在不久之前，設(shè)計(jì)質(zhì)量控制系統(tǒng)的工程師還不得不在若干種檢驗(yàn)選項(xiàng)中做出選擇，沒有一種完全令人滿意。這些選項(xiàng)包括昂貴的單用途視覺系統(tǒng)，多陣列低功能光電傳感器，以及易受疲勞和精力不集中影響的人眼檢驗(yàn)。然而，如今最先進(jìn)的視覺傳感器正將傳統(tǒng)方法的最佳性能與史無前例的速度、精確度、尺寸及成本優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。
本文將比較各類傳感選項(xiàng)的功能，并證明為什么視覺傳感成為工業(yè)傳感器市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。
視覺傳感的基本原理
光電傳感器包含一個(gè)光傳感元件，而視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)的像素。圖像的清晰和細(xì)膩程度通常用分辨率來衡量，以像素?cái)?shù)量表示。Banner 工程公司提供的部分視覺傳感器能夠捕獲 130 萬像素。因此，無論距離目標(biāo)數(shù)米或數(shù)厘米遠(yuǎn)，傳感器都能“看到”十分細(xì)膩的目標(biāo)圖像。
在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。例如，若視覺傳感器被設(shè)定為辨別正確地插有八顆螺栓的機(jī)器部件，則傳感器知道應(yīng)該拒收只有七顆螺栓的部件，或者螺栓未對(duì)準(zhǔn)的部件。此外，無論該機(jī)器部件位于視場(chǎng)中的哪個(gè)位置，無論該部件是否在 360 度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，視覺傳感器都能做出判斷。
視覺傳感器的優(yōu)勢(shì)
在可用的檢驗(yàn)備選方案中，即視覺系統(tǒng)、光電傳感器、人工檢驗(yàn)，以及視覺傳感器，視覺傳感器通常因其精確性、易用性、豐富功能及合理成本而成為最佳選擇。
隨著各行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，利潤(rùn)率逐漸變小，制造商無法承受因瑕疵產(chǎn)品造成的高廢品率。因此，為在產(chǎn)生高昂成本之前檢測(cè)出問題，制造商正將檢驗(yàn)工作融入整個(gè)制造過程。
◆ 視覺系統(tǒng)與視覺傳感器之比較
復(fù)雜的視覺系統(tǒng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，可執(zhí)行細(xì)致的自動(dòng)檢驗(yàn)。但是，復(fù)雜性和高成本妨礙了其在許多行業(yè)中的應(yīng)用，其價(jià)格通常從 5000 美元至 50000 美元以上。這些復(fù)雜的視覺系統(tǒng)需要一個(gè)或多個(gè)攝像頭、定制軟件以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它們往往需要聘請(qǐng)外部視覺顧問來設(shè)計(jì)、集成和安裝系統(tǒng)。
此外，鑒于此類系統(tǒng)的專用性，無法將它們輕松地改作它用。這些復(fù)雜的系統(tǒng)通常要求持續(xù)的專業(yè)支持。
盡管對(duì)復(fù)雜視覺系統(tǒng)的需求仍然存在，但是更廉價(jià)、更容易使用的視覺傳感器的推出，為一些工業(yè)應(yīng)用提供了性價(jià)比更佳的解決方案。此外，由于視覺傳感器更小、更易使用，制造商會(huì)更頻繁地在檢驗(yàn)和校驗(yàn)應(yīng)用中采用視覺解決方案。視覺傳感器在工廠自動(dòng)化的品質(zhì)提高及生產(chǎn)效率改進(jìn)方面功不可沒。
◆ 光電傳感器與視覺傳感器之比較
與光電傳感器相比，視覺傳感器賦予機(jī)器設(shè)計(jì)者更大的靈活性。以往需要多個(gè)光電傳感器的應(yīng)用，現(xiàn)在可以用一個(gè)視覺傳感器來檢驗(yàn)多項(xiàng)特征。視覺傳感器能夠檢驗(yàn)大得多的面積，并實(shí)現(xiàn)了更佳的目標(biāo)位置和方向靈活性。這使視覺傳感器在某些原先只有依靠光電傳感器才能解決的應(yīng)用中受到廣泛歡迎。在傳統(tǒng)上，這些應(yīng)用還需要昂貴的配件，以及能夠確保目標(biāo)物體始終以同一位置和姿態(tài)出現(xiàn)的精確運(yùn)動(dòng)控制。
此外，由于一個(gè)基本視覺傳感器的成本僅相當(dāng)于數(shù)個(gè)具有較貴配件的光電傳感器，因此價(jià)格已不再是問題。
視覺傳感器為應(yīng)用的切換提供了無與倫比的靈活性。例如，生產(chǎn)工序的切換（從單份裝酸奶切換成冰淇淋桶）可能僅需數(shù)秒鐘，并且可遙控完成。附加的檢驗(yàn)條件可輕松地添加到此應(yīng)用中。
