機(jī)器視覺系統(tǒng)在汽車和煙草行業(yè)的應(yīng)用

　機(jī)器視覺的起步從20世紀(jì)80年代開始，到目前為止，從技術(shù)發(fā)展的角度講，已經(jīng)經(jīng)歷了大約3個(gè)發(fā)展階段。第一階段是色差傳感器階段；第二階段是各種視頻卡紛起階段；第三階段是嵌入式視覺系統(tǒng)和視頻卡并存的階段。根據(jù)這幾年的發(fā)展來看，在今后的幾年是視覺發(fā)展的重要階段，而嵌入式系統(tǒng)也將扮演越來越重要的角色。
　　目前全球整個(gè)視覺市場總量大概在60~70 億美元，主要集中在歐美和日本，在中國大約有1~2億美元的市場。按照我國的GDP增長速度8％來說，其中工業(yè)增長的份額為20％~30％，按照保守的估計(jì)，視覺的增長速度不應(yīng)該低于10％~15％。
　　首先我們來了解一下機(jī)器視覺和機(jī)器視覺系統(tǒng)的定義。顧名思義，機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將要檢測的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，這些數(shù)字量信號再傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)（分嵌入式和視頻卡方式），圖像處理系統(tǒng)根據(jù)要檢測的任務(wù)要求來設(shè)置檢測任務(wù)。然后根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。
　　機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線自動化程度。尤其是在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人眼難以滿足要求的場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)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(jī)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(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。
　　西門子機(jī)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目標(biāo)查找和搜索、SIMATIC VS 130二維碼的檢測。傳感器通過“示教”而非編程進(jìn)行和配置，因而不需要專門的圖像處理知識且價(jià)格低廉。
　　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)）等所有功能－非常適宜于在一個(gè)測試循環(huán)中完成許多的測試任務(wù)。正是由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。在中國，這種應(yīng)用也在逐漸被認(rèn)知，且?guī)碜钪苯拥姆磻?yīng)就是國內(nèi)對于機(jī)器視覺的需求將越來越多。

　　西門子視覺系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用

　　煙草行業(yè)在中國是一個(gè)很大的行業(yè)，每年都可以為政府創(chuàng)造大量的稅收和就業(yè)機(jī)會。云南是中國煙草行業(yè)中最重要的省份，在該省有許多大的煙草企業(yè)，例如曲靖煙廠、玉溪煙廠、紅河煙廠等。這些企業(yè)的管理層高度重視產(chǎn)品的質(zhì)量，他們也愿意選用最好的自動化設(shè)備來提升他們產(chǎn)品的質(zhì)量。而煙機(jī)是自動化領(lǐng)域中最復(fù)雜的機(jī)器之一，同時(shí)香煙的生產(chǎn)速度又非常快。例如，軟包線的生產(chǎn)速度是360包/分鐘，由于生產(chǎn)速度很快且產(chǎn)品的包裝又非常軟，所以，在生產(chǎn)過程中有許多不合格品產(chǎn)生。及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格品并將其剔除是非常重要的，否則不合格品將會流到下一道工序并被包裝和裝箱并流入市場。對于不合格品，盡管它不影響使用，但它會降低用戶的滿意度，用時(shí)也會削弱品牌價(jià)值和產(chǎn)品信譽(yù)度，而所有這些絕對是管理層所不愿意看到的。對于香煙的包裝檢測，主要有以下3類：
　　■ 軟包檢測
　　■ 硬包檢測
　　■ 條盒檢測
　　由于軟包的外包裝比較軟，容易變形，所以檢測軟包是所有檢測中最難的。對于軟包，一個(gè)最主要的問題是表面破損。而檢測主要包含商標(biāo)打?。ㄊ欠衤┯。较蚴欠裾_，位置是否正確） ；頂部小花（是否漏印，方向是否正確，位置是否正確）；頂部和底部的內(nèi)部包裝質(zhì)量 ，內(nèi)包裝和外包裝的相關(guān)位置檢測等。
　　因?yàn)樯a(chǎn)線的速度非?？欤?包/秒）而檢測任務(wù)又非常復(fù)雜和緊急，因此用人工在生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)不合格品并將其剔除是不可能的。
　　目前的檢測方式是人工抽檢。也就是說，實(shí)際上無法在線檢測。而結(jié)果就是有很多的不合格品流入市場，但管理層卻無法控制也無法知道具體數(shù)量。
　　對于高速的應(yīng)用場合，機(jī)器視覺是唯一的解決方案。我們提供西門子新一代機(jī)器視覺VS720系列。
　　該系統(tǒng)使用智能視覺傳感器替代人眼來完成檢測任務(wù)和邏輯運(yùn)算工作，該視覺傳感器在0.4毫秒內(nèi)捕捉圖像并將其發(fā)送到內(nèi)部處理器中。經(jīng)處理器數(shù)字化后，該機(jī)器視覺系統(tǒng)就可以評估其顏色、表面和尺寸等。根據(jù)其計(jì)算結(jié)果，通過外部接口信號我們就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備對煙盒的自動檢測和剔除。
　　選用機(jī)器視覺系統(tǒng)，我們可以做到：
　　■ 減少產(chǎn)品周轉(zhuǎn)費(fèi)用
　　■ 縮短機(jī)器停工期
　　■ 提升產(chǎn)品質(zhì)量
　　對于煙包檢測，我們使用兩個(gè)視覺傳感器分別對煙包的前部、后部、左部、右部和頂部5個(gè)面進(jìn)行圖像捕捉，然后用定位分析“軟傳感器” (VS720系列軟件Spectation 功能)確定軟包的邊緣，根據(jù)確定邊緣后的實(shí)際位置來進(jìn)行檢測任務(wù)。例如，對于頂部的圖像，我們采用諸如密度、特征值計(jì)數(shù)、模板匹配、測量等“軟傳感器”來實(shí)現(xiàn)檢測任務(wù)。檢測結(jié)果輸出到S7 300 PLC，該控制器進(jìn)行編程來完成對剔除裝置的控制，輸出信號到執(zhí)行系統(tǒng)-氣閥來剔除不合格品。
　　經(jīng)過在線調(diào)試后，我們獲得了滿意的結(jié)果。幾乎全部標(biāo)記過不合格品被全部剔除。現(xiàn)在，實(shí)際的不合格率并不高，估計(jì)在1%或更低。在正常生產(chǎn)過程中，每秒可生產(chǎn)6包煙，以每天12小時(shí)生產(chǎn)計(jì)算，每天可生產(chǎn)約265000包，所以說每天的不合格品數(shù)量還是比較高。
　　應(yīng)用該系統(tǒng)可保證不合格品不流入市場，這樣就可以提升產(chǎn)品等級，用戶的滿意度和潛在的品牌價(jià)值，當(dāng)然也可以降低回收的費(fèi)用。該項(xiàng)目成功應(yīng)用后，我們有理由期待機(jī)器視覺在煙草行業(yè)有更多的應(yīng)用。

