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1 機(jī)器視覺(jué)簡(jiǎn)介

    機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)比較結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

    人們運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是為了提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線自動(dòng)化程度，尤其在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人眼難以滿足要求的場(chǎng)合，同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺(jué)易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。與機(jī)器視覺(jué)關(guān)聯(lián)的學(xué)科有圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別、人工智能、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等。

2 西門(mén)子機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

    西門(mén)子機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)屬于嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)，分為VS100系列和VS700系列。VS100系列是專(zhuān)用型視覺(jué)產(chǎn)品，SIMATIC VS 100 系列視覺(jué)系統(tǒng)用于特定的圖像處理任務(wù)。SIMATIC VS 110用于輪廓檢測(cè)；SIMATIC VS 120用于目標(biāo)查找和搜索；SIMATIC VS 130適合二維碼的檢測(cè)。

    SIMATIC VS 700 系列通用視覺(jué)系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)和質(zhì)量控制。這種通用系統(tǒng)可以通過(guò)編程完成圖像采集、圖像處理、負(fù)載驅(qū)動(dòng)以及聯(lián)網(wǎng)通訊（通過(guò)PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)）等功能，非常適宜于在一個(gè)測(cè)試循環(huán)中完成許多的測(cè)試任務(wù)。新型VS720生產(chǎn)線專(zhuān)門(mén)用于處理更為復(fù)雜的任務(wù)，比如圖像捕捉、圖像加工、最終結(jié)果的生成以及通信都是結(jié)合在一個(gè)緊湊的過(guò)程中的，是在一個(gè)檢測(cè)周期進(jìn)行幾種檢測(cè)任務(wù)的理想方案。

    VS721 CMOS和VS722基本型代表了適用于大批"常規(guī)"任務(wù)、較為經(jīng)濟(jì)的解決方案。而帶有CMOS攝像頭的VS721，特別適用于精度要求不是非常高而價(jià)格比較經(jīng)濟(jì)的場(chǎng)合。VS723是一臺(tái)用于高速攝影的攝像機(jī)，例如包裝技術(shù)領(lǐng)域，以及眾多需要執(zhí)行性能檢測(cè)任務(wù)的領(lǐng)域，例如表面檢測(cè)。VS724是高分辨率傳感器，提供高達(dá)130萬(wàn)像素，能拍攝非常詳細(xì)的圖像，因此非常適合需要高精度的檢測(cè)任務(wù)。VS725彩色傳感器系統(tǒng)具備分析色彩和檢測(cè)特定色彩值的能力，因此可以通過(guò)彩色碼，安全、可靠地區(qū)分零部件，檢測(cè)標(biāo)簽的打印色或是識(shí)別膠珠。

    VS720系列中的傳感器提供1個(gè)集成以太網(wǎng)接口和8個(gè)可自由配置的數(shù)字輸入、輸出端。攝像機(jī)可以很容易地通過(guò)以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，并接受幾乎任何一臺(tái)PC機(jī)的訪問(wèn)，因此極大地簡(jiǎn)化了設(shè)備的維護(hù)和診斷。VS鏈接接口模塊可以在一臺(tái)監(jiān)視器顯示幾個(gè)攝像機(jī)所拍攝的圖像。也可以通過(guò)PROFIBUS與連接模塊相連，這樣可以省去用做監(jiān)測(cè)功能的另外的PC機(jī)。而且，由工業(yè)以太網(wǎng)提供的帶寬，能使質(zhì)量數(shù)據(jù)和故障圖像快速在外部設(shè)備上做備份。

    作為VS720系列傳感器的組態(tài)軟件SPECTATION提供了多種檢測(cè)功能算法，通過(guò)非常友好的界面來(lái)建立定制圖像處理解決方案，當(dāng)無(wú)視覺(jué)傳感器在線連接時(shí)，也可以使用仿真器來(lái)進(jìn)行組態(tài)。

3 工藝描述

    在某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)合資生產(chǎn)廠擴(kuò)容新建的裝配車(chē)間中，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，決定采用VS722來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體號(hào)碼打刻質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完成后的外觀檢查。

