基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究(電氣自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì))

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸瓦分級(jí)檢測(cè)系 統(tǒng)應(yīng)用研究 based on machine vision technology engine crankshaft bearing grade detection system application ： ： 本 科 ： 電氣與信息學(xué)院 ： 自動(dòng)化 ： ： 講 師 助理實(shí)驗(yàn)師 ： 2008 年 6 月 20 日 學(xué)生姓名 學(xué)歷層次 所在系部 所學(xué)專業(yè) 指導(dǎo)教師 教師職稱 完成時(shí)間 摘摘 要要 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已成為一門新興的綜合技術(shù),在社會(huì)諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用， 大大提 高了裝備的智能化、自動(dòng)化水平,提高了裝備的使用效率

2、、可靠性等性能。本設(shè)計(jì)就是 針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸瓦裝配重要工藝環(huán)節(jié)，利用氣缸表面字符特征不一致，采用機(jī) 器視覺(jué)技術(shù)對(duì)曲軸軸瓦的不同型號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，保證安裝準(zhǔn)確；主要應(yīng)用了模式識(shí)別與 圖像處理技術(shù)，以 vc為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出曲軸軸瓦自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)軸瓦的類型 進(jìn)行匹配，然后進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而完成檢測(cè)任務(wù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在正常情況下， 識(shí)別誤差是可以避免的，所以可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，充分滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需求。 關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺(jué) 閾值分割 字符識(shí)別 abstract： the technology of machine vision has become an emerging comprehensive

3、 technology and obtains the widespread application in many social domains. greatly enhanced the equipments intellectualization and automated level, the using efficiency and reliability is also raised. this paper is designed for an important part of the automotive engine crankshaft bearing assembly o

4、f the cylinder and by the different characters of surface characteristics, using machine vision technology to test the different models of crankshaft bearing and ensure the accuracy installation. mainly applied pattern recognition and image processing technology,based on the vc+ to design a system o

5、f crankshaft bearing automatic detection and match the type of bearing,and then automatically identify and complete the detection task . it can be avoid the identification errors through experimental verification which under normal circumstances, and so we can achieve the desired objective and fully

6、 meet the actual needs of production. keywords: machine vision threshold segmentation character recognition 目 錄 1 引言.1 1.1 背景分析.1 1.2 技術(shù)引進(jìn).2 2 系統(tǒng)總體方案的確定.3 2.1 系統(tǒng)總體方案分析.3 2.2 方案論證.3 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).5 3.1 硬件的組成.5 3.2 工控機(jī).6 3.3 控制系統(tǒng)的 i/o 子系統(tǒng).6 3.4 圖像采集單元.9 3.5 傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu).12 4 數(shù)字圖像處理.14 4.1 圖像.14 4.2 數(shù)字圖像.15 4.3

7、 圖像數(shù)字化.15 4.4 數(shù)字圖像處理.15 5 曲軸軸瓦的檢測(cè)識(shí)別原理.17 5.1 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)原理.17 5.2 氣缸表面字符檢測(cè)原理.18 5.3 字符識(shí)別的基本原理.18 5.4 氣缸表面字符區(qū)域提取.19 6 圖像預(yù)處理與分析.24 6.1 圖像分割.25 6.2 二維 otsu曲線閾值分割算法.29 6.3 字符細(xì)化處理.31 6.4 hilditch細(xì)化算法.32 6.5 字符特征提取.33 7 汽缸表面字符識(shí)別.35 8 系統(tǒng)軟件算法的實(shí)現(xiàn).36 8.1 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì).37 8.2 visual c+ 應(yīng)用算法和界面.37 9 總 結(jié).38 參考文獻(xiàn).40 致 謝.41

8、附錄一：.42 附錄二：.48 附錄三：.54 1 引言 1.1 背景分析 視覺(jué)是人類觀察世界、認(rèn)知世界的重要功能手段。人類從外界獲得的信息約有 75%來(lái) 自視覺(jué)系統(tǒng)。這既說(shuō)明視覺(jué)信息量巨大，也表明人類對(duì)視覺(jué)信息有較高的利用率。人類的視 覺(jué)過(guò)程可看作是一個(gè)復(fù)雜的從感覺(jué)到知覺(jué)的過(guò)程。人類視覺(jué)所具有的強(qiáng)大功能和完美的信息 處理方式引起了智能研究者的極大興趣。1每個(gè)人都能體會(huì)到，眼睛對(duì)人來(lái)說(shuō)是非常重要的。 有研究結(jié)果表明，人類視覺(jué)細(xì)胞數(shù)量的數(shù)量級(jí)大約為 108，是聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞的 300 多倍，是皮膚 感覺(jué)細(xì)胞的 100 多倍，從這個(gè)角度也可以看出視覺(jué)系統(tǒng)的重要性。視覺(jué)是人類觀察世界、認(rèn) 知世界的重要功能

9、手段。視覺(jué)系統(tǒng)從外界獲取圖像，就是在眼睛視網(wǎng)膜上獲得周圍世界的光 學(xué)成像，然后由視覺(jué)接受器將光圖像信息轉(zhuǎn)化為視網(wǎng)膜的神經(jīng)活動(dòng)電信號(hào)，通過(guò)視神經(jīng)纖維， 把這些圖像信息傳送入大腦，由大腦獲得圖像感知，并對(duì)獲取的圖像進(jìn)行分析和理解，通過(guò) 圖像獲得對(duì)周圍世界感知的信號(hào)和識(shí)別。2 視覺(jué)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被觀測(cè)對(duì)象無(wú)接觸,因此,對(duì)觀測(cè)與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損 傷,十分安全可靠,這是其它感覺(jué)方式無(wú)法比擬的. 理論上,人眼觀察不到的范圍機(jī)器視覺(jué)也可 以觀察,例如紅外線、微波、超聲波等,而機(jī)器視覺(jué)則可以利用這方面的傳感器件形成紅外線、 微波、超聲波等圖像. 另外,人無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間地觀察對(duì)象,機(jī)器視覺(jué)則無(wú)時(shí)間限制,

10、而且具有很高 的分辨精度和速度. 所以,機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,可分為工業(yè)、科學(xué)研究、軍事和民用 4 大領(lǐng)域。3在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，視覺(jué)檢測(cè)往往是不可缺少的環(huán)節(jié)。它涉及到各種各樣 的檢查、測(cè)量和識(shí)別的應(yīng)用，例如藥品包裝的正誤，ic 字符印刷的質(zhì)量，電路板焊接的好 壞，汽車零配件尺寸的檢查和自動(dòng)裝配的識(shí)別裝配等，這類應(yīng)用的共同特點(diǎn)是連續(xù)大批量生 產(chǎn)安裝，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和準(zhǔn)確度的要求非常高。通常這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作靠人 工檢測(cè)來(lái)完成，我們經(jīng)常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線的后面看到數(shù)以百計(jì)甚至逾千的檢測(cè)工 人來(lái)執(zhí)行這道工序，給工廠增加巨大的人工成本和管理成本。而這些完全由人眼的檢測(cè)，長(zhǎng) 時(shí)

