【導(dǎo)讀】本文介紹的三個(gè)應(yīng)用案例展示了業(yè)界上先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)軟件和及其圖像預(yù)處理技術(shù)如何促使2D和3D視覺(jué)檢測(cè)的性能成倍提升。3D成像技術(shù)和智能相機(jī)現(xiàn)已增強(qiáng)了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的靈活性和性能，若是將其與先進(jìn)的圖像預(yù)處理工具和智能化的軟件相結(jié)合，則可以進(jìn)一步解決過(guò)去難以或幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化檢測(cè)應(yīng)用。
本文介紹的三個(gè)應(yīng)用案例展示了業(yè)界上先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)軟件和及其圖像預(yù)處理技術(shù)如何促使2D和3D視覺(jué)檢測(cè)的性能成倍提升。3D成像技術(shù)和智能相機(jī)現(xiàn)已增強(qiáng)了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的靈活性和性能，若是將其與先進(jìn)的圖像預(yù)處理工具和智能化的軟件相結(jié)合，則可以進(jìn)一步解決過(guò)去難以或幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化檢測(cè)應(yīng)用。
這些技術(shù)的進(jìn)步可以帶來(lái)更高質(zhì)量的產(chǎn)品，同時(shí)減少?gòu)U物的生成，大大降低成本。在制造過(guò)程前期對(duì)各零件進(jìn)行缺陷檢測(cè)可以在產(chǎn)品最終組裝之前替換或修理好零件，從而縮短生產(chǎn)時(shí)間，減少生產(chǎn)成本。
通過(guò)下文提及的三個(gè)實(shí)際的應(yīng)用案例，我們不難發(fā)現(xiàn)， 2D和3D成像在共同的一個(gè)軟件平臺(tái)，外加與先進(jìn)靈活的2D和3D圖像處理算法相結(jié)合,給視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)，并提高了軟件運(yùn)行的效率。第一個(gè)應(yīng)用案例是馬桶的自動(dòng)檢測(cè)和制造--鑒于馬桶所使用的材料和形狀，檢測(cè)過(guò)程無(wú)疑是復(fù)雜的；第二個(gè)應(yīng)用是汽車(chē)剎車(chē)盤(pán)的機(jī)器人抓取和檢測(cè)，幾經(jīng)嘗試后最終實(shí)現(xiàn)這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，并探索了多個(gè)解決方案；第三個(gè)檢測(cè)應(yīng)用是用于制造汽車(chē)電池的鋰電池極片，檢測(cè)速度更快、精度更高。
快速檢測(cè)
你或許想象不到，馬桶的制造過(guò)程竟會(huì)如此復(fù)雜，自動(dòng)化生產(chǎn)也頗具難度。馬桶所使用的陶瓷和材料有其特有的反射能力，對(duì)其帶弧度的瓷面進(jìn)行質(zhì)量控制可謂是挑戰(zhàn)重重。即使是最基本的的配件，如水箱、便池、進(jìn)出水口和排污管道等，也需要在制造過(guò)程中進(jìn)行仔細(xì)的檢測(cè)。此外，設(shè)計(jì)師們正在設(shè)法豐富馬桶的功能，如知名馬桶品牌中會(huì)增加可加熱型馬桶座圈、集成坐洗器和雙沖洗系統(tǒng)，這使得馬桶的制造更為復(fù)雜。
3D成像可對(duì)馬桶座圈進(jìn)行實(shí)時(shí)高度測(cè)量，以檢查馬桶蓋安裝是否平整 （圖由 Teledyne DALSA 提供）。
由于在幾個(gè)制造節(jié)點(diǎn)中質(zhì)量檢查都必不可少，對(duì)一個(gè)普通的馬桶進(jìn)行人工組裝和檢測(cè)可能需要多達(dá) 20 人，整個(gè)手動(dòng)裝配和檢測(cè)的過(guò)程則需要耗時(shí)5至6分鐘。
如果等到最后的外觀檢驗(yàn)環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，那么生產(chǎn)周期可能會(huì)被延長(zhǎng)。比如馬桶左側(cè)比右側(cè)稍高一點(diǎn)，則需要在右側(cè)增加一個(gè)墊片才能使兩側(cè)持平，而這一小小的修正會(huì)使得人工生產(chǎn)的時(shí)長(zhǎng)額外增加了 5 至 6 分鐘。
在一條典型的馬桶流水生產(chǎn)線上，我們借助了20臺(tái)相機(jī)來(lái)完成自動(dòng)化檢測(cè)任務(wù)和實(shí)現(xiàn)機(jī)器操作的功能。在這一過(guò)程中所使用的檢測(cè)相機(jī)主要是智能相機(jī)，它們可以用于質(zhì)檢、零件定位、標(biāo)簽位置確認(rèn)或完成機(jī)器拾取和放置操作。
這類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)依靠機(jī)器視覺(jué)來(lái)精確識(shí)別孔的位置，并引導(dǎo)機(jī)械臂末端工具將螺釘放入孔中，另外安裝好螺釘后，相機(jī)再次確認(rèn)螺釘是否安裝到正確的位置。