　　西門子視覺系統(tǒng)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

　　在汽車行業(yè)，產(chǎn)品的精度和質(zhì)量都必須滿足要求的這種需求正在與日俱增。因此，現(xiàn)在汽車行業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)是越來越快的生產(chǎn)周期和大量原材料和零部件的供應(yīng)。這就給機(jī)器視覺系統(tǒng)提供了用武之地，機(jī)器視覺正逐步被看作任何自動化解決方案中的一個(gè)完整的組成部分，成為自動化技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科。
　　今年紐倫堡舉行的SPS/IPC/DRIVES展示會以機(jī)器視覺系統(tǒng)為展示的中心，這一點(diǎn)同樣表明了機(jī)器視覺與日俱增的重要性。通過VS100和VS720圖像傳感器，西門子自動化和驅(qū)動集團(tuán)展示出大量的可用于制造工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域的視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺正快速的進(jìn)入各個(gè)領(lǐng)域，占據(jù)一個(gè)又一個(gè)的工業(yè)部門。在電子工業(yè)中，特別是像高精度的晶片位置識別或位置校正以及用于SMT（表面安裝設(shè)備）裝配零件檢測這樣的領(lǐng)域，幾年來已經(jīng)形成了這樣的共識: 現(xiàn)在要滿足高質(zhì)量和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的唯一方式就是使用靈活的圖像處理方法。不管怎樣，機(jī)器視覺目前已經(jīng)是不可缺少了，即便是擁有能夠提供最佳精度級別的三維自動裝配和適應(yīng)大量不同種類和改進(jìn)種類裝配線的汽車行業(yè)也不例外。

