1 機(jī)器視覺簡(jiǎn)介
機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(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)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(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 西門子機(jī)器視覺系統(tǒng)
西門子機(jī)器視覺系統(tǒng)屬于嵌入式視覺系統(tǒng)，分為VS100系列和VS700系列。VS100系列是專用型視覺產(chǎn)品，SIMATIC VS 100 系列視覺系統(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 系列通用視覺系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)過程中的質(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)線專門用于處理更為復(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，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
在某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)合資生產(chǎn)廠擴(kuò)容新建的裝配車間中，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)入工位之后通過定位抬起首先進(jìn)行信號(hào)識(shí)別，然后開始拍照，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
視覺傳感器VS722與PLC之間的數(shù)據(jù)傳遞可以通過三種方式：
 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VS LINK 用PROFIBUS總線方式 能實(shí)現(xiàn)28K字節(jié)的通訊，通過以太網(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讀寫識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成。VS722與PLC的信息傳遞通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。


進(jìn)入工位的缸體攜帶M/P存儲(chǔ)卡，卡中存有缸體號(hào)碼信息，PLC通過串口利用RFID讀寫器從存儲(chǔ)卡中讀取號(hào)碼信息，并在觸摸屏TP170B上顯示出來(lái)。PLC通過讀取的號(hào)碼信息判斷是需要啟動(dòng)左邊或者右邊的傳感器進(jìn)行拍照，圖4顯示了拍照的實(shí)物圖像，VS722完成拍照后馬上進(jìn)行字符識(shí)別。


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。
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讀寫系統(tǒng)構(gòu)成。VS722與PLC的信息傳遞通過以太網(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始拍照，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)畫面，由操作人員根據(jù)畫面或?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)施過程中，我們深深體會(huì)到，如果要讓機(jī)器視覺系統(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。此次采用了西門子機(jī)器視覺系統(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。