孫永忠
(甘肅機電職業(yè)技術(shù)學院,甘肅天水 741001)
機器視覺技術(shù)是通過機器替代人眼完成各項測量與判斷工作,通過計算機技術(shù)識別客觀三維世界,通過模擬人類視覺與中樞神經(jīng)的處理方法,通過機器視覺技術(shù)系統(tǒng)的圖像拍攝裝置捕捉事物信息后,通過數(shù)據(jù)、圖像處理對各種物象信息進行觀察與監(jiān)測,這種技術(shù)能夠與計算機靈活連接,并采用數(shù)字化處理技術(shù),極大地減少了勞動率,在機械制造領域中,能夠完成圖像采集與捕獲、非接觸性測量與實時監(jiān)控等工作,是現(xiàn)代測量領域與測試技術(shù)的一個發(fā)展焦點。
(1)機器視覺技術(shù)是利用計算機模擬人類的視覺功能,準確提取、分析、測量并監(jiān)控物象信息的一種技術(shù)。這項技術(shù)首先需要采用CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合器件)攝像技術(shù)獲取物象信息,轉(zhuǎn)變具體物象后,使其成為所需圖像再輸入計算機進行處理,然后分析、測量并計算圖像中包含的信息,最后以分析結(jié)果為依據(jù),將結(jié)果直接轉(zhuǎn)化成相對應的數(shù)字信號并輸出,以實現(xiàn)智能化監(jiān)控各種機器。CCD攝像技術(shù)是機器視覺技術(shù)的重要技術(shù)基礎,它能綜合處理所獲取的圖像,并且以智能化的形式輸出分析報告。機器視覺技術(shù)具有高效率、精準測量、低噪聲、應用靈活等特點,能夠適用于多種測量環(huán)境,對于惡劣的測量環(huán)境也有很強的適用性,大幅度提高了測量工作效率和機械制造質(zhì)量,提高了機械制造效益。
(2)機器視覺系統(tǒng)的輸出結(jié)果是經(jīng)過計算、分析、處理后的檢測結(jié)果,系統(tǒng)中的圖像處理部分會對CCD攝像系統(tǒng)獲得的物象圖像信號進行處理,通過像素、亮度以及顏色等信息,把圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,進一步運算這些信號,獲取物象目標的基本外觀特征,與系統(tǒng)中預先設置的條件相結(jié)合,將運算結(jié)果輸出為各種物象特征數(shù)據(jù)。上位機在獲取到運算結(jié)果后,再利用控制系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)進行相應的操作。
(1)機器視覺技術(shù)能夠精密測量零件尺寸。由CCD攝像頭、光學系統(tǒng)和計算機處理系統(tǒng)組成的檢測系統(tǒng)能夠?qū)α慵M行精密測量。光源的平行光束照射到物象目標檢測部位上,運用顯微光學鏡技術(shù)使物象目標邊緣輪廓在CCD鏡面上形成圖像,由計算機進行處理以獲取物象目標邊緣輪廓位置,對有物移問題的物象目標,可重復測量邊緣輪廓位置,計算重復測量后的位置差值,獲取位移量,并作為物象目標的尺寸值。這種方法很好地適用于尺寸較小、形狀較簡單的物象目標的工件在線檢測工作。如各種電子接插件需要較高的生產(chǎn)效率,成品尺寸精度要求也較高,采用機器視覺技術(shù)后,能使每分鐘生產(chǎn)效率達到數(shù)百件,成品尺寸精度達到0.01 mm級。
(2)刀具磨損的精密測量。刀具出現(xiàn)磨損時,需要測量其磨損程度,但外界因影響較大,導致最終無法確保測量準確性。如傳統(tǒng)的刀具磨損檢測工作,首先要卸下刀具。機器視覺技術(shù)方便了這種檢測工作。對機器視覺系統(tǒng)進行一定的改進,通過光纖技術(shù)在鏡頭周圍插入光源降低陰影影響產(chǎn)生的測量誤差,提高夾具轉(zhuǎn)動范圍和角度,降低取像設備大小,通過實驗確定最佳狀態(tài)的光線照射強度與角度,并獲取最佳拍攝角度,該機器視覺系統(tǒng)使用范圍獲得了極大提高。通過刀具磨損前后在橫向上存在的尺寸差,精確計算刀具磨損值,實現(xiàn)簡單幾何形狀刀具的在線測量,簡化圖像處理流程,降低測量信噪比,提升測量精度和速度。
(3)工件預調(diào)測量。對工件預測測量的傳統(tǒng)方法主要是通過光學投影定位,利用光柵數(shù)顯表對工件讀數(shù)進行測量,這種測量方法需要投入的人力資源較大,需要具備的技術(shù)水平也較高,工作效率較低。采用機器視覺技術(shù)能夠制造技術(shù)更為先進的預調(diào)測量儀,將機器視覺技術(shù)、光柵技術(shù)、自動控制技術(shù)及計算機技術(shù)有機結(jié)合,精簡了測量操作流程,提高了測量效率與測量精度。
