機(jī)器視覺(jué)成熟時(shí)

　　工程師們發(fā)現(xiàn)，機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)可以取代更加繁瑣的基于單點(diǎn)傳感器的系統(tǒng)。

　　在我35年前剛開(kāi)始接觸機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的時(shí)候，數(shù)碼照相機(jī)還是實(shí)驗(yàn)室里的新鮮玩意，圖像采集卡才剛剛進(jìn)入市場(chǎng)，圖像處理也還是一門(mén)暗房里的藝術(shù)。隨著視覺(jué)技術(shù)逐漸成熟，圖像傳感器進(jìn)入了百萬(wàn)像素時(shí)代，而圖像采集卡則變得越來(lái)越精巧并且融合到相機(jī)的電子元件當(dāng)中。最終，相機(jī)將圖像處理計(jì)算機(jī)的功能也納入其中。起初只能在圖書(shū)館里執(zhí)行“臨界值”和“錯(cuò)誤”分析的圖像處理軟件，連同一些其他不為人們所熟悉的操作，都集成到向?qū)?duì)話框當(dāng)中，這樣，即便工程師對(duì)于機(jī)器視覺(jué)的概念理解十分粗淺，他們也可以隨心所欲的應(yīng)用。

　　今天，視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)成為了一項(xiàng)主流傳感技術(shù)?？刂乒こ處煱阉醋魇占到y(tǒng)狀態(tài)信息并自動(dòng)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的不可或缺的工具——尤其是有運(yùn)動(dòng)存在的情況下。

　　許多視覺(jué)供應(yīng)商都已經(jīng)摒棄了“照相機(jī)”或者“機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)”的稱(chēng)呼，轉(zhuǎn)而自稱(chēng)“視覺(jué)設(shè)備”以及“視覺(jué)傳感器”，因?yàn)檫@可以更好的描述出他們的產(chǎn)品是如何滿足工程師需求的。通過(guò)這樣的方式，人們的注意力也從系統(tǒng)選型轉(zhuǎn)向發(fā)掘視覺(jué)會(huì)對(duì)自己產(chǎn)生哪些幫助。視覺(jué)可以做的是，非?？焖俚氖占F(xiàn)實(shí)世界的海量數(shù)據(jù)，然后 將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成工程師需要知曉的精確信息。

　　由于人們最近更加關(guān)注視覺(jué)可以做什么，而不是簡(jiǎn)單的概念，一些部件的價(jià)格實(shí)際上已經(jīng)削減了。產(chǎn)品資源豐富、能夠執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)、并且不再昂貴的部件，使視覺(jué)傳感器如今在價(jià)格以及控制過(guò)程中收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的性能方面，都不落下風(fēng)。而與傳統(tǒng)的傳感器陣列相比，視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于更加容易安裝、培訓(xùn)和維護(hù)。

　　為了讓差別顯示的更加清楚，我們可以簡(jiǎn)單的說(shuō)：?jiǎn)吸c(diǎn)式傳感器在一個(gè)位置測(cè)量一個(gè)參數(shù)，比如熱電偶、電感型接近傳感器、位置編碼器和激光束；而視覺(jué)系統(tǒng)則使用面掃描和線掃描技術(shù)，從清晰的可視區(qū)域（FOV）的大量點(diǎn)中獲取數(shù)據(jù)。視覺(jué)系統(tǒng)也涵蓋了光譜的很大范圍，從紅外線到可見(jiàn)光再到紫外線。圖像獲取技術(shù)依托強(qiáng)有力的計(jì)算資源，可以精確的抽取控制系統(tǒng)所需信息，無(wú)論是將其用于測(cè)量電機(jī)上指定點(diǎn)的溫度、報(bào)告質(zhì)量參數(shù)變量的統(tǒng)計(jì)分布、抑或是檢查印刷電路板上零件適合的位置。

　　哈雷工程師使用視覺(jué)系統(tǒng)

　　如果視覺(jué)系統(tǒng)使用得當(dāng)，就可以取代大量的傳感器，這樣的觀點(diǎn)并不是今天才有的。7年前，我就曾經(jīng)撰寫(xiě)過(guò)一篇關(guān)于哈雷-戴維森摩托裝配工廠全新機(jī)器檢測(cè)系統(tǒng)的文章。這套系統(tǒng)由一家位于美國(guó)中西部的系統(tǒng)集成商構(gòu)建，為此我曾專(zhuān)門(mén)對(duì)其進(jìn)行了采訪?！　?/p>

　
　　使用激光點(diǎn)掃描器確認(rèn)箱子里的鋁罐包裝狀況，需要N+1個(gè)傳感器，這里N是指每個(gè)箱子里鋁罐的數(shù)量。而智能相機(jī)只需要使用一個(gè)就可以完成這項(xiàng)工作。

　　起初，系統(tǒng)的安裝動(dòng)機(jī)是為了確認(rèn)雙凸輪88型發(fā)動(dòng)機(jī)定時(shí)鏈安裝是否正確。不必說(shuō)，哈雷正在安裝視覺(jué)系統(tǒng)的消息很快就在工程師中傳播開(kāi)來(lái)，而且每個(gè)人都有一套如何使用該系統(tǒng)的獨(dú)特想法。安裝完成之后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以執(zhí)行30項(xiàng)測(cè)試，比如確認(rèn)鏈輪齒是否已經(jīng)被緊緊固定。

