機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造及其自動(dòng)化中的應(yīng)用

楊樹(shù)軍 蘇世卿

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南省新鄉(xiāng)市 453006）

近年來(lái)，基于普遍應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的影響下，有關(guān)技術(shù)體系愈加成熟。通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品能夠減小機(jī)械生產(chǎn)的人工成本，并且提升生產(chǎn)質(zhì)量和效率，引導(dǎo)企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益。然而，縱觀(guān)自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀而言，當(dāng)今機(jī)械制造領(lǐng)域的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用仍然面臨很大的缺陷，其中人為因素是造成相關(guān)問(wèn)題的主導(dǎo)因素。想要很好地優(yōu)化這種現(xiàn)狀，機(jī)械制造務(wù)必緊跟社會(huì)發(fā)展的節(jié)奏，清楚機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的價(jià)值，以機(jī)械制造技術(shù)進(jìn)行機(jī)械制造生產(chǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造自動(dòng)化水平的深入提升，奠定我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的良好基礎(chǔ)。下面，筆者主要對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及其在機(jī)械制造自動(dòng)化中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要地闡述。

1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)概述

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)囊括了很多學(xué)科的技術(shù)，其中涵蓋圖像分析和處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物學(xué)、人工智能、物理學(xué)等[1]，此技術(shù)重點(diǎn)對(duì)人的功能視覺(jué)進(jìn)行模仿，在機(jī)械制造自動(dòng)化生產(chǎn)流水線(xiàn)上，視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合攝像機(jī)的錄制以及傳輸作用建構(gòu)線(xiàn)上物品為一定的形象，以及在處理系統(tǒng)中傳輸和處理信息，以填充物品圖案、亮度、色彩，然后在分析之后向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化，最終獲得相應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

機(jī)械制造自動(dòng)化對(duì)有關(guān)指令的執(zhí)行中存在一個(gè)十分關(guān)鍵的系統(tǒng)，即指揮系統(tǒng)，其執(zhí)行的指標(biāo)是監(jiān)測(cè)結(jié)果，然后做出其它的一些有關(guān)指令及實(shí)現(xiàn)控制操作。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性高、噪音小，盡管該技術(shù)比較復(fù)雜，可是在自動(dòng)化流水線(xiàn)生產(chǎn)中，只要求0.1s 的反應(yīng)時(shí)間[2]，因此具備十分高的效率。即使在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或復(fù)雜環(huán)境條件下也能夠有效應(yīng)用，其具備非常強(qiáng)的物品監(jiān)測(cè)和信息化處理能力?？傊?，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用，可以提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率?；诳萍嫉某掷m(xù)進(jìn)步，機(jī)械制造領(lǐng)域的智能化水平不斷提升，人們可以應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)優(yōu)化機(jī)械制造自動(dòng)化過(guò)程。

2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造自動(dòng)化中的具體應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不斷進(jìn)步，機(jī)械制造自動(dòng)化中普遍地應(yīng)用此技術(shù)，其具體應(yīng)用如下所述。

2.1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造工件檢測(cè)中的應(yīng)用

（1）應(yīng)用工件表面缺陷的檢測(cè)。當(dāng)今在內(nèi)燃機(jī)、摩托車(chē)、汽車(chē)等制造領(lǐng)域應(yīng)用的主導(dǎo)檢測(cè)手段是人工目測(cè)，如此的手段勞動(dòng)強(qiáng)度大、精確度小、效率低。而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)精確性與規(guī)范性的提升。CCD 攝像技術(shù)可以對(duì)工件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)[3]，以及優(yōu)化管理零件表面質(zhì)量。例如，連桿結(jié)合面爆口以小于4mm2的坡口面積作為一般的檢測(cè)指標(biāo)，以及所有方向坡口的線(xiàn)性長(zhǎng)度應(yīng)小于3mm，在檢測(cè)時(shí)結(jié)合CCD 攝像技術(shù)和LED 漫反射光源可以協(xié)同檢測(cè)坡口范圍，光線(xiàn)照射工件表面之后向CCD 元件中反射，且形成電量信號(hào)。然后結(jié)合機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射與形成在CCD 元件上的圖像電量信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，在處理之后得到有意義的數(shù)據(jù)信息，最后二值化處理圖像以及對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與分析。以固有樣件作為參照，能夠應(yīng)用光源設(shè)定比對(duì)與灰度二值化閾值的處理方法[4]。在優(yōu)化光源亮度及處理二值化閾值之后再優(yōu)化處理灰度二值化閾值，以使機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)對(duì)象邊界分辨率提升，最終結(jié)合優(yōu)化之后光源亮度的邊界改變以及閾值形成的像素值取得檢測(cè)結(jié)果。

（2）激光機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。外國(guó)的一些汽車(chē)制造、電子制造、機(jī)械制造等行業(yè)業(yè)已成功地應(yīng)用激光機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的檢測(cè)。而我國(guó)結(jié)合激光技術(shù)與CCD 攝像技術(shù)成功研制了視覺(jué)傳感器，可以對(duì)物象的三維坐標(biāo)進(jìn)行精確檢測(cè)，且在七秒之內(nèi)檢測(cè)完汽車(chē)整體的輻射性，提高了100%的工作效率。