　　■ 一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)的重要性
　　從前，機(jī)器視覺系統(tǒng)只是局限于少數(shù)專家人員使用。自從引進(jìn)了很容易集成到自動化解決方案中的智能圖像系統(tǒng)后，圖像處理在自動化技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用以難以置信的速度增長。西門子的服務(wù)范圍從適合一般應(yīng)用的通用系統(tǒng)，擴(kuò)展到了所有的專用系統(tǒng)，提供幾乎適合所有需求的最優(yōu)解決方案。
　　汽車工業(yè)在發(fā)動機(jī)和變速箱的制造中，使用西門子視像系統(tǒng)檢測零部件，記錄裝配零件的制造日期。零部件供應(yīng)商用它檢測零件尺寸精度，校正汽車零部件的壓力，還可用于正確安裝安全帶及其他類似的安全配件。
　　■ 對質(zhì)量的考慮
　　改進(jìn)質(zhì)量和增加產(chǎn)量是世界領(lǐng)先的汽車制造巨頭選擇投資機(jī)器視覺的主要原因。一個(gè)例子就是汽車工業(yè)使用光學(xué)設(shè)備來檢查彈簧裝配的完整性。位于Erlangen的Heitec AG作為西門子自動化解決方案的提供者，為此定制系統(tǒng)，提供了包括裝卸系統(tǒng)和機(jī)器視覺系統(tǒng)的完整解決方案。
　　檢測裝置是用光學(xué)方法檢測彈簧裝配得是否正確。彈簧裝配包括1個(gè)金屬軸，內(nèi)插一個(gè)陶瓷圓柱，10個(gè)曲片彈簧墊圈和1個(gè)終端片。為了能夠檢查正確裝配，將彈簧安裝在一個(gè)輪軌上通過傳送帶傳送經(jīng)過一個(gè)攝像機(jī)，任何攝像機(jī)識別出來不合格的“壞品”都被氣壓缸噴出，而“正品”被運(yùn)送到一個(gè)緩沖站，在這里它們會被拿去做深加工。
　　所使用的圖像處理系統(tǒng)包含1個(gè)西門子VS110視像傳感器和1個(gè)紅外光的照明設(shè)備；處理系統(tǒng)由自動傳送設(shè)備（能夠支持10個(gè)彈簧組）和1個(gè)剔除“壞品”的自動噴射裝置組成。整個(gè)檢測設(shè)備由西門子S7-200控制。
　　使用該裝置可以顯著提高質(zhì)量和增加產(chǎn)量。實(shí)際上，在Heitec工程師們滿懷信心的認(rèn)為它能夠使“我們的客戶不用多久就能收回他們的投資”。

　　西門子視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　■ 西門子VS100--智能實(shí)施方案
　　隨著西門子VS100套件的出現(xiàn)，西門子已經(jīng)步入一個(gè)全新的設(shè)備范疇。該范疇包括檢查小零件的形式、型號和位置，也包括按ECC200閱讀2維代碼。并以此為目的設(shè)計(jì)了VS110、VS120和VS130視圖傳感器，它是一個(gè)完整的器件，包括照明單元、控制單元、傳感器和電纜線。
　　所有VS100范圍內(nèi)的視圖傳感器都是即插即用的，簡單易學(xué)，無需專門的培訓(xùn)指導(dǎo)。由于該系統(tǒng)是“示教”而不用編程，因此即便是非專業(yè)人士也可毫不費(fèi)力地掌握圖像處理。使用掉電保護(hù)可以保存多達(dá)15種不同的檢測程序，并可以快速轉(zhuǎn)換到其他型號或類型。得益于系統(tǒng)傳感器工藝設(shè)計(jì)的緊湊，使得西門子VS100家族的產(chǎn)品可以與多種傳輸系統(tǒng)，諸如振蕩傳輸系統(tǒng)、傳送帶或者卡具相連。此外，一些標(biāo)準(zhǔn)接口如RS232、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)使得視圖傳感器能夠靈活、簡便地集成到復(fù)雜的自動控制環(huán)境中。
　　■ 西門子VS720--為專門需求量身定做
　　新型VS720生產(chǎn)線專門用于處理更為復(fù)雜的任務(wù)，是西門子VS700通用攝像套件的完美補(bǔ)充，增強(qiáng)了西門子在靈活，通用系統(tǒng)領(lǐng)域中的地位。所有功能，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(gè)緊湊的過程中的，是在一個(gè)檢測周期進(jìn)行幾種檢測任務(wù)的理想方案。
　　新套件目前包含有6個(gè)智能攝像機(jī)滿足機(jī)器視覺的不同需求，例如自動檢測、生產(chǎn)監(jiān)視和零件識別。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(jì)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(jià)格比較經(jīng)濟(jì)的場合。VS723是一臺用于高速攝影的攝像機(jī)，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是高分辨率攝像機(jī)，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彩色專門用于另外的應(yīng)用領(lǐng)域。由于該系統(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。
　　■ 面向自動化世界
　　VS720系列中的攝像機(jī)提供1個(gè)集成以太網(wǎng)接口和8個(gè)可自由配置的數(shù)字輸入、輸出端。攝像機(jī)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(jī)的訪問，因此極大地簡化了設(shè)備的維護(hù)和診斷。VS鏈接接口模塊可以在一臺監(jiān)視器顯示幾個(gè)攝像機(jī)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(jī)。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。
　　Simatic組態(tài)軟件由于具有很多檢測功能，它能提供用戶友好的方法來建立定制的圖像處理解決方案，即在無攝像機(jī)連接時(shí)，可以使用仿真器來進(jìn)行組態(tài)。