機(jī)器視覺(jué)與科學(xué)成像在機(jī)電產(chǎn)品制造中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞： 成像 , 機(jī)電產(chǎn)品 , 機(jī)器 , 視覺(jué)

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，使得圖像采集成為一種廣為使用的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)源，從而推動(dòng)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)機(jī)器視覺(jué)與科學(xué)成像技術(shù)在電子產(chǎn)品撿測(cè)技術(shù)有了新的突破，所以才會(huì)有”任何通過(guò)人來(lái)完成的檢測(cè)過(guò)程都適合于用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)代替”新機(jī)理.這是因?yàn)榕c機(jī)器相比，人有情緒，會(huì)疲勞，故把人用作機(jī)器是不可靠的，因此該新機(jī)理的出現(xiàn)是必然的.

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般包括光源、鏡頭、CCD照相機(jī)、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成示意見(jiàn)圖1(a)，實(shí)際例舉示意見(jiàn)圖1(b)。
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圖1(a) 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)基本組成示意框圖圖1(b) 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)使用組成列舉—基于PC的視覺(jué)系統(tǒng)基本組成示意圖

光源：與視覺(jué)傳感器的照明因素一樣，它是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。其光源可分為可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光。常用的幾種可見(jiàn)光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質(zhì)量，所以可采用基于PC的方案主要針對(duì)電子生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是高性能、高靈活度和高性價(jià)比，十分適合于高難度、高分辨率和高速的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。

所以可采用加防護(hù)屏的方法來(lái)減少環(huán)境光的影響。照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測(cè)物放在光源和攝像機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對(duì)比度的圖像。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測(cè)物的同側(cè)，這種方式便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測(cè)物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)物的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機(jī)拍攝要求與光源同步

鏡頭：鏡頭選擇應(yīng)注意焦距，目標(biāo)高度，影像高度，放大倍數(shù)，影像至目標(biāo)的距離，中心點(diǎn) / 節(jié)點(diǎn)與畸變.

相機(jī)：按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)字相機(jī)和模擬相機(jī)等。要根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選不同的相機(jī)和高分辨率相機(jī):線掃描CCD和面陣CCD;單色相機(jī)和彩色相機(jī)。

圖象采集卡：圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的一個(gè)部件，但是它扮演一個(gè)非常重要的角色。圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等。比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行處理。有些采集卡有內(nèi)置的多路開(kāi)關(guān)。例如，可以連接8個(gè)不同的攝像機(jī)，然后告訴采集卡采用那一個(gè)相機(jī)抓拍到的信息。有些采集卡有內(nèi)置的數(shù)字輸入以觸發(fā)采集卡進(jìn)行捕捉，當(dāng)采集卡抓拍圖像時(shí)數(shù)字輸出口就觸發(fā)閘門(mén)。

視覺(jué)處理器：視覺(jué)處理器集采集卡與處理器于一體。以往計(jì)算機(jī)速度較慢時(shí)，采用視覺(jué)處理器加快視覺(jué)處理任務(wù)?，F(xiàn)在由于采集卡可以快速傳輸圖象到存儲(chǔ)器，而且計(jì)算機(jī)也快多了，所以現(xiàn)在視覺(jué)處理器用的較少了。

工作過(guò)程：視覺(jué)系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號(hào)，而是經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理之后的檢測(cè)結(jié)果(如尺寸數(shù)據(jù))。通常，機(jī)器視覺(jué)測(cè)試就是用機(jī)器代替肉眼來(lái)做測(cè)量和判斷.首先采用CCD照相機(jī)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，如：面積、長(zhǎng)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(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無(wú)等。上位機(jī)(如PC和PLC)實(shí)時(shí)獲得檢測(cè)結(jié)果后，指揮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作(如定位和分類)。

