機(jī)器視覺 + 運控控制——自動化產(chǎn)線升級的利器

2020-07-10 16:24

機(jī)器視覺是計算機(jī)視覺的一個分支，工業(yè)自動化領(lǐng)域中的視覺控制或視覺應(yīng)用，主要指的是通過前端光學(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)器視覺在工廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的實際應(yīng)用包括：對生產(chǎn)工件的完整性質(zhì)量檢測、識別、分類、零件位置及方向、尺寸測量、讀碼識別追溯、表面／色差檢測、自動化流水線作業(yè)等等。可以說，機(jī)器視覺為流水產(chǎn)線、自動化設(shè)備安裝上了一雙“眼睛”，能夠提供全天候、高一致性、高可靠性的檢測結(jié)果，增添了工廠生產(chǎn)的智能化水平，因而也成為了邁向智能制造的一項重要技術(shù)。

根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在2019年，全球用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的機(jī)器視覺技術(shù)的市場規(guī)模達(dá)53．7億美元左右，預(yù)計到2023年將達(dá)122．9億美元，年復(fù)合增長率高達(dá)21％，市場潛力巨大。

從整體供應(yīng)鏈來看，參與機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā)的廠商大致上可以分為上游底層開發(fā)商，含核心零部件和軟件開發(fā)商；中游從事二次開發(fā)的設(shè)備集成和軟件服務(wù)商；以及下游所面對的各類機(jī)器視覺應(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，而在整個成本構(gòu)成中，零部件及軟件開發(fā)的費用基本上占了約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Basler、堡盟、DALSA、Point Grey、Images Source等；市場上較知名的圖像軟件包有Halcon（MVtec）、VisionPro（康耐視）、免費開源庫Opencv、MIL（Matrox）等；運動控制卡供應(yīng)商有固高、雷賽、研華等等。

目前機(jī)器視覺在工業(yè)控制領(lǐng)域大多屬于二次開發(fā)層面，形式主要包括系統(tǒng)集成以及組裝生產(chǎn)自動化專機(jī)等等，要求開發(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)計出有針對性的產(chǎn)品或集成方案，視覺點膠控制、視覺螺絲機(jī)控制、視覺定位＋飛拍、視覺檢測等電子產(chǎn)品后段制造流程都是現(xiàn)在市場上的開發(fā)熱點。大部分廠商采用的都是“軟件平臺＋視覺開發(fā)包”的開發(fā)模式，開發(fā)包基于軟件平臺對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，大幅降低了二次開發(fā)的難度和工作量。

機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈組成

視覺應(yīng)用的三大層面難題

但就實際應(yīng)用而言，在目前機(jī)器視覺＋運動控制方案的實施過程中，各種“門檻”依然較高，問題主要來自于三個方面：一是，對于大部分技術(shù)開發(fā)工程師來說，機(jī)器視覺技術(shù)是一個全新的領(lǐng)域，要學(xué)習(xí)一種新的編程語言（如C＋＋）存在一定的難度，需要花費大量的時間和精力，加上視覺項目一般都是非標(biāo)的，開發(fā)者的經(jīng)驗非常重要，普通電氣工程師要想快速掌握機(jī)器視覺應(yīng)用的編程和調(diào)試，絕非易事。

其次，對于設(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)線升級的需求迫切，機(jī)器視覺的應(yīng)用已經(jīng)成為其中的一個重點，但機(jī)器視覺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視覺工程師對買回來的視覺系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和維護(hù)，這無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，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)器視覺功能等。

另外，對于終端用戶來說，在使用機(jī)器視覺技術(shù)的過程中會發(fā)現(xiàn)，機(jī)器視覺和自動化控制（流程控制、工藝控制等）往往分屬于兩套不同的系統(tǒng)之中，兩者之間常常可能會由于通訊等多種因素而導(dǎo)致整個系統(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，增加了對機(jī)器視覺系統(tǒng)流程的修改和調(diào)試時間，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)器視覺技術(shù)開發(fā)的一個課題。

機(jī)器視覺與運動控制的無縫集成

一般來說，機(jī)器視覺＋運動控制應(yīng)用大多數(shù)硬件架構(gòu)都是采用一臺控制器，通過外部連接視覺系統(tǒng)及產(chǎn)線上各個部位的工業(yè)智能相機(jī)及光源，視覺信號通過線纜和串口被傳輸?shù)娇刂破髦小Ｔ趦?nèi)部軟件框架中，以常見的計算機(jī)視覺為例，視覺程序一般位于Windows系統(tǒng)中的非實時用戶模式中，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時內(nèi)核模式之中。由于非實時用戶模式的任務(wù)執(zhí)行機(jī)制采用的是優(yōu)先級別，因此當(dāng)CPU的負(fù)荷過高、內(nèi)存過大、處理流程過多時，就可能會出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，使得在非實時用戶模式下的機(jī)器視覺在完成同一檢測任務(wù)時最終所需要花費的時間卻不一樣，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，針對機(jī)器視覺應(yīng)用，倍福開發(fā)的TwinCAT Vision機(jī)器視覺解決方案將視覺技術(shù)集成在其TwinCAT統(tǒng)一的通用化控制技術(shù)平臺上，其中的圖像處理功能被添加到整合了PLC、運動控制、機(jī)器人、高端測量技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及HMI的通用控制平臺TwinCAT軟件之中，通過這個統(tǒng)一的軟件平臺，來完成工廠所有的控制任務(wù)。

與傳統(tǒng)的視覺應(yīng)用方式相比，倍福TwinCATV ision同樣在一臺控制器上，除了集成運動控制、I／O控制、PLC控制之外，外部工業(yè)相機(jī)被直接接入控制器中的機(jī)器視覺模塊中，在內(nèi)部軟件架構(gòu)上，TwinCAT Vision將采集的圖像信號通過GigE相機(jī)驅(qū)動，傳遞到實時內(nèi)核模式下的PLC機(jī)器視覺與工藝流程控制系統(tǒng)中，以“時間片”的方式進(jìn)行精準(zhǔn)運行，與圖像處理相關(guān)的所有控制功能都可以在運行時系統(tǒng)中精確實時同步，從而消除了延遲，實時執(zhí)行圖像處理算法。這種方案的優(yōu)勢是，一臺控制器完成所有的控制任務(wù)，降低硬件成本，簡化系統(tǒng)；實時系統(tǒng)運行視覺任務(wù)，保證每一次執(zhí)行響應(yīng)的時間足夠穩(wěn)定，加快生產(chǎn)節(jié)拍，提高工廠產(chǎn)能；任務(wù)內(nèi)存間共享數(shù)據(jù)，多任務(wù)配合（如視覺＋運動控制、機(jī)器臂／人等）更高效方便；在倍福TwinCAT平臺上，只需要用到基于IEC編程語言（ST／LD等），且可延續(xù)原先PLC編程技巧和習(xí)慣，縮短了開發(fā)周期，降低了人力成本，同時還可運用倍福已經(jīng)集成好的視覺功能塊進(jìn)行代碼開發(fā)，為技術(shù)人員帶來了便利。

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