技术文章
如何组建机器视觉测量系统
日期：2018-02-07
来源：三姆森科技
机器视觉系统可以快速、准确和高可重复性地自动完成诸如部件测量和检查的工作，这样就可以帮助制造商提高产品质量和生产力。视觉系统在制造过程中的每一步都可以生成有价值的监测数据，这同时也可以帮助控制工程师扩展过程诊断的功能。
非接触式测量更加快捷
机器视觉在质量控制上最普遍的应用就是测量。由于视觉系统测量部件特有的可以达到千分之一英寸的精度，使得它可以适用于很多从前需要采用接触式测量方法的应用场合。制造商采用基于视觉的测量是有诸多原因的。速度是主要的一点。采用接触式测量，难以跟上高吞吐量的流水线的步伐，因此，传统地测量一般都是在产品抽检时完成。相对应地，机器视觉系统就可以跟上上述生产流水线的步伐，每分钟可以完成上千次的测量，而且机器视觉系统还可以嵌入流水线系统中进行100%的监测。消除了物理接触，基于视觉的测量就可以避免对零件的损伤并减少了对机械测量表面磨损和划痕的维护。最终，视觉系统可以测量某些不能用接触式方法测量的零件。
诊断功能
除了测量，机器视觉还能为诊断提供一个有效数据采集工具，这些工具可以进行过程度量和分析数据走势。视觉系统可以为监控操作提供实时的图像，也可以将数字图像按时间标记存档，便于后期检索。
举例说，在一个装罐流水线上，当瓶子经过摄像机时，它可以为每一个瓶子捕捉一幅图像，并将其与一系列标准参数对比，检查充满程度、瓶盖、密封程度和标签、外观和变形程度。当出现一个参数超标时，就发出信号提示此瓶需要被移至废物储存室。而且，这个可以通过设置系统，使之将次品瓶子的图像存储到一个数据库中用于分析。工程师们可以观察图像来进行根源分析，而不是再次从废物储存室里取样，再找到次品的来源。将次品图像存档以备后用的方法可以作为一种诊断工具使用，它有助于故障查找并减少停机时间。
视觉产品逐渐被归为三种主要类别：视觉传感器（一般是独立的、低功耗的检测设备）、基于PC机的视觉系统（带有电源并且可以使用简单的图形化编程语言进行灵活的编程）、专家传感器（针对特定自动化问题的低功耗技术）。这三个类别的视觉产品都包括摄像头、处理器、图像分析软件、光源和网络互连功能。很多器件是相互依赖的，所以这个列表不是严格排序的。例如，功能强大的软件可以补偿非最佳光源的不足；合理地使用镜头可以降低硬件的功耗。每一个视觉系统搭建区域或者实验室里都应该有一系列的备用零件、镜头和其他组件，配合简单的机器视觉摄像头、光源和安装选项，工程师可以在这些材料中酌情选择，搭建视觉系统。
搭建系统用附件：
一个塑料标尺，就可以为前置光源后置光源来测量视野。摆放成45度角，聚焦在中间（而不是边缘），它可以测量景深（例如15mm长的标尺距离，除以1.41得到景深）。对于高放大倍数的应用场合，使用一个简单的朗奇光栅，检查光学系统得失真。更换镜头并在最小视野下调整摄像头的位置。无需购买超过实际需要的摄像头，但需要花费时间对结果进行数学换算。
一组颜色滤镜，可以减少环境光线的影响；滤除不同材料光波中的共同波长部分，进而增加对比度。
焦距扩展设备，可以通过使用一个2倍的焦距扩展设备仿真一个更长焦距的镜头，如将50mm的焦距变换为100mm的焦距或35mm的焦距变换为70mm。
镜式分光器，可以与一个环形光源或集成的摄像头光源搭配使用，以使摄像头和光源垂直于零件。在45度的角度上，通过反射一半光线、透射另一半光线，可以模拟一个散射同轴光源，对于漫反射，可以调整摄像头，以使中央光圈环绕待测零件，这样可以消除测量误差。在机器人技术的应用中，例如在发动机组周围可以在每一个测量点对机器人进行示教。对于远程测量，它也可以增加精度。散射同轴光源（DOAL）可以减少反射和闪耀、消除亮点和异物，例如通过给出边缘对比度可以消除油漆表面上的结块。
硬件：图像采集硬件（即“图像采集卡”）必须具有低噪声和低抖动，以便进行稳定的测量。
软件：确保基于视觉的度量衡能对测量公差给予明确的定义。例如有多种不同的方法可以测量垂直度，所以你必须先确定此视觉解决方案能够完成所要求的测。
重复性能：任何传感作业，包括视觉传感，都需要重复测量来尽可能多地进行可靠地检测。要测试重复性，须在视觉系统下放置一个零件，“至少进行5次测量，且在测量过程中不能改变零件的位置、光源或其他变量。据此，你可以绘出测量的重复性，并且确保结果中的任何改变都在测量允许公差之内。
镜头选择，避免失真：标准的机器视觉镜头都有光学失真、负失真或桶状失真，当在距镜头不同距离的位置测量时，还会产生透视失真。虽然这些失真可以被机器视觉系统部分地校正。但更好的解决方法是使用低失真的镜头或远心透镜。根据视野要求和对最小感兴趣点的分辨率来选择镜头。