機(jī)器視覺(jué)是新興的自動(dòng)化市場(chǎng)，之所以這么說(shuō)，主要機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)際上就是利用攝像機(jī)替代人眼，圖像處理軟件替代大腦對(duì)生產(chǎn)線上產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)或識(shí)別，它基本上由光源、鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像處理器/軟件以及必要的I/O所組成。機(jī)器視覺(jué)檢驗(yàn)具有極高的效率、重復(fù)性以及精度，并且在很多情況下是人眼所無(wú)法替代的。視覺(jué)系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確和高可重復(fù)性地自動(dòng)完成諸如部件測(cè)量和檢查的工作，這樣就可以幫助制造商提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)力。視覺(jué)系統(tǒng)在制造過(guò)程中的每一步都可以生成有價(jià)值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這同時(shí)也可以幫助控制工程師擴(kuò)展過(guò)程診斷的功能

計(jì)算機(jī)自動(dòng)機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用大致上可以分成定位、量測(cè)、識(shí)別、缺陷檢測(cè)四大類，其中以定位的應(yīng)用最為廣泛。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以用來(lái)檢視主機(jī)板上的電子組件，也可以用來(lái)控制機(jī)械手臂，在機(jī)械手臂上加裝CCD，利用影像辨識(shí)的定位，帶動(dòng)機(jī)械手臂來(lái)做病毒研究、藥物混合等.一些高危險(xiǎn)性的醫(yī)療研究。除了精準(zhǔn)之外，對(duì)人類的生命也比較有安全保障。

可見(jiàn)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的速度和精確度成為機(jī)電子產(chǎn)品檢測(cè)的新途徑，這取決于以下二種類型的糸統(tǒng)所具特征優(yōu)勢(shì)。其一為圖像采集的系統(tǒng)組件與應(yīng)用軟件，其二為生產(chǎn)車間標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺(jué)糸統(tǒng)。

圖像采集系統(tǒng)組件與軟件

圖像采集系統(tǒng)組件有圖像采集硬件、驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件。硬件可提供圖像捕獲、定時(shí)和控制功能;驅(qū)動(dòng)軟件通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的APl接口對(duì)硬件進(jìn)行操作;應(yīng)用軟件可以將硬件和驅(qū)動(dòng)軟件結(jié)合到特定應(yīng)用的解決方案中，并大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖像采集(IMAQ)驅(qū)動(dòng)軟件又是支持Windows2000/NT/XP/Me/9x的IMAQ硬件的完全圖象采集驅(qū)動(dòng)軟件。它支持所有IMAQ的硬件，可在LabVlEW，LabWindows/CVI，Measurement Studio(VisualBasic和Visual C++)中任意調(diào)用

應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件具有以下模塊：

·視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊(Vision Development Module)

視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，是專為開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)和科學(xué)成像應(yīng)用的工程師及科學(xué)家而設(shè)計(jì)。該模塊包括視覺(jué)生成器(Vision Builder)和IMAQ視覺(jué)(1MAQVision)兩部分。其中視覺(jué)生成器是交互式環(huán)境，它讓開(kāi)發(fā)人員無(wú)需編程，即能快速完成視覺(jué)應(yīng)用的模型建立。 IMAQ視覺(jué)是—套包含各種圖像處理函數(shù)的功能庫(kù)。

與其他視覺(jué)產(chǎn)品不同，視覺(jué)生成器和IMAQ視覺(jué)軟件配合工作，能簡(jiǎn)化視覺(jué)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)工作。視覺(jué)生成器能夠自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)在LabVIEW環(huán)境下使用的IMAQ視覺(jué)框圖(見(jiàn)圖2)，框圖包括與在視覺(jué)生成器中所進(jìn)行—系列操作相同的功能?？蓪⒋丝驁D集成到自動(dòng)化或產(chǎn)品測(cè)試應(yīng)用中，以便系統(tǒng)可以同時(shí)支持多種功能，如：運(yùn)動(dòng)控制，儀器控制，或數(shù)據(jù)采集。還可以安裝LabVlEWRT，充分利用嵌入式系統(tǒng)功能，這將帶來(lái)更高的穩(wěn)定性和靈活性，及使用簡(jiǎn)易性。
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圖2 視覺(jué)框圖

·光學(xué)字符辨認(rèn)軟件(OCR)

