【文章內(nèi)容簡介】 造業(yè)的快速發(fā)展和計算機及總線技術(shù)發(fā)展的日臻成熟，機器視覺技術(shù)己經(jīng)在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。機器視覺是圖像技術(shù)、模式識別技術(shù)，以及計算機技術(shù)發(fā)展的新的產(chǎn)物，是實現(xiàn)智能化、自動化、信息化的先進技術(shù)領(lǐng)域。機器視覺系統(tǒng)在FMS中的應(yīng)用，大大提高裝備的智能化、自動化水平，提高FMS的使用效率、可靠性等性能。隨著機器視覺系統(tǒng)新的技術(shù)、新的理論在FMS中的應(yīng)用，將更加有效地發(fā)揮FMS自動化裝備的效能，提升自動化生產(chǎn)水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量，帶動整個產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率大幅提高。因此開展機器視覺的理論探索和機器視覺技術(shù)應(yīng)用于FMS中的零件識別的研究具有非常重要的意義。本論文圍繞如何實現(xiàn)柔性系統(tǒng)在線零件的自動識別，對機器視覺識別系統(tǒng)的基本原理、圖像預(yù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫建立等若干關(guān)鍵技術(shù)進行了大量的試驗分析和理論探討。在此基礎(chǔ)上，圍繞柔性制造系統(tǒng)在線零件識別的特點，比較了相關(guān)軟硬件的性能，最終完成了柔性制造系統(tǒng)在線零件識別系統(tǒng)設(shè)計。第2章 柔性制造系統(tǒng)在線零件識別系統(tǒng)總體方案設(shè)計硬件是功能的基礎(chǔ)，可以說整個在線零件識別系統(tǒng)的性能取決于硬件本身的特性。硬件系統(tǒng)的設(shè)計和選型在根本上決定了系統(tǒng)整體的識別精度和穩(wěn)定性。典型的PC式視覺系統(tǒng)一般由計算機、光源部分、鏡頭、CCD攝像機、圖像集卡以及圖像處理軟件組成。在本章中，將圍繞柔性制造系統(tǒng)在線零件識別的應(yīng)用，就機器視覺系統(tǒng)的硬件組成、性能比較以及硬件選型進行了進一步的研究和實踐。柔性制造系統(tǒng)（島）由一臺帶雙工位交換托板的THM6363精密臥式加工中心、兩臺帶雙工位交換托板的TH6363臥式加工中心、容量為十八個托板的托板庫，托板交換小車和總控計算機、信息監(jiān)控系統(tǒng)、在線零件識別系統(tǒng)等組成?？刂撇糠种饕?總控計算機、GEFANUCFA控制系統(tǒng)、加工中心控制系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)、現(xiàn)場信息監(jiān)控系統(tǒng)、零件識別系統(tǒng)等組成。其中加工中心和搬運小車主要采用具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能的FANUC OiMB數(shù)控系統(tǒng)，托板庫控制系統(tǒng)采用具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能的FANUC OiTB數(shù)控系統(tǒng)。三臺加工中心、并可向創(chuàng)門傳送程序和刀偏等數(shù)據(jù)。同時三臺加工中心、托板庫、零件識別系統(tǒng)之間采用1/O LINK總線連接，用于傳遞相互之間的1/O接口信號。機床托板裝載站和工作臺面上的托板號記憶在FANUC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的PMC數(shù)據(jù)表里。通過uo ，同時將搬運小車輸送來的托板號和其對應(yīng)的程序號數(shù)據(jù)送至機床。托板庫由容量為十八個托板的托板倉庫、搬運小車和上料工位組成，托板倉庫采用固定托板位置控制方式，即每個托板放置在托板倉庫中的固定位置上。搬運小車采用FANUC oiTE數(shù)控系統(tǒng)進行控制，由FANLTC數(shù)控系統(tǒng)來記憶搬運小車、上下料工位、托板裝載站和機床工作臺面上的托板號。在數(shù)控系統(tǒng)里事先編制好許多用于控制搬運小車移動到各個位置的程序，由托板庫控制系統(tǒng)根據(jù)總控計算機下發(fā)的控制程序來調(diào)用執(zhí)行，從而控制搬運小車為三臺加工中心服務(wù)?？偪赜嬎銠C為工業(yè)級I39。C機，監(jiān)控托板庫的工作狀態(tài)，并可向它們傳送程序和加工數(shù)據(jù)。