前言
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)工業(yè)制件、材料等產(chǎn)品的表面質(zhì)量提出了越來越高的要求，同時(shí)對(duì)制件表面的檢測(cè)、識(shí)別和評(píng)定也提出了更高的要求, 對(duì)表面加工微觀特性的評(píng)定從定性綜合評(píng)定階段轉(zhuǎn)向了定量、標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)評(píng)定階段。然而這些參數(shù)的測(cè)量與評(píng)定的難度大，生產(chǎn)過程中的相關(guān)檢測(cè)過程增加了生產(chǎn)成本。
以生產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層核心材料TLG-23的生產(chǎn)線為例，該材料的生產(chǎn)加工要經(jīng)過初加工、成型、碳化、催化和PTFE處理五種工序，每一種加工過程的優(yōu)劣都直接影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程是每個(gè)工序加工完一定量之后，對(duì)該材料進(jìn)行取樣然后送到檢測(cè)試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定，在測(cè)定的過程中試驗(yàn)環(huán)境的微小改變都會(huì)對(duì)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果造成嚴(yán)重的影響，這樣的生產(chǎn)方式嚴(yán)重的影響了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。
因此尋求一種表面微觀特性檢測(cè)的高效的解決方案成為了當(dāng)前迫切需要解決的問題。針對(duì)上述存在的一系列問題，我們利用NI公司的虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)生產(chǎn)材料表面進(jìn)行分形特性分析的視覺檢測(cè)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的在線檢測(cè)。
系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)成
NI的虛擬儀器技術(shù)使用成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)和模塊化的高性能硬件為我們系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的支持。PXI系統(tǒng)能提供最佳的性能，Compact Vision System（CVS） 系統(tǒng)是NI公司PAC（可編程自動(dòng)控制器）系列產(chǎn)品中專門用于視覺采集檢測(cè)的產(chǎn)品，提供了最為堅(jiān)固的硬件結(jié)構(gòu)。 整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)利用NI CVS和PXI產(chǎn)品建立起來的高性能集成化實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其中PXI系統(tǒng)由嵌入式實(shí)時(shí)PXI控制器PXI- 8146 RT和PXI機(jī)箱等模塊組成，在本系統(tǒng)中承擔(dān)著控制中心的重要作用；實(shí)時(shí)緊湊視覺系統(tǒng)使用了CVS-1450，在本系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)前端工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的圖像采集和測(cè)量系統(tǒng)地初步處理的任務(wù)。分布在多個(gè)生產(chǎn)流程的CVS系統(tǒng)通過1394攝像頭采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行前端處理，之后通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給PXI控制中心。（如圖1所示）
系統(tǒng)軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
本檢測(cè)系統(tǒng)的軟件主要使用了NI公司的可視化圖形編程軟件LabVIEW7.1完成，其友好的界面、方便快捷的編程方式和功能豐富強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)為這一復(fù)雜的視覺檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)提供了支持。檢測(cè)軟件在控制中心端運(yùn)行，利用PXI的強(qiáng)大性能，完成對(duì)圖像的分型分析，得到相應(yīng)檢測(cè)參數(shù)結(jié)果，提供用戶監(jiān)控和操作界面。
整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的靈魂在于其軟件算法使用了當(dāng)前備受關(guān)注的分形理論。目前分形理論成功的應(yīng)用于描述工程表面呈現(xiàn)出的隨機(jī)性、無序性、自相似性、自仿射性和多尺度性等。由此使得工業(yè)加工和生產(chǎn)表面微觀特性的識(shí)別與評(píng)定應(yīng)用到了工程實(shí)際。在系統(tǒng)的構(gòu)建過程中采用Weierstrass-Mandelbrot分形函數(shù)（如公式1所示），通過功率譜識(shí)別表面形貌
系統(tǒng)性能測(cè)試與驗(yàn)證
我們將整個(gè)系統(tǒng)投放到了質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層核心材料的TLG-23生產(chǎn)線上，使用LabVIEW開發(fā)的檢測(cè)控制軟件是在PXI平臺(tái)上運(yùn)行的，圖2顯示的是2005年6月29日的一次實(shí)時(shí)測(cè)試的界面。
在生產(chǎn)線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上還有其它自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，CVS和PXI構(gòu)成的檢測(cè)系統(tǒng)可以和它們無縫連接，在整個(gè)的測(cè)試過程中可以保證實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，這樣不僅省去了以前耗時(shí)復(fù)雜的檢測(cè)過程，大大的提高了生產(chǎn)效率,目前TLG-23的產(chǎn)量由以前的單生產(chǎn)線100張/天提高到了835張/天。同時(shí)檢測(cè)的準(zhǔn)確率也大大提高，圖3是近期的生產(chǎn)測(cè)試報(bào)告，從檢測(cè)的結(jié)果分析其完全符合實(shí)際生產(chǎn)需要，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