OCR 軟件是基于計(jì)算機(jī)的工業(yè)用字符辨認(rèn)軟件，用來(lái)在工業(yè)處理變化不良質(zhì)量圖像的情況下，仍提供高速、可靠的字體閱讀性能。OCR提供簡(jiǎn)單易用的功能來(lái)閱讀文字字母。典型的應(yīng)用包括辨認(rèn)半導(dǎo)體芯片上的序列號(hào)、元件、電子封裝、磁盤(pán)磁頭、及其他小型元件。OCR軟件是1MAQVision的附加工具套件。

·自動(dòng)檢測(cè)視覺(jué)生成器

自動(dòng)檢測(cè)視覺(jué)生成器是—種可配置的機(jī)器視覺(jué)軟件，可利用它完成模型建立，基準(zhǔn)設(shè)定和應(yīng)用程序配置等實(shí)際應(yīng)用。自動(dòng)檢測(cè)視覺(jué)生成器，無(wú)需編程即可升級(jí)到強(qiáng)大的編程環(huán)境：如LabVIEW中。它帶有內(nèi)置式開(kāi)發(fā)界面，因此能迅速完成監(jiān)視，指導(dǎo)和鑒定應(yīng)用。該軟件還包括能夠建立復(fù)雜通過(guò)/失敗判斷，數(shù)字I/O設(shè)備控制和與PLC等串行設(shè)備通訊等程序應(yīng)用的功能。利用檢測(cè)視覺(jué)生成器，能完成：在交互式，菜單驅(qū)動(dòng)的環(huán)境下開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用;自動(dòng)生成LabVlEW代碼; 控制數(shù)字I/O，PLC和其他串行設(shè)備;利用PCI和PXI圖像采集設(shè)備和1394總線的工業(yè)像機(jī)采集圖像硬件。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用舉例

在機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)線上的應(yīng)用

通過(guò)配置機(jī)器視覺(jué)和圖象處理的硬件部分，并提供相應(yīng)的二次開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)，使制造商的工程師可以針對(duì)自已的產(chǎn)品，較容易的進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別軟件開(kāi)發(fā)，為—般的生產(chǎn)線提供較為靈活和價(jià)格相對(duì)便宜的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。如在生產(chǎn)自動(dòng)線上對(duì)各不同規(guī)格軟盤(pán)定位孔尺寸作精確的檢測(cè);又如電氣電子裝配中連接器的引腳間距、數(shù)目，以及進(jìn)行條形碼的驗(yàn)證和標(biāo)簽的檢測(cè)等;并及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線上的錯(cuò)誤并提高直通率，對(duì)每個(gè)線路板進(jìn)入和離開(kāi)每個(gè)流程式進(jìn)行跟蹤，為生產(chǎn)線產(chǎn)量的優(yōu)化和有效的缺陷分析提供足夠的數(shù)據(jù)。

圖3為機(jī)器視覺(jué)與科學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用示意圖。
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圖3 機(jī)器視覺(jué)與科學(xué)成像技術(shù)及設(shè)備及應(yīng)用示意圖

·生產(chǎn)車間標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺(jué)糸統(tǒng)

該視覺(jué)系統(tǒng)提供了一整套完整強(qiáng)大有效的檢測(cè)工具，表面質(zhì)量檢驗(yàn)，尺寸測(cè)量，導(dǎo)向定位，光學(xué)字符校驗(yàn)和閱讀，二維碼閱讀。例如：其中的PATFIND定位功能提供了高精度和絕對(duì)可靠性，特別是在極其惡劣的制造環(huán)境下，如不良的燈光，或工件外觀不斷改變的情況下，亦能保證達(dá)到其測(cè)量精度，保證測(cè)量的重復(fù)性和可靠性，同時(shí)可通過(guò)各種參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，快速達(dá)到檢測(cè)的目的。圖4為工件定位精度與尺寸測(cè)量示例圖。
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圖4 用生產(chǎn)車間的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)工作定位孔與尺寸精度測(cè)量示例圖

該一體式的用戶環(huán)境是集成的視覺(jué)系統(tǒng)用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境，類似Windows界面，它不但可更有效的進(jìn)行程式開(kāi)發(fā)，并提供強(qiáng)大的系統(tǒng)管理工具，使得程序設(shè)置，監(jiān)控和系統(tǒng)管理更簡(jiǎn)單，這種視覺(jué)系統(tǒng)所提供的簡(jiǎn)單實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)型開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得基于生產(chǎn)車間的低成本用戶更快速地開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

