機器視覺的應用解決方案及面臨的挑戰(zhàn)

機器視覺作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要組成之一，其技術(shù)與應用也隨著自動化行業(yè)的發(fā)展而日益成熟。具體體現(xiàn)在：圖像處理能力和速度不斷增強、光電器件性能的提高、各類標準的逐漸統(tǒng)一以及價格的相對降低。

據(jù)AIA（自動成像協(xié)會）的市場研究調(diào)查報告，2006年全球機器視覺市場規(guī)模已經(jīng)超過了70億美元，并預測在今后五年內(nèi)仍將保持持續(xù)的增長勢頭。然而，隨著供應商和集成商不斷的把機器視覺應用推向各個領域，機器視覺這一相對獨立的功能如何無縫的融入各行業(yè)各類自動化裝備遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。

一、機器視覺的應用及挑戰(zhàn)

機器視覺應用主要可分為兩類：

一類是用于大規(guī)模或者高測試要求的生產(chǎn)線上，如包裝、印刷、分揀等，或者在野外、核電等不適合人員工作的環(huán)境中，利用機器視覺方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工測量或檢試，同時實現(xiàn)人工條件下無法達到的可靠性、精確度及自動化程度。

另一類應用是必須用到高性能、精密機器視覺組件的專業(yè)設備制造，典型代表是最早帶動整個機器視覺行業(yè)崛起的半導體制造設備。從上游晶圓加工制造的分類切割，到末端電路板印刷、貼片，這類設備都依賴于高精度的視覺測量以對運動部件進行導引與定位。例如，如果錫膏印刷工序存在定位偏差，且該問題直到芯片貼裝后的在線測試才被發(fā)現(xiàn)，那么返修的成本將會是原成本的100倍以上。

然而，在上述應用中，機器視覺功能很少作為孤立的系統(tǒng)，而是以整個自動化系統(tǒng)或者設備的有機組成部分之一出現(xiàn)，也往往在配合邏輯控制，運動控制，數(shù)據(jù)采集，通信網(wǎng)絡以及企業(yè)數(shù)據(jù)庫管理等其它功能時，才能真正發(fā)揮出其優(yōu)勢。構(gòu)建機器視覺系統(tǒng)，除了完成從光源調(diào)配到圖像處理軟件開發(fā)系列過程外，更是面臨著與上述種種復雜的自動化系統(tǒng)功能集成所帶來的挑戰(zhàn)。單一的視覺開發(fā)軟硬件方案，往往使得自動化系統(tǒng)整體的開發(fā)周期、成本和不確定性風險都要由制造方或者集成商來承擔。機器視覺與自動化系統(tǒng)集成的困難，很大程度上阻礙了其在相對保守的工業(yè)自動化領域的應用。

二、基于NI LabVIEW和機器視覺系統(tǒng)的解決方案

面對上述挑戰(zhàn)，NI LabVIEW軟件平臺及其機器視覺系統(tǒng)給出了很好的解決方案。

讓我們先從軟件的角度看機器視覺的開發(fā)與集成過程：首先借助高效便捷的配置軟件VBAI（應用于自動檢測的機器視覺生成器）和全面的視覺模塊（涵蓋了對所有制式和標準的相機的支持，提供模式匹配、OCR、顆粒分析、二維條形碼識別等數(shù)百種圖像處理功能），用戶可以在交互式的開發(fā)環(huán)境中驗證不同的相機和光源設置、采集方式與圖像處理算法，然后再將確認的步驟自動生成對應于LabVIEW的可執(zhí)行程序。LabVIEW軟件平臺具有直觀的圖形化開發(fā)特性，使工程師把更多的精力集中在功能開發(fā)而不是代碼撰寫上。

在整體系統(tǒng)開發(fā)和集成過程中，工程師可直接利用對應的LabVIEW工具包和模塊，在統(tǒng)一的平臺下以相同的方式完成運動控制、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)通信和人機界面等功能，實現(xiàn)與各種PAC（可編程自動化控制器）、PLC、工業(yè)設備、OPC客戶端及企業(yè)數(shù)據(jù)庫的連接與通信。對于這種開發(fā)模式，無論是經(jīng)驗豐富的集成商還初級開發(fā)者，都得以從不同設備所對應的專用甚至私有開發(fā)方式與平臺、驅(qū)動與協(xié)議、設備間互間的物理通信與同步這些困境中解放出來，大幅降低了系統(tǒng)集成的難度和成本。

從硬件體系架構(gòu)來看，基于PC的機器視覺系統(tǒng)由于其開放性和靈活性，在提供強大的處理能力的同時，也較容易實現(xiàn)與其它功能的集成，但是PC的架構(gòu)由于可靠性和體積等原因，并不能完全滿足工業(yè)應用的需求。

另一種方式是嵌入式架構(gòu)，使用簡單，可靠性高，但是功能相對單一，可集成度較差。為了解決這些矛盾，NI在其緊湊型的機器視覺系統(tǒng)（CVS）中，通過集成LabVIEW實時、FPGA技術(shù)，前所未有的實現(xiàn)了在同一嵌入式硬件平臺下完成I/O與通信協(xié)議的靈活定制以及運動，可同時采集、處理3路圖像信號，并保證系統(tǒng)的堅固性和可靠性，達到工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境下的應用要求（圖1）。

圖.1 FIG.1 NI 緊湊型的機器視覺系統(tǒng)

下面我們通過兩個實例分析，具體探討如何利用開放靈活的軟硬件平臺集成機器視覺和多域功能應用，實現(xiàn)系統(tǒng)集成復雜度降低及開發(fā)周期的縮短。