整個柔性制造系統(tǒng)通過以太網(wǎng)可往上連接到公司的MIS系統(tǒng)，接受公司生產(chǎn)部門指令和作業(yè)計劃，接收技術(shù)中心的CAM系統(tǒng)生成的產(chǎn)品加工程序、接受公司的生產(chǎn)調(diào)度部的監(jiān)控。零件識別系統(tǒng)為PC式視覺系統(tǒng)，在待加工零件裝夾完成后，進行零件識別，將識別出的零件信息發(fā)送給MIS系統(tǒng)，再由MIS系統(tǒng)安排該零件的加工。圖21柔性制造系統(tǒng)工作流程圖2. 2. 2在線零件識別系統(tǒng)問題的提出從圖21所示的柔性制造系統(tǒng)工作原理流程圖知在上下料工位裝夾完零件后，由托板小車自動將零件送到相應(yīng)加工中心，由托板庫控制系統(tǒng)通過MIS系統(tǒng)將該零件的相應(yīng)加工程序號傳送給加工中心，加工中心調(diào)用與程序號對應(yīng)的加工程序進行加工。在以前的柔性制造系統(tǒng)中完全靠人工輸入來調(diào)用待加工零件的數(shù)控程序，這影響了系統(tǒng)得加工效率，成為制約柔性制造島柔性化和智能化的一個重要方面，為了解決這一問題，需要在零件進行加工前先完成零件的自動識別，根據(jù)識別結(jié)果加工中心自動調(diào)用相應(yīng)程序完成加工。若在每臺加工中心各自建立一套獨立的基于機器視覺的在線零件識別系統(tǒng)，則能更好的提高系統(tǒng)的柔性化和智能化，但是這種方案將增加整個柔性制造系統(tǒng)的成本。因此本文研究了在上下料工位處采用PC機器視覺系統(tǒng)通過采集圖像和相應(yīng)的圖像識別處理和識別來實現(xiàn)在線零件識別的方法。2. 3. 1在線零件識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理本研究根據(jù)機械零件圖像識別原理及柔性制造系統(tǒng)的要求，設(shè)計了基于機器視覺的在線零件識別系統(tǒng)，其由工控機、高分辨率的面陣黑白工業(yè)相機、圖像采集卡、光源、光學鏡頭、光源、沁卡等組成，它用于對柔性制造系統(tǒng)在線零件進行識別。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖22所示:圖22系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上面系統(tǒng)組成圖中所示各組成部分的名稱與功能概述如下: :這一部件含有一個工業(yè)相機和鏡頭(光學部件)，用于拍攝被檢測的物體。:光源為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠得照明光源，并且使得零件圖像中的背景灰度均勻，通過與背景的配合以便拍攝到更好的圖像。:也稱為視頻抓取卡，這個部件是一張插在PC上的卡。這張采集卡的作用是將攝像頭與PC連接起來。它從攝像頭中獲得圖像信息(模擬信號或數(shù)字信號)，然后轉(zhuǎn)換成PC能處理的數(shù)據(jù).4. PC平臺:計算機是機器視覺自動識別系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是自動識別檢測軟件運行的硬件平臺。對圖像采集卡得來的圖像數(shù)據(jù)進行圖像處理。:整個系統(tǒng)中的智能部分，自動圖像識別軟件用于創(chuàng)建和執(zhí)行程序、處理采集回來的圖像數(shù)據(jù)、以及完成識別零件操作。:一旦系統(tǒng)完成識別操作，這部分負責與外界通信，將識別出來的零件信息以控制信號的形式輸出。系統(tǒng)的工作原理:在自動識別零件前，攝取各種零件的圖像生成圖像庫。在每個工作計劃執(zhí)行前，根據(jù)MIS系統(tǒng)下發(fā)的計劃文件(.excel表格格式)，更新當前工作計劃臨時零件庫。識別系統(tǒng)工作時，當載有零件的自動牽引小車將托板送到上料工位，工人裝夾工件，然后按動攝像啟動按鈕，光源系統(tǒng)啟動為系統(tǒng)提供均勻的光線，由工業(yè)CCD相機開始攝像，工控機內(nèi)的圖像采集卡對工業(yè)CCD相機傳送來的圖像信號進行放大、濾波、采樣等處理，并將圖像信號寫入到工控機的內(nèi)存中，然后由圖像識別軟件對采集到的零件圖像進行圖像處理和識別。最后在顯示器上顯示識別結(jié)果，同時通過加卡，把識別出來的零件信息傳送給托板庫控制系統(tǒng)和MIS系統(tǒng)，MIS系統(tǒng)再根據(jù)識別結(jié)果安排加工中心并調(diào)用相應(yīng)的數(shù)控加工程序傳給相應(yīng)的加工中心，完成相應(yīng)零件的加工。柔性制造系統(tǒng)在線零件識別系統(tǒng)的基本性能如下:，其余皆由控制系統(tǒng)自動控制完成。 :600 X 800 mm。