·快速，簡(jiǎn)易的軟件設(shè)置

該視覺(jué)系統(tǒng)不需高級(jí)語(yǔ)言編程，只需通過(guò)Excell表單界面進(jìn)行設(shè)定操作，既快速又簡(jiǎn)易，并可在線根據(jù)產(chǎn)品的不同特性修改和完善程式參數(shù)，同時(shí)表單可以直接用來(lái)完成運(yùn)行時(shí)的友好用戶界面。

·網(wǎng)絡(luò)使使用更簡(jiǎn)單

不管是系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控，數(shù)據(jù)的集中處理，還是簡(jiǎn)單的糸統(tǒng)組網(wǎng)，內(nèi)置的以太網(wǎng)接口使得一切都變簡(jiǎn)單了。系統(tǒng)支持各類標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和總線協(xié)議，使用這些都不需通過(guò)額外的連接工具就可直接連接到PLC等上位機(jī)進(jìn)行操控。

機(jī)器視覺(jué)使探針制造與電子連接器制造中的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)100%自動(dòng)檢查

由于探針的外部形狀對(duì)于成功的晶圓級(jí)測(cè)試操作十分重要，探針制造過(guò)去采用的是手動(dòng)視頻檢測(cè)和光學(xué)比較儀結(jié)合的方法，為探針板制造上提供符合各項(xiàng)嚴(yán)格要求的探針。但是隨著IC芯片的產(chǎn)量和對(duì)于探針的需求不斷增加，這個(gè)過(guò)程顯得過(guò)于耗費(fèi)人力。探針檢查占了整個(gè)制造時(shí)間的很大一部分，因此需要進(jìn)行自動(dòng)化改造. 帶有運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)集成到自動(dòng)探針檢查中，從而實(shí)現(xiàn)了更快的檢測(cè)速度和更高的精度，也使得整個(gè)系統(tǒng)更加易于操作。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)記錄每次檢測(cè)(圖 5)，同時(shí)提高其可重復(fù)性，并能夠提供反饋信息，方便了流程的改進(jìn)。從而大大減少檢查時(shí)間。
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圖5 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用在探針制造檢測(cè)過(guò)程中示意圖

機(jī)器視覺(jué)與科學(xué)成像技術(shù)發(fā)展的新要求

檢測(cè)的速度和效率應(yīng)在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的易操作性和低成本維護(hù)，編程和程序維護(hù)的難易程度、人機(jī)操作交互界面掌握和使用的難易上清晰地表現(xiàn)出來(lái)，一句話簡(jiǎn)單易用。

應(yīng)有堅(jiān)固的實(shí)時(shí)緊湊視覺(jué)(CompactVision)系統(tǒng)。

它能為各種監(jiān)測(cè)，校準(zhǔn)，測(cè)定和識(shí)別應(yīng)用提供具有靈活性，集成性和堅(jiān)固性的系統(tǒng)。結(jié)合3個(gè)FireWire接口的高性能處理器使堅(jiān)固的實(shí)時(shí)緊湊視覺(jué)系統(tǒng)可以應(yīng)付任何監(jiān)測(cè)工作?？蛇x的多種數(shù)字I/O使系統(tǒng)可以和范圍廣泛的自動(dòng)化設(shè)備通信，包括PLC、繼電器和機(jī)器人。并經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可在制造環(huán)境中常見(jiàn)的極端工作溫度下工作。將不再受限于傳統(tǒng)智能攝像機(jī)有限的圖像處理能力，傳感器尺寸和傳感器的速度。

這種堅(jiān)固的實(shí)時(shí)緊湊視覺(jué)系統(tǒng)是一個(gè)通用視覺(jué)系統(tǒng)，包括LabVlEW、IMAQ VisionBuilder軟件，可以快速建立模型、IMAQ Vision軟件、OCR軟件、高性能圖像采集、照相機(jī)、鏡頭、以及通用電源等。軟件、硬件、與照相機(jī)的設(shè)計(jì)相互配合，可以更快速的進(jìn)行使用開(kāi)發(fā)。 ?