11、間反復(fù)的工作會(huì)使人眼產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，難以避免產(chǎn)品錯(cuò)位、漏檢等情況的出現(xiàn)，仍然不能 保證 100%的檢驗(yàn)合格率（即“零缺陷”） 。而當(dāng)今企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)不允許哪怕是 0.1% 的缺漏的存在。另外，許多檢測(cè)的工序不僅僅要求外觀的檢測(cè)，同時(shí)需要準(zhǔn)確獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)， 比如零件的寬度，圓孔的直徑，以及基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)等等，這些工作則是很難靠人眼快速完成。 通常，為了減輕視覺(jué)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，人們總是盡可能地改善外部環(huán)境條件，對(duì)視角、照明、物 體的放置方式做出某種限制，但更重要的還是加強(qiáng)視覺(jué)系統(tǒng)本身的功能和使用較好的信息處 理方法。隨著電子信息技術(shù)的興起，人們逐漸認(rèn)識(shí)到基于機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)，能在產(chǎn) 品質(zhì)量的檢

12、測(cè)過(guò)程中用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，降低了人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響， 在零配件識(shí)別和裝配的技改方面滿足了企業(yè)的需求，這一技術(shù)的興起，掀起了工業(yè)過(guò)程自動(dòng) 化技術(shù)的新篇章。 在本設(shè)計(jì)中，我們主要運(yùn)用了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸瓦自動(dòng)識(shí)別安裝這一道工藝 環(huán)節(jié)，進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。本工序中輔助物流系統(tǒng)將不同種類的曲軸軸瓦傳送至正確擺放位 置，然后裝配工人根據(jù)氣缸表面的字符提示，將軸瓦裝配在正確的位置，從而保證了裝配線 總體生產(chǎn)節(jié)奏。然而由于裝配線在極短時(shí)間內(nèi)可能進(jìn)行多種軸瓦的裝配。裝配線計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 雖然可進(jìn)行快速響應(yīng)，但人工方式的裝配過(guò)程時(shí)常發(fā)生軸瓦混淆現(xiàn)象，即對(duì)應(yīng)于一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī) 五個(gè)軸瓦發(fā)生錯(cuò)裝。錯(cuò)裝

13、后的軸瓦在同一發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)將造成車輛運(yùn)行過(guò)程中曲軸各項(xiàng)性能指標(biāo) 下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能下降。曲軸軸瓦裝錯(cuò)現(xiàn)象雖然不常見(jiàn)，一旦發(fā)生，后果嚴(yán)重。傳 統(tǒng)的檢測(cè)方法由人工完成，即下一道工序人工肉眼目測(cè)，這種方法由于工人長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致 肉眼疲勞，無(wú)法從根本上避免安裝事故的發(fā)生。所有不正確安裝，在下一道工序缸體倒置后， 將不能直觀目測(cè)，輕者造成返修，重者發(fā)生事故。以一汽大眾集團(tuán)為例，為了對(duì)曲軸軸瓦裝 配質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)控，專門從德國(guó)引進(jìn)了專用檢測(cè)設(shè)備，但該設(shè)備僅限于幾種固定型號(hào)的曲 軸軸瓦，隨著市場(chǎng)的發(fā)展，原有的設(shè)備越來(lái)越不能滿足制造過(guò)程柔性化的需要，針對(duì)工廠的 實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)展了此課題的研究工作，提出了基于計(jì)

14、算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的在線檢測(cè)方案，對(duì)軸瓦 的型號(hào)進(jìn)行匹配，然后進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而完成檢測(cè)任務(wù)提高了制造過(guò)程的柔性化以及裝配 的效率。 1.2 技術(shù)引進(jìn) 機(jī)器視覺(jué)（machine vision） ，又稱計(jì)算機(jī)視覺(jué)（computer vision）, 是用攝像機(jī)和計(jì)算 機(jī)代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量。主要著重研究圖像的三維重建、運(yùn)動(dòng)圖像分析和 圖像識(shí)別、分析與理解。而機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，是將被攝取的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用 的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信號(hào)，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，圖像系統(tǒng)對(duì)這些信 號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，在根據(jù)判斷的結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。 早期的計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究集中在那

15、些以平面為表面的多面體的世界，而在此之前都是基于 二維的。roberts 首先用程序成功地對(duì)三維積木世界進(jìn)行解釋，在其后類似的研究中， gunman 在視覺(jué)處理研究中引入了符號(hào)化處理和啟發(fā)式方法，以后，huffmanclowes 以及 waltz 等人對(duì)積木世界進(jìn)行了研究并分別解決了由線段解釋景物和處理陰影等問(wèn)題。積木世 界的研究反映了視覺(jué)早期研究中的一些特點(diǎn)，即從簡(jiǎn)化的世界出發(fā)進(jìn)行研究。這些工作對(duì)視 覺(jué)研究的發(fā)展起了促進(jìn)作用，但對(duì)于稍微復(fù)雜的景物便難以奏效。近期的視覺(jué)研究開(kāi)始于 20 世紀(jì) 70 年代中期，以 marr 等人為代表的一些研究者提出了一整套視覺(jué)計(jì)算的理論來(lái) 描述視覺(jué)過(guò)程，其核心

16、是從圖像恢復(fù)物體的三維形狀。marr 視覺(jué)計(jì)算理論立足于計(jì)算機(jī)科 學(xué)，是迄今為止最系統(tǒng)化的視覺(jué)理論。marr 建立的視覺(jué)計(jì)算理論，使計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究有了 一個(gè)比較明確的體系，并大大推動(dòng)了計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的發(fā)展。4 目前，實(shí)際應(yīng)用中有許多具體的視覺(jué)應(yīng)用工程問(wèn)題，如零件的識(shí)別、缺陷的檢查、工件的定 位等等，這些問(wèn)題具有很重要的工程應(yīng)用價(jià)值，視覺(jué)是解決它們的有效手段。雖然視覺(jué)經(jīng)過(guò) 20 多年的研究，己經(jīng)有了很大的發(fā)展，但無(wú)論是從視覺(jué)生理的角度，還是從實(shí)際應(yīng)用的角 度來(lái)看，現(xiàn)有的視覺(jué)技術(shù)還處于十分不成熟的階段。要構(gòu)造出類似于人類視覺(jué)的通用立體視 覺(jué)系統(tǒng)也不是近期內(nèi)可以達(dá)到的，需要用不同的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行深

17、入的研究。由于其廣泛 的應(yīng)用領(lǐng)域和巨大的應(yīng)用前景，對(duì)視覺(jué)技術(shù)的研究不但對(duì)揭示人類自身視覺(jué)奧妙具有重要意 義，而且對(duì)于推動(dòng)立體視覺(jué)的應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值。 近年來(lái)發(fā)展迅猛的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)解決了這一問(wèn)題。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般采用 ccd 照相機(jī) 攝取檢測(cè)圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，并由此實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別，坐標(biāo)計(jì)算，灰度分布 圖等多種功能。然后再根據(jù)其結(jié)果顯示圖像，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成位置 調(diào)整，好壞篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動(dòng)化流程。與人工視覺(jué)相比較，機(jī)器視覺(jué)的最大優(yōu)點(diǎn)是精確， 快速，可靠，以及數(shù)字化。5 機(jī)器

18、視覺(jué)技術(shù)經(jīng)過(guò) 20 年的發(fā)展,已成為一門新興的綜合技術(shù),在社會(huì)諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng) 用. 大大提高了裝備的智能化、自動(dòng)化水平,提高了裝備的使用效率、可靠性等性能. 隨著新 技術(shù)、新理論在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的應(yīng)用,機(jī)器視覺(jué)將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用. 2 系統(tǒng)總體方案的確定 2.1 系統(tǒng)總體方案分析 本設(shè)計(jì)是一個(gè)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸瓦分級(jí)安裝的自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)，并引進(jìn)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先技術(shù) 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，以數(shù)字圖像處理為研究基礎(chǔ)的識(shí)別算法。在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸瓦的安裝檢 測(cè)線上，要對(duì)幾種型號(hào)的大批量軸瓦進(jìn)行分級(jí)安裝，這就需要一個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以識(shí) 別兩種型號(hào)的軸瓦為例，簡(jiǎn)述整個(gè)識(shí)別過(guò)程。曲軸軸瓦通常

