机器视觉测试系统

*山东大学青年基金资助项目收稿日期:2003年12月

机器视觉测试系统*

马金奎1 路长厚1 程 英2

1山东大学 2中国重汽济南卡车公司桥箱厂

摘 要:介绍了机器视觉测试系统的组成、分类及工作原理,列举了机器视觉测试系统在工业在线检测生产中的一些应用实例,阐明了机器视觉测试系统在现代工业自动化生产中应用的重要性。

关键词:机器视觉系统, CCD传感器, CAT

Overview of Machine Visual Test System

Ma Jinkui Lu Changhou Cheng Ying

Abstract:The composition,classification and working principle of the machine visual test system are introd uced.Some ap plication examples of the machine visual test system used in industrial on line detection are given and the importance of the ma chine visual test system used in modern industrial automation is explained.

Keywords:machine visual test sys tem, CCD sensing device, CAT

1 引言

现代工业自动化生产中涉及到各种各样的检验、生产监视和零件识别应用,如汽车零配件批量加工的尺寸检查和自动装配的完整性检查、电子装配线的元件自动定位、IC上的字符识别等。通常这种带有高度重复性和智能性的工作是由肉眼来完成的,但在某些特殊情况下,如对微小尺寸的精确快速测量、形状匹配以及颜色辨识等,依靠肉眼根本无法连续稳定地进行,其它物理量传感器也难以胜任。人们开始考虑用CCD照相机抓取图像后送入计算机或专用的图像处理模块,通过数字化处理,根据像素分布和亮度、颜色等信息来进行尺寸、形状、颜色等的判别。这种方法是把计算机处理的快速性、可重复性与肉眼视觉的高度智能化和抽象能力相结合,由此产生了机器视觉测试技术的概念。

视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同,视觉测试技术重点研究的是物体的几何尺寸及物体的位置测量,如轿车白车身三维尺寸的测量、模具等三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量以及共面性测量等,它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。视觉测试技术在国外发展很快,早在20世纪80年代,美国国家标准局就曾预计未来90%的检测任务将由视觉测试系统来完成。因此仅在80年代,美国就有100多家公司跻身于视觉测试系统的经营市场,可见视觉测试系统确实很有发展前途。在近几届北京国际机床展览会上已经见到国外企业展出的应用视觉检测技术研制的先进仪器,如流动式光学三坐标测量机、高速高精度数字化扫描系统、非接触式光学三坐标测量机等。

2 机器视觉测试系统构成、分类及工作原理

2.1 系统构成与工作原理

(1)系统构成

典型的视觉系统一般包括光源、镜头、C CD照相机、图像处理单元(或图像采集卡)、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。

(2)工作原理

视觉系统的输出并非图像视频信号,而是经过运算处理之后的检测结果(如尺寸数据)。通常,机器视觉测试就是用机器代替肉眼来做测量和判断。首先采用CCD照相机将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,如:面积、长度、数量、位置等。最后,根据预设的容许度和其他条件输出结果,如:尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等。上位机(如PC和PLC)实时获得检测结果后,指挥运动系统或I/O系统执行相应的控制动作(如定位和分类)。

2.2 系统分类

从视觉系统的运行环境分类,可分为PC B ASED 系统和PLC BASED系统。基于PC的系统利用了其开放性、高度的编程灵活性和良好的Windows界面,

同时系统总体成本较低。PC Based系统内含高性能图像采集卡,一般可接多个镜头,并提供库函数支持。目前世界一流的PC Based视觉系统生产厂商美国Data Translation公司,其MAC H系列(如DT3155)和MV系列PCI工业视觉卡已经成为业界标准;配套软件方面,32位SDK for Windows95/98/NT 提供C/C++编程用DLL,DT Active Open Layer可视化控件提供VB和VC++下的图形化编程环境,而DT Vision Foundry则是Windo ws下面向对象的机器视觉组态软件,用户可用它快速开发复杂高级的应用。类似的还有美国NI公司,该公司将机器视觉和运动控制功能与其被广泛应用的Labview虚拟仪器软件相结合,效果显著。

