机器视觉检验系统深度解读

机器视觉检测系统

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在深圳机械展.

现代工业自动化生产中包含到多种多样检验、生产监视和零件识别应用，如汽车零配件批量

加工尺寸检验和自动装配完整性检验、电子装配线元件自动定位、IC上字符识别等。通常

这种带有高度反复性和智能性工作是由肉眼来完成，但在一些特殊情况下，如对微小尺寸正

确快速测量、形状匹配和颜色辨识等，依靠肉眼根本无法连续稳定地进行，其它物理量传感

器也难以胜任。大家开始考虑用CCD摄影机抓取图像后送入计算机或专用图像处理模块，

经过数字化处理，依据像素分布和亮度、颜色等信息来进行尺寸、形状、颜色等判别。这种

方法是把计算机处理快速性、可反复性和肉眼视觉高度智能化?口抽象能力相结合，由此产生

了机器视觉检测技术概念。

视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上一门新兴测试技术。和计算机视觉研究视觉模

式识别、视觉了解等内容不一样，视觉检测技术关键研究是物体几何尺寸及物体位置测量，

如轿车白车身三维尺寸测量、模具等三维面形快速测量、大型工件同轴度测量和共面性测量

等，它能够广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。视觉检测技术在匡外发

展很快，早在20世纪80年代，美国国家标准局就曾估计未来90%检测任务将由视觉检测

系统来完成。所以仅在80年代，美国就有100多家企业跻身于视觉检测系统经营市场，可

见视觉检测系统确实很有发展前途。在近几届北京国际机床展览会上已经见到国外企业展出

应用视觉检测技术研制优异仪器，如流动式光学三坐标测量机、高速高精度数字化扫描系统、

非接触式光学三坐标测量机等。

2.机器视觉检测系统组成、分类及工作原理

2.1系统组成和工作原理

（1）系统组成

经典视觉系统通常包含光源、镜头、CCD摄影机、图像处理单元（或图像采集卡）、图像处理

软件、监视器、通讯/输入输出单元等。

（2）工作原理

视觉系统输出并非图像视频信号，而是经过运算处理以后检测结果（如尺寸数据）。通常，机

器视觉检测就是用机器替换肉眼来做测量和判定。

首先采取CCD摄影机将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用图像处理系统，依据像素

分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。图像系统对这些信号进行多种运算来抽取目

标特征，如：面积、长度、数量、位置等.后，依据预设许可度和其它条件输出结果，如：

尺寸、角度、偏移量、个数、合格"F合格、有/无等。上位机（如PC和PLC）实时取得检测

结果后，指挥运动系统或I/O系统实施对应控制动作（如定位和分类）。

2.2系统分类

从视觉系统运行环境分类，可分为PC—BASED系统和PLC—BASED系统。基于PC系统

利用了其开放性、高度编程灵活性和良好Windows界面，同时系统总体成本较低。

PC-Based系统内含高性能图像采集卡，通常可接多个镜头，并提供库函数支持。现在世

界一流PC—Based视觉系统生产厂商美国DataTranslation企业，其MACH系列（如

DT3155）和MV系列PCI工业视觉卡已经成为业界标准；配套软件方面，32位SDKfor

Windows95/98/NT提供C/C++编程用DLL,DTActiveOpenLayer可视化控件提供VB

和VC++下图形化编程环境，而DTVisionFoundry则是Windows下面向对象机器视觉

组态软件，用户可用它快速开发复杂高级应用。类似还有美国NI企业，该企业将机器视觉

和运动控制功效和其被广泛应用Labview虚拟仪器软件相结合，效果显著。

和美国企业大力发展PC结构相比，日本和德国企业在PLC-Based系统方面走在前列。在

PLC系统中，视觉作用更像一个智能化传感器，图像处理单元独立于系统，经过串行总线和

I/O和PLC交换数据。日本松下企业ImageCheckerM100/M200系统可说是这方面代表。

该系统利用高速专用ASIC进行256级灰度检测，带逻辑条件和数学运算功效。系统软件固