19、是固定在汽缸上，通過(guò)檢測(cè)后送至 發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行安裝。檢測(cè)系統(tǒng)將攝像機(jī)采集到軸瓦的字符（字母）圖像反饋至內(nèi)存，然后計(jì)算 機(jī)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行處理、識(shí)別，從而顯示出識(shí)別到的圖像是否與標(biāo)準(zhǔn)模式相匹配，匹配則 放行進(jìn)行液壓安裝，否則揚(yáng)聲器會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，再由工作人員進(jìn)行改正。由此可見(jiàn)，利 用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)既可以解決許多工業(yè)難題，又能提高檢測(cè)效率和自動(dòng)化水平，構(gòu)成一個(gè)帶有視 覺(jué)環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，并能廣泛適用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。 2.2 方案論證 系統(tǒng)總體方案的確定，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步，直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng) 的性能、安全運(yùn)行等因素的參數(shù)選定，使設(shè)計(jì)能夠有序、正確的進(jìn)行。為更好的擬定一份準(zhǔn)

20、確、 可靠的總體方案，可以采用“多選一”的形式： 方案一： 檢測(cè)目標(biāo) 光源 觸發(fā)電路 鏡頭ccd 相機(jī)圖像采集 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 顯示器 圖像處理 圖 2-1 系統(tǒng)組成原理框圖 此方案采用線性光源以產(chǎn)生照明能量集中，光線分布均勻的一條光帶；采用多個(gè) ccd 相機(jī) 對(duì)汽缸表面進(jìn)行多方向的拍照，以保證檢測(cè)的全面性，采用外觸發(fā)模式使各個(gè)方向的圖像分通 道進(jìn)入圖像采集單元；經(jīng)過(guò)處理單元對(duì)各通道的圖像進(jìn)行復(fù)雜的表面檢測(cè)運(yùn)算，如果發(fā)現(xiàn)任何 一個(gè)通道的圖像與標(biāo)準(zhǔn)安裝位置不符，則立即繪出控制信號(hào)，使執(zhí)行單元在錯(cuò)誤汽缸通過(guò)時(shí)將 其剔除，并報(bào)警給予提示；系統(tǒng)顯示器實(shí)時(shí)顯示各通道圖像及其檢測(cè)結(jié)果，并給出錯(cuò)誤的分析 結(jié)果。系

21、統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖 2-1 所示。 系統(tǒng)的圖像采集單元包括圖像采集、d/a 轉(zhuǎn)換卡、光源、ccd 相機(jī)、圖像處理單元，以 plc 控制系統(tǒng)控制執(zhí)行單元。此方案的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)周密，使用性強(qiáng)，但多個(gè)相機(jī)多方向拍照， 必會(huì)大大占用內(nèi)存空間，為系統(tǒng)增加負(fù)擔(dān)。 方案二： 此方案采用 led 陣列照明光源對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行亮度和距離的調(diào)節(jié)，便于圖像的采集、處理。 采用 ccd 相機(jī)對(duì)汽缸表面的字符（字母）進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)的圖像捕捉拍照，采集到的圖像傳輸?shù)?工控機(jī)中存儲(chǔ)、處理、識(shí)別，如果發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)圖像字符不匹配的，則立即繪出控制信號(hào)，是執(zhí) 行機(jī)構(gòu)上的止動(dòng)器卡住汽缸，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，工作人員依照顯示器的分析提示后到場(chǎng)進(jìn)

22、行糾 正安裝，系統(tǒng)識(shí)別到正確的圖像后生產(chǎn)線恢復(fù)運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖 2-2 所示。 工控機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 顯示器 圖像處理軟件 i/o 卡 圖像采集卡ccd 相機(jī) 揚(yáng)聲器 檢測(cè)目標(biāo) 光源 圖 2-2 系統(tǒng)組成原理框圖 系統(tǒng)的圖像采集單元包括圖像采集卡、ccd 相機(jī)、led 光源，工控機(jī)作為圖像處理單元， 用 visual c+作為軟件處理和對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制單元。此方案的特點(diǎn)是以實(shí)際使用性能為出發(fā) 點(diǎn)，比較方案一來(lái)說(shuō)更節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存空間，在使用中有較強(qiáng)的隨機(jī)應(yīng)變能力。 以上兩種方案都是為了完成對(duì)圖像的采集、識(shí)別功能，其使用方式有所差別。根據(jù)上述種 種分析得出，方案二為本設(shè)計(jì)中的最佳方案。計(jì)算機(jī)控

23、制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)兩部分組成， 其中計(jì)算機(jī)部分包括硬件和軟件，控制部分包括驅(qū)動(dòng)電路和執(zhí)行單元等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)上， 盡可能的選用性能較高，現(xiàn)在市場(chǎng)上領(lǐng)先技術(shù)且適用于設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)運(yùn)作的元器件。在軟件流程 上，引用 visual c+高級(jí)匯編語(yǔ)言來(lái)支持各環(huán)節(jié)算法的處理，與其他輔助設(shè)備做好良好的聯(lián)接 控制，使整個(gè)系統(tǒng)能及時(shí)相互響應(yīng)，并由控制界面和報(bào)警設(shè)備給予工作人員提示。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 硬件的組成 汽缸固定在隨行的夾具之上，隨行夾具自動(dòng)滑線運(yùn)行將汽缸送到檢測(cè)工位。發(fā)出到位信號(hào)， 計(jì)算機(jī)檢測(cè)到信號(hào)；工位液壓止動(dòng)器抬起，夾具及工件停止運(yùn)動(dòng)，ccd 攝像機(jī)將汽缸圖像采集 至內(nèi)存，然后計(jì)算機(jī)

24、對(duì)圖像進(jìn)行處理。操作者按檢測(cè)結(jié)果裝配曲軸軸瓦，如果操作者安裝錯(cuò)誤， 揚(yáng)聲器報(bào)警，工人依報(bào)警信息糾錯(cuò)并安裝完畢。最后系統(tǒng)控制止動(dòng)器下降，汽缸放行。如圖 3-1 所示。 圖 3-1 系統(tǒng)硬件組成 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由工控機(jī)，i/o 接口子系統(tǒng)，圖像采集單元，輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾部分 組成。控制對(duì)象的被測(cè)參數(shù)經(jīng)傳感器、放大器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一信號(hào)，再經(jīng) i/o 開(kāi)關(guān)量卡送到圖像視頻 采集卡進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過(guò)接口送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)經(jīng)處理后，經(jīng)開(kāi)關(guān)量輸出， 對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行輸出控制。 3.2 工控機(jī) 在整個(gè)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心的測(cè)量和控制系統(tǒng)，它將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信號(hào)與外 部輸入命令進(jìn)行集中

