机械制造自动化中机器视觉技术的应用

2022-07-19王晏羽常赫楠高培哲王昱洁

信息记录材料 2022年5期

王晏羽，常赫楠，高培哲，王昱洁

（沈阳理工大学装备工程学院辽宁沈阳 110159）

0 引言

随着科技水平的不断发展，机械制造自动化取得了较大的进步，但仍存在缺乏核心技术、创新能力不足以及人才匮乏等问题。在机械制造自动化中应用机器视觉技术可以有效优化机械制造自动化技术，为核心技术的研发提供支持，并减少人工操作、增加机械制造企业的经济效益。因此，本文将对机器视觉技术在机械制造自动化中的应用进行简要分析，以期为机械制造自动化的发展提供帮助。

1 机器视觉技术的基本概述

（1）机器视觉技术的概念。机器视觉技术是人工智能技术的关键点，应用了图像处理技术、光学成像技术、传感器技术、计算机软硬件技术、机械工程技术等先进技术[1]。简单来说，机器视觉技术就是利用机器视觉产品将被测目标转变为图像信号，再将图像信号传输至图像处理系统，最后根据数字信号来控制现场。

（2）机器视觉技术的原理。机器视觉技术的工作原理较为简单，见图1。其中机器视觉检测系统会利用CAC照相机将被测目标转变为图像信号，并将图像信号传输至图像处理系统中。图像处理系统接收到图像信号后，会根据图像的亮度、像素以及颜色等信息对图像信号进行处理，并将其转变为数字信号，随后系统会根据图像处理系统所传输的长度信号、面积信号等数字信号进行自动识别。

（3）机器视觉系统的构成。机器视觉系统主要由照明、镜头、高速相机、图像采集卡以及视觉处理器等设备共同组成的。其中照明模块会对机器视觉系统输入产生一定的影响，所以需要根据实际情况来选择合适的光源，例如白炽灯、日光灯等；在选择镜头（图2）时需分析镜头的目标高度、影像高度、焦距、中心点、放大倍数等数据；需要根据实际情况选择模拟相机或标准分辨率数码相机；图像采集卡会对摄像头接头造成影响，常用的是PCI或AGP兼容捕获。

（4）机器视觉技术的优势。在长期发展过程中，机器视觉技术逐渐成熟。当前，机器视觉技术已经具备了独特的运作程序以及功能模块，其优势较为明显。首先，机器视觉技术具有较强的客观性与公正性。在机械制造自动化过程中，可以大大降低产品尺寸、形状等各个方面因人为主观因素而受到的影响[2]。其次，机器视觉技术本身具有较强的适应性，可广泛应用于多种机械设备中。此外，机器视觉技术的应用难度较小，不需要进行过多复杂的编程。

（5）机器视觉技术的发展趋势。首先，在未来发展过程中我国工业的开放程度会越来越高，机器视觉技术的开放性与统一性也会越来越强。其次，在微电子以及计算机等技术不断发展的过程中，嵌入式系统备受人们的喜爱，所以机器视觉技术将向嵌入式、数控式以及集成式方向发展。此外，机器视觉技术的技术标准会越来越统一，可以促进机器视觉技术向一体化方向发展。

2 机械制造自动化中机器视觉技术的应用意义

在机械制造自动化中应用机器视觉技术具有重要意义。（1）我们可以利用机器视觉技术代替传统的人工作业来提升机械制造的监控效率。在科技水平不断提升的过程中，机械制造的智能化与自动化水平越来越高，但是仍然需要人工监测，且其效率差、准确性低，而应用机器视觉技术可以对机械制造生产过程进行自动化监测，有利于增强机械制造的精准性，提高机械产品的质量。（2）应用机器视觉技术有利于增强机械制造的安全性。从实际情况来看，机械制造的安全系数相对较低，容易出现安全事故，而应用机器视觉技术可以避免机械制造中比较危险的生产环境，进而保障工作人员的人身安全[3]。（3）有利于提高机械制造的效率与质量。因为机械制造中不同的检测人员在专业能力以及知识储备等各个方面存在一定的差异，这便无法保障所有的机械产品都符合质量和精度的要求。而机器视觉技术具有较强的固定性与客观性，不会受到人为因素以及外界因素的影响。