（3）應(yīng)用于金屬板面的檢測(cè)。金屬板被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造中，首先對(duì)金屬板進(jìn)行檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品精度的提升。以往檢測(cè)中應(yīng)用加控針需要跟金屬板面進(jìn)行直接的接觸，這樣會(huì)使金屬板存在劃傷的風(fēng)險(xiǎn)性。而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用遠(yuǎn)程攝像的方式勿需跟金屬板面直接接觸，不但提高了檢測(cè)的精確性，而且不再對(duì)金屬板進(jìn)行操作，并且可以對(duì)金屬板面綜合分析，且準(zhǔn)確記錄信息，以及在顯像儀上呈現(xiàn)檢測(cè)得到的三維圖像，引導(dǎo)工作者精準(zhǔn)定位金屬板瑕疵，且實(shí)時(shí)處理。

2.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造精密測(cè)量中的應(yīng)用

（1）應(yīng)用于零件尺寸的精密測(cè)量?；谟?jì)算機(jī)處理系統(tǒng)和CCD 攝像頭光學(xué)系統(tǒng)組成的檢測(cè)系統(tǒng)可以精密測(cè)量零件。首先在物象目標(biāo)檢測(cè)位置上照射光源的平行光束，應(yīng)用顯微光學(xué)鏡技術(shù)方式，可以在CCD 鏡面形成物象目標(biāo)邊緣輪廓的圖像，結(jié)合計(jì)算機(jī)處理的手段能夠獲得物象目標(biāo)邊緣輪廓，并且能夠重復(fù)測(cè)量存在物移的物象目標(biāo)的邊緣輪廓，以及對(duì)重復(fù)測(cè)量之后的輪廓差值進(jìn)行計(jì)算，以取得位移量，且充當(dāng)物象目標(biāo)尺寸值。當(dāng)在線(xiàn)檢測(cè)具備簡(jiǎn)單形狀、較小尺寸的物象目標(biāo)的工件時(shí)適宜應(yīng)用如此的技術(shù)。例如一系列電子接插件要求的生產(chǎn)效率和成品尺寸精確標(biāo)準(zhǔn)都比較高，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)0.01mm 級(jí)的成品尺寸精度。

（2）應(yīng)用于刀具磨損的精密測(cè)量。由于受到外界因素的嚴(yán)重影響，造成難以提高刀具磨損測(cè)量的精確性。在以往測(cè)量刀具磨損時(shí)先將刀具卸下，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)提高了測(cè)量工作的便捷性?？梢愿倪M(jìn)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，結(jié)合光纖技術(shù)將光源插入鏡頭周?chē)詼p小陰影形成的測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)夾具轉(zhuǎn)動(dòng)角度與范圍的提升及取像設(shè)備大小的降低，結(jié)合試驗(yàn)明確最為理想的光線(xiàn)照射角度和強(qiáng)度，且取得最優(yōu)拍攝視角，大大提升了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。結(jié)合刀具磨損前后面臨的橫向尺寸差對(duì)刀具磨損值進(jìn)行精確地計(jì)算，以在線(xiàn)測(cè)量簡(jiǎn)單幾何形狀的刀具，實(shí)現(xiàn)圖像處理過(guò)程的簡(jiǎn)化和測(cè)量信噪比的減小，從而提升測(cè)量速度與精度。

（3）應(yīng)用于工件預(yù)調(diào)測(cè)量。在以往應(yīng)用光學(xué)投影定位進(jìn)行工件預(yù)調(diào)測(cè)量、以光柵數(shù)顯表測(cè)量工件讀數(shù)，如此的測(cè)量技術(shù)要求投入較大的人力，并且需要具備較高的技術(shù)水平，工作效率也不高。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用可以生產(chǎn)先進(jìn)的預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x，從而有效統(tǒng)一計(jì)算機(jī)技術(shù)、光柵技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，這實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度與效率的提升、操作程序的簡(jiǎn)化。

（4）應(yīng)用于逆向工程的測(cè)量。逆向工程是結(jié)合3D 測(cè)量?jī)x測(cè)量一系列模型、樣品、工件等，取得輪廓坐標(biāo)值，建構(gòu)曲面且實(shí)現(xiàn)編輯和文件形式的轉(zhuǎn)換，且基于策略數(shù)據(jù)構(gòu)建三維坐標(biāo)圖，再結(jié)合加工得到要求的模具，也能夠結(jié)合迅速成型機(jī)生產(chǎn)樣品模型。最終模型的質(zhì)量保障在于準(zhǔn)確的三維測(cè)量數(shù)據(jù)。以CCD 光電技術(shù)和三角法能夠迅速測(cè)量輪廓視覺(jué)，而物象表面輪廓構(gòu)造的測(cè)量介質(zhì)是線(xiàn)結(jié)構(gòu)光。激光可穿越振幅光柵系統(tǒng)，要么結(jié)合干涉儀形成干涉條紋，然后轉(zhuǎn)換測(cè)量目標(biāo)為平面條紋構(gòu)造進(jìn)行投射，再結(jié)合條紋變形法生成改變值（物體表面深度和曲率）CCD 攝像系統(tǒng)提取條紋圖像之后能夠?qū)ξ矬w表面構(gòu)造改變進(jìn)行分析。結(jié)合機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以把取得的圖像自由地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、視頻信號(hào)[5]，且結(jié)合模擬信號(hào)數(shù)值予以像素化處理，讓圖像可以向三位模型或輪廓圖像轉(zhuǎn)換。如此的數(shù)字化處理方法可以通過(guò)很多像素的形式呈現(xiàn)計(jì)算機(jī)最后得到的圖像數(shù)據(jù)，各個(gè)像素具備特定坐標(biāo)，且對(duì)應(yīng)物體上的一系列點(diǎn)，結(jié)合灰度值表征像素。