25、、存儲(chǔ)、分析、轉(zhuǎn)換，對(duì)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和邏輯 判斷、報(bào)警處理等，并根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè) 系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。由于這類控制器主要用于設(shè)備控制、過(guò)程控制，必須與生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械設(shè) 備相匹配，因此通常稱為工業(yè)控制機(jī)（簡(jiǎn)稱工控機(jī)） 。它的基本功能應(yīng)包括以下幾點(diǎn)： 實(shí)時(shí)的信息轉(zhuǎn)換和控制功能。 人機(jī)交互功能。 和機(jī)電部件接口的功能。 對(duì)控制軟件運(yùn)行的支持功能。 由此可見(jiàn)，工控機(jī)的任務(wù)是用于實(shí)時(shí)過(guò)程的檢測(cè)和控制。因此，對(duì)工控機(jī)中的存儲(chǔ)代碼和 數(shù)據(jù)供 cpu 或其他設(shè)備讀寫外，還有如下要求： 可靠性高 即抗干擾能力強(qiáng)，能在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下準(zhǔn)確進(jìn)行讀

26、寫操作。 實(shí)時(shí)性好 能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器訪問(wèn)的要求。 功耗低 降低自然造成的溫升，并可用電池供電。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器非易失性，這并不是對(duì)全局存儲(chǔ)器的要求，但系統(tǒng)中至少有局部非易失數(shù)據(jù) 段或程序代碼段，以便能長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)突然停電后再重新啟動(dòng)時(shí)能迅速恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn) 行。 另外，工業(yè)控制系統(tǒng)研制成功投入運(yùn)行后，軟件通常相對(duì)固定，很少變更，這和數(shù)據(jù)處理 機(jī)有很大不同。因此，其應(yīng)用軟件常常采用固化運(yùn)行的方法，即將程序固化在 rom 中，程序的 運(yùn)行基于 rom，只保留較少容量的 ram 用于存放工作數(shù)據(jù)。還有，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，除管 理級(jí)計(jì)算機(jī)以外，其控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件量通常不會(huì)太大，一般不采用

27、海量存儲(chǔ)器。目前， 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器更符合工業(yè)控制器對(duì)存儲(chǔ)器的各項(xiàng)要求。尤其是 flash 存儲(chǔ)器，由于成本低、非易 失性、電可擦除、有只讀方式（用于寫保護(hù)）及獨(dú)特的操作方式，它不但可以組成 ram 盤，也 可以形成 rom。它可以組成容量很大的半導(dǎo)體盤，其內(nèi)容不易被破壞，也不容易被程序干擾， 且由于容量大、成本低，它大有取代硬盤之勢(shì)。 由于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也沒(méi)有磨損（包括退磁磨損）問(wèn)題，與各種微處理 器芯片兼容，可直接接口，簡(jiǎn)化了控制電路和接口電路，減少了器件數(shù)目，提高了可靠性，而 且存取簡(jiǎn)捷；訪問(wèn)時(shí)間快（100ns 左右） ，從而提高了實(shí)時(shí)性。功耗遠(yuǎn)比帶驅(qū)動(dòng)機(jī)的方式（如軟、 硬磁

28、盤）低，尤其是 cmos 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器功耗極低。 3.3 控制系統(tǒng)的 i/o 子系統(tǒng) 控制器除了基本系統(tǒng)外，還應(yīng)包括各種檢測(cè)、控制量的輸入輸出接口，這部分功能稱為 i/o 子系統(tǒng)。按其物理量的形式來(lái)分，一般可分為開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）i/o，模擬量 i/o 兩大類。 開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）i/o 工業(yè)控制機(jī)需要處理的最基本的輸入/輸出信號(hào)是開(kāi)關(guān)信號(hào)。開(kāi)關(guān) 信號(hào)包括：儀器儀表的 bcd 碼、開(kāi)關(guān)狀態(tài)的閉合和釋放、電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止、晶閘管的通和 斷、閥門的開(kāi)和閉，以及脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和定時(shí)信號(hào)等等。這些信號(hào)的共同特征是以二進(jìn)制的 邏輯“1”和“0”出現(xiàn)，故稱為開(kāi)關(guān)信號(hào)。這些開(kāi)關(guān)信號(hào)的電器接口最簡(jiǎn)單的是 ttl

29、 電平接口，通 常只用于與工業(yè)控制機(jī)本身共電源的輸出指示燈控制、操作面板上的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的輸入及驅(qū)動(dòng)帶 電氣隔離的功率輸出模塊。而由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，存在電磁干擾、噪聲等影響，常采用光 耦合器件來(lái)解決控制機(jī)與其他獨(dú)立設(shè)備的接口。光耦合器件由于輸出信號(hào)與輸入信號(hào)在電氣上 完全隔離，抗干擾能力強(qiáng)，且無(wú)觸點(diǎn)，耐沖擊，壽命長(zhǎng)，可靠性高，響應(yīng)速度快，易與邏輯電 路配合，因而是開(kāi)關(guān)量 i/o 中最有效、最常用的隔離措施。另外，開(kāi)關(guān)量輸出接口往往還要加以 適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力。 模擬 i/o 模擬量輸入輸出是控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是微處理機(jī)與控制對(duì)象之間一 種非常重要的接口方式。溫度、壓力、流量、位移等物理量往

30、往經(jīng)傳感器變成連續(xù)變化的電壓、 電流或電阻等信號(hào)后必須再變換成數(shù)字量，即 a/d 轉(zhuǎn)換，才能被計(jì)算機(jī)識(shí)別；這些變換后的數(shù) 字量經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，其輸出結(jié)果通過(guò) d/a 轉(zhuǎn)換器再變成模擬的電壓或電流信號(hào)，送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 達(dá)到控制某種過(guò)程的目的。有時(shí)，只對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)即為數(shù)據(jù)采集，也可能只對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 開(kāi)環(huán)控制，這些都離不開(kāi) a/d 和 d/a 技術(shù)。由于傳感器把非電的物理量變換成電量后并不一定 適合 a/d 直接應(yīng)用，有時(shí)還必須經(jīng)放大濾波、線性化補(bǔ)償、隔離保護(hù)等措施，才能送 a/d 轉(zhuǎn)換 器；d/a 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，許多情況下還必須經(jīng)功率放大、隔離等其他措施。 一般稱這一系列措施為信

31、號(hào)調(diào)理。6 通信模塊完成檢測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)的雙向通信及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上報(bào)的功能。這里采用 idaq-5730 32 通道隔離數(shù)字量 i/o 卡為例來(lái)說(shuō)明(兼容華研 pcl730)： idaq-5730 隔離數(shù)字 i/o 卡 1)產(chǎn)品簡(jiǎn)介 idaq-5730 是一個(gè)隔離數(shù)字 i/o 卡，它是用于 ibm at 兼 容機(jī)的緊湊型插卡。idaq-5730 提供 16 路隔離輸入和隔 離輸出通道。隔離的通道適合工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用。另外 有 16 路非隔離的數(shù)字輸入 和輸出通道。它使用戶可以更加靈活的使用此卡。 idaq-5730 提供雙中斷請(qǐng)求。一個(gè)是由外部數(shù)字信 號(hào)產(chǎn) 生的，另一個(gè)是由 8254 定時(shí)器

32、產(chǎn)生的。雙中斷請(qǐng)求 在看門狗和觸發(fā)信號(hào)監(jiān)測(cè)等工業(yè)應(yīng)用中非常 有用。7 2)產(chǎn)品規(guī)格 隔離數(shù)字量 i/o 光隔離輸入通道 通道數(shù): 16 電壓：524vdc 輸入電阻：1.2k，0.5w 隔離電壓：2500vrms 隔離電壓：2500vrms 吞吐量：10khz ttl 數(shù)字 i/o(dio) 32 路 ttl 兼容輸入和輸出 輸入電壓：低：0-0.8v 高：最小 2.0v 輸入負(fù)載：低：+0.5v，-0.4ma 高：+2.7v，+0.05ma 輸出電壓：低：0-0.4v（最大值） 高：2.4v（最小值） 驅(qū)動(dòng)能力低：+0.5v，8ma 高：+2.7v，0.4ma(最小值) 光隔離輸出通道 通道

