自動(dòng)化的重點(diǎn)——機(jī)器視覺(jué)+運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)器視覺(jué)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)分支，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的視覺(jué)控制或視覺(jué)應(yīng)用，主要指的是通過(guò)前端光學(xué)攝像頭，從采集到的數(shù)字化圖像中提取相關(guān)信息，進(jìn)行分析處理之后，用于對(duì)生產(chǎn)線流程或質(zhì)量的控制，以代替重復(fù)性人工操作。目前，機(jī)器視覺(jué)在工廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的實(shí)際應(yīng)用包括：對(duì)生產(chǎn)工件的完整性質(zhì)量檢測(cè)、平面度檢測(cè)、識(shí)別、分類、零件位置及方向、尺寸測(cè)量、讀碼識(shí)別追溯、表面/色差檢測(cè)、自動(dòng)化流水線作業(yè)等等。

從整體供應(yīng)鏈來(lái)看，參與機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的廠商大致上可以分為上游底層開(kāi)發(fā)商，含核心零部件和軟件開(kāi)發(fā)商；中游從事二次開(kāi)發(fā)的設(shè)備集成和軟件服務(wù)商；以及下游所面對(duì)的各類機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用廠商。其中，核心零部件及軟件供應(yīng)商主要包括光源、鏡頭、工業(yè)相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件等類型廠商，而在整個(gè)成本構(gòu)成中，零部件及軟件開(kāi)發(fā)的費(fèi)用基本上占了約80%的比例，可謂是重中之重。光源供應(yīng)商有OPT奧普特、銳視光電等；工業(yè)相機(jī)的主要品牌有SICK（德國(guó)西克）、Basler、堡盟、DALSA、Point Grey、Images Source等；市場(chǎng)上較知名的圖像軟件包有EzR（西克）、Halcon（MVtec）、VisionPro（康耐視）、免費(fèi)開(kāi)源庫(kù)Opencv、MIL（Matrox）等；運(yùn)動(dòng)控制卡供應(yīng)商有固高、雷賽、研華等等。

目前機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)控制領(lǐng)域大多屬于二次開(kāi)發(fā)層面，形式主要包括系統(tǒng)集成以及組裝生產(chǎn)自動(dòng)化專機(jī)等等，要求開(kāi)發(fā)商能夠掌握不同生產(chǎn)制造環(huán)境中的Know-How技術(shù)，設(shè)計(jì)出有針對(duì)性的產(chǎn)品或集成方案，視覺(jué)點(diǎn)膠控制、視覺(jué)螺絲機(jī)控制、視覺(jué)定位+飛拍、視覺(jué)檢測(cè)等電子產(chǎn)品后段制造流程都是現(xiàn)在市場(chǎng)上的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。大部分廠商采用的都是“軟件平臺(tái)+視覺(jué)開(kāi)發(fā)包”的開(kāi)發(fā)模式，開(kāi)發(fā)包基于軟件平臺(tái)對(duì)常用各種圖像處理算法進(jìn)行封裝，軟件工程師可直接調(diào)用封裝好的算法，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的圖像處理和分析功能，大幅降低了二次開(kāi)發(fā)的難度和工作量。

圖1  機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈組成

圖2  工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用分析（資料來(lái)源：智研咨詢）

       視覺(jué)應(yīng)用的三大層面難題

但就實(shí)際應(yīng)用而言，在目前機(jī)器視覺(jué)+運(yùn)動(dòng)控制方案的實(shí)施過(guò)程中，各種“門檻”依然較高，問(wèn)題主要來(lái)自于三個(gè)方面：一是，對(duì)于大部分技術(shù)開(kāi)發(fā)工程師來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是一個(gè)全新的領(lǐng)域，要學(xué)習(xí)一種新的編程語(yǔ)言（如C++）存在一定的難度，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，加上視覺(jué)項(xiàng)目一般都是非標(biāo)的，開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)非常重要，普通電氣工程師要想快速掌握機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的編程和調(diào)試，絕非易事。

其次，對(duì)于設(shè)備制造商而言，為了提高工廠的生產(chǎn)效率，制造業(yè)產(chǎn)線升級(jí)的需求迫切，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用已經(jīng)成為其中的一個(gè)重點(diǎn)，但機(jī)器視覺(jué)的硬件投資成本一直居高不下，令他們望而卻步；除了硬件投入之外，往往后期還需要高薪聘請(qǐng)視覺(jué)工程師對(duì)買回來(lái)的視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和維護(hù)，這無(wú)疑又加重了工廠的人力成本。如何能夠有效地控制投資成本，是他們的主要訴求點(diǎn)，例如是否可以既經(jīng)濟(jì)又方便地在現(xiàn)有設(shè)備系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加機(jī)器視覺(jué)功能等。