:箱體類、板桿類、軸類、盤類。，圖像識別的結(jié)果將返回人機界面。:999種零件。:1秒/零件。:當前生產(chǎn)批次零件100/0*基于PC結(jié)構(gòu)的識別系統(tǒng)得硬件的設(shè)計。2. 4. 1 CCD工業(yè)相機選擇CCD(電荷藕合器件)是由具有光電效應(yīng)的半導體器件組成的一個面陣單元。通過CCD圖像傳感器采集圖像，把目標的三維圖像采集為二維圖像，通過光信號轉(zhuǎn)換成電信號，即所謂的模擬信號，再由圖像采集卡把電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，供計算機處理。CCD根據(jù)圖像顏色來分有單色CCD和彩色CCD。單色CCD輸出圖像是單色的，彩色CCD輸出圖像是彩色的。CCD根據(jù)傳感器格式來分，可以分為線陣和面陣兩種。線陣CCD每次只能得到一條線上的光學信息，其分辨率高。面陣CCD由排成方陣的感光像元組成，可直接得到二維圖像，一般應(yīng)用于成像速度要求不高，一次成像的場合。由于本系統(tǒng)需自動識別的是金屬零件，對零件的具體顏色和表面圖像等信息都不需要，因此采用單色的相機。同樣價格的單色相機和彩色相機相比，單色相機分辨率高、信噪比大、靈敏度高、拍攝的圖像對比度也大，更能夠表達被測物體的亮度信息，另外圖像格式的數(shù)據(jù)量小、處理速度快。所以單色相機能夠完全滿足本系統(tǒng)的要求。由于零件是靜止攝像，采用面陣相機。下面確定相機的關(guān)鍵參數(shù):由于本系統(tǒng)為柔性制造系統(tǒng)的在線零件的識別，而非精確的尺寸檢測，系統(tǒng)只需達到毫米級像素當量即可滿足要求。柔性制造系統(tǒng)在線零件的最大尺寸為600 X800 mm，則CCD的最小分辨率為 800X600mm?？紤]到現(xiàn)場屏蔽背景尺寸要大于零件尺寸，因此本系統(tǒng)選用了分辨率為1024X 768的CCD。相機的接口主要有:Analog, CameraLink, IEEE1394, , Gigabit Ethernet。其中CameraLink是專為機器視覺的高端應(yīng)用設(shè)計的，是由幾家專做圖像卡和工業(yè)相機的公司聯(lián)合發(fā)布的，其傳輸率高，可達到1 Gbits/s,輸出數(shù)字格式，可提供高分辨率、高信噪比:其缺點是傳輸距離較短，最遠距離不超過l 0m。由于本系統(tǒng)CCD跟PC機距離較近，因而選用CameraLink接口類型的工業(yè)相機。根據(jù)以上所述，在本系統(tǒng)中，選用型號為UNIQ UP800的單色面陣CCD，其分辨率為1024 x 768, X ，像素尺寸為: X 。鏡頭是本系統(tǒng)中必不可少的部件，鏡頭的選擇直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實現(xiàn)和識別結(jié)果。鏡頭從焦距上分為短焦鏡頭、中焦鏡頭、長焦鏡頭。結(jié)構(gòu)上分有固定光圈定焦鏡頭、手動光圈定焦鏡頭、自動光圈定焦鏡頭、手動變焦鏡頭、自動變焦鏡頭、自動光圈電動變焦鏡頭、電動三可變鏡頭等。通常選用鏡頭主要根據(jù)鏡頭的幾個主要參數(shù)來確定。一般情況下，主要考慮鏡頭的成像面、焦距、視場、工作距離、視野和景深等參數(shù)。一般來講，焦距越小，視角越大，最小工作距離越短，視野越大。對于鏡頭的選用，工作距離越近越好，鏡頭的畸變越小越好，視野越大越好。根據(jù)本系統(tǒng)在工作時的位置是固定的即物距是定值，另外光源環(huán)境也變化不大。因而選取具有光照度比較均勻，價格較便宜的手動光圈定焦標準鏡頭。這種鏡頭結(jié)構(gòu)較簡單，有一個可以手動調(diào)節(jié)的對焦調(diào)整環(huán)和手動光圈調(diào)整環(huán)。通過左右旋轉(zhuǎn)該環(huán)可使成像最清晰，使其能夠適應(yīng)工作環(huán)境的光照度。零件最大尺寸為800mm，鏡頭至零件的距離為1400mm，則本自動識別系統(tǒng)需要的檢測視角為44度，檢測視角小于標準鏡頭的視角50度。下面確定鏡頭的焦距:假定鏡頭的焦距是FL（mm)，工作距離是W(mm)，那么根據(jù)幾何光學的原理，可以推出所選取工業(yè)相機UNIQ UP800的CCD長邊L=，系統(tǒng)攝像工作距離W=1400mm，最大視場FOV=800mm所以可得FL=。由以上分析可得系統(tǒng)的鏡頭要求選用日本精工8mm手動光圈定焦標準鏡頭。2. 4. 3光源系統(tǒng)設(shè)計光源系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分，因為光源光強的均勻性，光強波動幅度、照明方式等，會直接影響著圖像采集的質(zhì)量，從而影響整個系統(tǒng)的測量精度。根據(jù)