2.3 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造工件定位中的應(yīng)用

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用可以精確地定位處理被加工零件，僅僅要求安裝攝像機(jī)就能夠在自動(dòng)化設(shè)備上自動(dòng)定位被加工零件，以及還能夠自動(dòng)卸料，切實(shí)使無(wú)人化操作實(shí)現(xiàn)，大大提升機(jī)械制造的自動(dòng)化水平。一般而言，定位精確受到攝像機(jī)像素以及數(shù)量、定位時(shí)間的影響，應(yīng)全面兼顧成本和定位需要應(yīng)用適宜數(shù)量的攝像機(jī)，這樣不但能夠?qū)崿F(xiàn)工作目標(biāo)，而且節(jié)省了成本支出。例如，確定定位時(shí)間為2s，應(yīng)用的攝像機(jī)像素為100 萬(wàn)，平面工作臺(tái)面積是300×300的條件下，使用1 個(gè)攝像機(jī)能夠達(dá)到0.1mm 的定位精度，而使用兩個(gè)攝像機(jī)能夠達(dá)到0.05mm 的定位精度，以及使用3 個(gè)攝像機(jī)能夠達(dá)到0.02mm 的定位精度?？傊?，有關(guān)工作者只要根據(jù)實(shí)際需要對(duì)定位精度進(jìn)行確認(rèn)即可。

2.4 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造機(jī)器人自動(dòng)焊接中的應(yīng)用

在很多領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)都具備非常關(guān)鍵的應(yīng)用作用，其可以提升自動(dòng)焊接效率，也可以確保焊接的安全系數(shù)的增加，焊接機(jī)器人可開(kāi)展可視化分析工作，并且感知焊接過(guò)程以及明確焊接位置等。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)器人自動(dòng)焊接中的應(yīng)用而言，其重點(diǎn)是結(jié)合圖像采集軟件進(jìn)行工作。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用可以提高機(jī)械制造的自動(dòng)化水平，以及在進(jìn)行焊接時(shí)，可以通過(guò)該技術(shù)檢測(cè)熔池形狀和控制熔透等，這都有利于順利地開(kāi)展焊接工作，且奠定之后生產(chǎn)工作的良好基礎(chǔ)。在目前，我國(guó)應(yīng)用的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)重點(diǎn)體現(xiàn)在汽車(chē)、航天等領(lǐng)域，這一系列領(lǐng)域?qū)C(jī)械制造的標(biāo)準(zhǔn)和要求比較高，要求各個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)格根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，即使面臨較小的失誤，也會(huì)造成最后結(jié)果狀態(tài)的不標(biāo)準(zhǔn)。而在焊接中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)具備非常重要的作用和無(wú)可替代的價(jià)值，可以用機(jī)器人焊接取代傳統(tǒng)的人工焊接，并且提升機(jī)器人焊接的精度和安全性，以及完善人工操作面臨的缺陷，例如在惡劣的環(huán)境狀況下，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以獲取一維到三維的數(shù)據(jù)[6]，這都是人工方式難以完成的操作，并且機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能夠有效整合獲取的數(shù)據(jù)，以服務(wù)于機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)工作，切實(shí)使機(jī)器人自動(dòng)焊接實(shí)現(xiàn)，保障生產(chǎn)的正常開(kāi)展。當(dāng)然，機(jī)器人焊接工作還要求我們進(jìn)一步探究，在機(jī)器人焊接中應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也存在一些難以攻克的難題，有關(guān)工作者需要不斷摸索和實(shí)驗(yàn)，提高應(yīng)用的智能化水平以及可控性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

綜上所述，基于科技的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不斷進(jìn)步，其被普遍地應(yīng)用于機(jī)械制造自動(dòng)化中，通過(guò)上述機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)械制造工件檢測(cè)、精密測(cè)量、工件定位、機(jī)器人自動(dòng)焊接中的應(yīng)用，能夠明確機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用，不但確保了機(jī)械數(shù)據(jù)收集和處理效率、質(zhì)量的提升，奠定了我國(guó)機(jī)械制造自動(dòng)化迅速發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，而且有利于其它新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此，有關(guān)工作者應(yīng)學(xué)習(xí)和掌握有關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步探究機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和完善技術(shù)體系，從而確保機(jī)械制造自動(dòng)化領(lǐng)域的穩(wěn)定與健康發(fā)展。