3.1 缸體打刻號(hào)碼檢查工位

    缸體打刻號(hào)碼檢查工位位于缸體標(biāo)簽打刻工位的后面，主要功能是通過(guò)VS722拍照檢查缸體標(biāo)簽打刻的質(zhì)量和號(hào)碼正確與否。圖1顯示的是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及打刻號(hào)碼。缸體共有兩大系列：FR（打刻面在左邊）和FF（打刻面在右邊）系列，共有97種不同的型號(hào)，在本工位需要系統(tǒng)自動(dòng)讀取被檢測(cè)缸體的型號(hào)，以便進(jìn)行比較。

3.2 總成后的發(fā)動(dòng)機(jī)外觀檢查工位

    發(fā)動(dòng)機(jī)外觀檢查工位位于外裝線的線尾端，在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完成之后，利用五個(gè)VS722傳感器分別從頂部和左右兩側(cè)拍照檢查，在左右兩側(cè)各裝兩個(gè)傳感器，工件進(jìn)入工位之后通過(guò)定位抬起首先進(jìn)行信號(hào)識(shí)別，然后開(kāi)始拍照，然后再旋轉(zhuǎn)90度再次拍照。這樣保證將發(fā)動(dòng)機(jī)的前后左右四個(gè)方向都能檢查到。

    總共有97種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，每種發(fā)動(dòng)機(jī)的檢查項(xiàng)目大致有：放水塞是否漏裝, 發(fā)動(dòng)機(jī)吊鉤是否漏裝, 機(jī)油尺是否漏裝, 通氣軟管漏裝, 出水接頭誤裝, 隔熱罩螺栓漏裝, 機(jī)油冷卻軟管是否漏裝, 氧傳感器是否誤裝（線束黑色或灰色）等。

4 系統(tǒng)工作原理

4.1 VS722與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊

視覺(jué)傳感器VS722與PLC之間的數(shù)據(jù)傳遞可以通過(guò)三種方式：

  §   VS722提供了8DI/DO的硬件接口，可以與PLC硬件連接實(shí)現(xiàn)拍照觸發(fā)指令，結(jié)果返回等簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳遞。

  §   通過(guò)PROFIBUS 或以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)VS722與PLC之間簡(jiǎn)單通訊，這種通訊方式使用標(biāo)準(zhǔn)通訊功能塊FC72，通過(guò)VS LINK 用PROFIBUS總線方式 能實(shí)現(xiàn)28K字節(jié)的通訊，通過(guò)以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)60K字節(jié)的通訊。在這次應(yīng)用中VS722和PLC之間的通訊就是通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)的。

  §   如果數(shù)據(jù)通訊要求更高可以選擇增強(qiáng)型通訊，通過(guò)PROFIBUS 可以用背景腳本映射虛擬I/O的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；如果要用以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型數(shù)據(jù)通訊，可以選用兩種驅(qū)動(dòng)模式：系統(tǒng)/數(shù)據(jù)連接驅(qū)動(dòng)和背景腳本觸發(fā)。

    總之，VS722提供的通訊方式非常靈活方便，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)數(shù)據(jù)通訊量、實(shí)時(shí)反饋速度要求、項(xiàng)目成本等實(shí)際情況來(lái)選用合適的通訊方式。

4.2 缸體打刻號(hào)碼的識(shí)別

    如圖2所示，缸體打刻檢查控制系統(tǒng)由主控PLC、VS722、ELS、TP170B以及RFID讀寫(xiě)識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成。VS722與PLC的信息傳遞通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

