將得到的圖像進行(xing)二值化處理后，把二(er)值圖像作為對象(xiang)進行進一步的計算分析。
在實际(ji)使用中，该系統對於灰度的二值化阈值(zhi)和光源的設定采用(yong)比對的方法實現，即用已(yi)知的樣件作為標定的參照物(wu)。把已(yi)知的參照物測量值除以參照物對應的像素值，即可得到(dao)像(xiang)素與實际值之間的對應比例值。通(tong)過調整光(guang)源亮度以及系統的二值化阈值，對灰度(du)的二值(zhi)化阈值進行優化，保證系統對對象边界具有(you)相對较高的分(fen)辨率，即優化后的二值(zhi)化阈值和光源可以使边界的變化產生盡量大的像素值變(bian)化。
根據被測對象的特(te)征（工件形状、被(bei)測(ce)部位）和要求，參照視覺系統產品的(de)有關(guan)標準，並按(an)照所(suo)完成的設計，將能(neng)方便地選取合適的圖像檢測單元(yuan)（器件），組成相應的檢測系統。以(yi)连(lian)杆結合面爆口為例，其系統的檢測要(yao)求如圖(tu)4所示，即分別(bie)檢測互為15。夹角的A-B-C三(san)個(ge)（连杆侧面的）破口(kou)面，最終以3個(ge)檢測結果中的最大(da)值作為破口的真實值，進行判断后並輸出結果(guo)。圖5為该系(xi)統組成示意圖，其中：
1. CD摄像头用於采集破(po)口圖像並轉换(huan)成数字圖像信號；
2. LED光源用於提供(gong)稳定的、均(jun)匀的照明，保證取(qu)像(xiang)質量；
3.圖像處理單元的用(yong)途是根據需要對采集(ji)到的圖像進行處理、分析，同時把分析結果和圖像系統(tong)的状態信息通過RS232接口傳(chuan)向PLC提供信號輸(shu)出和数(shu)據交换；
4.PLC控製整(zheng)個檢測系統各項功能的執行(xing)，同(tong)時也對圖像處理單元傳(chuan)過來的数據進行校驗和判断；
5. 监示器作為人機交互界面，顯示圖(tu)像處理系統的状態和数據分析結果(guo)。
在汽车製(zhi)造業中的應用
用於圖(tu)像识別的機器視覺系統的檢測原理虽然與以上表面缺陷探測(ce)相似，但作用、目的(de)完全不同。且相比(bi)之下，即使在國内(nei)汽车製造業中的應用也较前(qian)兩個领域為多。
現代工業則已越(yue)來越多地采(cai)取讓最終產品、甚至半成品（零(ling)部件）带有用於识別的一維、二維条碼。在(zai)大批量生產条件下，如何對它(ta)們识別、判断？若依靠人工(gong)肉眼檢查，不但劳動強度大，也难免错檢(jian)漏判。另一方面，在(zai)生(sheng)產線、特別是其中(zhong)那些裝配工(gong)序的運行中，為正確(que)完成規定(ding)的要求，往往也需解讀一維、二維条碼(ma)或(huo)识別某些印刷字體；此外，很多(duo)情况下，對零件的姿態、位置（方向）也必须進行辨识，特(te)別在(zai)采用選擇裝配方式時。
電子(zi)標簽也是近年发展起來的一項(xiang)新技術，它采用機器(qi)視覺的识(shi)別技術，將涉及发動(dong)機的各(ge)種質量信息通過讀寫器无線寫入標簽或讀出。在有些发動機生產線(xian)的輸送裝(zhuang)置（托盘）上安裝有(you)一個電(dian)子標簽，而每個加工或裝配工位則(ze)布置有(you)一個讀寫器。讀寫(xie)器與(yu)PLC或(huo)計算機相连。
1. 活塞在缸體内的裝配