1.滿足工業(yè)環(huán)境的需要
雖然現(xiàn)有的攝像機(jī)能完成大部分的圖像采集工作，但是采用這些傳統(tǒng)圖像采集構(gòu)建的視覺檢測(cè)系統(tǒng)一旦工作在較為苛刻的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)（如高溫、電磁干擾嚴(yán)重等工況下），就會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)錯(cuò)誤，甚至不能工作的情況。在我們的TLG-23生產(chǎn)線上有大量的工序是在高溫、高壓等苛刻工況下進(jìn)行的，在測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期階段，曾經(jīng)試用傳統(tǒng)攝像機(jī)采集，但在TLG-23生產(chǎn)線進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于在生產(chǎn)流程中的碳化過程是在極其苛刻的生產(chǎn)溫度下進(jìn)行的，導(dǎo)致該工作現(xiàn)場(chǎng)的視覺系統(tǒng)完全不能正常的工作。而在分形理論中，必須最大限度的保證現(xiàn)場(chǎng)視覺采集系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度，才能大大提高該機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確性。后來采用得NI的CVS 1450系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)是專門針對(duì)工業(yè)應(yīng)用惡劣的溫度、電磁干擾、噪聲、震動(dòng)等環(huán)境設(shè)計(jì)的，能夠在極端溫度下正常工作，系統(tǒng)在整個(gè)碳化過程中采集到的圖像都沒有因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的高溫發(fā)生圖像變形、模糊等現(xiàn)象。
2．強(qiáng)大的擴(kuò)展性與二次開發(fā)能力
由于采用了NI的虛擬儀器技術(shù)，使得本系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的靈活性、集成性和堅(jiān)固性，能夠和現(xiàn)今絕大多數(shù)的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行通信，可以在不淘汰現(xiàn)有生產(chǎn)控制設(shè)備的情況下引入這一先進(jìn)的視覺系統(tǒng)。
在硬件方面，可以在不改變我們現(xiàn)有生產(chǎn)線上的自動(dòng)化控制設(shè)備的情況下， 只需在軟件的設(shè)置中選用不同的配置和選項(xiàng)，將原來的自動(dòng)化控制設(shè)備接入我們的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，達(dá)到協(xié)同工作，在一定的程度上節(jié)約了我們的生產(chǎn)成本，同時(shí)擴(kuò)展了我們系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
如果是對(duì)于一個(gè)全新的生產(chǎn)線，我們則可以選用NI的FieldPoint分布式I/O來替代PLC等設(shè)備，這些FieldPoint分布式 I/O不僅結(jié)合了PLC的可靠性和PC的功能，而且能在最為惡劣的工作條件下提供精確的測(cè)量和控制。同時(shí)這些FieldPoint分布式I/O還可以和 Compact Vision系統(tǒng)和PXI控制中心的通信上保持一致，通過友好的LabView軟件設(shè)計(jì)的用戶面板達(dá)到共同監(jiān)測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)。
而在軟件方面，系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)函數(shù)來區(qū)分不同的材質(zhì)表面。在系統(tǒng)運(yùn)行前可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，選擇加工方式（如拋光、研磨、精車、電鍍等），更具靈活性，可以使檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在更多的工業(yè)材料生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其操作界面友好、維護(hù)方便、易于升級(jí)。由于該系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用范圍，目前還在另一種材料WHQ- TJ-4G的生產(chǎn)線上用于產(chǎn)品的測(cè)試，其測(cè)量分析的結(jié)果也完全滿足設(shè)計(jì)要求。今后也可以應(yīng)用于磁盤涂層和不銹鋼零件等高精度工程材料的生產(chǎn)檢測(cè)中。
結(jié)論
基于分形理論的高效機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)使用NI的CVS視覺系統(tǒng)、PXI控制器和LabVIEW7.1進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)的構(gòu)建。該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分形理論，成功的將對(duì)工程表面形貌的識(shí)別和評(píng)定應(yīng)用到了工程實(shí)際，取得了令人滿意的效果，可以說有了此系統(tǒng)的在線檢測(cè)，從根本上改變了某些特殊產(chǎn)業(yè)的原有生產(chǎn)模式，使得以往一直制約原有生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的環(huán)節(jié)得到了解除，實(shí)現(xiàn)了真正的生產(chǎn)自動(dòng)化。其突出優(yōu)點(diǎn)在于：①檢測(cè)系統(tǒng)采用簡(jiǎn)潔的總線形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具開放性、可擴(kuò)充性；③具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，維護(hù)簡(jiǎn)便；④擁有強(qiáng)大的二次開發(fā)能力，應(yīng)用范圍廣泛；⑤從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和建設(shè)費(fèi)用等多方面綜合考慮，有效的保證了系統(tǒng)的可靠性；⑥便于和NI的其他軟硬件結(jié)合起來，構(gòu)建功能更加強(qiáng)大、完整的工業(yè)控制測(cè)量系統(tǒng)，便于形成標(biāo)準(zhǔn)化。
（轉(zhuǎn)載）