3 机械制造自动化中机器视觉技术的具体应用

3.1 在工件检测中的应用

机械制造自动化过程中应用的机械设备具有较高的精密性，对工件的质量有较高的要求。所以在机械制造自动化的状态下进行工件检测有利于维护机械设备的运行质量、增强生产安全性。但大多数机械制造企业都是通过人工检测的方式进行工件检测，这不仅对检测人员的专业能力提出了较高的要求，也会降低机械制造企业的经济效益。机器视觉技术在机械制造自动化中的应用可以进行工件检测，因此机械制造企业应加大对机器视觉技术的研究力度，综合分析机器视觉技术在工件检测中的作用，根据实际情况应用机器视觉技术。从机械制造情况来看，利用机器视觉技术进行工件检测具有很多优势，可以在人为主导的基础上完成人工无法完成的工作；可以全面深入地检查工件中的问题并提供相应的建议；可以提升工件检测效率与质量，增强工件检测的精准性；可以利用数学模型进行工件检测，进而提高生产效率。具体应用如下。

（1）利用机器视觉技术进行工件定位。机器视觉系统中的CCD摄像机具有获取被测目标图像的功能，能够对机械制造时间以及环境进行全面监测，因此机械制造企业可以利用机器视觉技术进行工件定位。例如，机械制造企业可以利用CCD摄像机将工件定位精度控制在0.1 mm之内，从而提升机械制造的自动化水平[4]。

（2）利用机器视觉技术进行工件质量检测。机械制造自动化中存在诸多问题，例如注重数量、轻视质量等，所以一些工件的质量得不到保障。若机械制造中应用了不合格的工件，这会直接降低机械产品的质量，继而影响机械制造企业的经济效益与社会效益。为此，机械制造企业需要利用机器视觉技术进行工件质量检测，弥补人工检测中的不足。例如，汽车制造企业与内燃机制造企业可以利用机器视觉技术进行工件质量检测，增强检测结果的准确性，明确工作的缺陷与不足，从而提升机械产品的质量。企业可以利用机器视觉技术进行连接杆头爆炸检测，判断连接杆头的接头断口面积是否在3 mm2以内，接头断裂线性长度是否在2.5 mm以内。在应用机器视觉技术时，机器视觉系统可以通过漫射光照射等方式进行信号转换，并通过分析功率信号与图像处理系统的结果判断连接杆头的断裂尺寸是否合格。

（3）利用机器视觉技术检测工件外观。机械制造企业不仅需要利用机器视觉技术进行工件定位与工件质量检测，也需要进行工件外观检测，确保工件的各个方面都符合要求。机器视觉技术可以完整展示工件外观的缺陷。例如，在曲轴检测过程中，检测人员可能无法发现曲轴轻微的卷曲情况。此时就需要利用机器视觉技术对曲轴进行外观检测，判断曲轴的外观质量是否符合要求。同时，工作人员也可以利用机器视觉技术对工件进行细节处理，例如对工件的孔洞进行细节处理、对工件的连接处进行细节处理等。但是在应用机器视觉技术之前，工作人员需要科学设定工件允许误差范围，并对工件进行对比分析。

3.2 在工件测量中的应用

工件测量是机械制造自动化中提升产品质量的关键环节。常用的工件测量方法有两种，一种是对工件与标准件进行对比分析，如果工件与标准件之间存在差异就判定工件不合格，另一种是测量工件精度与标准件精度，再对二者的精度进行对比分析，从而判断工件是否合格。相比于第1种方法，第2种测量方法的流程较为复杂，所以大多数机械制造企业都会选择第1种测量方法。但第1种测量方法对测量技术的要求比较高，不仅需要明确标准件的长度、大小以及规格，也需要对工件的各项参数进行准确测量，仅依靠人工测量无法保障测量的准确性。机器视觉技术不仅在工件检测中发挥着重要作用，也在工件测量中发挥着重要作用，机械制造企业可以利用机器视觉技术进行工件测量。具体应用如下。

