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聚焦机器视觉:设计与效率

作者:Mark T. Hoske2012.09.28阅读 11003

        机器视觉的设计技巧
        机器视觉能够通过自动化解决方案解决多种应用,能够提高生产效率,降低成本,以几近零瑕疵和零召回率提升客户满意度。为了最大化机器视觉的效用,集成商必须聚焦于集成系统的设计。不管机器视觉被用于基本的自动化检测还是高精度视觉导向自动化,精心构思和开发的设计都是实现投资高回报率的关键。机器视觉系统的核心在于视觉子系统和运动子系统的整合。为了使这一设计的核心环节顺利进行,需要提早准备精确的物料清单,降低由于运动和视觉组件不协调所带来的风险,减少集成时间和成本,同时确保实现机器视觉的各种好处。
        集成机器视觉设计
        在一套集成机器视觉系统中,运动系统和视觉系统可以在不同层级进行交互作业,从基本的信息交换到高级的视觉反馈。交互的层级取决于设备的要求,也就是所谓的顺序、准确性和精度以及设备所需完成的任务的自然属性。根据运动系统和视觉系统之间的不同交互作业层级,可以依据如下四种不同的集成种类来完成系统设计:协同集成、同步集成、视觉引导运动和视觉伺服控制。为了达到高回报率CONTROL ENGINEERING China版权所有,设备在投运时必须能够满足特定的要求,并且在应对新工艺和产品改进时能够实现良好的升级。因此,集成商必须首先定义当前和未来的需求,并根据这些需求决定最适合项目的集成种类。


视觉导引运动控制系统的设计依循如下控制循环:感知、决定、执行。NI LabVIEW 软件集成了机器视觉、运动和其他组件。图片来源:National Instruments 公司。

        协同集成
        协同集成是最基本的集成方式。采用这种方式进行集成,运动系统和视觉系统能够交换基本信息,例如速度和时间。在运动系统和视觉系统之间的通讯时间通常是几十秒。一个协同集成的例子就是纸病检测系统(Web Inspection System) 。在纸病检测系统中,运动系统移动纸张,通常移动速率恒定,视觉系统发出脉冲链以触发摄像头,使用摄像头扑捉到的图像来监视纸张。视觉系统需要明确纸张移动的快慢,以确定触发摄像头的速度。
        同步集成
        同步集成系统中,运动系统和视觉系统通过高速I/O触发实现同步。运动系统和视觉系统之间的高速信号用来触发这两种系统之间的事件和通讯命令。这种I/O同步能够有效地使不同系统中的软件程序达到同步。高速分拣作业就是一个同步集成的典型例子,通过图像属性,例如颜色、形状或者尺寸,将目标进行分拣。
        高速分拣作业中,视觉系统触发摄像头,采集正在通过摄像头的零部件的图像。运动系统使用同样的触发信号来获取零部件的位置信息,然后,视觉系统分析采集到的图像,以确定被检测对象是否出现在合适的位置上,如果答案是肯定的,那么就将这个位置信息存储下来。由于传送带的移动速率是恒定的,运动系统就能够使用这个存储下来的位置信息来触发一个位于传送带下游的空气喷嘴。当零部件到达空气喷嘴的位置,空气喷嘴就会被触发,将此零部件移动到另一条流水线上,将具有不同颜色的零部件区分开来。高速分拣作业广泛应用于食品工业,以区分产品的种类或者筛选不合格品。它具有很高的吞吐量www.cechina.cn,能够减少劳动力成本,极大地降低了由于人为失误所带来的次品率。
        视觉导引运动控制
        视觉导引运动控制系统中,视觉系统为运动系统提供一些引导,例如零件的位置或者零件摆放朝向上的误差。由于这是一种更加先进的集成类型,所以在运动系统和视觉系统两者的交互作业中多出了一个层级。例如,你能够在视觉导引中加入高速I/O触发功能。
        视觉导引运动控制系统的一个例子是柔性进给。在柔性进给作业中,零件的摆放位置和朝向是随机的。视觉系统采集到零件的图像,确定零件的坐标CONTROL ENGINEERING China版权所有,然后将这个坐标数据发送给运动控制系统。运动控制系统使用这些坐标将执行器移动到零件所处的位置并抓取零件,还可以在放置零件之前校正零件的朝向。有了这种配置,就无需在抓取和放置作业之前使用固定装置来限制零件的朝向和位置。在放置作业的同时你还可以完成检查作业,例如,视觉系统可以检查零部件是否有瑕疵,并向运动控制系统发出剔除指令,执行器就能够将瑕疵品剔除,而不是将其放回传送带。
        在视觉导引运动控制系统中,视觉系统只在运动的开始才向运动系统提供导向。在运动过程当中或者运动过程结束之后,并不使用反馈来验证运动是否正确。由于缺乏反馈,在像素-距离变换过程中容易产生运动误差,而且运动的精度完全依赖于运动控制系统。在毫米级运动和低于毫米级运动的高精度应用中这种缺点尤其明显。
        视觉伺服控制


图中所示为高速分拣作业中的同步集成。
图片来源:National Instruments 公司。

        如果视觉系统能够在运动过程中为运动系统提供连续不断的反馈,那么视觉导引运动控制的缺点就能够被克服。在视觉伺服控制系统中,视觉系统不仅仅能够为运动系统提供初始导向,还能够在运动的过程中提供连续不断的反馈。视觉系统采集、分析并处理图像,以位置设定点的形式提供反馈信息,实现定位循环(动态观察并移动)或者实际位置反馈(直接伺服)。视觉伺服控制系统降低了像素-距离变换过程中的误差,提升了现有自动化系统的精度和准确度。有了视觉伺服控制,那些一度被视为无法解决的问题就迎刃而解了www.cechina.cn,例如那些要求实现微米级或者低于微米级的应用。视觉伺服设备CONTROL ENGINEERING China版权所有,特别是那些基于动态观察和移动的方法,得益于现场可编程门阵列(FPGA)技术的发展,变得越来越可行,FPGA技术能够为那些对于时间很敏感的处理作业提供硬件加速,其反馈速度也足以使运动作业中的快速控制循环形成闭环。
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