在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產中,涉及到各種各樣的檢查、測量和零件識別應用,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,飲料瓶蓋的印刷質量檢查,產品包裝上的條碼和字符識別等。這類應用的共同特點是連續(xù)大批量生產、對外觀質量的要求非常高。
通常這種帶有高度重復性和智能性的工作只能靠人工檢測來完成,我們經常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線后面看到數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,仍然不能保證的檢驗合格率(即“*”),而當今企業(yè)之間的競爭,已經不允許哪怕是0.1%的缺陷存在。有些時候,如微小尺寸的快速測量,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、結果的可重復性,與人類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轉換成圖像信號,傳送給的圖像處理系統(tǒng),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(tǒng)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;zui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。
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zui大的應用行業(yè)為:汽車,制藥,電子與電氣,制造,包裝/食品/飲料,醫(yī)學。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,對管腳數目的檢查,對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,食品包裝上面對生產日期的辨識,對標簽貼放位置的檢查。
目前,上視覺系統(tǒng)的應用方興未艾,1998年的市場規(guī)模為46億美元,而在國內,工業(yè)視覺系統(tǒng)尚處于概念導入期,各行業(yè)的企業(yè)在解決了生產自動化的問題以后,已開始將目光轉向視覺測量自動化方面。機器視覺的系統(tǒng)構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,而是經過運算處理之后的檢測結果,如尺寸數據。上位機如PC和PLC實時獲得檢測結果后,指揮運動系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應的控制動作,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)?;赑C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DATATRANSLATION公司為例,系統(tǒng)內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下的面向對象的機器視覺組態(tài)軟件,用戶可用它快速開發(fā)復雜的應用。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交換數據。系統(tǒng)硬件一般利用高速ASIC或嵌入式計算機進行圖像處理,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)視器中的菜單進行配置,或在PC上開發(fā)軟件然后下載?;赑LC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。
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:化妝品瓶子外觀質量的zui終檢查i.標簽種類ii.標簽位置和偏移量iii.瓶子的種類iv.蓋子是否蓋緊速度:20個/秒好處:只有外觀zui的產品才能離開灌裝線,標簽和瓶子內容*對應。
4.項目:灌裝線上啤酒瓶檢測i.瓶體分類ii.標簽檢查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,提率。
5.項目:標簽印刷是否與實物相符i.印刷代碼識別(OCR)ii.印刷質量檢查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:旋開式瓶蓋內襯墊測量i.內襯墊本身完整性(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。
結論:總之,應用機器視覺系統(tǒng)能夠大幅降低檢驗成本,提高產品質量,加快生產速度和效率。作為高精度、非接觸的測量方案,視覺系統(tǒng)涉及到光學和圖像處理算法,本身就是高度專業(yè)化的產品,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給控制;另外,生產線上對多工序進行同步連續(xù)檢測時,必須使視覺系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網能力。機器視覺與運動控制,網絡通訊等*技術的結合正在改變工業(yè)自動化生產的面貌。目前國內已經出現(xiàn)了像北京四通電機公司這樣的具備運動控制,機器視覺,網絡通訊幾方面技術背景的系統(tǒng)集成商,他們專業(yè)化的和服務能力使之成為原始供應商和zui終用戶之間的橋梁。而對包裝企業(yè)來說,意識到技術發(fā)展的趨勢并首先付諸實施者無疑將走在競爭的前列。