化在图像处理器中，经过类似于游戏键盘简单装置对显示在监视器中菜单进行配置，开发周

期短，系统可*性高，其新一代产品A110/A210表现了集成化、小型化、高速化和低成本

特点。欧姆龙、Keyence等企业也有类似系统，但在技术性能上相对简单,更适适用于进

行有没有判别或形状匹配等.而德国Siemens企业智能化PROFIBUS工业视觉系统

SIMATICVS710提供了一体化、分布式高级图像处理方案，它将处理器、CCD、I/O集成

在一个机箱内，提供PROFIBUS联网方法或集成I/O和RS232接口,更关键是经过

PCWINDOWS下ProVision软件进行组态。VS710第一次将PC灵活性、PLC可靠性、

分布式网络技术和一体化设计结合在一起，使得西门子在PC和PLC体系之间找到了完美

平衡。

3.机器视觉检测系统经典应用领域及市场现实状况

现代视觉理论和技术发展，不仅在于模拟人眼能完成功效，更关键是它能完成人眼所不能胜

任工作。在当今电子、光学和计算机等技术不停成熟和完善基础上，视觉技术这个新兴技术

门类也得到快速发展。

机器视觉特点是自动化、客观性、非接触和高精度。和通常意义上图像处理系统相比，机器

视觉系统强调是精度、速度和工业现场环境下可靠性。机器视觉尤其适适用于大批量生产过

程中质量检验，如：零件装配完整性、装配尺寸精度、零件加工精度、位置/角度测量、零

件识别、特征/字符识别等，关键应用于包含5气车、制药、电子和电气、制造、包装、食品、

饮料、医学等领域，用于对汽车仪表盘加工精度检验、高速贴片机上对电子元件快速定位、

对管脚数目标检验、IC表面印字符辨识、胶囊生产中对胶囊壁厚和外观缺点检验、轴承生

产中对滚珠数量和破损情况检验、食品包装上对生产日期辨识、对标签贴放位置检验和医疗

方面对细胞数量和性质判定等。因为机器视觉系统能够快速获取大量信息，易于自动处理,

也易于和设计信息和加工控制信息集成，所以，在现代自动化生产过程中，机器视觉系统广

泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。机器视觉系统特点是提升生产柔性和自动

化程度，在部分不适合人工作业危险工作环境或人工视觉难以满足要求场所,采取机器视觉

来替换人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检验产品质量不仅效率低而且

精度不高，而用机器视觉检测方法能够大大提升生产效率和生产自动化程度；另外，机器视

觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造基础技术。国际上视觉系统应用方兴未艾，仅

1998年市场规模已达46亿美元，而在中国，工业视觉系统尚处于概念导人期，各行业领

先企业在处理了生产自动化问题以后，才开始将眼光转向视觉测量自动化。

4.机器视觉检测系踞道泗行面应用

相簿皿范系统在工业在线检测各个领域得到广泛应用。

(1)大型工件平行度、垂直度测量采取激光扫描和CCD探测系统大型工件平行度、垂直度测

量仪，它是以稳定准直激光束为测量基线，配以回转轴系，旋转五角标棱镜扫出相互平行或

垂直基准平面，并将其和被测大型工件各面进行比较。在加工或安装大型工件时，可用该认

错器测量面间平行度及垂直度。

(2)热轧螺纹钢几何参数在线动态超潮系统

该系统以频闪光作为照明光源，利用面阵和线阵CCD作为螺纹钢外形轮廓尺寸探测器件，

实现热轧螺纹钢几何参数在线测量裾检数

(3)轴承状态实时监控

采取视觉技术实时监控轴承负载和温度改变，消除过载和过热危险。该技术将传统经过测量

滚珠表面来确保加工质量和安全操作被动式测量变为主动监控。

(4)基于粉翻蹒义表板总成智能集成测试系统

汽车仪表板总成上安装有速度里程表、水温表、汽油表、电流表、信号报警灯等，其生产批

量大，出厂前需要进行一次质量终检。检测项目包含速度表等五个仪表指针指示误差,24

个信号报警灯和若干照明灯是否损坏或漏装等。通常采取人工目测方法检验，但误差大、可

靠性差，不能满足自动化生产需要。机器视觉检测技术智能集成测试系统改变了这种现实状

况，实现了对仪表板总成智能化、全自动、高精度、快速度质量检测，克服了人工检测所造

成多种误差，大大提升了检测效率和可靠性。