33、數(shù): 16 輸出設(shè)備: td62003 集電極開(kāi)路:540vdc(需外部電源) 灌電流：最大 200ma 吞吐量：10khz 可編程計(jì)數(shù)器 設(shè)備: 8254 a/d 定時(shí)觸發(fā)器: 32 位時(shí)鐘(二個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器), 帶一個(gè) 2mhz 的時(shí)基 計(jì)數(shù)器: 一個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器, 帶一個(gè) 2mhz 的時(shí)基 定時(shí)觸發(fā)器輸出:0.00046hz-0.5mhz 一般特性 i/o 基址: 8 個(gè)連續(xù)的地址位置 接口：一個(gè) 37 芯 d 型接頭 工作溫度：0+60 儲(chǔ)存溫度：-20+80 工作濕度：595% 無(wú)凝結(jié) 功耗：+5v ， 360ma ( 典型值)450ma (最大) 尺寸：緊湊型, 163mm

34、123mm 32 路數(shù)字輸入(16 路隔離和 16 路 ttl 輸入) 3)產(chǎn)品特性 32 路數(shù)字輸出(16 路隔離和 16 路 ttl 輸出) 2,500vrms 高電壓隔離 高輸出驅(qū)動(dòng)能力和 200ma 最大灌電流 高達(dá) 24v 的隔離輸入電壓保護(hù) 板上內(nèi)部定時(shí)觸發(fā)器觸發(fā) 中斷由內(nèi)部定時(shí)器或外部信號(hào)控制 雙中斷觸發(fā)源 一個(gè) 37 芯接口和兩個(gè) 20 芯插頭 3.4 圖像采集單元 圖像采集也就是圖像數(shù)字化的過(guò)程，即將圖像采集到計(jì)算機(jī)的過(guò)程，主要涉及到成像及模 數(shù)轉(zhuǎn)換（a/d converter）技術(shù)，它能直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。圖像的采集實(shí)際上是 將被測(cè)物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)化

35、成能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)，主要通過(guò) ccd 攝像頭與計(jì) 算機(jī)的圖像采集卡直接相連來(lái)完成圖像采集，而圖像捕捉控制是由相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)包工具來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。捕捉軟件可以按每秒 125 幀（pal 制）或 130 幀（n 制）來(lái)捕捉存貯在幀緩存或計(jì) 算機(jī)內(nèi)存里以備預(yù)處理系統(tǒng)調(diào)用，可以是實(shí)時(shí)在監(jiān)控圖像中抓取到含有軸瓦型號(hào)字符的圖像。 圖像采集單元包括圖像視頻采集卡、光源、ccd 相機(jī)。 3.4.1 ccd ccd 的全稱為 charge coupled devices，它的主要部分為位于單個(gè)集成電路芯片上的一組線 性或矩形光傳感器陣列，并包含能讀出由入射圖像產(chǎn)生的充電電荷的必要電路。采用 ccd 器件 構(gòu)成攝

36、像機(jī)，其基本原理是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將自然圖像成像在 ccd 的像敏面上，像敏面將照在每 一個(gè)像敏單元的圖像照度轉(zhuǎn)換為少數(shù)載流子數(shù)密度信號(hào)存儲(chǔ)在像敏單元中，然后在轉(zhuǎn)移到 ccd 的移位寄存器中，在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下順序地移出器件，形成強(qiáng)弱不同的電信號(hào)。ccd 圖像傳 感器分為線陣和面陣。線陣 ccd 是將一維光信號(hào)進(jìn)行電轉(zhuǎn)換的器件，為了得到二維圖像就必須 采用機(jī)械掃描的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而攝像機(jī)采用的是面陣 ccd。 掃描方式有逐行掃描和隔行掃描之分。在隔行掃描里，掃描分為奇偶兩場(chǎng)進(jìn)行。奇數(shù)場(chǎng)的 掃描行為奇數(shù)行，偶數(shù)場(chǎng)的掃描行為偶數(shù)行，兩場(chǎng)合為一幅圖像，即為一幀。因此在隔行掃描 中，無(wú)論是攝像機(jī)還是 crt

37、 顯示器，獲取或顯示一幅圖像都要掃描兩遍才能得到一幅完整的圖 像。 由視覺(jué)傳感器得到的電信號(hào)，經(jīng)過(guò) a/d 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，稱為數(shù)字圖像。一般地，一個(gè)畫 面可以分成 256*256 像素、512*512 像素或 1024*1024 個(gè)像素，像素的灰度可以用 4 位或 8 位二 進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。一般情況下，這么大的信息量對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是足夠的。要求比較高的場(chǎng)合， 還可以通過(guò)彩色攝像系統(tǒng)或在黑白攝像管前面加上紅、綠、藍(lán)等濾光器得到顏色信息和較好的 反差。 3.4.2 led 陣列照明光源 視覺(jué)系統(tǒng)能直接把景物轉(zhuǎn)化成圖像輸入信號(hào)，因此取景部分應(yīng)當(dāng)能根據(jù)具體情況自動(dòng)調(diào)節(jié) 光圈和焦點(diǎn)，以便得到一幅容易處

38、理的圖像。為此應(yīng)能調(diào)節(jié)以下幾個(gè)參量： 1） 焦點(diǎn)能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)要看的物體。 2） 根據(jù)光線強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈。 3） 自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)攝像機(jī)，使被攝物體位于視野中央。 4） 根據(jù)目標(biāo)物體的顏色選擇濾光器。 此外，還應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)光源的方向和強(qiáng)度，使目標(biāo)物體能夠看得更清楚。為了滿足上述條件， 特采用 led 陣列照明光源。 高密度的 led 陣列置于緊湊的、框形斜射光照明單元中，屬于 ldl/ldq 系列，其突出特 點(diǎn)是照明光源角度幾乎可被自由地設(shè)成任意角度，并且四面的每個(gè)角度都可被獨(dú)立設(shè)置，適用 于金屬板表面檢測(cè)、標(biāo)簽檢測(cè)、陶制品的外部和裂縫檢測(cè)等，使所獲得的圖像給后期圖像的處 理、分析和識(shí)別帶來(lái)了很大的方便。8

39、 圖 3-3 led 陣列照明光源 3.4.3 視頻采集卡 視頻采集卡是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，用于將模擬攝像機(jī)傳送來(lái)的模擬視頻圖像信號(hào)轉(zhuǎn) 換為數(shù)字視頻圖像信號(hào)。視頻質(zhì)量的好壞往往與視頻采集卡有直接的關(guān)系。 視頻采集卡的種類有很多，視覺(jué)系統(tǒng)一般采用非專業(yè)級(jí)的視頻采集卡。如果使用無(wú)壓縮的視 頻壓縮卡，控制系統(tǒng)則必須采用軟件進(jìn)行視頻壓縮，這將耗費(fèi)計(jì)算機(jī)資源。因此，視覺(jué)系統(tǒng)一 般采用壓縮視頻采集卡，當(dāng)前流行的是 mpeg-4 壓縮卡。視頻采集卡由下列部件組成：視頻輸 入、視頻通道多路轉(zhuǎn)換器、a/d 轉(zhuǎn)換、視頻壓縮、視頻幀存、音頻輸入、音頻壓縮等。一塊卡 往往支持 1 路到 4 路視頻采集壓縮和 1