在視覺(jué)軟件的幫助下，一臺(tái)激光三角法的3D相機(jī)執(zhí)行了最終檢測(cè)的任務(wù)。該軟件能夠?qū)?D和3D算法應(yīng)用于圖像數(shù)據(jù)中，把相機(jī)的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2D圖像數(shù)據(jù)，以支持常規(guī)圖像預(yù)處理，并使得模式匹配或邊緣檢測(cè)更為便捷。2D圖像數(shù)據(jù)還有助于將機(jī)器人引導(dǎo)到正確的位置，隨后，相機(jī)將憑借其三維成像的功能確保從馬桶的頂部和側(cè)面拍照時(shí)所有的零件都是正確放置和對(duì)齊的。相機(jī)還能確認(rèn)每個(gè)螺釘和標(biāo)簽是否處于正確的位置，并能檢測(cè)出馬桶蓋和便池之間以及便池和地板之間的間隙。
傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)和3D機(jī)器視覺(jué)的結(jié)合有助于實(shí)現(xiàn)這一生產(chǎn)線的自動(dòng)化，而生產(chǎn)自動(dòng)化在縮短生產(chǎn)時(shí)間、降低人工成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量上的顯著優(yōu)勢(shì)也得以進(jìn)一步突顯。
通過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，如今在生產(chǎn)線上組裝馬桶的時(shí)間從原來(lái)的5-6分鐘縮短至 65 秒，所需的勞動(dòng)力也從20人減少到僅需3個(gè)人。此外，從根本上說(shuō)，自動(dòng)化精確度更高，且操作可重復(fù)，能夠生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。
減少剎車(chē)盤(pán)飛出
在第二個(gè)應(yīng)用案例中輔以 2D和3D相機(jī)協(xié)同工作，將有助于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)剎車(chē)盤(pán)的生產(chǎn)自動(dòng)化，從而提高生產(chǎn)效率。這一生產(chǎn)過(guò)程所需的剎車(chē)盤(pán)通常涂有可提高性能并延長(zhǎng)剎車(chē)盤(pán)使用壽命的防腐材料，如鋅或聚合物。
在抓取汽車(chē)剎車(chē)盤(pán)時(shí)需要高精度的操作（圖由 Teledyne DALSA 提供）。
在汽車(chē)剎車(chē)盤(pán)的生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)入自動(dòng)化設(shè)備之前，剎車(chē)盤(pán)放置于1平方米的料倉(cāng)中，再由工人手動(dòng)將每個(gè)盤(pán)從料倉(cāng)中轉(zhuǎn)移并放置在傳送帶上。隨后，另一名工人將制動(dòng)盤(pán)從傳送帶上逐個(gè)取下并拿到噴涂室，使剎車(chē)盤(pán)在涂層棒上保持平衡，涂層棒將旋轉(zhuǎn)以確保涂料可以均勻分布。大多數(shù)涂層室都有玻璃窗或玻璃門(mén)，方便工人觀察。
涂料工序完成后，工人將每個(gè)剎車(chē)盤(pán)從涂層棒上取下并放到另一條傳送帶上，繼續(xù)進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)的生產(chǎn)。若每天工作時(shí)長(zhǎng)為8小時(shí)，工人可對(duì)200 個(gè)剎車(chē)盤(pán)涂上防腐材料。
普通轎車(chē)規(guī)定使用的制動(dòng)盤(pán)平均重量通常為9.5公斤（合約21磅），這可能導(dǎo)致工人容易疲勞、因剎車(chē)盤(pán)掉落造成人身傷害或因操作不當(dāng)造成背部拉傷。
由于這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)是高度重復(fù)的，因此第二個(gè)自動(dòng)化應(yīng)用案例提供了一個(gè)理想的解決方案，但它實(shí)際操作起來(lái)也具有一定難度——最大的挑戰(zhàn)是在涂層棒上進(jìn)行準(zhǔn)確定位并平衡平衡盤(pán)的位置，如若不然，剎車(chē)盤(pán)可能會(huì)從棒上飛出，對(duì)涂層室的玻璃門(mén)窗等造成破壞。如果發(fā)生這種事故，裝配線不得不關(guān)停維修，大大增加了成本。
不同的供應(yīng)商嘗試了七次才最終明確如何自動(dòng)化精準(zhǔn)定位剎車(chē)盤(pán)在涂層棒上的位置，以避免對(duì)作業(yè)室造成破壞。
這一難題的成功解決有賴于2D和3D相機(jī)在兩個(gè)生產(chǎn)流程節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用。其中，3D相機(jī)主要用于銑出托盤(pán)上堆放著剎車(chē)盤(pán)的槽的輪廓，以幫助引導(dǎo)機(jī)器人手臂將剎車(chē)盤(pán)轉(zhuǎn)移到移動(dòng)的傳送帶上。3D相機(jī)則專門(mén)安裝在距離料倉(cāng)約2.5米遠(yuǎn)的地方，以捕捉該區(qū)域及其周?chē)挠跋瘛?/div>
