楊韻勍

(沈陽電氣傳動研究所(有限公司)，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

所謂機器視覺，就是用裝有視覺檢測設(shè)備的機器來代替人眼對目標(biāo)零件做出測量或判斷，機器視覺是一門高度專業(yè)化的新興學(xué)科，涉及到的領(lǐng)域包括人工智能、模糊識別、計算機科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等等。

機器視覺系統(tǒng)是指利用圖像采集設(shè)備對目標(biāo)零件拍攝，經(jīng)圖像采集卡轉(zhuǎn)換為圖像信號，傳送給計算機中的專用圖像處理軟件，再根據(jù)圖像上像素位置的分布、亮度高低及顏色差異等信息，將其轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)字信號，最后利用圖像處理系統(tǒng)對這些數(shù)字信號進行計算分析，從而提取目標(biāo)零件的特征，再根據(jù)程序的各個判定結(jié)果輸出控制信號，來控制機械設(shè)備對目標(biāo)零件的動作[1]。

在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，有一些比較危險的或者人類視覺無法滿足作業(yè)現(xiàn)場要求的工作環(huán)境，在這種情況下，基于機器視覺的自動化生產(chǎn)設(shè)備就能夠充分發(fā)揮它們的非接觸檢測功能，完成人類視覺無法完成的任務(wù)；除此之外，工業(yè)生產(chǎn)中，常有大批量的生產(chǎn)任務(wù)，人類視覺無法滿足這類任務(wù)的生產(chǎn)要求，而基于機器視覺的自動化設(shè)備具有耐疲勞、精度高且效率高的特點，利用機器視覺設(shè)備能夠大幅提高生產(chǎn)精度和效率，同時視覺設(shè)備更容易實現(xiàn)計算機與設(shè)備硬件的軟件集成，更好的提高生產(chǎn)線的自動化與柔性化。

2 視覺檢測現(xiàn)狀

當(dāng)今整個視覺市場總量的全球相當(dāng)可觀，而且每年的增長速度相當(dāng)龐大，從理論方面來看，從圖像處理向模式識別發(fā)展，再到人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；從技術(shù)方面來看，從ARM、單片機到FPGA、DSP，這些技術(shù)革新和理論研究促進了機器視覺技術(shù)從單一的理論研究走向多元化的實際應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。目前國際市場上，機器視覺的發(fā)展正在朝著兩個方向發(fā)展，其中一個是嵌入式，如智能相機與傳感器等，另一個是基于SDK和PC的采集板卡的解決方案，兩者優(yōu)劣各不相同，各自的適用場合也不相同。在硬件方面，基于PC的系統(tǒng)都整合有圖像采集、實時顯示、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)接口以及標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口等，同時還集成了與外部工業(yè)控制設(shè)備連接的運動控制、PLC等接口、數(shù)據(jù)I/O。國外從事機器視覺領(lǐng)域的企業(yè)的視覺產(chǎn)品發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，主要代表性的國家有日本、英國、美國、德國等[2]。本文介紹主要以智能相機為主。

3 設(shè)備工藝

設(shè)備工藝主要是通過觸摸屏來設(shè)置傳送輪轂類型并將類型數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，PLC接受類型數(shù)據(jù)后發(fā)送信號給視覺傳感器，視覺傳感器接受信號切換對應(yīng)類型檢測程序，PLC控制傳送帶運送輪轂到指定工位進行檢測，PLC觸發(fā)視覺傳感器進行拍照檢測，視覺傳感器檢測輪轂的孔位尺寸及刻印字體等是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并將反饋數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)反饋數(shù)據(jù)控制當(dāng)前輪轂輸送到良品或不良品工位。設(shè)備工藝示意圖如圖1所示。

圖1 輪轂檢測工藝示意圖

4 解決方案

4.1 系統(tǒng)配置

輪轂分揀設(shè)備，主要系統(tǒng)包含以下幾部分：

(1)人機交互界面，由操作人員通過對觸摸屏進行參數(shù)設(shè)置來控制設(shè)備的啟停和輪轂類別設(shè)置。

(2)PLC控制器，主要用來進行邏輯控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲、運動控制等。類別參數(shù)存儲在PLC中，操作人員通過觸摸屏設(shè)置類別參數(shù)后，觸摸屏中的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，PLC接受到數(shù)據(jù)后與存儲的數(shù)據(jù)進行對比，得到類別相同數(shù)據(jù)后，再向視覺傳感器發(fā)送切換程序指令，使視覺傳感器切換對應(yīng)類別檢測程序。視覺檢測完成后，接受檢測判斷結(jié)果，根據(jù)結(jié)果命令變頻器運行，將輪轂運送到指定工位。

(3)變頻器，其實變頻器是一個執(zhí)行機構(gòu)，主要是接受PLC發(fā)送的運行指令和速度等參數(shù)，用來帶動電機將輪轂運送到指定位置。人工也可以直接在變頻器面板設(shè)置運行和速度參數(shù)。