40、 路到 4 路音頻采集壓縮。視頻與音頻之間一般具有同步 的關(guān)系。視頻輸入一般支持多種制式；音視頻的壓縮采用專用壓縮芯片。 根據(jù)上述視頻采集系統(tǒng)的特點(diǎn)需要，這里我們選用 mv-8000 4 路高清圖像采集卡. 1)產(chǎn)品介紹： 該系列產(chǎn)品是陜西維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司采用最新的數(shù)字視頻處理芯片，嵌入公司自 主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 h.264 壓縮算法及多路圖像處理的技術(shù)，形成了從 cif 到 half d1、full d1 所 有圖像質(zhì)量等級(jí)、具有極高性價(jià)比的 mv-1500 系列產(chǎn)品。此 dsp 數(shù)字信號(hào)處理芯片是 philips 在原來(lái) dsp 系列產(chǎn)品基礎(chǔ)上的升級(jí)換代產(chǎn)品，在許多的主要性能上均有明顯的

41、提升。 由于我們獨(dú)特的開(kāi)發(fā)技術(shù)路線，保證了更優(yōu)良的視頻圖像質(zhì)量和更高的實(shí)時(shí)性。 mv-8000 4 路高清圖像采集卡 高清晰度工業(yè)圖像采集卡，10 位 a/d，分辨率 768576，25/30 幀/s，支持 dicrtshow，采用自適應(yīng)梳狀濾波，動(dòng)態(tài)采集圖像流暢細(xì)膩，實(shí)時(shí)完 成文字/字符/圖形疊加, 可實(shí)現(xiàn)單幀/單場(chǎng)/黑白灰度采集，消除運(yùn)動(dòng)圖像毛刺、脫影、拉毛現(xiàn)象。 支持 vb、vc、delphi 二次開(kāi)發(fā)，提供開(kāi)發(fā)實(shí)例源代碼。帶軟壓存儲(chǔ)軟件，支持多種操作系統(tǒng)。 應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)、醫(yī)學(xué)影像、電子警察、生物識(shí)別、交通抓拍、安全監(jiān)控、工業(yè)流水線檢測(cè)、 智能交通收費(fèi)、安全監(jiān)控等。9 圖 3-4 mv

42、-8000 4 路高清圖像采集卡 2) 主要性能指標(biāo)： 4 路 pal，ntsc 彩色或黑白視頻信號(hào)同時(shí)輸入，同時(shí)顯示。 mv-8000 4 通道實(shí)時(shí)圖像采集卡采用 10bit 高清晰度圖像芯片，圖像色彩更真實(shí)，清 晰度更高。 圖像分辨率最高：768 x 576 x 32bit; ntsc 640 x 480 x 32bit。 mv-8000 4 通道實(shí)時(shí)圖像采集卡亮度、對(duì)比度、色調(diào)、色飽和度軟件可調(diào)。 mv-8000 4 通道實(shí)時(shí)圖像采集卡支持計(jì)算機(jī)內(nèi)容與圖像同屏顯示。 支持任意形狀的圖像采集，支持裁剪與比例壓縮模式。 mv-8000 4 通道實(shí)時(shí)圖像采集卡可在圖象上實(shí)時(shí)疊加字符、圖形、文字

43、功能 支持 rgb8888、rgb888、rgb565、rgb555 及 256 色模式。 mv-8000 4 通道實(shí)時(shí)圖像采集卡支持單場(chǎng)、單幀、連續(xù)場(chǎng)、連續(xù)幀的采集方式，支持 單機(jī)多卡。 mv-8000 工業(yè)高清圖像采集卡可在外部視頻上疊加文字和圖像，實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏 幕上； 可以和 mv-800 系列圖像采集卡同時(shí)使用，開(kāi)發(fā)好的系統(tǒng)軟件不用做任何改動(dòng)。 mv-8000 工業(yè)高清圖像采集卡底層程序穩(wěn)定，功能豐富、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、便于程序移植， 供貨穩(wěn)定，無(wú)需擔(dān)心停產(chǎn)。 硬件兼容性能好，工作穩(wěn)定可靠，可在兼容機(jī)、原裝機(jī)/工控機(jī)、甚至在高溫、電弧焊 接、石油勘探現(xiàn)場(chǎng)等惡劣環(huán)境下都能良好地穩(wěn)定工作。

44、3.5 傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 在整個(gè)控制系統(tǒng)中，除了圖像識(shí)別這一重要環(huán)節(jié)之外，還需要使用傳感器把各種被測(cè)參數(shù) 轉(zhuǎn)變成為電量信號(hào)，經(jīng)過(guò)中間變換器放大輸出，再轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一電平送到計(jì)算機(jī)中。同時(shí)需要使 用各種接口電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以計(jì)算機(jī)的輸出去控制對(duì)象。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電子開(kāi)關(guān)、液壓 電動(dòng)機(jī)和氣動(dòng)電磁閥等各種控制設(shè)備。 3.5.1 光傳感器 由于光傳感器的發(fā)展，光控電路在自動(dòng)控制、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及家用電器等領(lǐng)域都得到了廣泛 的應(yīng)用。 當(dāng)載有汽缸的傳輸帶行進(jìn)到 ccd 面前時(shí)，需要暫停一下，便于 ccd 進(jìn)行拍照采集。這就 需要一個(gè)光控開(kāi)關(guān)電路來(lái)感應(yīng)到汽缸的到達(dá)，并及時(shí)動(dòng)作暫停發(fā)送信號(hào)進(jìn)行下一道工序采 集。這里

45、我們采用光敏三極管光控制電路，如圖 3-5 所示。 vz1 vz2 +c1 r1 r5 r3 r4 r2 vt1 rp r7 r6 vd vt2 ur l n hl t 220 + n ka 36v u門門 b a 圖 3-5 光敏三極管光控制電路 工作原理：發(fā)光器為白熾燈，受光器為光電晶體管。白熾燈的電源直接由變壓器 t 的副邊 所得，而開(kāi)關(guān)電路的工作電源是在變壓器降壓后，通過(guò)整橋 ur 整流，電容 c1濾波后提供的， 光電開(kāi)關(guān)的門限電壓是由電阻 r3、r4分壓所得，即 u門限=r4ucc/（r3+r4） 。當(dāng)無(wú)被測(cè)體接近時(shí)， 白熾燈 hl 照射到光敏三極管 vt1，此時(shí)光敏三極管飽和導(dǎo)通，

46、a 點(diǎn)電位低于比較器 n 的門限 電壓u門限，比較器 n 輸出低電平，穩(wěn)壓二極管 vz1 截止，使晶體管 vt2截止，繼電器 ka 不 動(dòng)作。當(dāng)有檢測(cè)體接近時(shí)，白熾燈燈光被遮擋，照射到光電晶體管的光線減弱，光電晶體管 vt1由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，使 a 點(diǎn)電位升高接近電源電壓值，uaub，比較器 n 輸出高電 平，使穩(wěn)壓二極管 vz1 擊穿導(dǎo)通，晶體管 vt2由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通狀態(tài)，繼電器 ka 動(dòng)作 10。使液壓止動(dòng)器抬起，并延時(shí) 3 秒便于圖像采集。 3.5.2 液壓控制安裝電路 在圖像處理系統(tǒng)識(shí)別完畢后，型號(hào)正確的汽缸將會(huì)繼續(xù)前行，送到規(guī)定的位置（完成分類、 安裝工序） 。在接近目