    為實(shí)現(xiàn)號(hào)碼的識(shí)別，需要在SPECTATION軟件中進(jìn)行編程，創(chuàng)建一個(gè)PRODUCT下載至VS722中，在PRODUCT 里定義了16個(gè)OCR軟傳感器（圖5），在每個(gè)OCR傳感器中要對(duì)需要識(shí)別的所有字符進(jìn)行示教，在每次拍照完成后，OCR傳感器的識(shí)別的結(jié)果傳至PLC,而且整個(gè)PRODUCT的結(jié)果通過(guò)編寫(xiě)一個(gè)腳本對(duì)所有的OCR軟感器的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行總的分析判斷后輸出至PLC。主控PLC在收到各個(gè)OCR傳感器輸出的結(jié)果后，對(duì)每個(gè)結(jié)果進(jìn)行判斷，如果傳感器結(jié)果為PASS，PLC將存儲(chǔ)該傳感器識(shí)別出來(lái)的字符，如果結(jié)果為FAIL，則不存儲(chǔ)。如果通過(guò)腳本輸出的PODUCT運(yùn)行結(jié)果為FAIL，表明仍有OCR傳感器字符識(shí)別沒(méi)成功，將繼續(xù)進(jìn)行下次拍照，直至PRODUCT運(yùn)行結(jié)果為PASS。如果識(shí)別出來(lái)的號(hào)碼和M/P存儲(chǔ)體中信息一致，則該工件打刻合格，工件隨即進(jìn)入下一工位。如果VS722識(shí)別的號(hào)碼和M/P存儲(chǔ)體中讀取的信息不一致，將再進(jìn)行一次拍照檢查，如果經(jīng)過(guò)5次在不同光線條件下的拍照檢查后仍未成功，則意味著此次檢測(cè)失敗，系統(tǒng)聲光報(bào)警提示操作人員檢查確認(rèn)缸體打刻是否確實(shí)有質(zhì)量問(wèn)題。VS722識(shí)別出來(lái)的實(shí)際號(hào)碼同時(shí)顯示在TP170B上。

 
4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件錯(cuò)裝漏裝的實(shí)現(xiàn)

    發(fā)動(dòng)機(jī)外觀檢查工位由主控PLC (CPU313-PtP),VS722,ELS以及用戶指定的OMRON的RFID讀寫(xiě)系統(tǒng)構(gòu)成。VS722與PLC的信息傳遞通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)的上位軟件采用WINCC。

    發(fā)動(dòng)機(jī)工件進(jìn)入工位，定位抬起上升到位后開(kāi)始拍照，左右各有2個(gè)VS722傳感器，頂部有一個(gè)傳感器開(kāi)始拍照，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩個(gè)面相應(yīng)的項(xiàng)目進(jìn)行檢查。在拍照檢查完成之后，轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)90度，到位后傳感器再次拍照，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)另外兩個(gè)面相應(yīng)的項(xiàng)目檢查。每個(gè)傳感器對(duì)比檢查不同的部件，如果發(fā)現(xiàn)有工件與標(biāo)準(zhǔn)圖像不同將發(fā)出報(bào)警，同時(shí)WINCC畫(huà)面上將不合格項(xiàng)對(duì)應(yīng)的圖片自動(dòng)彈出。由于已將VS722拍攝的圖像顯示畫(huà)面集成在WINCC軟件中，如果出現(xiàn)不合格項(xiàng)將自動(dòng)捕捉實(shí)時(shí)畫(huà)面，由操作人員根據(jù)畫(huà)面或?qū)嵨镞M(jìn)行最終檢查確認(rèn)。

    對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件錯(cuò)裝漏裝的檢查，SPECTATION提供了下列軟傳感器，特征值（Feature Count）、邊沿計(jì)數(shù)（Edge Count）目標(biāo)發(fā)現(xiàn)（Object Find）、模板匹配（Template Match），計(jì)算工具（Math Tools）。針對(duì)不同的檢查部位，根據(jù)不同 的圖像特征選擇合適的軟傳感器進(jìn)行檢測(cè)。下圖顯示的是用特征值計(jì)數(shù)傳感器檢測(cè)氧傳感器線束顏色的像素示意圖。

5 結(jié)束語(yǔ)

    在此次項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，我們深深體會(huì)到，如果要讓機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)揮最佳效果，有三個(gè)基本要素缺一不可：選擇合適的光源，設(shè)計(jì)理想的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)視覺(jué)傳感器正確合理的編程。

    在VS722使用在該發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線之前，所有的相關(guān)檢測(cè)都需要設(shè)置人工工位由工人肉眼來(lái)完成，由于工作量大、內(nèi)容枯燥，非常容易出現(xiàn)人為錯(cuò)判、漏判的現(xiàn)象，由此出現(xiàn)的質(zhì)量事件曾經(jīng)給用戶造成很大的負(fù)面形象。此次采用了西門(mén)子機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)后取消了相關(guān)的人工崗位，大大提高了工作效率，并保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。