圖像识別技術(shu)在用於“活塞—缸體裝配工序”時，其(qi)主要環節(jie)包括：判(pan)断缸體到位並做好檢測(ce)準備；探測缸體上(shang)缘(yuan)（準確到位的標(biao)志），如果未发(fa)現该特征部分(fen)，即发出報警信號；在檢測系統(tong)中建立(li)坐標系；识別这樣三項内(nei)容：活塞的有无，活塞位置的正確性（確切(qie)地(di)講是“方位”），活(huo)塞顶(ding)部表面的標识和字符——用於表明型號(hao)、選擇裝配時的(de)組別及其(qi)他相關含義。
整個檢測、识別過程如下：发動機被翻轉、裝入活塞，輸送系統使发動(dong)機随托(tuo)盘向檢測工位移動；当发動機即將到達檢測工位(wei)時，由電子(zi)標簽讀(du)寫器驗明其“身(shen)份”，然后(hou)发信號給PLC；而(er)当发動機到達檢測工位，接(jie)近開關触发，PLC給機器視(shi)覺系(xi)統发出工作指令；如果活塞在缸體(ti)内(nei)的裝配正確，視覺系統发(fa)信給PLC，然(ran)后(hou)寫入電子標簽，发動機繼續流向下一工位。如果活塞裝配(pei)有错(cuo)，則視覺系統提示PLC，並通過人機界面報警，顯示(shi)屏將指示哪一缸的(de)活塞裝配有错、何種错(cuo)误。操作者確認檢測(ce)結果后(hou)，通(tong)過使人(ren)機界面PLC发出指令將結果寫入電子(zi)標簽，並且將发動機直接輸(shu)送到返修區域進行返修。整個(ge)檢測(ce)過程全部自動完成，只是(shi)在出現裝(zhuang)配错误、发出報警時才(cai)由人工干预。
2.主轴承盖在缸體上的裝配
在四缸(gang)发動機的缸體生產線(xian)，主轴承盖在缸體上的裝配是又一(yi)個典型示例(li)。5個主轴承盖的前端部(bu)呈不同的臺阶状，各不相同(tong)。通過每個零件上的数字標识，按(an)規定順序和方向安裝(zhuang)。由於零件混雜、数量又(you)大，常发生(sheng)错(cuo)裝現象，导致下(xia)道工(gong)序產生废品。
為此，在生產線的拧紧裝配工位和翻轉工位之間設置(zhi)一(yi)檢測工位，通過自動识別，判断裝(zhuang)配結(jie)果的正確性。若全部正確，則缸體(ti)繼續(xu)流向下一工位，否則報警並給(gei)PLC发(fa)出指令，使生(sheng)產線停機，將有問題的(de)缸體下線(xian)返修。為了適應1件/min的裝配節拍，采用在缸體移動過程中檢測，2個光電視覺傳感器分(fen)別前后布置在生產線的上方(fang)和一侧。前一個為零件定位傳感(gan)器，用以(yi)自動準確地(di)触发采樣，后一個用(yong)於動態识別(bie)5個主轴承盖的(de)表面几何形(xing)状。根據预先置入的各主(zhu)轴承盖特征(zheng)參数和采集到的傳感器輸出信號，可確定是否裝错並(bing)指示(shi)具體出错位置。
整個檢測、识別過程為：缸體在完成主轴承盖的(de)拧紧工序后(hou)，沿辊道向檢測工位移動，而兩(liang)侧导轨的約束(shu)作用，保證了零件自動找正位置。当(dang)進(jin)入檢測工位時，定位傳感器首先探測到(dao)第(di)1主(zhu)轴承盖边缘，随即由另一個傳感器识別其前端(duan)部的几何(he)形状，經控製(zhi)器采樣、處理(li)；然后缸體繼續前移，對第2至第5個主轴承(cheng)盖(gai)進行探測和识別。通過(guo)與预置值比较，就可對有否错裝零件(jian)做出判断(duan)。每次探測都有計数和顯示，整(zheng)個檢測過程在(zai)缸體輸送移動中完成，不必额外(wai)增加檢測時間