47、的安裝位置時(shí)，需要有一個(gè)液壓控制來(lái)快速給汽缸一個(gè)推力，使汽缸準(zhǔn)確 無(wú)誤的安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)的指定位置之上。 圖 3-6 是裝置的功能結(jié)構(gòu)圖，此裝置是基于負(fù)階躍力的動(dòng)態(tài)力發(fā)生裝置，裝置由測(cè)力液壓缸， 工作液壓缸、力傳感器、液壓系統(tǒng)及微機(jī)電控制系統(tǒng)等組成。根據(jù)帕斯卡原理，測(cè)力液壓缸 2 將具有標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的的砝碼 1 所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)油壓經(jīng)油管傳遞至活塞 5 上產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)力。該標(biāo)準(zhǔn) 動(dòng)態(tài)力通過(guò)卸荷部件 6 及墊塊 7 給力傳感器 8，然后在沖桿 10 上施加沖擊力 f(t)，使卸荷部件并 同時(shí)使施加于力傳感器上的力撤消，力傳感器因而受到負(fù)荷階躍力的作用。11 圖 3-6 力源裝置結(jié)構(gòu)原理圖 4 數(shù)字圖像處理

48、4.1 圖像 圖像包含兩層含義，即“圖”和“像”。所謂“圖”，就是物體透射或者反射的光的分布；“像”是 人的視覺(jué)系統(tǒng)接受圖的信息而在大腦中形成的印象或認(rèn)識(shí)。前者是客觀存在的，而后者是人的 感覺(jué)，圖像應(yīng)該是兩者的結(jié)合。從廣義上說(shuō)，圖像是自然界景物的客觀反映，照片、各種類型 的繪畫、電視畫面等等就是圖像的最直觀的例子。它是用各種觀測(cè)系統(tǒng)以不同形式和手段觀測(cè) 客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼并進(jìn)而產(chǎn)生視知覺(jué)的實(shí)體。人的視覺(jué)系統(tǒng)就是 一個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)它得到的圖像就是客觀景物在人眼中形成的影像。圖像信息不僅包含光通 量分布，而且也還包含人類視覺(jué)的主觀感受。然而，除了這些能被人眼觀察到的各種平

49、面圖像 以外，它還包括視覺(jué)無(wú)法觀察的其他用物理圖像和空間物理圖像。例如，溫度、壓力、高度等 物理量的平面或空間分布，就是無(wú)法直接用人眼進(jìn)行觀察的圖像。 此外，我們所討論的圖像還包括用數(shù)字函數(shù)和離散數(shù)據(jù)所描述的抽象的連續(xù)或離散圖像。 客觀世界在空間上是三維（3-d）的，但一般從客觀景物得到的圖像是二維(2-d)的。一幅圖像可 以用一個(gè) 2-d 數(shù)組 f(x, y)來(lái)表示，這里 x 和 y 表示 2-d 空間 xy 中一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置，而 f 則代 表圖像在點(diǎn)(x, y)的某種性質(zhì) f 的數(shù)值。例如常用的圖像一般是灰度圖，這時(shí) f 表示灰度值，它 常對(duì)應(yīng)客觀景物被觀察到的亮度值。 常見(jiàn)圖像是連續(xù)定

50、義的，即 f(x, y)的值可以是任意實(shí)數(shù)。為了能用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行加 工處理，需要把連續(xù)的圖像在坐標(biāo)空間 xy 和性質(zhì)空間 f 都進(jìn)行離散化。這種離散化了的圖像 就是數(shù)字圖像，可以用 i(r, c)來(lái)表示。這里 i 代表離散化后的 f(r, c)代表離散化后的(x, y)，其中 r 代表圖像的行（row） 。c 代表圖像的列(column)。這里 i, c, r 的值都是整數(shù)， f(x, y)代表數(shù)字圖 像。 4.2 數(shù)字圖像 常用的模擬圖像是連續(xù)的，為了便于數(shù)字傳輸和計(jì)算機(jī)處理，需要在坐標(biāo)空間和屬性空間 都進(jìn)行離散化，以數(shù)字量的形式記錄和傳輸，這種離散化后的圖像就稱為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像

51、 通常用矩陣函數(shù)的形式來(lái)表示，如式（4-1）所示。 （4-1） 11121 21222 12 ( , ) n n m nm n mmmn fff fff ff x y fff 其中：表示處物體的屬性值，0，1，2，m-1；0，1，2，n-( , )f x y( , )x yx y 1；m 表示圖像在水平方向上的點(diǎn)數(shù)，n 表示圖像在垂直方向上的點(diǎn)數(shù)。 式（4-1）的矩陣中的元素在圖像中稱為像素（或像元） ；各個(gè)元素的值，即為相應(yīng)像素的 屬性值（如灰度值等） 。也可以將數(shù)字灰度圖像看成一個(gè)由像素灰度值組成的二維數(shù)組。 4.3 圖像數(shù)字化 將模擬的圖像轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字圖像的過(guò)程稱為圖像的數(shù)字化，它包

52、括兩個(gè)部分： 圖像采樣，即圖像平面坐標(biāo)的離散化； 圖像量化，即圖像灰度值的離散化。 通過(guò)圖像采樣和量化這兩個(gè)技術(shù)過(guò)程得到數(shù)字圖像上的最小單元，即像素。通過(guò)圖像的數(shù) 字化處理可將一幅連續(xù)的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成用矩陣表示的離散的數(shù)字圖像，從而建立了連續(xù)圖像 和離散圖像之間相互聯(lián)系的橋梁，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的處理。 4.4 數(shù)字圖像處理 數(shù)字圖像處理是從 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和 vlsi 的發(fā)展而生產(chǎn)、發(fā)展和不 斷成熟起來(lái)的一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，它在理論上和實(shí)際應(yīng)用上都取得了巨大的成就，并引起各方 面人士的廣泛重視。視覺(jué)是人類最重要的感知手段，圖像又是視覺(jué)的基礎(chǔ)。因此數(shù)字圖像成為 心理學(xué)、

53、生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多方面的學(xué)者研究視覺(jué)感知的有效工具。 數(shù)字圖像處理，又稱計(jì)算機(jī)圖像處理（computer image processing）是研究由物體到圖像并 進(jìn)行處理的一類理論技術(shù)，通常是把一幅圖像變換成另外一幅圖像。實(shí)用的數(shù)字圖像系統(tǒng)是一 個(gè)包括硬件和軟件的復(fù)雜系統(tǒng)，其功能模型如圖 4-1 所示，從圖中可以看出，數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 主要由圖像輸入/輸出、存取/通信、存儲(chǔ)控制和圖像處理五部分構(gòu)成，從而完成采集、顯示、儲(chǔ) 存、通信、處理和分析的功能： 圖像輸入是圖像處理系統(tǒng)的輸入單元，它可以接受各種圖像輸入設(shè)備所采集的圖像信息， 其應(yīng)用不同，因而存在多種工作方式。常使用的圖像輸入設(shè)備有

