視覺測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用

視覺測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用1引言基于計(jì)算機(jī)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)是指通過計(jì)算機(jī)視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)再根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制設(shè)備動(dòng)作。它具有非接觸、速度快等優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)的檢測(cè)手段，非常適合現(xiàn)代制造業(yè)?？捎糜谝曈X檢測(cè)的試驗(yàn)原理很多，如紋理梯度法、莫爾條紋法、飛行時(shí)間法等，然而諸多測(cè)試原理中，尤其基于三角法的主動(dòng)和被動(dòng)視覺測(cè)量原理具有抗干擾能力強(qiáng)、效率高、精度合適等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在線非接觸測(cè)量。本文主要從視覺測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用出發(fā)，展示視覺檢測(cè)技術(shù)在制造業(yè)中的廣闊應(yīng)用［1-4］。2視覺測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用2.1汽車車身視覺檢測(cè)系統(tǒng)在汽車制造過程中，車身上總有很多關(guān)鍵的三維尺寸進(jìn)行測(cè)量，采用傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)只能離線抽樣檢測(cè)，效率低，更不能滿足現(xiàn)代汽車制造在線檢測(cè)的需要，而視覺檢測(cè)系統(tǒng)能很好的適應(yīng)該需要，典型的汽車車身視覺檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示⑸。電，哪商堵控制傳送機(jī)梅點(diǎn)計(jì)算機(jī)圖1車身視覺檢測(cè)系統(tǒng)電，哪商堵控制傳送機(jī)梅車身檢測(cè)系統(tǒng)主要依靠的是數(shù)個(gè)視覺傳感器，其中還包括傳送機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)圖像采集、網(wǎng)絡(luò)控制部分。每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)被測(cè)區(qū)域，然后通過傳輸總線傳至計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)每個(gè)視覺傳感器進(jìn)行過程控制。汽車車身檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量效率很高，精度式中，并且可以在完全自動(dòng)情況下完成，這個(gè)包含幾十個(gè)測(cè)點(diǎn)的系統(tǒng)都能再幾分鐘內(nèi)測(cè)量完成，因此可以適應(yīng)汽車制造的在線檢測(cè)。而且傳感器的布置可以根據(jù)不同車型來(lái)布置，增加了應(yīng)用要求，因此減少了車身視覺系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。2.2拔絲?？仔我曈X檢測(cè)系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)開發(fā)出的拔絲?？仔螜z測(cè)系統(tǒng)由光學(xué)成像系統(tǒng)、工業(yè)用攝像機(jī)圖像采集卡、計(jì)算機(jī)及監(jiān)視器組成，可以解決生產(chǎn)實(shí)際中的模具孔形檢測(cè)問題.工作原理如下：先采用注入硅膠方法獲得反映待檢拔絲模尺寸及形狀的硅膠凸模，然后把硅膠凸模放在光學(xué)系統(tǒng)的載物臺(tái)上.硅膠凸模經(jīng)光學(xué)成像放大，成像于CCD像面上，然后用圖像采集卡采集CCD圖像信息，最后由計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)軟件完成對(duì)孔形尺寸的自動(dòng)計(jì)算，此時(shí)圖像采集時(shí)需要配置特殊的光照系統(tǒng).系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、處理，實(shí)現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、結(jié)果一條龍，形成檢測(cè)的自動(dòng)化.2.3無(wú)縫鋼管直線度和截面在線視覺檢測(cè)無(wú)縫鋼管是一類重要的工業(yè)產(chǎn)品，在反應(yīng)無(wú)縫鋼管質(zhì)量中，鋼管直線度及截面尺寸是主要的幾何參數(shù)?，F(xiàn)代工業(yè)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鋼管的大批量大規(guī)模生產(chǎn)，并且并無(wú)成熟的直線度、截面尺寸高效率的檢測(cè)系統(tǒng)，主要原因?yàn)椋簾o(wú)縫鋼管空間尺寸大，需要很大的測(cè)量空間，一般的檢測(cè)手段很難實(shí)現(xiàn)如此大尺度的檢測(cè)。然而視覺檢測(cè)卻非常適合無(wú)縫鋼管及截面尺寸的測(cè)量，其測(cè)量原理圖如圖2所示。