　　確認(rèn)一個(gè)緊固件被卡緊看起來(lái)并不是視覺(jué)系統(tǒng)所長(zhǎng)，然而實(shí)際情況卻遠(yuǎn)非如此。視覺(jué)系統(tǒng)至少可以以三種方式確認(rèn)螺母在制造環(huán)境中是否被擰緊：

　　■ 確認(rèn)合適的安裝位置—當(dāng)一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)安裝螺母的時(shí)候，它需要把螺母頂?shù)侥硞€(gè)東西上面，比如墊圈或者可以嵌入螺母的零件，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以輕易的確定螺母是否已經(jīng)頂住了。如果沒(méi)有的話，兩個(gè)零件之間的間隙至少會(huì)顯現(xiàn)出一個(gè)陰影，而不是緊固情況下的一條線。

　　■ 計(jì)算螺紋—今天精確可重復(fù)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)可以使每個(gè)零件完全一致，無(wú)論是螺紋的數(shù)量還是螺紋緊固度。通過(guò)計(jì)算螺母中的螺紋數(shù)量，視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)際上觀測(cè)出螺栓的扭轉(zhuǎn)量。

　　■ 觀測(cè)變形量—如果螺栓連接一個(gè)有裂縫的環(huán)或者星形鎖緊墊圈、波紋型墊圈以及任何可能會(huì)變形的元件，視覺(jué)系統(tǒng)可以觀測(cè)到這些元件是否已經(jīng)因?yàn)閿D壓而產(chǎn)生變形以及有多大的變形量。

　　從撰寫(xiě)這篇文章開(kāi)始，我已經(jīng)看到許許多多的工程師跳出了傳統(tǒng)的條條框框，使用視覺(jué)系統(tǒng)解決復(fù)雜的傳感問(wèn)題。而這個(gè)所謂的“條條框框”，對(duì)于視覺(jué)來(lái)說(shuō)，指的就是自動(dòng)化檢測(cè)?！　?/p>

　
　　確認(rèn)螺紋緊固件的三種方法：觀測(cè)合適的安裝位置、從裝配中計(jì)算螺紋突起、以及觀測(cè)墊圈變形。

　　跳出條條框框

　　誰(shuí)都知道可以使用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)裝配線、校準(zhǔn)刻度以及讀取標(biāo)識(shí)，而這些傳統(tǒng)之外的應(yīng)用才是最讓人感興趣的，也是對(duì)于控制工程師最具有潛在價(jià)值的。

　　比如說(shuō)，去年我曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)這樣一個(gè)案例，一家電力工廠希望監(jiān)控高壓變壓器上填油式絕緣物質(zhì)的液位。為了高效傳輸大量電力，電廠將電壓提升到百萬(wàn)伏的級(jí)別，傳輸中的電力損耗與傳輸電流的大小相關(guān)，而傳輸一定電量所需的電流又與電壓成反比。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，在超過(guò)安全電流之前，120萬(wàn)伏電壓線路每安培傳輸?shù)碾娏渴?20伏線路的10000倍。電廠使用變壓器提升電壓使其達(dá)到工作級(jí)別。

　　然而，高壓變壓器往往會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部漏電，為了避免這個(gè)問(wèn)題，變壓器生產(chǎn)商就會(huì)在其內(nèi)部空間充滿高純度的機(jī)油作為絕緣體。除了將所有的空間填滿之外，油液還可以防止由漏電引起的損壞，所以它比環(huán)氧化物或者玻璃之類(lèi)的固體絕緣體工作周期更長(zhǎng)。

　　電廠意識(shí)到，輸電的銅質(zhì)變壓器葉片會(huì)加熱機(jī)油，使其揮發(fā)，如果機(jī)油液位降低，變壓器箱體可能就會(huì)沒(méi)有被全部填充。在受熱的瞬間，一端機(jī)油液位上升，而另外一端暫時(shí)還沒(méi)有變化。電廠就利用紅外線照相機(jī)檢測(cè)瞬時(shí)溫度變化時(shí)的液位高度差，來(lái)遠(yuǎn)程測(cè)量液位水平，而不需要穿過(guò)安全柵使變壓器內(nèi)部暴露在外。無(wú)需停機(jī)，一張圖片就可以測(cè)量許多臺(tái)變壓器的液位。盡管現(xiàn)在這個(gè)獨(dú)特應(yīng)用還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是顯而易見(jiàn)，這很容易實(shí)現(xiàn)，并可以用來(lái)控制任何冷熱液體的液位。

　　由于機(jī)器視覺(jué)可以測(cè)量任何可以轉(zhuǎn)化成紅外線/可見(jiàn)光/紫外線色差的變量，并且可以同時(shí)觀測(cè)數(shù)百萬(wàn)個(gè)位置，它的應(yīng)用可以達(dá)到任何工程師能夠想象到的地方。

　　今天的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)得益于先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括尺寸微小、功能強(qiáng)大的處理器、高級(jí)軟件算法、友善的操作界面，以及可以獲取數(shù)據(jù)、將其轉(zhuǎn)化為需要的信息、并且傳遞給控制系統(tǒng)的高速網(wǎng)絡(luò)。將所有這些打包成“智能視覺(jué)”產(chǎn)品，可以為控制工程師提供具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的靈活的傳感技術(shù)。