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机器视觉系统在汽车及烟草行业的应用 |
| 机器视觉的起步从20世纪80年代开始，到目前为止，从技术发展的角度讲，已经经历了大约3个发展阶段。第一阶段是色差传感器阶段；第二阶段是各种视频卡纷起阶段；第三阶段是嵌入式视觉系统和视频卡并存的阶段。根据这几年的发展来看，在今后的几年是视觉发展的重要阶段，而嵌入式系统也将扮演越来越重要的角色。 目前全球整个视觉市场总量大概在60～70 亿美元，主要集中在欧美和日本，在中国大约有1～2亿美元的市场。按照我国的GDP增长速度8％来说，其中工业增长的份额为20％～30％，按照保守的估计，视觉的增长速度不应该低于10％～15％。 首先我们来了解一下机器视觉和机器视觉系统的定义。顾名思义，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将要检测的目标转换成数字量信号，这些数字量信号再传送给专用的图像处理系统（分嵌入式和视频卡方式），图像处理系统根据要检测的任务要求来设置检测任务。然后根据判别的结果来控制现场的设备动作。 机器视觉系统的特点是提高生产的产品质量和生产线自动化程度。尤其是在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人眼难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。 西门子机器视觉系统属于嵌入式视觉系统，分为VS100系列和VS700系列。VS100系列是专用型视觉产品，SIMATIC VS 100 系列视觉系统用于特定的图像处理任务。SIMATIC VS 110用于轮廓检测、SIMATIC VS 120目标查找和搜索、SIMATIC VS 130二维码的检测。传感器通过“示教”而非编程进行和配置，因而不需要专门的图像处理知识且价格低廉。 SIMATIC VS 700 系列通用视觉系统主要用于生产过程中的质量检测和质量控制。这种通用系统可以通过编程完成图像采集、图像处理、负载驱动以及联网通讯（通过PROFIBUS或工业以太网）等所有功能－非常适宜于在一个测试循环中完成许多的测试任务。正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将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。在中国，这种应用也在逐渐被认知，且带来最直接的反应就是国内对于机器视觉的需求将越来越多。 西门子视觉系统在烟草行业的应用 烟草行业在中国是一个很大的行业，每年都可以为政府创造大量的税收和就业机会。云南是中国烟草行业中最重要的省份，在该省有许多大的烟草企业，例如曲靖烟厂、玉溪烟厂、红河烟厂等。这些企业的管理层高度重视产品的质量，他们也愿意选用最好的自动化设备来提升他们产品的质量。而烟机是自动化领域中最复杂的机器之一，同时香烟的生产速度又非常快。例如，软包线的生产速度是360包/分钟，由于生产速度很快且产品的包装又非常软，所以，在生产过程中有许多不合格品产生。及时发现不合格品并将其剔除是非常重要的，否则不合格品将会流到下一道工序并被包装和装箱并流入市场。对于不合格品，尽管它不影响使用，但它会降低用户的满意度，用时也会削弱品牌价值和产品信誉度，而所有这些绝对是管理层所不愿意看到的。对于香烟的包装检测，主要有以下3类： ■ 软包检测 ■ 硬包检测 ■ 条盒检测 由于软包的外包装比较软，容易变形，所以检测软包是所有检测中最难的。对于软包，一个最主要的问题是表面破损。而检测主要包含商标打印（是否漏印，方向是否正确，位置是否正确） ；顶部小花（是否漏印，方向是否正确，位置是否正确）；顶部和底部的内部包装质量 ，内包装和外包装的相关位置检测等。 因为生产线的速度非常快（6包/秒）而检测任务又非常复杂和紧急，因此用人工在生产线上发现不合格品并将其剔除是不可能的。 目前的检测方式是人工抽检。也就是说，实际上无法在线检测。而结果就是有很多的不合格品流入市场，但管理层却无法控制也无法知道具体数量。 对于高速的应用场合，机器视觉是唯一的解决方案。我们提供西门子新一代机器视觉VS720系列。 该系统使用智能视觉传感器替代人眼来完成检测任务和逻辑运算工作，该视觉传感器在0.4毫秒内捕捉图像并将其发送到内部处理器中。经处理器数字化后，该机器视觉系统就可以评估其颜色、表面和尺寸等。根据其计算结果，通过外部接口信号我们就可以实现设备对烟盒的自动检测和剔除。 选用机器视觉系统，我们可以做到： ■ 减少产品周转费用 ■ 缩短机器停工期 ■ 提升产品质量 对于烟包检测，我们使用两个视觉传感器分别对烟包的前部、后部、左部、右部和顶部5个面进行图像捕捉，然后用定位分析“软传感器” （VS720系列软件Spectation 功能）确定软包的边缘，根据确定边缘后的实际位置来进行检测任务。例如，对于顶部的图像，我们采用诸如密度、特征值计数、模板匹配、测量等“软传感器”来实现检测任务。检测结果输出到S7 300 PLC，该控制器进行编程来完成对剔除装置的控制，输出信号到执行系统-气阀来剔除不合格品。 经过在线调试后，我们获得了满意的结果。几乎全部标记过不合格品被全部剔除。现在，实际的不合格率并不高，估计在1%或更低。在正常生产过程中，每秒可生产6包烟，以每天12小时生产计算，每天可生产约265000包，所以说每天的不合格品数量还是比较高。 应用该系统可保证不合格品不流入市场，这样就可以提升产品等级，用户的满意度和潜在的品牌价值，当然也可以降低回收的费用。