与美国公司大力发展PC结构相比,日本和德国公司在PLC Based系统方面走在前列。在PLC系统中,视觉的作用更像一个智能化的传感器,图像处理单元独立于系统,通过串行总线和I/O与PLC交换数据。日本松下公司的I mage Checker M100/M200系统可说是这方面的代表。该系统利用高速专用ASIC进行256级灰度检测,带逻辑条件和数学运算功能。系统软件固化在图像处理器中,通过类似于游戏键盘的简单装置对显示在监视器中的菜单进行配置,开发周期短,系统可靠性高,其新一代产品A110/A210体现了集成化、小型化、高速化和低成本的特点。欧姆龙、Keyence等公司也有类似的系统,但在技术性能上相对简单,更适用于进行有无判别或形状匹配等。

而德国Siemens公司的智能化PROFIB US工业视觉系统SI MATIC VS710提供了一体化的、分布式的高档图像处理方案,它将处理器、CCD、I/O集成在一个机箱内,提供PROFIB US的联网方式或集成的I/O和RS232接口,更重要的是通过PC WINDOWS 下的Pro Vision软件进行组态。VS710第一次将PC 的灵活性、PLC的可靠性、分布式网络技术和一体化设计结合在一起,使得西门子在PC和PLC体系之间找到了完美的平衡。

3 机器视觉测试系统的典型应用领域及市场现状

现代视觉理论和技术的发展,不仅在于模拟人眼能完成的功能,更重要的是它能完成人眼所不能胜任的工作。在当今电子、光学和计算机等技术不断成熟和完善的基础上,视觉技术这个新兴技术门类也得到迅速发展。

机器视觉的特点是自动化、客观性、非接触和高精度。与一般意义上的图像处理系统相比,机器视觉系统强调的是精度、速度以及工业现场环境下的可靠性。机器视觉特别适用于大批量生产过程中的质量检查,如:零件装配完整性、装配尺寸精度、零件加工精度、位置/角度测量、零件识别、特性/字符识别等,主要应用于包括汽车、制药、电子与电气、制造、包装、食品、饮料、医学等领域,用于对汽车仪表盘加工精度的检查、高速贴片机上对电子元件的快速定位、对管脚数目的检查、IC表面印字符的辨识、胶囊生产中对胶囊壁厚和外观缺陷的检查、轴承生产中对滚珠数量和破损情况的检查、食品包装上对生产日期的辨识、对标签贴放位置的检查以及医疗方面对细胞数量和性质的判断等。

由于机器视觉系统可以快速获取大量信息,易于自动处理,也易于与设计信息以及加工控制信息集成,因此,在现代自动化生产过程中,机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度,在一些不适合人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合,采用机器视觉来替代人工视觉;同时在大批量工业生产过程中,用人工视觉检查产品质量不仅效率低而且精度不高,而用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度;此外,机器视觉易于实现信息集成,是实现计算机集成制造的基础技术。国际上视觉系统的应用方兴未艾,仅1998年的市场规模已达46亿美元,而在国内,工业视觉系统尚处于概念导入期,各行业的领先企业在解决了生产自动化的问题以后,才开始将目光转向视觉测量自动化。

4 机器视觉测试系统在检测方面的应用

机器视觉系统在工业在线检测的各个领域得到广泛应用。

(1)大型工件平行度、垂直度测量

采用激光扫描与CC D探测系统的大型工件平行度、垂直度测量仪,它是以稳定的准直激光束为测量基线,配以回转轴系,旋转五角标棱镜扫出互相平行或垂直的基准平面,并将其与被测大型工件的各面进行比较。在加工或安装大型工件时,可用该认错器测量面间平行度及垂直度。

(2)热轧螺纹钢几何参数在线动态检测系统

该系统以频闪光作为照明光源,利用面阵和线