54、 ccd 攝像機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和掃 描儀等。 圖像輸出是圖像處理系統(tǒng)的輸出單元，可以與各種圖像輸出設(shè)備相連接。常用的設(shè)備有 crt 熒光屏顯示器、打印機(jī)和繪圖儀等。 圖像存儲(chǔ)和控制單元主要負(fù)責(zé)執(zhí)行存儲(chǔ)和控制功能。其中控制功能是指在圖像處理中對(duì) 圖像處理單元所完成的控制。通常使用鍵盤、鼠標(biāo)等。存儲(chǔ)設(shè)備有各種 ram，rom 鍵盤、光 盤等，主要用于圖像處理過(guò)程中的相關(guān)信息的存儲(chǔ)。 存取/通信設(shè)備可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將存儲(chǔ)在遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)硬盤或光盤中圖像信息送入圖像處理單 元以便做進(jìn)一步處理，當(dāng)然也可以進(jìn)行本地操作。 圖像處理設(shè)備是圖像處理系統(tǒng)的核心。它包括了各種硬件和用于圖像處理的各種通用或 專用的軟件。 存

55、取/通信 主圖像處理 （計(jì)算機(jī)硬件/軟件） 圖像輸入圖像輸出 控制、存儲(chǔ) 圖 4-1 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)模型 數(shù)字圖像處理的研究?jī)?nèi)容主要涉及到圖像數(shù)字化、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像編碼和圖像 特征描述等各個(gè)方面。其中圖像的攝取與數(shù)字化，是研究如何進(jìn)行圖像獲取并轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算 機(jī)或數(shù)字圖像設(shè)備處理的數(shù)字信號(hào)；圖像增強(qiáng)，是將增強(qiáng)圖像中的有用信息，削弱干擾和噪聲， 以便對(duì)圖像進(jìn)一步的處理和分析；圖像恢復(fù)，是將退化或模糊了的圖像復(fù)原；圖像編碼，是為 便于圖像存儲(chǔ)和傳輸，在滿足一定的保真度要求下，簡(jiǎn)化圖像的表示，從而大大壓縮表示圖像 的數(shù)據(jù)；圖像特征描述是提取圖像特征并予以描述，為圖像識(shí)別、分析和理解奠定基

56、礎(chǔ)。它與 機(jī)器視覺(jué)的區(qū)別在于，機(jī)器視覺(jué)主要研究圖像的三維重建、運(yùn)動(dòng)圖像分析和圖像識(shí)別、分析與 理解，而數(shù)字圖像處理重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是對(duì)圖像的處理，使之更適合于人眼觀察或儀器檢測(cè)的圖像。 由于圖像技術(shù)近年來(lái)得到極大的重視和長(zhǎng)足的進(jìn)展，出現(xiàn)了許多新理論、新方法、新算法、 新手段、新設(shè)備。眾所周知，工程是指將自然科學(xué)的原理應(yīng)用到工業(yè)部門而形成的各學(xué)科的總 稱。圖像工作者普遍認(rèn)為需對(duì)圖像和它們的處理技術(shù)進(jìn)行綜合研究和集成應(yīng)用，這個(gè)工作的框 架就形成了圖像工程。圖像工程學(xué)科是將數(shù)學(xué)、光學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的原理，結(jié)合在圖像應(yīng)用中積 累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來(lái)的。12 根據(jù)抽象程度和研究方法等的不同，以圖像識(shí)別為目的的計(jì)算

57、機(jī)視覺(jué)可分為 三個(gè)階段：即 圖像處理、圖像分析和圖像識(shí)別。圖像識(shí)別的基本模型如圖 4-2 所示： 圖像預(yù)處理去 噪聲，灰度修 正，圖像增強(qiáng)、 集合糾正 圖像分割、 邊緣提取、 二值化 提取目標(biāo)特 征形成參數(shù) 描述，建立 模式矢量 圖像模式識(shí)別分類器、統(tǒng)計(jì)分類器、 模糊分類器 分類識(shí)別結(jié)果 輸入圖像 圖 4-2 圖像識(shí)別的基本模型 圖像處理著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換。雖然人們常用圖像處理泛指各種圖像技術(shù)，但 是，比較狹義的圖像處理主要在于滿足對(duì)圖像進(jìn)行各種加工，以改善圖像的視覺(jué)效果，并為自 動(dòng)識(shí)別打下基礎(chǔ)，或?qū)D像進(jìn)行壓縮編碼，以減少所需存儲(chǔ)空間或傳輸空間、傳輸通道的要求。 圖像分析則主要是對(duì)

58、圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，以獲得它們的客觀信息，從而 建立對(duì)圖像的描述。如果說(shuō)圖像處理是一個(gè)從圖像到圖像的過(guò)程，圖像分析則是一個(gè)從圖像到 數(shù)據(jù)的過(guò)程。這里，數(shù)據(jù)可以是對(duì)目標(biāo)特征測(cè)量的結(jié)果，或是基于測(cè)量的符號(hào)標(biāo)號(hào)，它們描述 了圖像中目標(biāo)的特點(diǎn)和性質(zhì)。13 圖像識(shí)別的重點(diǎn)則是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的 相互聯(lián)系，并根據(jù)圖像分析中提取的各個(gè)目標(biāo)特征，利用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分類識(shí)別。 綜上所述，圖像處理、圖像分析和圖像識(shí)別是處在三種不同抽象程度和數(shù)據(jù)量各有特點(diǎn)的 不同層次上。圖像處理是比較低層的操作，它主要在圖像像素級(jí)上進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非 常大。圖像分

59、析則進(jìn)入了中層，分割和特征提取把原來(lái)以像素描述的圖像轉(zhuǎn)變成比較簡(jiǎn)潔的非 圖形式的描繪。圖像識(shí)別則是主要是高層操作，基本上是對(duì)從描述抽象出來(lái)的符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算， 其處理過(guò)程和方法與人類的思維和推理有許多類似之處。在這里，隨著抽象程度的提高，數(shù)據(jù) 量是逐漸減少的，具體說(shuō)來(lái)，原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列的處理過(guò)程逐漸轉(zhuǎn)化為更有組織和用途 的信息。在這個(gè)過(guò)程中，語(yǔ)義不斷引入，操作對(duì)象發(fā)生變化，數(shù)據(jù)量得到了壓縮。另一方面， 高層操作對(duì)低層操作有指導(dǎo)作用，能提高低層操作的效能。 5 曲軸軸瓦的檢測(cè)識(shí)別原理 5.1 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)原理 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的基本原理就是用計(jì)算機(jī)來(lái)代替人的眼睛和大腦對(duì)客觀世界進(jìn)行感知和理解 以完

60、成特定的目的。其檢測(cè)的基本過(guò)程是通過(guò) ccd 攝像頭獲取圖像并輸入計(jì)算機(jī)，采用一定的 算法完成圖像預(yù)處理和圖像特征提取，應(yīng)用模式識(shí)別方法來(lái)達(dá)到對(duì)分割完的單元進(jìn)行識(shí)別、分 類等，從而完成對(duì)圖像的分析和理解。 5.2 氣缸表面字符檢測(cè)原理 本系統(tǒng)采用的檢測(cè)方法為機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)。因此曲軸軸瓦裝配機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)是以機(jī)器視 覺(jué)檢測(cè)的原理和技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)攝入的氣缸表面圖像進(jìn)行處理和分析，從而識(shí)別出 曲軸軸瓦的型號(hào)。其檢測(cè)的基本過(guò)程是通過(guò) ccd 攝像頭獲得氣缸表面圖像并輸入計(jì)算機(jī)，采用 一定的算法完成圖像預(yù)處理和圖像特征提取，應(yīng)用模式識(shí)別方法來(lái)達(dá)到對(duì)曲軸軸瓦裝配進(jìn)行識(shí) 別。 圖 5-1 氣缸表面