光源，避免反射：提供一种可以增强待测量并且抑制人为影响的光源，不必要的反射就是人为影响。例如冲压金属板之类的可以用逆光照射零件，我们就用平行光源来凸现其边缘。正确的光源选择需要一定经验和试验测定。
非接触式测量更加快捷
机器视觉在质量控制上最普遍的应用就是测量。由于视觉系统测量部件特有的可以达到千分之一英寸的精度，使得它可以适用于很多从前需要采用接触式测量方法的应用场合。制造商采用基于视觉的测量是有诸多原因的。速度是主要的一点。采用接触式测量，难以跟上高吞吐量的流水线的步伐，因此，传统地测量一般都是在产品抽检时完成。相对应地，机器视觉系统就可以跟上上述生产流水线的步伐，每分钟可以完成上千次的测量，而且机器视觉系统还可以嵌入流水线系统中进行100%的监测。消除了物理接触，基于视觉的测量就可以避免对零件的损伤并减少了对机械测量表面磨损和划痕的维护。最终，视觉系统可以测量某些不能用接触式方法测量的零件。
诊断功能
除了测量，机器视觉还能为诊断提供一个有效数据采集工具，这些工具可以进行过程度量和分析数据走势。视觉系统可以为监控操作提供实时的图像，也可以将数字图像按时间标记存档，便于后期检索。
举例说，在一个装罐流水线上，当瓶子经过摄像机时，它可以为每一个瓶子捕捉一幅图像，并将其与一系列标准参数对比，检查充满程度、瓶盖、密封程度和标签、外观和变形程度。当出现一个参数超标时，就发出信号提示此瓶需要被移至废物储存室。而且，这个可以通过设置系统，使之将次品瓶子的图像存储到一个数据库中用于分析。工程师们可以观察图像来进行根源分析，而不是再次从废物储存室里取样，再找到次品的来源。将次品图像存档以备后用的方法可以作为一种诊断工具使用，它有助于故障查找并减少停机时间。
视觉产品逐渐被归为三种主要类别：视觉传感器（一般是独立的、低功耗的检测设备）、基于PC机的视觉系统（带有电源并且可以使用简单的图形化编程语言进行灵活的编程）、专家传感器（针对特定自动化问题的低功耗技术）。这三个类别的视觉产品都包括摄像头、处理器、图像分析软件、光源和网络互连功能。很多器件是相互依赖的，所以这个列表不是严格排序的。例如，功能强大的软件可以补偿非最佳光源的不足；合理地使用镜头可以降低硬件的功耗。每一个视觉系统搭建区域或者实验室里都应该有一系列的备用零件、镜头和其他组件，配合简单的机器视觉摄像头、光源和安装选项，工程师可以在这些材料中酌情选择，搭建视觉系统。
搭建系统用附件：
一个塑料标尺，就可以为前置光源后置光源来测量视野。摆放成45度角，聚焦在中间（而不是边缘），它可以测量景深（例如15mm长的标尺距离，除以1.41得到景深）。对于高放大倍数的应用场合，使用一个简单的朗奇光栅，检查光学系统得失真。更换镜头并在最小视野下调整摄像头的位置。无需购买超过实际需要的摄像头，但需要花费时间对结果进行数学换算。
一组颜色滤镜，可以减少环境光线的影响；滤除不同材料光波中的共同波长部分，进而增加对比度。
焦距扩展设备，可以通过使用一个2倍的焦距扩展设备仿真一个更长焦距的镜头，如将50mm的焦距变换为100mm的焦距或35mm的焦距变换为70mm。
镜式分光器，可以与一个环形光源或集成的摄像头光源搭配使用，以使摄像头和光源垂直于零件。在45度的角度上，通过反射一半光线、透射另一半光线，可以模拟一个散射同轴光源，对于漫反射，可以调整摄像头，以使中央光圈环绕待测零件，这样可以消除测量误差。在机器人技术的应用中，例如在发动机组周围可以在每一个测量点对机器人进行示教。对于远程测量，它也可以增加精度。散射同轴光源（DOAL）可以减少反射和闪耀、消除亮点和异物，例如通过给出边缘对比度可以消除油漆表面上的结块。
硬件：图像采集硬件（即“图像采集卡”）必须具有低噪声和低抖动，以便进行稳定的测量。
软件：确保基于视觉的度量衡能对测量公差给予明确的定义。例如有多种不同的方法可以测量垂直度，所以你必须先确定此视觉解决方案能够完成所要求的测。
重复性能：任何传感作业，包括视觉传感，都需要重复测量来尽可能多地进行可靠地检测。要测试重复性，须在视觉系统下放置一个零件，“至少进行5次测量，且在测量过程中不能改变零件的位置、光源或其他变量。据此，你可以绘出测量的重复性，并且确保结果中的任何改变都在测量允许公差之内。
镜头选择，避免失真：标准的机器视觉镜头都有光学失真、负失真或桶状失真，当在距镜头不同距离的位置测量时，还会产生透视失真。虽然这些失真可以被机器视觉系统部分地校正。但更好的解决方法是使用低失真的镜头或远心透镜。根据视野要求和对最小感兴趣点的分辨率来选择镜头。
光源，避免反射：提供一种可以增强待测量并且抑制人为影响的光源，不必要的反射就是人为影响。例如冲压金属板之类的可以用逆光照射零件，我们就用平行光源来凸现其边缘。正确的光源选择需要一定经验和试验测定。