多個(gè)傳感器組成了視覺檢測(cè)系統(tǒng)，傳感器的結(jié)構(gòu)光所投射的光平面與被測(cè)鋼管相交，從而得到鋼管的部分圓周，傳感器測(cè)量圓周在傳感器三維空間位置，每一個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)一個(gè)截面圓周測(cè)測(cè)量，然后通過擬合得到截面的圓心和其空間位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)縫鋼管截面和直徑的測(cè)量。園驚w集卡?.r圖2無(wú)縫鋼管在線檢測(cè)2.4視覺測(cè)量在逆向工程中的應(yīng)用逆向工程是針對(duì)現(xiàn)有的工件，利用3D數(shù)字化測(cè)量?jī)x準(zhǔn)確快速地測(cè)量出輪廓坐標(biāo)值，并建構(gòu)曲面，經(jīng)過編輯、修改后，將圖形存檔形成一般的CAD/CAM系統(tǒng)，再由CAM所產(chǎn)生刀具的NC加工路徑送至CNC加工機(jī)制所需模具，或者以快速成型將物品模型制作出來(lái)。視覺測(cè)量一般使用三種激光光源：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光、面結(jié)構(gòu)光，圖3為使用線結(jié)構(gòu)光測(cè)量物體表面輪廓的結(jié)構(gòu)示意圖［6］。

圖3線結(jié)構(gòu)光測(cè)量物體表面輪廓自由曲面的逆向工程是逆向工程中典型代表也是逆向工程的難點(diǎn)之一。自由曲面測(cè)量常用的檢測(cè)儀器是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，然而由于空間限制，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不適合大范圍動(dòng)態(tài)測(cè)量，而且頻響還不可能太快。光學(xué)非接觸測(cè)量可以有效的解決接觸測(cè)頭在測(cè)量中存在的問題，具有效率高、響應(yīng)快和可測(cè)量軟質(zhì)表面等優(yōu)點(diǎn)，因此將機(jī)器視覺應(yīng)用于曲面測(cè)量具有重要的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。圖4為雙目視覺形貌測(cè)頭結(jié)構(gòu)示意圖。在視覺測(cè)頭中，采用主動(dòng)雙目視覺傳感技術(shù)，即激光平面并不表征傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它的任務(wù)只是參與特征點(diǎn)的形成。使用柱透鏡作為光束擴(kuò)展的器件。柱透鏡可以實(shí)現(xiàn)光線的擴(kuò)束，同時(shí)為了能夠測(cè)量金屬?gòu)?qiáng)反射表面，在測(cè)頭光學(xué)系統(tǒng)中使用了偏振片，采用兩級(jí)反射鏡實(shí)現(xiàn)了光路的擴(kuò)展［7］。圖4雙目視覺形貌測(cè)頭結(jié)構(gòu)示意圖2.5芯片封裝引腳平面度視覺檢測(cè)系統(tǒng)隨著半導(dǎo)體集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)及制造工藝的飛速發(fā)展，集成電路的功能日益強(qiáng)大，集成電路越來(lái)越復(fù)雜，BGA芯片對(duì)應(yīng)一種大規(guī)模集成電路封裝技術(shù)，芯片的引腳為球形，在芯片上呈陣列分布。BGA芯片引腳都被設(shè)計(jì)在一個(gè)平面內(nèi)，這樣確保芯片焊接再電路板上時(shí)，所有引腳和電路板良好接觸。引腳的共面性是反映BGA芯片封裝質(zhì)量的重要參數(shù)，在芯片制造過程中必須必須進(jìn)行檢測(cè)。視覺檢測(cè)手段是實(shí)現(xiàn)BGA芯片引腳共面型檢測(cè)的理想方法，測(cè)量原理如圖5所示。測(cè)量裝置包括光平面投射器、光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝像機(jī)。調(diào)整光平面投射器使得光平面和芯片引腳平面正交，并且使得光平面和引腳陣列的一個(gè)方向平行，如圖所示。光平面和BGA芯片引腳相交的圖像通過光學(xué)系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)接受，分析圖像，可以測(cè)量芯片引腳的空間三維坐標(biāo)。測(cè)量時(shí)，BGA芯片在二維工作臺(tái)上沿芯片引腳陣列的另一方向移動(dòng)，掃描完成全部引腳的測(cè)量。圖5BGA芯片引腳平面度視覺檢測(cè)原理3結(jié)束語(yǔ)視覺檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于多種生產(chǎn)制造場(chǎng)合，實(shí)際應(yīng)用表面，視覺檢測(cè)技術(shù)具有非接觸，組件靈活等特點(diǎn)很好的滿足了現(xiàn)代加工制造業(yè)的需求，是一種很有前途的產(chǎn)品檢測(cè)手段。洪少春.計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)在制造業(yè)上的應(yīng)用及發(fā)展[J].荷澤學(xué)報(bào),2006(2)PierreTrepagnier.Recentdevelopmentinvisualgaging.Vision85.1985,3:12-23SeokbaeS,HyunpungP,KwanHL.Automatedlaserscanningsystemforreverseengineeringandinspection.InternationalJournalofMachineTools&Manufacrure,2002,42:889?897CYLong,JGZhu.Studyonglobalcontrolnetworkprecisionpositioningmethodinvisualshapemeasurement[C].SPIE,2013,8908:89081I葉聲華