(4)逆向工程的測量。逆向工程即通過3D測量儀,對各種工件、樣品及模型等進行測量,獲取其輪廓坐標值,構(gòu)建曲面,并對其進行編輯修改,轉(zhuǎn)換文件形式,并以測量數(shù)據(jù)為基礎建立三維坐標圖,最后進行加工獲得所需模具,也可利用快速成型機制作樣品模型。三維測量數(shù)據(jù)的準確性是最終模型質(zhì)量的保障。在CCD光電技術(shù)基礎上,利用三角法可實現(xiàn)快速化的輪廓視覺測量,線結(jié)構(gòu)光可作為物象表面輪廓結(jié)構(gòu)的測量介質(zhì)。激光能夠穿越振幅光柵系統(tǒng),或者通過干涉儀直接生成干涉條紋,再將測量目標轉(zhuǎn)換成平面條紋結(jié)構(gòu)投射出來,利用條紋變形的方式生成物體表面曲率與深度等變化值,CCD攝像系統(tǒng)對條紋圖像進行提取后,即可分析該物體表面結(jié)構(gòu)變化。利用機器視覺系統(tǒng),能夠?qū)@取的圖像實現(xiàn)視頻信號、模擬信號與數(shù)字信號的自由轉(zhuǎn)換,并根據(jù)模擬信號提供的數(shù)值進行像素化處理,使圖像能夠順利轉(zhuǎn)換成三維輪廓圖像或模型。這種數(shù)字化處理技術(shù),能夠使計算機最終獲得的圖像數(shù)據(jù)以多個像素的形式呈現(xiàn)出來,每個像素的坐標特定,并與物體上的各個點相對應,利用灰度值表示像素即可。
(1)檢測工件表面缺陷。目前汽車、摩托車和內(nèi)燃機等生產(chǎn)行業(yè),人工目測仍然是工件表面的主要檢測方法,這種方法效率低下、精準度低、勞動強度較高。利用機器視覺技術(shù)可提高檢測規(guī)范與精確度。CCD攝像技術(shù)能夠檢測工件表面缺陷,并以此作為零件表面質(zhì)量管理的優(yōu)化過程。例如,在檢測連桿結(jié)合面的爆口中,其常規(guī)檢測標準是破口面積<4 mm2,且任意方向破口的線性長度需<3 mm,在檢測中利用LED(Light Emitting Diode)漫反射光源與CCD攝像技術(shù),能夠合作檢測坡口區(qū)域,光線在工件表面照射后,會反射至CCD元件中,并生成電量信號。再由機器視覺系統(tǒng)分析計算CCD元件上反射生成的圖像電量信號,經(jīng)最終處理后獲取高價值數(shù)據(jù),再做圖像二值化處理,并計算和分析處理結(jié)果。設定已有樣件為參照物,即可采用灰度二值化閾值和光源設定比對的方法進行處理。調(diào)整光源亮度、處理系統(tǒng)的二值化閾值后,對灰度二值化閾值進行優(yōu)化處理,提高機器視覺系統(tǒng)對對象邊界的分辨率,最后根據(jù)優(yōu)化后的閾值和光源亮度調(diào)整后的邊界變化產(chǎn)生的像素值獲取檢測結(jié)果。
(2)激光機器視覺檢測系統(tǒng)。國外部分機械加工、電子生產(chǎn)和汽車制造等領域已經(jīng)成功研制并使用該先進系統(tǒng)完成各項檢測。如北美汽車工業(yè)研究院完成的BIN-PICKING成果利用模型數(shù)據(jù)和三維成像技術(shù)相結(jié)合的方式完成識別判斷,精確定準最佳成像點,可使激光雷達在7 s內(nèi)完成整個工件箱的掃描。我國利用CCD攝像技術(shù)與激光技術(shù)研制成功視覺傳感器,能夠精確測量被測物象的三維坐標,并于7 s內(nèi)對整個汽車輻射完成檢測,工作效率可提升100%。
(3)檢測金屬板面。機械制造中會較為頻繁地使用金屬板,先檢測金屬板,能夠提高產(chǎn)品精度。傳統(tǒng)的加控針檢測,首先要直接接觸金屬板面完成檢測,因此可能會對金屬板造成劃傷。機器視覺檢測采用遠程攝像分析技術(shù),無需直接接觸金屬板面,不僅能確保測量準確性,還能避免操作金屬板,同時,能夠全面分析金屬表面,并記錄準確信息,將檢測獲得的三維圖像呈現(xiàn)到顯像儀上,幫助研究人員準確定位金屬板缺陷,并及時處理。
焊接機器人是機械制動焊接工作的主要執(zhí)行者,在機器人控制系統(tǒng)中安裝機器視覺技術(shù),能夠使焊接機器人加入可視化分析功能。機器人能夠根據(jù)具體的圖像數(shù)據(jù)分析與運算結(jié)果,確定焊接點,更好地感知焊接過程,不受焊接環(huán)境的限制,處理各種困難焊接環(huán)境下的焊接工作。
機器視覺技術(shù)在機械制造行業(yè)中的運用在不斷延伸,傳統(tǒng)的攝像、采集、分析、運算、傳輸?shù)裙δ?,也逐漸實現(xiàn)了開放性的發(fā)展,機器視覺技術(shù)與自動化、智能化技術(shù)正不斷融合,基于機器視覺技術(shù)的各種軟硬件產(chǎn)品也正成為機械制造過程中的各種關(guān)鍵部分,不斷提高著機械制造的效率與質(zhì)量。