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1 機器視覺簡介

    機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(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，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，進而根據(jù)比較結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

    人們運用機器視覺系統(tǒng)是為了提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線自動化程度，尤其在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人眼難以滿足要求的場合，同時在大批量工業(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，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。與機器視覺關(guān)聯(lián)的學(xué)科有圖像處理、計算機圖形學(xué)、模式識別、人工智能、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等。

2 西門子機器視覺系統(tǒng)

    西門子機器視覺系統(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；SIMATIC VS 120用于目標(biāo)查找和搜索；SIMATIC VS 130適合二維碼的檢測。

    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，非常適宜于在一個測試循環(huán)中完成許多的測試任務(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)合在一個緊湊的過程中的，是在一個檢測周期進行幾種檢測任務(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格比較經(jīng)濟的場合。VS723是一臺用于高速攝影的攝像機，例如包裝技術(shù)領(lǐng)域，以及眾多需要執(zhí)行性能檢測任務(wù)的領(lǐng)域，例如表面檢測。VS724是高分辨率傳感器，提供高達(dá)130萬像素，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任務(wù)。VS725彩色傳感器系統(tǒng)具備分析色彩和檢測特定色彩值的能力，因此可以通過彩色碼，安全、可靠地區(qū)分零部件，檢測標(biāo)簽的打印色或是識別膠珠。

    VS720系列中的傳感器提供1個集成以太網(wǎng)接口和8個可自由配置的數(shù)字輸入、輸出端。攝像機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PC機的訪問，因此極大地簡化了設(shè)備的維護和診斷。VS鏈接接口模塊可以在一臺監(jiān)視器顯示幾個攝像機所拍攝的圖像。也可以通過PROFIBUS與連接模塊相連，這樣可以省去用做監(jiān)測功能的另外的PC機。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提供了多種檢測功能算法，通過非常友好的界面來建立定制圖像處理解決方案，當(dāng)無視覺傳感器在線連接時，也可以使用仿真器來進行組態(tài)。

3 工藝描述

    在某汽車發(fā)動機合資生產(chǎn)廠擴容新建的裝配車間中，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，決定采用VS722來實現(xiàn)發(fā)動機缸體號碼打刻質(zhì)量的自動檢測和發(fā)動機裝配完成后的外觀檢查。

3.1 缸體打刻號碼檢查工位

    缸體打刻號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)量和號碼正確與否。圖1顯示的是發(fā)動機缸體及打刻號碼。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，在本工位需要系統(tǒng)自動讀取被檢測缸體的型號，以便進行比較。

3.2 總成后的發(fā)動機外觀檢查工位

    發(fā)動機外觀檢查工位位于外裝線的線尾端，在發(fā)動機裝配完成之后，利用五個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)各裝兩個傳感器，工件進入工位之后通過定位抬起首先進行信號識別，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)動機的前后左右四個方向都能檢查到。

    總共有97種型號的發(fā)動機，每種發(fā)動機的檢查項目大致有：放水塞是否漏裝, 發(fā)動機吊鉤是否漏裝, 機油尺是否漏裝, 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硬件連接實現(xiàn)拍照觸發(fā)指令，結(jié)果返回等簡單的數(shù)據(jù)傳遞。

  §   通過PROFIBUS 或以太網(wǎng)實現(xiàn)VS722與PLC之間簡單通訊，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 能實現(xiàn)28K字節(jié)的通訊，通過以太網(wǎng)可以實現(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現(xiàn)的。

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

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

4.2 缸體打刻號碼的識別

    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讀寫識別系統(tǒng)構(gòu)成。VS722與PLC的信息傳遞通過以太網(wǎng)實現(xiàn)。

    為實現(xiàn)號碼的識別，需要在SPECTATION軟件中進行編程，創(chuàng)建一個PRODUCT下載至VS722中，在PRODUCT 里定義了16個OCR軟傳感器（圖5），在每個OCR傳感器中要對需要識別的所有字符進行示教，在每次拍照完成后，OCR傳感器的識別的結(jié)果傳至PLC,而且整個PRODUCT的結(jié)果通過編寫一個腳本對所有的OCR軟感器的識別結(jié)果進行總的分析判斷后輸出至PLC。主控PLC在收到各個OCR傳感器輸出的結(jié)果后，對每個結(jié)果進行判斷，如果傳感器結(jié)果為PASS，PLC將存儲該傳感器識別出來的字符，如果結(jié)果為FAIL，則不存儲。如果通過腳本輸出的PODUCT運行結(jié)果為FAIL，表明仍有OCR傳感器字符識別沒成功，將繼續(xù)進行下次拍照，直至PRODUCT運行結(jié)果為PASS。如果識別出來的號碼和M/P存儲體中信息一致，則該工件打刻合格，工件隨即進入下一工位。如果VS722識別的號碼和M/P存儲體中讀取的信息不一致，將再進行一次拍照檢查，如果經(jīng)過5次在不同光線條件下的拍照檢查后仍未成功，則意味著此次檢測失敗，系統(tǒng)聲光報警提示操作人員檢查確認(rèn)缸體打刻是否確實有質(zhì)量問題。VS722識別出來的實際號碼同時顯示在TP170B上。

 
4.3 發(fā)動機零部件錯裝漏裝的實現(xiàn)

    發(fā)動機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)實現(xiàn)。監(jiān)控計算機的上位軟件采用WINCC。

    發(fā)動機工件進入工位，定位抬起上升到位后開始拍照，左右各有2個VS722傳感器，頂部有一個傳感器開始拍照，并進行發(fā)動機左右兩個面相應(yīng)的項目進行檢查。在拍照檢查完成之后，轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)90度，到位后傳感器再次拍照，并進行發(fā)動機另外兩個面相應(yīng)的項目檢查。每個傳感器對比檢查不同的部件，如果發(fā)現(xiàn)有工件與標(biāo)準(zhǔn)圖像不同將發(fā)出報警，同時WINCC畫面上將不合格項對應(yīng)的圖片自動彈出。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)不合格項將自動捕捉實時畫面，由操作人員根據(jù)畫面或?qū)嵨镞M行最終檢查確認(rèn)。

    對于發(fā)動機零部件錯裝漏裝的檢查，SPECTATION提供了下列軟傳感器，特征值（Feature Count）、邊沿計數(shù)（Edge Count）目標(biāo)發(fā)現(xiàn)（Object Find）、模板匹配（Template Match），計算工具（Math Tools）。針對不同的檢查部位，根據(jù)不同 的圖像特征選擇合適的軟傳感器進行檢測。下圖顯示的是用特征值計數(shù)傳感器檢測氧傳感器線束顏色的像素示意圖。

5 結(jié)束語

    在此次項目的實施過程中，我們深深體會到，如果要讓機器視覺系統(tǒng)發(fā)揮最佳效果，有三個基本要素缺一不可：選擇合適的光源，設(shè)計理想的機械結(jié)構(gòu)，對視覺傳感器正確合理的編程。

    在VS722使用在該發(fā)動機生產(chǎn)線之前，所有的相關(guān)檢測都需要設(shè)置人工工位由工人肉眼來完成，由于工作量大、內(nèi)容枯燥，非常容易出現(xiàn)人為錯判、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)濟和社會效益。