视觉系统在工业自动化生产中的应用

周敬业

摘 要

在现代企业生产中，会有各种各样的产品需要测量和检测，例如包装产品上文字印刷质量的检查，机械加工尺寸的检测等。这种生产技术应用有着共通点，就是产品会大批量生产、而生产过程质量的要求严格。现在企业对这样重复性和精确性的工作岗位都是靠人工检测完成，所以在一些企业生产线上都会看到很多检测工人在进行产品的检测工作，这不单为企业添加了用工的成本和管理成本，同时还不能保证产品的100%合格率。因此在现代工业自动化生产线上引入机器人视觉技术是很有必要的。

【关键词】视觉 自动化 生产

1 视觉系统概述

视觉系统就是给机器或生产设备添加一套视觉系统。随着图像处理和模式识别等技术的快速发展，计算机的图像处理器和一些视觉设备以代替人来完成几乎所有的信息处理。计算机的视觉系统是由图像采集系统、图像处理系统及信息综合分析处理系统构成。

在现代生产线上，人工在产品检测过程中难免会出现视觉疲劳、每个人的判断差异会导致出现不同程度的误差，机器人视觉系统就不会存在上述问题。机器人视觉系统包括了光照系统、镜头系统、摄像系统和图像处理系统组成。对于每一个应用都需要考虑系统的运行速度和图像的处理速度、使用彩色还是黑白摄像头、检测目标的尺寸、检测目标有无缺陷、视觉场地需要多大、分辨率需要多高、对比度需要多大等。从功能来说，一般的机器人视频系统分为：图像采集、图像处理和运动控制等部分构成。

1.1 传统的人工存在的缺点

（1）传统人工在检测产品过程中会容易导致疲劳，或容易受外界的情绪影响，产品的结果误差率保证；

（2）随着工作环境的不断变化，在很多受限制的场所中，不合适人工进行工作。还有一些工作环境是对人会造成损害；

（3）人工对色彩的分辨能力比机器识别的强，但很容易受到个人的心理影响，导致精度低，不能确保准确。

随着科技的进步，市场及客户对产品的精密程度和质量的要求越来越高，传统的定位方法已经不能满足用户的需求。

1.2 视觉系统在生产线作业的优点

（1）分辨力强，能采集系统可具有10bit、12bit、16bit等灰度级，目前有8K的面阵摄像机，再通过各种不同级别光学镜头，可以检测到很微小的误差。

（2）对环境温度、湿度适应性强，在一些危险场所作业，另外可加防护装置。

（3）机器人视觉系统可以长时间对同一种产品进行检测，而能确保每次检测的误差得到一定的控制。

2 视觉系统的主要工作过程如下

2.1 图像拍摄

在生产线上，检测对象被检测到在运动摄像系统范围内，检测器就会向图像采集发送拍摄脉冲信号进行拍摄。

2.2 图像处理

2.2.1 图像采集

光学系统采集图像，将采集图像数字化后的数字图像转换成模拟格式并传入计算机存储器。

2.2.2 图像处理

处理器运用不同的计算法对图像进行处理、分析、识别、获得重要的图像要素。

2.2.3 特性提取

它使用计算机提取图像信息，处理识别并量化图像的关键特性，然后把重要数据发送到控制器。

2.2.4 判断提取

处理器的控制程序根據收到的数据进行处理，并做出视觉系统的方案。

2.3 输入输出信号

处理器把处理结果传送到控制器动作，进行运动纠正和误差纠正等。

3 视觉系统的应用

3.1 系统的应用

在企业的生产过程中会有越来越多的设备运用到机器视觉系统技术，机器视觉系统现可以代替人的肉眼来做检测和误差判断。在设备零件加工检测、文字检测过程中，机器视觉系统将产品的检测目标转换成特有的图像信号，再传送给计算机图像处理系统，图像处理器根据图像的像素分布和明度、颜彩等信息，转变成为数学信号；系统对这些信号进行计算从而抽取出目标特征，控制器根据输出结果来控制生产设备的动作。例如饮料生产线上的外观、液位、盖帽等检测系统。

3.2 系统的构成

如图1所示，一个完型的机器视觉系统应包括如下部分：光照源系统，镜头系统，CCD摄像机，图像处理器，图像处理软件，控制输入输出系统和控制机构等组成。现今视觉产品分为两大类。

3.2.1 嵌入式系统

嵌入式系统是将CCD、内存、处理器和通讯设备压缩在一个模块里，性价比高，使用方便。

3.2.2 计算机系统

计算机系统是传统的机器视觉系统，有CCD摄像机、视觉采集卡、计算机等，现在主要使用，但价格昂贵。

3.3 系统软件的使用

视觉系统的输出信号并不是图像信号，而是经过计算机处理器运算处理过后的数字化信号，例如尺寸数据信号、颜色数据信号。控制处理器PC和PLC实时获得计算机算图像处理后的结果，并把执行相应的控制动作处理。

机器视觉系统的运行环境可分为PC系统和PLC系统。由于PC的运行系统的开放性和灵活性，同时整个系统总体成本较低，现大部分都是由PC来构成机器视觉系统。计算机系统内有高性能图像处理器和图片捕获卡，可接多个镜头，在软件方面有Windows环境下的C/C++编程，可视化控件activeX提供了VB和VC++下的图形化编程环境，甚至Windows下的面向对象的机器视觉组态软件，可以根据不同的需求开发出不同的应用。

在PLC系统中，机器人视觉的作用更像一个智能传感器，图像处理系统需要单独配置，再通过串行总线和I/O与PLC互相通信。视觉系统硬件会利用高速ASIC或嵌入式计算机进行图像处理，系统的处理软件固定在图像处理器中，通过简单的键盘操作进行配置。

4 视觉系统的发展

机器人视觉应用系统可分为三个时代。第一个时代视觉机器人的功能比较简单，一般是按设计人员规定的流水动作对图像进行处理并输出结果。这种系统一般比较简单，主要用于产品缺陷的检测。第二个时代视觉机器人一般由计算机、图像处理设备和控制输出硬件构成。在进行图像视觉的处理过程中还会有一定学习能力。第三个时代视觉机器人系统是目前国际主流的开发使用系统。这种系统会采用一些高速图像处理芯片、并行算法，具有智能性和高度的适应性，能模拟人的视觉功能并能快速提取复杂的信息。

现在国内机器视觉技术已经日趋成熟，从而在现代自动化生产领域上引入机器人视觉技术是很有必要的，如：印刷、制药、加工等领域。将会极大的提高了企业产品质量和速度，最大限度的保证了人身安全和运行稳定可靠。

参考文献

[1]叶晖.工业机器人典型应用案例精析[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]徐德，谭民，李原.机器人视觉测量与控制[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3]韩九强.机器视觉技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2009.

作者单位

珠海市技师学院 广东省珠海市 519000endprint