杜婷婷

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)表明，電器工業(yè)行業(yè)在十一五期間得到了快速發(fā)展。“十一五”期間，全行業(yè)實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值（當(dāng)年價）10768.44億元，工業(yè)銷售產(chǎn)值10517.27億元；2009年實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值28329.77億元，工業(yè)銷售產(chǎn)值27463.16億元。四年中，工業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)銷售產(chǎn)值分別增長了1.3倍之多，年平均增長達32%[1]。從“十二五”規(guī)劃建議及國家電網(wǎng)招標(biāo)情況看，智能電網(wǎng)建設(shè)包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度，預(yù)計在未來5年迎來建設(shè)投資高峰，將帶來超過6200億元的電力設(shè)備需求。由此可見，電器工業(yè)的迅猛發(fā)展為我國經(jīng)濟發(fā)展的穩(wěn)步潛行提供了有利保障。同時，我們也必須看到行業(yè)在發(fā)展中存在的不足：經(jīng)營管理模式落后、設(shè)備落后，面對危機反應(yīng)緩慢，新產(chǎn)品開發(fā)嚴(yán)重滯后等影響著行業(yè)中企業(yè)的發(fā)展。

行業(yè)的發(fā)展必然要求適時進行技術(shù)改造，淘汰落后的制造設(shè)備，重點擬放在企業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝設(shè)備、在線檢測技術(shù)與自動檢測線、裝配技術(shù)與自動裝配線等。并且大力提高產(chǎn)品的一致性和可靠性，順應(yīng)形式、謀求發(fā)展。目前在斷路器行業(yè)中，新技術(shù)的應(yīng)用是發(fā)展的方向，例如機器視覺技術(shù)已應(yīng)用于整線的開距、超程檢測工位，提供準(zhǔn)確、實時的數(shù)據(jù)并網(wǎng)于整線網(wǎng)絡(luò)。并且在電器行業(yè)諸如檢測缺陷、檢測裝配的完整性、電器元件的尺寸檢查、條碼的識別、定位等得到了廣泛的應(yīng)用。機器視覺技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅降低檢驗成本，提高產(chǎn)品檢驗精度及生產(chǎn)效率，為企業(yè)提供智能的系統(tǒng)解決方案。

1 機器視覺技術(shù)

在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監(jiān)視和零件識別應(yīng)用，通常這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作只能由人眼來完成。然而有些時候，如微小尺寸的精確快速測量，形狀匹配，顏色辨識，用人眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進行，其他物理量傳感器也難以完成。這時，人們開始考慮用CCD照相機抓取圖像,送入計算機或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息,來進行尺寸、形狀、顏色等的判別[2]。機器視覺的特點是自動化、客觀、非接觸和高精度，與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機器視覺強調(diào)的是精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。例如：汽車零件尺寸的檢測；汽車部件自動裝配的完整性檢測；玻璃瓶的尺寸及缺陷檢測；電子裝配線的元件自動定位；印刷質(zhì)量的檢測；產(chǎn)品保證的條碼和字符識別等。以前這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作只能靠人工檢測來完成，于是我們經(jīng)常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線后面，看到數(shù)以百計甚至逾千的檢測工人來執(zhí)行這道工序，這在給工廠增加巨大的人工成本和管理成本的同時，仍然難以保證100%的檢驗合格率（即“零缺陷”）。這時，人們開始考慮把計算機的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性，與人類視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此提出了機器視覺的概念，并陸續(xù)推出了不少工業(yè)化的產(chǎn)品和系統(tǒng)。

機器視覺首先采用CCD照相機將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，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；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等；最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格、有/無等。典型的機器視覺系統(tǒng)一般包括如下部分：光源，鏡頭，CCD照相機，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監(jiān)視器，通訊/輸入輸出單元等。視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號，而是經(jīng)過運算處理之后的檢測結(jié)果，如尺寸數(shù)據(jù)。上位機如PC和PLC實時獲得檢測結(jié)果后，指揮運動系統(tǒng)或I/O 系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動作，如定位和分選。