该项目成功应用后，我们有理由期待机器视觉在烟草行业有更多的应用。 西门子视觉系统在汽车行业的应用 在汽车行业，产品的精度和质量都必须满足要求的这种需求正在与日俱增。因此，现在汽车行业生产的特点是越来越快的生产周期和大量原材料和零部件的供应。这就给机器视觉系统提供了用武之地，机器视觉正逐步被看作任何自动化解决方案中的一个完整的组成部分，成为自动化技术领域中的一个标准学科。 今年纽伦堡举行的SPS/IPC/DRIVES展示会以机器视觉系统为展示的中心，这一点同样表明了机器视觉与日俱增的重要性。通过VS100和VS720图像传感器，西门子自动化和驱动集团展示出大量的可用于制造工业的各个领域的视觉系统。机器视觉正快速的进入各个领域，占据一个又一个的工业部门。在电子工业中，特别是像高精度的晶片位置识别或位置校正以及用于SMT（表面安装设备）装配零件检测这样的领域，几年来已经形成了这样的共识: 现在要满足高质量和生产标准的唯一方式就是使用灵活的图像处理方法。不管怎样，机器视觉目前已经是不可缺少了，即便是拥有能够提供最佳精度级别的三维自动装配和适应大量不同种类和改进种类装配线的汽车行业也不例外。 ■ 一个通用的标准的重要性 从前，机器视觉系统只是局限于少数专家人员使用。自从引进了很容易集成到自动化解决方案中的智能图像系统后，图像处理在自动化技术领域中的应用以难以置信的速度增长。西门子的服务范围从适合一般应用的通用系统，扩展到了所有的专用系统，提供几乎适合所有需求的最优解决方案。 汽车工业在发动机和变速箱的制造中，使用西门子视像系统检测零部件，记录装配零件的制造日期。零部件供应商用它检测零件尺寸精度，校正汽车零部件的压力，还可用于正确安装安全带及其他类似的安全配件。 ■ 对质量的考虑 改进质量和增加产量是世界领先的汽车制造巨头选择投资机器视觉的主要原因。一个例子就是汽车工业使用光学设备来检查弹簧装配的完整性。位于Erlangen的Heitec AG作为西门子自动化解决方案的提供者，为此定制系统，提供了包括装卸系统和机器视觉系统的完整解决方案。 检测装置是用光学方法检测弹簧装配得是否正确。弹簧装配包括1个金属轴，内插一个陶瓷圆柱，10个曲片弹簧垫圈和1个终端片。为了能够检查正确装配，将弹簧安装在一个轮轨上通过传送带传送经过一个摄像机，任何摄像机识别出来不合格的“坏品”都被气压缸喷出，而“正品”被运送到一个缓冲站，在这里它们会被拿去做深加工。 所使用的图像处理系统包含1个西门子VS110视像传感器和1个红外光的照明设备；处理系统由自动传送设备（能够支持10个弹簧组）和1个剔除“坏品”的自动喷射装置组成。整个检测设备由西门子S7-200控制。 使用该装置可以显著提高质量和增加产量。实际上，在Heitec工程师们满怀信心的认为它能够使“我们的客户不用多久就能收回他们的投资”。 西门子视觉系统的特点 ■ 西门子VS100——智能实施方案 随着西门子VS100套件的出现，西门子已经步入一个全新的设备范畴。该范畴包括检查小零件的形式、型号和位置，也包括按ECC200阅读2维代码。并以此为目的设计了VS110、VS120和VS130视图传感器，它是一个完整的器件，包括照明单元、控制单元、传感器和电缆线。 所有VS100范围内的视图传感器都是即插即用的，简单易学，无需专门的培训指导。由于该系统是“示教”而不用编程，因此即便是非专业人士也可毫不费力地掌握图像处理。使用掉电保护可以保存多达15种不同的检测程序，并可以快速转换到其他型号或类型。得益于系统传感器工艺设计的紧凑，使得西门子VS100家族的产品可以与多种传输系统，诸如振荡传输系统、传送带或者卡具相连。此外，一些标准接口如RS232、Profibus、工业以太网使得视图传感器能够灵活、简便地集成到复杂的自动控制环境中。 ■ 西门子VS720——为专门需求量身定做 新型VS720生产线专门用于处理更为复杂的任务，是西门子VS700通用摄像套件的完美补充，增强了西门子在灵活，通用系统领域中的地位。所有功能，比如图像捕捉、图像加工、最终结果的生成以及通信都是结合在一个紧凑的过程中的，是在一个检测周期进行几种检测任务的理想方案。 新套件目前包含有6个智能摄像机满足机器视觉的不同需求，例如自动检测、生产监视和零件识别。VS721 CMOS和VS722基本型代表了适用于大批"常规"任务、较为经济的解决方案。而带有CMOS摄像头的VS721，特别适用于精度要求不是非常高而价格比较经济的场合。VS723是一台用于高速摄影的摄像机，例如包装技术领域，以及众多需要执行性能检测任务的领域，例如表面检测。VS724是高分辨率摄像机，提供高达130万像素，能拍摄非常详细的图像，因此非常适合需要高精度的检测任务。VS725彩色专门用于另外的应用领域。由于该系统具备分析色彩和检测特定色彩值的能力，因此可以通过彩色码，安全、可靠地区分零部件，检测标签的打印色或是识别胶珠。 ■ 面向自动化世界 VS720系列中的摄像机提供1个集成以太网接口和8个可自由配置的数字输入、输出端。摄像机可以很容易地通过以太网连接到网络上，并接受几乎任何一台PC机的访问，因此极大地简化了设备的维护和诊断。VS链接接口模块可以在一台监视器显示几个摄像机所拍摄的图像。也可以通过Profibus与连接模块相连，这样可以省去用做监测功能的另外的PC机。而且，由工业以太网提供的带宽，能使质量数据和故障图像快速在外部设备上做备份。 Simatic组态软件由于具有很多检测功能，它能提供用户友好的方法来建立定制的图像处理解决方案，即在无摄像机连接时，可以使用仿真器来进行组态。 |