(4)視覺傳感器，內(nèi)部根據(jù)不同類別輪轂存儲對應(yīng)檢測程序。與PLC進行數(shù)據(jù)交換，接受PLC發(fā)送的程序切換指令以及檢測指令。根據(jù)檢測需求進行孔位尺寸檢測和字符對比檢測，將最終判定結(jié)果發(fā)送給PLC。

4.2 程序設(shè)計

由于整體程序相對較多，部分程序為簡單邏輯控制，如圖2所示，下面針對程序中部分重點程序進行介紹，如：視覺通信、字符檢測、尺寸檢測等。

圖2 控制程序總覽圖

(1)視覺通信，智能相機首先選擇通信方式，一般視覺與PLC通信有兩種：串口通信、以太網(wǎng)通信。以太網(wǎng)通信方式速度快，抗干擾強，硬件允許情況下優(yōu)先選擇以太網(wǎng)。其次選擇通信協(xié)議，不同廠商的視覺產(chǎn)品內(nèi)置通信協(xié)議區(qū)別較大，如果智能相機與PLC為同廠商通信較為方便，否則PLC側(cè)需要編寫對應(yīng)的通信程序讀取/寫入智能相機側(cè)的數(shù)據(jù)。然后設(shè)定IP地址，將PLC側(cè)IP地址與視覺側(cè)IP地址設(shè)定，規(guī)則是網(wǎng)段相同，節(jié)點地址不同，例如：PLC側(cè)為10.110.1.15，視覺側(cè)為10.110.1.5。最后在智能相機程序中設(shè)定通信發(fā)送具體數(shù)據(jù)，如最終判定結(jié)果、字符信息、尺寸數(shù)據(jù)等。

(2)字符檢測可以調(diào)用智能相機中的字符檢測程序，對輪轂上的標(biāo)準(zhǔn)字符圖案記錄，然后對被測輪轂字符檢測時，與正確圖案進行對比，一些廠家視覺中使用相似度百分比作為綜合參數(shù)的判定條件如圖3所示。也可以多記錄一些正確的字符圖案作為數(shù)據(jù)積累，這樣可以對一些字符刻印字體較多的輪轂進行檢測，并且后續(xù)如果增加不同字體，只需要增加對應(yīng)的正確字符圖案即可檢測。這種方式也有缺點，對智能相機的存儲能力要求增加，隨著檢測精度升高，存儲的圖案數(shù)據(jù)增加，可能導(dǎo)致智能相機存儲量不能滿足，最終可能導(dǎo)致智能相機的成本升高。

圖3 輪轂字符檢測圖

(3)智能相機中尺寸檢測類程序較多，例如測量點到直線距離，測量寬度，測量圓形半徑、圓心位置檢測等，這里用測量圓心位置舉例。圓心位置檢測首先設(shè)定檢測區(qū)域，將被測孔包含內(nèi)即可。其次設(shè)定搜索方向，由邊緣向中心檢測或是由中心向邊緣檢測。然后設(shè)定邊緣顏色使智能相機能在視野中可以分辨圓的像素點坐標(biāo)。最后智能相機根據(jù)內(nèi)置算法計算出圓心位置坐標(biāo)如圖4所示。大部分尺寸檢測程序可以在判定中設(shè)定浮動閾值，閾值可以根據(jù)工件尺寸合格參數(shù)的浮動值設(shè)定。

圖4 輪轂圓心檢測圖

5 研究與展望

經(jīng)過對輪轂檢測系統(tǒng)的研究，現(xiàn)有絕大部分廠家智能相機，基本可以檢測字符，以及孔位尺寸或坐標(biāo)，并且穩(wěn)定性也可以滿足絕大部分用戶需求。但是對于本文的研究內(nèi)容，還有很多問題需要做進一步研究：

(1)本文描述的字符檢測大部分為刻印字符，如果檢測鑄造形成的字符，由于字符凸起且角度不一致導(dǎo)致最終呈現(xiàn)畫面可能造成誤檢率增加?，F(xiàn)有解決方案在不同角度進行打光并拍照，最終將多次拍照圖片進行合成，以確保檢測穩(wěn)定性。但是這種方式對智能相機的計算能力要求增加智能相機成本提高，否則可能會降低檢測節(jié)拍。3D檢測可能是解決這類課題的未來設(shè)備的考慮方向。

(2)設(shè)備間通信本文描述使用同廠家設(shè)備進行通信，如果智能相機與PLC為不同廠家，通信將非常繁瑣。主要由于多數(shù)廠家對外公開協(xié)議較少，且功能較差，導(dǎo)致設(shè)備調(diào)試中遇到問題較多。萬能網(wǎng)關(guān)設(shè)備可能是這類課題未來的考慮方向。