（1）明确机器视觉技术在工件测量中的应用方法。在工件测量中应用机器视觉技术时需要先固定工件位置，明确工作位置与CCD摄像机之间的距离，再利用摄像机进行拍摄与扫描，再对图像信息进行综合处理，根据处理结果判断工件质量。在应用机器视觉技术时，机械制造企业需要坚持先易后难的原则，降低测量难度。若工件结构复杂就需要先进行分解处理，再进行测量。其次，机械制造企业可以将光学投影技术与机器视觉技术同时应用在工件测量中，利用光栅等设备增强工件测量的精准性。

（2）利用机器视觉技术进行定制工件的测量。对定制工件进行测量属于逆向工程测量，对测量技术手段的要求较高。在测量过程中，测量人员需要先获取工件数据，之后构建三维立体坐标，并利用CAD以及CAM等软件系统对图像信息进行有效处理，最后利用CNC等加工软件构建工件三维模型。三维模型的构建会受到工件测量数据准确性的影响，所以测量人员可以将机器视觉技术应用在工件测量中，从而增强测量数据的精准性。在逆向工程测量中应用机器视觉技术主要是在三角法的基础上利用光、线测量工件的轮廓，并反映出不同的条纹，之后测量人员就可以根据条纹信息进行工件轮廓分析。但是，在利用CCD摄像机提取工件图像信息时需要进行视频信号、模拟信号以及数字信号的转换，之后需要将信息传输给处理系统，从而获取高精度的工件模型。

（3）将机器视觉技术应用在不同的测量任务中。机械制造企业可以将机器视觉技术应用在精密测量、磨损测量以及预调测量等任务中，提高测量结果的价值。首先，机械制造企业可以利用机器视觉技术进行精密测量。在测量时，测量人员需要利用机器视觉设备对工件进行定位和参数提取，准确勾勒工件的轮廓。同时，机器视觉技术可以在短时间内进行多次测量，有利于增强测量的精密性。其次，机械制造企业可以利用机器视觉技术进行磨损测量。在传统的磨损测量中，测量人员需要拆装工件，不仅会消耗大量的时间，也可能会损坏工件，且测量结果会受到人为主观因素的影响。利用机器视觉技术可以在不拆装工件的基础上对工件的磨损情况进行测量，并通过数字模型展现工件的磨损情况。此外，机械制造企业可以利用机器视觉技术进行预调测量。预调测量对测量人员的专业素养有较高的要求，利用机器视觉技术有利于降低预调测量的难度。

3.3 在焊接机器人中的应用

焊接机器人指的是进行焊接的工业机器人（图3），具有可重复编程、用途多等特点。在计算机技术、数控技术、电子技术、人工智能技术不断发展的过程中，焊接机器人越来越成熟，且具有多重优点。例如，应用焊接机器人有利于提高焊接质量、提高劳动生产率、将工作人员从危险的环境中解放出来、降低焊接难度。在焊接机器人中应用机器视觉技术可以提升焊接机器人的视觉能力，继而提高焊接准确性。焊接机器人的视觉能力是由一维传感、二维传感以及三维传感共同构成的，可以利用接收光电单位对一维传感组件进行检测；利用机电设备对二维传感组件进行平面扫描；通过一维传感信息与二维传感信息获取三维传感信息。在焊接机器人中应用机器视觉技术主要是应用CCD摄像机、红外线摄像仪器以及射线探伤仪器，有利于优化焊接机器人的性能。应用机器视觉技术可以利用CCD摄像机获取焊接图像数据，例如熔池形状数据等，之后进行数据信息的分析和处理，对数据进行精准分配，再利用焊接机器人中的其他设施进行自动焊接，从而控制焊接误差[5]。近年来，无论是汽车行业还是航天行业都对机械制造提出了更高的要求，而焊接是机械制造的关键环节，在焊接过程中不能出现任何问题。因此，机械制造企业应提高对机器视觉技术的重视程度，分析如何在焊接机器人中应用机器视觉技术。同时，机械制造企业也需要制定技术应用标准与规范，利用先进技术代替人工焊接，保障工作人员的人身安全。