◆ 人工檢驗(yàn)和視覺傳感器之比較
無論工廠自動(dòng)化有何進(jìn)步，許多檢驗(yàn)仍用肉眼來完成。但是，在大多數(shù)應(yīng)用中，視覺傳感器的許多優(yōu)勢(shì)非手動(dòng)檢驗(yàn)流程所能及。視覺傳感器能夠以高得多的速度工作；以低得多的成本執(zhí)行重復(fù)、多次、一致的檢驗(yàn)。
不斷擴(kuò)展的應(yīng)用范圍
視覺傳感器的低成本和易用性已吸引機(jī)器設(shè)計(jì)師和工藝工程師將其集成入各類曾經(jīng)依賴人工、多個(gè)光電傳感器，或根本不檢驗(yàn)的應(yīng)用。視覺傳感器的工業(yè)應(yīng)用包括檢驗(yàn)、計(jì)量、測(cè)量、定向、瑕疵檢測(cè)和分撿。以下只是一些應(yīng)用范例：
◆ 在汽車組裝廠，檢驗(yàn)由機(jī)器人涂抹到車門邊框的膠珠是否連續(xù)，是否有正確的寬度。
◆ 在瓶裝廠，校驗(yàn)瓶蓋是否正確密封、裝灌液位是否正確，以及在封蓋之前沒有異物掉入瓶中
◆ 在包裝生產(chǎn)線，確保在正確的位置粘貼正確的包裝標(biāo)簽
◆ 在藥品包裝生產(chǎn)線，檢驗(yàn)阿斯匹林藥片的泡罩式包裝中是否有破損或缺失的藥片。
◆ 在金屬?zèng)_壓公司，以每分鐘逾150片的速度檢驗(yàn)沖壓部件，比人工檢驗(yàn)快13倍以上。
結(jié)論：對(duì)于視覺傳感器而言，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。曾經(jīng)需要大量專業(yè)知識(shí)的技術(shù)，現(xiàn)在變得經(jīng)濟(jì)、易用。采用該技術(shù)的未來產(chǎn)品開發(fā)將繼續(xù)此趨勢(shì)。現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是如何讓各個(gè)行業(yè)意識(shí)到視覺傳感器在所有制造領(lǐng)域的潛力，其中包括質(zhì)量控制、測(cè)量和檢驗(yàn)流程。
機(jī)器視覺提高質(zhì)控效率
對(duì)于工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化，機(jī)器視覺是實(shí)現(xiàn)真正意義的自動(dòng)的基礎(chǔ)和一種重要的質(zhì)量控制的手段。以下是歐姆龍對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺市場(chǎng)的一些看法。
機(jī)器視覺，顧名思義就是使用機(jī)器的自動(dòng)化方法，實(shí)現(xiàn)類似人類視覺(眼睛+視覺神經(jīng)中樞+視覺神經(jīng)細(xì)胞)的功能。對(duì)于工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化，機(jī)器視覺是實(shí)現(xiàn)真正意義的自動(dòng)的基礎(chǔ)和一種重要的質(zhì)量控制的手段。
如果用最簡(jiǎn)單的一句話概括機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成，就是由鏡頭，像機(jī)和控制器構(gòu)成的機(jī)器視覺替代人工，根據(jù)物體在一定環(huán)境下得到的畫面進(jìn)行尺寸，缺陷，種類，匹配，文字等各種參數(shù)的測(cè)量和判別。幫助客戶提高生產(chǎn)效率，減少人工這一自動(dòng)化領(lǐng)域的不確定因素對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響。
對(duì)于機(jī)器視覺的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來說，目前國(guó)內(nèi)的情況有些特別。在供應(yīng)商方面，因?yàn)榻^大多數(shù)是國(guó)外廠家，存在一個(gè)對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)文化了解的問題。大家都看到了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，但可能這個(gè)發(fā)展的促進(jìn)因素和國(guó)外的情況不同，這也是他們短時(shí)間內(nèi)沒辦法完全理解的。相信目前國(guó)內(nèi)的銷售現(xiàn)狀離大多數(shù)供應(yīng)商的希望還有一段距離，即使像OMRON這樣，進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)二十多年，近些年的機(jī)器視覺都在高速增長(zhǎng)，但目前的市場(chǎng)銷售額還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒法和日本相比。