2D相機(jī)最初檢測(cè)到的信息則可以用于引導(dǎo)第二個(gè)機(jī)器人拿起剎車(chē)盤(pán)，并將其放置在涂層室的一根棒上。2D相機(jī)安裝在涂層室外，并借助軟件對(duì)相機(jī)與室內(nèi)涂層棒之間的傾斜角度進(jìn)行校準(zhǔn)。在圖像生成時(shí)，軟件校正了剎車(chē)盤(pán)的方向，以確保其在放置前與豎向的涂層棒完全垂直。否則，機(jī)器人可能會(huì)錯(cuò)誤地將剎車(chē)盤(pán)放在半途，從而導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生。
智能相機(jī)助力機(jī)器人抓取和放置的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)智能制造（圖由 Teledyne DALSA 提供）。
噴涂完成后，在機(jī)器人手臂的操作下，圓盤(pán)與涂層棒分離，隨后繼續(xù)下一個(gè)作業(yè)流程。
最終，自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用促使覆上涂料的剎車(chē)盤(pán)從每天 200 張?jiān)黾拥搅?400 張，精度和可靠性更高，工人出現(xiàn)安全事故的風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)一步降低了。
最大程度減少缺陷
第三個(gè)應(yīng)用案例依靠機(jī)器視覺(jué)軟件中廣泛應(yīng)用的預(yù)處理和前沿算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)中使用的鋰電池組件進(jìn)行精確檢測(cè)。
在對(duì)鋰電池極片進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，我們可以應(yīng)用線掃描相機(jī)和高度智能的軟件來(lái)檢查是否存在可能導(dǎo)致成品電池中出現(xiàn)缺陷的微小瑕疵，例如污垢、劃痕或異物等（圖由 Teledyne DALSA 提供）。
鋰電池是由電芯組成的分層結(jié)構(gòu)，包括電極片，也稱為鋰紙。鋰極片由幾層材料層層疊起，包括隔膜和集電極箔，例如陰極側(cè)的鋁箔和陽(yáng)極側(cè)的銅箔。在生產(chǎn)鋰紙時(shí)，隔膜和集電極箔需按以下順序堆疊：隔膜/陽(yáng)極/隔膜/陰極/隔膜。成品鋰極片的寬度在100至400毫米之間。
任何諸如污垢、劃痕、異物、亮點(diǎn)或暗點(diǎn)、陰極/陽(yáng)極片不完整等缺陷都可能導(dǎo)致鋰電池爆炸，從而造成安全隱患。
在這一環(huán)節(jié)中，鋰紙的質(zhì)量控制至關(guān)重要，且通常需要對(duì)連續(xù)的材料進(jìn)行卷材檢測(cè)。因此，應(yīng)用案例要求線掃描相機(jī)和高度智能的軟件結(jié)合圖像預(yù)處理技術(shù)，以消除背景噪聲和顏色。
可供使用的相機(jī)為4K或8K線掃描相機(jī)，具體使用何種相機(jī)取決于廠家所要求的生產(chǎn)線運(yùn)行速度和檢測(cè)精度水平。例如，具有26-KHz線速的4K相機(jī)可以以超過(guò)150米/分鐘的速度檢測(cè)400毫米寬的鋰電池紙，并能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極和陰極極片是否存在0.01毫米級(jí)的缺陷。8K線掃描相機(jī)則能將4K線掃描相機(jī)的精度提高一倍，但其運(yùn)行速度相對(duì)地也會(huì)放緩一半。
在實(shí)踐中，自動(dòng)化檢測(cè)并不總是基于硬件的規(guī)格進(jìn)行簡(jiǎn)單地計(jì)算。高級(jí)校準(zhǔn)工具可為線性、非線性和透視圖像失真校正提供助力，前沿的軟件算法則能消除或盡可能減少圖像中多余的噪聲，以突出顯示重要的圖案、特征或邊緣。
工人每分鐘可以檢測(cè) 15 米長(zhǎng)的鋰紙，但無(wú)法一直識(shí)別出所有潛在缺陷。若使用4K和8K線掃描相機(jī)，每分鐘可自動(dòng)檢測(cè)60-150米的鋰紙，生產(chǎn)率提高從400%大幅提高至800 %，新環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用成本也相對(duì)降低了。
未來(lái)軟件開(kāi)發(fā)
以上應(yīng)用案例展示了我們?nèi)绾螌⒏鞣N成像、預(yù)處理和軟件技術(shù)相結(jié)合，從而獲得1+1+1＞3的效果，提高產(chǎn)品的性能。它們始終能保證更高的產(chǎn)品質(zhì)量、更低的制造成本和更快的生產(chǎn)速度。
將2D和3D數(shù)據(jù)集成到單個(gè)軟件平臺(tái)中有助于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，這也是未來(lái)機(jī)器視覺(jué)軟件的基本功能之一。
技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)更多的自動(dòng)化工具，而軟件則能使這些工具更高效地協(xié)同工作。
（來(lái)源：Teledyne Dalsa，作者：Steve Zhu，Teledyne DALSA亞洲公司的銷(xiāo)售總監(jiān)）
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