探索机器视觉技术在机械制造自动化中的应用

夏永青

【摘 要】随着现代科技的进步，机器视觉技术的应用日趋广泛，在多个领域中都发挥出重要作用，机器视觉技术是通过运用计算机技术来模拟人的视觉系统，它的最大优点在于运行速度快、信息量大、功能多。近年来，机器视觉技术在机械制造行业中也获得了良好的发展，对机械制造自动化水平的提高起到了推动作用。

【关键词】机器视觉技术；机械制造；自动化；检测；应用

机器视觉技术通过对人类的视觉模拟，对物象进行识别，可以用于精密测量，在恶劣环境中实施监控，在生产中实时检测，极大的提高了工作效率，应用于机械制造自动化中，对机械制造自动化的发展具有重要意义。

一、机器视觉技术概述

机器视觉技术是一种利用计算机模拟人类的视觉功能提取物象信息，经过识别分析后实现精密测量、实际检测以及智能监控的技术。机器视觉系统利用CCD摄像机将具体物象转变为图像传输入处理系统，对图像的颜色、亮度、分布情况等信息进行综合分析，将这些信息转化为数字信号，再次进行特征分析判断，最终得出检测结果输出。指挥系统根据检测结果作为执行指标，根据结果做出相对相应的操作指示，进行实际动作控制。该技术具有工作速度快、运行噪声低、测量精准度高、作业灵敏、运用灵活等优点，并且工作时间持久，能够适应更重环境，物象数据信息化处理程度高。

二、机械制造自动化中的应用

1、在工件检测中的应用

机器视觉技术能够探测部件表面缺陷。机械加工、内燃机、摩托车以及汽车制造等领域的生产方式均为大批量机械生产，由于数目过大，在进行技术标准检测过程中，若使用人工检测方式，则必须花费大量人力资源以及时间，由于检查人员的技术水平参差不齐，且容易受到疲劳、粗心、视觉分辨等人为因素影响，检测过程缺乏规范化，检测结果不够准确，无法达到准确监控，影响到产品出产品质。机器视觉技术能够弥补人工检测出现的各项不足，对部件表面缺陷进行有效探测，节约人力资源，提高检测结果的准确性，对产品质量实现有效控制。较为典型的实例为连杆结合面爆口检测，结合面破口线性长度不超过2.5mm（方向任意）或结合面破口面积不超过3mm2即为合格。机器视觉检测系统在工件破口区域进行LED漫反射照射（设定照射形状为方框式），利用光电耦合CCD元件将反射图像转化为电量信号，处理系统结合图像以及电量信号进行综合分析计算后得出数据结果。在应用过程中，系统采取对比形式设定灰度二值化光源以及阔值，就是使用标准工件设定为参照物，分析得出各种数值后作为数据标准，进行待测工件检测。目前，国外关于使用机器视觉技术的激光机器视觉检测系统已经成功在机械加工、汽车制造、电子生产等领域中应用。许多国家投入资源进行该技术的应用研究，并取得理想成果。北美汽车工业研究院关于BIN-PICKING研究成果为：结合模型数据与三维成像进行识别判断，准确定位成像最佳点，能够在7秒内完成激光雷达扫描工件箱。我国研制的激光视觉检测系统中，利用CCD技术、激光技术作为视觉传感器，能够准确测量物象的三围坐标，能够在7秒内将整个汽车车身检测完毕，工作效率提高100%。

2、在工件测量中的应用

1）机器视觉技术能够对零件进行精密测量，检测系统包括计算机处理系统、CCD摄像头以及光学系统，工作原理为：通过在需测量零件照射平行光束提供光源，利用显微光学镜放大零件边缘轮廓后再使用CCD摄像头成像输入计算机处理系统进行成像数据处理，得出零件边缘轮廓的精确位置。若想获取位移量，仅需将测量零件进行位移后再次进行测量，计算出两次结果之差，若在测量过程中，被测零件两条边缘轮廓线出现在同一成像中，该位移量则为被测零件的相应尺寸。该系统对于大批量生产零件的测量检查，特别是形状简单、体积较小的零件测量检查十分具有优越性。