至于用戶這一端，最大的問題在于對(duì)機(jī)器視覺的不了解，當(dāng)然這也有國(guó)內(nèi)特殊情況的原因，就是國(guó)內(nèi)的勞動(dòng)力成本和機(jī)器視覺初期投資的對(duì)比情況。或者是對(duì)于新的產(chǎn)品或解決問題的方法不了解，或者是對(duì)這個(gè)新方法和傳統(tǒng)人工的對(duì)比不太清楚。這需要供應(yīng)商多做推動(dòng)。
對(duì)于用戶和供應(yīng)商之間的橋梁——集成商，同樣也是對(duì)機(jī)器視覺缺乏了解，不知道除了機(jī)械，普通傳感器以外還有一個(gè)方法就是通過畫面/圖像來做一些判斷。國(guó)內(nèi)系統(tǒng)集成商也非常缺乏，而國(guó)內(nèi)廠家的自制設(shè)備比例太低，這也是一個(gè)短時(shí)間內(nèi)無法解決的問題。
機(jī)器視覺的初期投資在國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本較低的大背景下無疑是每一個(gè)準(zhǔn)備購(gòu)買的人需要考慮的問題，這也給機(jī)器視覺系統(tǒng)提出了更高的要求，無論是價(jià)格還是性能。基于以上的認(rèn)識(shí)，業(yè)內(nèi)人士建議，在這一新產(chǎn)品的成長(zhǎng)階段，早期的市場(chǎng)培育，客戶培育，或者說系統(tǒng)集成商的培育是非常重要的。所以我們花了許多時(shí)間在機(jī)器視覺基礎(chǔ)知識(shí)的培訓(xùn)上，希望第一步做到讓更多的人知道機(jī)器視覺，知道它的基本原理。
機(jī)器視覺的未來是非常樂觀，也是充滿信心的。相信在不斷提高自己的前提下，隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)化程度的提高，整個(gè)社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提升，制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率要求的提升，機(jī)器視覺這個(gè)新產(chǎn)品，新概念也會(huì)深入人心。
就像現(xiàn)在的自動(dòng)化強(qiáng)國(guó)當(dāng)初經(jīng)歷過的這些階段一樣，在更大的市場(chǎng)上也會(huì)有更大的成績(jī)。所以說OMRON相信機(jī)器視覺的未來是光明的，道路也是漫長(zhǎng)的。至于到具體的時(shí)間，可能要5年，也可能只要3年，或者更短，因?yàn)閲?guó)內(nèi)的發(fā)展一旦起步，速度將是驚人的。
編后記：當(dāng)前中國(guó)的食品和包裝機(jī)械的一個(gè)突出問題是新產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)，模仿多，新的創(chuàng)意少，這不僅與設(shè)計(jì)人員的知識(shí)水平有關(guān)，也和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展有關(guān)。
國(guó)際先進(jìn)的作法是將各種機(jī)器元素以數(shù)據(jù)庫(kù)形式存入計(jì)算機(jī)，再把圖紙數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)合成三維模型，接著將過去曾經(jīng)發(fā)生過的生產(chǎn)線故障輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)即可演示實(shí)際工況，在用戶面前根據(jù)需要進(jìn)行修改。計(jì)算機(jī)合成速度快，修改工作迅速方便，如果用戶的某些要求達(dá)不到，計(jì)算機(jī)也會(huì)告訴你，以免除以后的糾紛。這種由計(jì)算機(jī)完成的仿真技術(shù)，大大縮短了包裝機(jī)械（生產(chǎn)線）的設(shè)計(jì)周期，客戶的滿意度也大大提高。
當(dāng)然，這種仿真技術(shù)的應(yīng)用亦提醒包裝機(jī)械的制造按照部件的功能要先進(jìn)行模塊化，各部件有統(tǒng)一接口，各模塊之間可以自由組合。這樣可以變包裝機(jī)械的單件小批生產(chǎn)為各種模塊的批量生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。即使不是生產(chǎn)線而是單個(gè)機(jī)器，模塊式組合也可以縮短設(shè)計(jì)及制造周期，降低生產(chǎn)成本。而模塊化又可以使非標(biāo)準(zhǔn)零件走向標(biāo)準(zhǔn)化，使用戶排除故障方便快捷，也就降低了用戶的運(yùn)行成本。