(5)金属板表面自动协穷系统

在对表面质量要求很高特殊大型金属板进行检测时，原始检测方法是采取人工目视或用百分

表加探针进行检测，该方法不仅易受主观原因影响，而且可能给被测表面带来新划伤。金属

板表面自动探伤系统利用机器视觉检测技术对金属表面缺点进行自动检验，可在生产过程中

高速、正确地进行检测，同时因为该系统采取非接触式测量，避免了产生新划伤可能。该系

统采取激光器作为光源，经过针孔滤波器滤除激光束周围杂散光，采取扩束镜和准直镜使激

光束变为平行光并以45度入射角均匀照射在被测金属板表面上。金属板放在检验台上，检

验台可在x、v、z三个方向上移动，摄像机采取TCD142D型2048线阵CCD,镜头采取

一般摄影机镜头，CCD接口电路采取单片机系统。PC主机关键完成图像预处理及缺点分类

或划痕深度运算等，并可将检测到缺点或划痕图像在显示器上显示。CCD接口电路和PC

机之间经过RS.232口进行双向通讯，组成人机交互式数据采集和处理。该系统关键利用线

阵CCD自扫描特征和被检钢板在x方向移动相结合，提取金属板表面三维图像信息。

(6)汽车车身轮廓尺寸精度检测系统

英国ROVER汽车企业800系列汽车车身轮廓尺寸精度100%在线检测，是机器视觉系统

用于131工业检测中一个经典实例。该系统由62个测量单元组成，每个测量单元包含一台

激光器和一个CCD摄像机用以检测车身外壳上288个测量点汽车车身置于测量框架下，

经过软件校准车身正确位置。每个激光器、摄像机单元均在离线状态下经过校准，同时还有

一个在离线状态下用三坐标测量机校准过校准装置用以对摄像机进行在线校准检测系统以

每40秒检测一个车身速度，可检测三种类型车身；系统将检测结果和从CAD模型中提取

出来合格尺寸相比较，测量精度为±0.1mm。ROVER企业质量检测人员用该系统来判别关

键部分尺寸一致性，如车身整体外型、车门、玻璃窗口等。检测实践证实，该系统可成功进

行800系列汽车车身轮廓尺寸精度在线检测，并将用于检测ROVER企业其它系列车身轮

廓尺寸精度。

(7)奥迪白车身表面质量检测系统

奥迪企业最近研制了一个能够对白车身表面缺点进行全自动检测系统，取名为"智能控制白

车身表面质量检测系统"。该检测系统综合采取了投影光栅直接相位采集、高速数字匿象处

理、表面缺点图象模式自动识别、智能化质量判定、自适应系统学习技术、高速数字信息网

络、松散化自调整软硬件结构和机器人系统控制技术，能够在传动速度为5m/min生产线

上，对焊装完成白车身进行100%在线检测。整车检验时间为1分20秒。经过自动测试和

分析，将过去靠肉眼无法分辨表面缺点直接标识在车身上，使白车身进入喷漆工序之前即可

对缺点处进行打磨，节省了表面喷涂过程中打磨工序，既节省了大量制造成本，同时又提升

了车身表面质量。

另外，在很多其它方法难以检测场所，利用机器视觉系统能够有效地实现。机器视觉应用正

越来越多地替换人去完成很多工作，这无疑在很大程度上提升了生产自动化水平和检测系统

智能水平。

5.机器视觉系统和CMM集成

伴随国际市场竞争加剧，各国制造企业越来越清楚地认识到，产品质量好坏，是决定企业生

产和经营成败关键。伴随市场环境多样化，企业对庞大和质量相关数据采集、处理和传输提

出了更高要求，更具柔性和自动化CAQ系统展现出以下发展趋势：①在必需情况下，CAQ

系统能够100%地检测产品，而不像现在普遍采取抽样检测；②将检测计划集成到加工过程

中，形成闭环反馈控制系统，在检测时确定产品相对于标准尺寸偏差，并在线纠正，所以,

可取得近100%优质产品；③机器视觉和优异图像处理技术、逆向工程技术已广泛地应用于

自动化检测，所以，可完成智能化、柔性、快速和低成本检测目标。④适适用于不一样产品

结构检测技术可将新产品技术要求直接从CAD/CAM数据库传输到检测系统中，不需要操

作人员编制特殊程序。

机器视觉和逆向工程等技术发展及其和CMM集成，能够深入提升CMM测量效率。对于

含有原始CAD模型测量对象，能够利用机器视觉系统，快速识别对象物形状及其在测量平

台位置和状态，完成机器坐标系、工件坐标系、摄像机坐标系三者之间转换，帮助CMM实

现检测路径自动形成和测量结果判定。机器视觉系统将兴集到信息传输到计算机，同时计算

机控制视觉系统操作，其次计算机将生成检测