2）机器视觉技术能够进行工件预调测量。以往的工件预调测量方式是使用光学投影进行定位，使用光栅数显表进行测量读数，该种方式技术水平要求高，且耗费人力资源较多，工作效率却难以提高。新型预调测量仪将传统的测量方法与机器视觉技术相结合，即在光栅技术基础上加入自动控制技术、计算机系统处理技术、机器视觉技术，颠覆以往的预调测量方式，简化了操作流程，极大程度上提高了工作效率以及测量精度。

3）逆向工程中的工件测量。逆向工程是指利用测量仪对定制工件进行测量，根据测量数据建立三维坐标图后使用CAD/CAM系统进行图像加工，最后由CNC加工机完成模型。其中测量数据的精确度决定了模型质量，在逆向工程中起到关键作用。随着科技的发展，机器视觉技术被用于逆向工程工件测量中，即目前的快速轮廓视觉测量技术，该技术的建立基础为三角法，利用线结构光进行工件表面的轮廓测量。在工件表面投射平面条纹结构光，形成不同的条纹变形，进行工件表面轮廓变化分析。其中，CCD在進行条纹图像摄取时，经过三次信号转后才进行保存，即视频信号——模拟信号——数字信号。同时将存储信息输出至监视器，使用计算机处理系统进行图像处理，最终得出工件模型图。

4）机器视觉技术能够进行工件磨损度测量。由于受到各种因素限制，许多工件难以进行磨损度测量，例如在进行高速切割机的道具磨损度测量时，必须拆卸下刀具，增加了测量难度。因此可利用机器视觉技术进行磨损度测量，避免了刀具拆装的程序，简化了测量过程。

3、在焊接机器人中的应用

机器视觉技术在机器人焊接中的应用，是指利用X光探伤仪、红外摄像仪、CCD摄像机等处理技术使焊机具备视觉功能，从而提高机器人焊接质量。视觉功能包括一维传感、二维传感以及三维传感三种传感，一维传感的检查组件为一个或多个光电接收单位，即单光电；二维传感的平面陈列成像通过电或机械扫描获取；通过对多个一维或二维传感信息数据的综合处理，可获得三维传感。由于焊接工作危险系数大，许多操作无法实现人为直接操作，一些工作环境也无法直接进行人工作业。例如核辐射环境、水下、熔池、溶液飞溅等环境。机器视觉技术的应用弥补了人工作业的不足，能够进行熔池数据的实时提取，在弧光飞溅且强烈的情况下实现焊缝图像的提取，对焊接性能、焊接结构以及焊接组织进行预测，确保焊接质量。目前，该技术在熔池形状、焊道形貌检测，焊道控制、熔透控制，焊缝跟踪得到推广应用，进一步提高了机器人焊接的智能化、自动化程度。由于焊接过程复杂、视觉系统应用造价高等问题，目前机器视觉技术在机器人焊接中的应用难以实现大规模普及应用，还需进行深入研究，进一步了解该系统的实时性、可靠性、智能性、可控性以及精确性等。其中对于焊缝熔透控制、焊缝跟踪、焊接路径规划、焊炬位姿调节、焊接参数优化以及接头特征识别等方面的机器视觉技术应用研究，均取得了卓越成效。目前，已经有实力雄厚的企业进行机器视觉技术焊接机器人的开发，相较于以往的焊接机器人，机器视觉技术焊接机器人性能更

为优越，功能也更为强大，应用领域更为广泛，发展前景值得期待。目前机器视觉技术焊接机器人已经在管道、航天、汽车等领域的焊接生产中得到应用，并取得良好成效。

三、结束语

综上所述，由于机械制造行业对机器视觉技术的需求越来越大，应用范围正逐步扩大，对于该技术的要求也不断提高，直接催动了机器视觉技术的发展。各国十分重视该项技术的发展研究，投入大量资源进行研究。基于这样的发展形势下，机器视觉技术已不能局限于单纯的采集数据、分析处理以及结果判定，未来的发展方向应更具开放性，与自动化紧密融合是目前该项技术的必然发展趋势，并且随着技术的不断发展与进步，最终实现机械制造的智能化。

参考文献：

[1]张建中，何永义，李军.机器人装配视觉定位应用研究[J].机电工程，2011（08）.

[2]刘朝营，许自成，闫铁军.机器视觉技术在烟草行业的应用状况[J].中国农业科技导报，2011（04）.

[3]刘金桥，吴金强.机器视觉系统发展及其应用[J].机械工程与自动化，2010（01）.