三、基于LabVIEW及同步的機器視覺、運動控制、數(shù)據(jù)采集的自動化半導體晶圓分類系統(tǒng)

在半導體制造業(yè)，晶圓切割前必須根據(jù)其厚度（THK）、全厚度誤差（TTV）、彎曲度（BOW）、翹曲度（WARP）等電氣及物理參數(shù)進行細致分類，以達到嚴格的容差要求。為保證測量精度，傳統(tǒng)采用單點測量方式，需消耗大量的測試時間。

為此，美國Gigamat Technologies公司研發(fā)出新一代的全掃描自動分類設備（圖2），以提高吞吐率并要求能達到單點測試下的精度和重復性要求，這在技術(shù)上是相當大的挑戰(zhàn)。

圖.2自動化半導體晶圓分類系統(tǒng)

新全自動晶圓分類系統(tǒng)充分利用了LabVIEW平臺及其配套工具包，該系統(tǒng)分為晶圓對準和測量兩個工作步驟。對準過程使用線掃描圖像采集方式和3軸運動控制，通過同步圖像采集與底盤旋轉(zhuǎn)速率，在1秒內(nèi)完成整張芯片6百萬象素的圖像采集，利用LabVIEW視覺算法判斷芯片中心位置、平坦度和其它特性，據(jù)此調(diào)整晶圓位置實現(xiàn)其與參數(shù)測量平臺完全匹配。

測量步驟要求對上下表面間距測量的分辨率小于0.0001mm，其解決辦法是在LabVIEW平臺下應用NI運動控制工具生成平滑的圓弧及螺旋軌跡組合，精確控制旋轉(zhuǎn)中的芯片位置，使用NI數(shù)據(jù)采集卡完成多通道同步進行的探針高速、高密度測量，實時記錄對應位置，據(jù)此進行相關(guān)計算處理，獲取各項參數(shù)信息，最終得出分類的結(jié)果。

除了以上的核心步驟外，該系統(tǒng)還包括了：觸摸屏人機界面;基于RS-485通信的晶圓升降機控制;用于光源、機器功率和真空設備的數(shù)字I/O控制;以及與Microsoft Access數(shù)據(jù)庫連接以實現(xiàn)加工過程數(shù)字化加工。而這些功能，都是在LabVIEW平臺下統(tǒng)一開發(fā)完成，Gigmat的經(jīng)理這樣評論“如果沒有LabVIEW以及NI機器視覺，運動控制和數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的同步，這個項目就不可能達到經(jīng)濟可行”。

四、NI緊湊型機器視覺系統(tǒng)幫助汽車火花塞檢測達到6Sigma的重復性標準

汽車火花塞的偏心度和電極間距是決定其性能的關(guān)鍵指標。過去某領先的汽車火花塞制造商一直通過人工的方式對其進行測量，因為測量精度低，必須采用過于嚴格的產(chǎn)品的公差帶限制，導致不必要的生產(chǎn)要求提高和產(chǎn)量減少。為了保證可靠的質(zhì)量控制，更快的檢測速度和產(chǎn)量的提高，該制造商決定建立基于機器視覺的全掃描尺寸定量系統(tǒng)。

系統(tǒng)由IEEE 1394相機、環(huán)形光源、堅固的NI CVS嵌入式機器視覺系統(tǒng)以及LabVIEW軟件開發(fā)平臺構(gòu)成。采集的火花塞圖像通過火線傳入CVS，在其上運行實時的圓形邊緣檢測等特殊算法，而通過對欠采樣的控制找到精度與處理時間的平衡點，測量精度達到0.01mm，完全滿足6Sigma標準。

隨后，CVS通過其數(shù)字端口與生產(chǎn)線上的PLC和繼電器等設備通信，完成不合格品的自動剔除工作，免去了人工干預。整個系統(tǒng)接入工廠以太網(wǎng)，可以進行遠程的參數(shù)配置，校準以及產(chǎn)品信息的記錄。由于測試精度的提高，放寬了公差范圍，大幅提高了產(chǎn)量和效率。

結(jié)論

機器視覺應用正由起步時單純的圖像采集、處理分析、結(jié)果判斷輸出，發(fā)展成為自動化系統(tǒng)重要組件之一。但是，相對人工檢測的方式機器視覺也存在著特殊性，一定程度上體現(xiàn)在其靈活性和應變能力的限制。處理的不合適的話，即使一個看似很小的新功能引入，都有可能導致系統(tǒng)的重新設計。

面對機器視覺集成度與靈活性與難題時，理想的工業(yè)軟件開發(fā)環(huán)境LabVIEW成為用戶開發(fā)平臺的非常好的選擇。利用其中機器視覺模塊包含的豐富分析與處理算法，用戶可以根據(jù)其具體需求定制開發(fā)或者簡單升級相應的視覺功能，更可以這種統(tǒng)一的圖像化開發(fā)方式實現(xiàn)對運動控制，可編程自動化控制器，數(shù)據(jù)采集等設備與功能的開發(fā)，以及與三方的PLC，工業(yè)設備和數(shù)據(jù)庫軟件的無縫連接，從而完成涵蓋機器視覺功能在內(nèi)的自動化系統(tǒng)的開發(fā)與集成。

得益于這種系統(tǒng)構(gòu)架，制造商能夠更方便的將機器視覺功能引入到其生產(chǎn)線，降低了其設備制造的技術(shù)難度，符合機器視覺向著自動化系統(tǒng)一體化發(fā)展的趨勢。

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