從運行環(huán)境的角度，機器視覺系統(tǒng)可分為PCBASED系統(tǒng)和PLC-BASED系統(tǒng)。基于PC的系統(tǒng)利用了其開放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時系統(tǒng)總體成本較低。這種系統(tǒng)內(nèi)含高性能圖像捕獲卡,一般可接多個鏡頭，配套軟件方面，從低到高有幾個層次，如Windows95/98/NT 環(huán)境下C/C++編程用DLL，可視化控件activeX提供VB 和VC++下的圖形化編程環(huán)境，甚至Windows下的面向?qū)ο蟮臋C器視覺組態(tài)軟件，用戶可用它快速開發(fā)復(fù)雜高級的應(yīng)用[3]。

在基于PLC的系統(tǒng)中，視覺的作用更像一個智能化的傳感器，圖像處理單元獨立于系統(tǒng)，通過串行總線和I/O與PLC交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件一般利用高速專用ASIC或嵌入式計算機進行圖像處理，系統(tǒng)軟件固化在圖像處理器中，通過類似于游戲鍵盤的簡單裝置對顯示在監(jiān)視器中的菜單進行配置，或在PC上開發(fā)軟件然后下載。基于PLC的系統(tǒng)體現(xiàn)了可靠性高、集成化，小型化、高速化、低成本的特點等。

2 機器視覺在電器工業(yè)中的應(yīng)用實例

機器視覺技術(shù)適用于大批量生產(chǎn)過程中的測量，檢查和識別，如：零件尺寸、加工精度、零部件裝配的完整性，裝配尺寸精度、位置/角度測量、零件類型識別、特性/字符識別等。本文以在電器行業(yè)的應(yīng)用實例來加以說明和展示。

2.1 斷路器開距、超程檢測的應(yīng)用

通過使用機器視覺傳感器測量測試桿的高度變化，間接測量出斷路器工件動觸頭的高度變化，計算出開距、超程的位置（如圖1視覺檢測工位及圖2原理圖）。測量系統(tǒng)屬于間接測量，其測試過程：1）測量分閘時動觸頭位置。2）測量合閘時動觸頭位置。3）測量合閘時下壓靜觸頭斷電時動觸頭位置。4）測量合閘時上抬動觸頭斷電時動觸頭位置。

圖1 視覺檢測工位

圖2 原理圖

開距是指斷路器動觸頭與靜觸頭斷開后的距離。超程也叫超行程是指動、靜觸頭在接觸后，機構(gòu)將繼續(xù)超行程運動，超出動靜觸頭的那部分。本視覺檢測系統(tǒng)采用間接測量的方法，通過測試桿位置的變化（視覺檢測圖如3、圖4所示）來計算出相對應(yīng)的開距和超程的距離。

圖3 視覺檢測結(jié)果正確

圖4 視覺檢測結(jié)果錯誤

2.2 電器零部件的完整性檢測的應(yīng)用

視覺檢測系統(tǒng)用于工件裝配工位，確保工件在工人手工裝配后，內(nèi)部不缺少元件；同時確保動、靜觸頭匹配及是否有異物混入。待檢測工件型號多樣，共有5類待測產(chǎn)品。