另外，對(duì)于終端用戶來(lái)說(shuō)，在使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器視覺(jué)和自動(dòng)化控制（流程控制、工藝控制等）往往分屬于兩套不同的系統(tǒng)之中，兩者之間常?？赡軙?huì)由于通訊等多種因素而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定（如出現(xiàn)停機(jī)、停線等狀況）。尤其是在當(dāng)前多品種、小批量、柔性化的生產(chǎn)模式下，產(chǎn)線的頻繁更換，增加了對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)流程的修改和調(diào)試時(shí)間，從而大大影響了工廠產(chǎn)能，因此，如何讓設(shè)備在生產(chǎn)中更加穩(wěn)定，同時(shí)操作也更為便捷，能夠滿足產(chǎn)線快速調(diào)整和切換的需要，是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)課題。

機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制的無(wú)縫集成

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)+運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用大多數(shù)硬件架構(gòu)都是采用一臺(tái)控制器，通過(guò)外部連接視覺(jué)系統(tǒng)及產(chǎn)線上各個(gè)部位的工業(yè)智能相機(jī)及光源，視覺(jué)信號(hào)通過(guò)線纜和串口被傳輸?shù)娇刂破髦?。在?nèi)部軟件框架中，以常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)為例，視覺(jué)程序一般位于Windows系統(tǒng)中的非實(shí)時(shí)用戶模式中，進(jìn)行代碼分析和算法處理；而PLC工藝流程控制則多位于實(shí)時(shí)內(nèi)核模式之中。由于非實(shí)時(shí)用戶模式的任務(wù)執(zhí)行機(jī)制采用的是優(yōu)先級(jí)別，因此當(dāng)CPU的負(fù)荷過(guò)高、內(nèi)存過(guò)大、處理流程過(guò)多時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，使得在非實(shí)時(shí)用戶模式下的機(jī)器視覺(jué)在完成同一檢測(cè)任務(wù)時(shí)最終所需要花費(fèi)的時(shí)間卻不一樣，導(dǎo)致減慢生產(chǎn)節(jié)拍，影響生產(chǎn)效率。

為了解決這一難題，針對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，倍福開(kāi)發(fā)的TwinCAT Vision機(jī)器視覺(jué)解決方案將視覺(jué)技術(shù)集成在其TwinCAT統(tǒng)一的通用化控制技術(shù)平臺(tái)上，其中的圖像處理功能被添加到整合了PLC、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人、高端測(cè)量技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及HMI的通用控制平臺(tái)TwinCAT軟件之中，通過(guò)這個(gè)統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，來(lái)完成工廠所有的控制任務(wù)。

一體化機(jī)器視覺(jué)集成方案

瞄準(zhǔn)現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)程中視覺(jué)應(yīng)用的“痛點(diǎn)”，從機(jī)器控制緊密結(jié)合的軟硬件集成方案入手，蘇州正雄自動(dòng)化設(shè)備有限公司推出的集成了鏡頭、工業(yè)相機(jī)、軟件和運(yùn)動(dòng)控制于一身的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)—視覺(jué)檢測(cè)一體機(jī)，是另一種實(shí)現(xiàn)方式。這種軟硬結(jié)合的一體化集成視覺(jué)系統(tǒng)解決了視覺(jué)檢測(cè)應(yīng)用中的同步性問(wèn)題，令到整體系統(tǒng)能夠達(dá)到更高的精度和速度。

另一方面，這種視覺(jué)集成方案對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)集成應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者非常便利，他可以不再需要了解各種鏡頭、相機(jī)、控制器、照明、通信接口的知識(shí)，僅需使用一個(gè)產(chǎn)品就可以去構(gòu)建各種視覺(jué)應(yīng)用，縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，大幅降低了工程時(shí)間與成本，使得產(chǎn)品換型和其它運(yùn)行時(shí)間調(diào)整都非常容易實(shí)施。

機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制的結(jié)合，為工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線的升級(jí)帶來(lái)一股新活力，也越來(lái)越多地被應(yīng)用在非接觸檢測(cè)、測(cè)量場(chǎng)景中，用以提高加工精度、發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷、進(jìn)行自動(dòng)分析與決策等，因而成為了先進(jìn)制造的重要組成部分。目前來(lái)看，盡管機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用牽涉到光學(xué)、電子、機(jī)械、工業(yè)軟件等多個(gè)不同門類的學(xué)科，技術(shù)難度仍然較大，某些特定領(lǐng)域的市場(chǎng)準(zhǔn)入壁壘也較高；但顯而易見(jiàn)的是，機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)了工廠產(chǎn)線自動(dòng)化水平、產(chǎn)品品質(zhì)管控、人力成本結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化，進(jìn)而提升了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)，融合邊緣計(jì)算與深度學(xué)習(xí)等AI技術(shù)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，將真正為機(jī)器植入“眼睛與大腦”，為邁向工業(yè)4.0時(shí)代做好準(zhǔn)備。