以其中的一類產(chǎn)品圖片為例，如圖5 視覺系統(tǒng)處理后的圖片；

視覺系統(tǒng)處理后的圖片中，主要元件檢測如下：

A（銅排）：通過檢測邊的個數(shù)，可以確定銅排的方向；

B（動觸頭）：檢測此區(qū)域內(nèi)的灰度值，可以判斷出動觸頭的類型；

圖5 視覺系統(tǒng)處理后

C（動觸頭）：根據(jù)B區(qū)域的結(jié)果來測量此區(qū)域白色部分的高，從而進一步確定動觸頭的類型；

D（保護墊片）：檢測此區(qū)域內(nèi)的白色部分，從而確定墊片是否存在；

E（滅弧柵）：檢測邊的數(shù)目，可以確定滅弧柵是否存在；

當(dāng)工件自動運動到檢測工位時，照相機拍攝照片，在一個視野內(nèi)檢測元氣件的檢測狀態(tài)是否正確。通過照相機拍攝照片的比對，就可以判斷出該被檢測件的狀態(tài)是否正確。結(jié)果顯示在顯示器上，被檢測元件自動彈出。工人可根據(jù)檢測結(jié)果對工件進行復(fù)檢，對缺件的部分進行補件。由此可見機器視覺系統(tǒng)的使用同時對于光學(xué)、機械、自動控制系統(tǒng)、物流系統(tǒng)設(shè)計都有著密切的聯(lián)系，對于設(shè)計者的多學(xué)科，設(shè)計經(jīng)驗等都有著很高的系統(tǒng)要求。

2.3 真空斷路器尺寸檢查（電子眼）工位

斷路器觸頭尺寸檢查包括相間距離、觸臂加觸頭長度以及提門彎板高度等項內(nèi)容，采用智能視覺檢測方法進行6個觸頭距離位置以及提門彎板，滾輪位置的檢測，采用精密測試桿輔助檢測觸臂長度（如圖6所示）。

檢測時工件在輸送線上由定位裝置固定，定位基準(zhǔn)分別選擇底盤車輪下表面（Z方向），定位銷（Y方向），以及提門彎板的一個側(cè)面（X方向）。對觸頭端面的測量通過相機對觸頭端面進行拍照，并計算出每相觸頭中心在X、Z方向與標(biāo)準(zhǔn)位置的誤差值。

對于提門彎板位置的檢測則通過機構(gòu)移動來變換相機位置，從側(cè)面“位置1”及“位置2”分別完成兩側(cè)相關(guān)要素的測量。在此測量的同時通過檢測插入觸臂梅花觸頭中心孔內(nèi)的精密測試桿端部位置可確定Y方向觸臂長度的誤差值（如圖7所示）。當(dāng)產(chǎn)品型號發(fā)生變化時，可在換型準(zhǔn)備階段調(diào)整精密測試桿的間隔位置。上述方法測量精度受到相機分辨率、焦距及絲杠螺距精度的影響，按照同類測量設(shè)備的工程經(jīng)驗最大測量誤差小于±0.5mm。

圖6 真空斷路器尺寸檢查（電子眼）工位

圖7 測試桿視覺測試圖

機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用大幅降低檢驗成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和效率，應(yīng)用前景廣闊，市場潛力巨大。作為高精度、非接觸的測量方案，視覺系統(tǒng)涉及到光學(xué)和圖像處理算法，本身就是高度專業(yè)化的產(chǎn)品，在整個測量控制系統(tǒng)中，往往要與運動控制系統(tǒng)配合完成位置矯正和進給控制；另外，生產(chǎn)線上對多工序進行同步連續(xù)檢測時，必須使視覺系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機器視覺與運動控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等先進技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動化生產(chǎn)的面貌。

3 結(jié)束語

機器視覺技術(shù)的發(fā)展方興未艾，目前在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)藥、軸承、造幣、焊接等等許多領(lǐng)域。機器視覺技術(shù)要用到生產(chǎn)實際中則需要提供對科學(xué)的綜合解決方案，需要結(jié)合光學(xué)、機械、傳動、自動控制、計算機和通訊等多專業(yè)及多學(xué)科的技術(shù)。目前，我們已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用于電器元件檢測及裝配中?？梢灶A(yù)見，隨著我國電器工業(yè)以及制造業(yè)的發(fā)展，機器視覺技術(shù)勢必在行業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

[1] 低壓電器信息, 2011(1).

[2] 朱錚濤, 黎紹發(fā).視覺測量技術(shù)及其在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程, 2004(4).

[3] 鄭清明.智能機器視覺技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和自動檢測領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化, 2005(12).