机器视觉:专注于设计

机器视觉可以通过自动化解决方案解决广泛的应用，这些解决方案可以提高制造效率，降低成本，并以接近零的缺陷和召回提高客户满意度。为了最大限度地发挥机器视觉的优势，集成商必须专注于集成系统的设计。无论机器视觉是用于基本的自动化检测还是用于高精度的视觉引导自动化，一个精心构思和开发的设计是实现高投资回报率(ROI)的关键。机器视觉系统的核心设计围绕着视觉子系统与运动子系统的集成展开。强调这一设计的核心部分提供了早期和准确的材料清单，降低了不兼容的运动和视觉组件的风险，减少了集成时间和成本，并降低了总拥有成本，同时提供了机器视觉的好处。

集成机器视觉设计

在一个集成的机器视觉系统中，运动和视觉系统可以有不同程度的交互，从基本的信息交换到高级的基于视觉的反馈。交互的水平取决于机器的要求，即顺序、准确度和精密度，以及机器必须执行的任务的性质。根据运动和视觉系统之间的交互程度，设计可以基于以下四种类型的集成之一:协同集成、同步集成、视觉引导运动和视觉伺服控制。为了获得高ROI，机器必须在部署时满足指定的要求，并且必须能够很好地扩展下一代流程和产品改进。因此，集成商必须首先确定当前和未来的需求，并使用这些需求来确定最适合应用程序的集成类型。

协同作用的集成

协同整合是最基本的整合类型。在这种类型的集成中，运动和视觉系统交换基本信息，如速度或时间基础。运动系统和视觉系统之间的交流时间通常在几十秒左右。协同集成的一个很好的例子是织网检查系统(图1)。在织网检查系统中，运动系统通常以恒定速度移动织网。视觉系统产生脉冲序列来触发相机，并使用捕获的图像来检查网络。视觉系统需要知道网的速度，以便确定触发相机的速率。

同步集成

在同步集成中，运动和视觉系统通过高速I/O触发实现同步。在运动系统和视觉系统之间连接的高速信号用于触发事件并在两个系统之间传递命令。这种I/O同步有效地同步了在各个系统上运行的软件例程。同步集成的一个很好的例子是高速排序，其中根据特定图像特征(如颜色、形状或大小)的差异对对象进行排序。

在高速分拣应用中，视觉系统触发相机捕捉在相机上移动的部件的图像(图2)。运动系统使用相同的触发器捕捉部件的位置。接下来，视觉系统分析图像以确定感兴趣的部分是否存在于该位置。如果是这样，该位置将被缓冲。由于输送机以恒定速度移动，运动系统可以使用缓冲位置触发输送机下方的空气喷嘴。当零件到达空气喷嘴时，触发空气喷嘴将零件移动到不同的输送机上，对不同颜色的零件进行分类。高速分拣广泛应用于食品行业，用于分拣产品类型或丢弃不良产品。它实现了高吞吐量，降低了劳动力成本，并大大减少了由于人为错误而导致的缺陷货物。

Vision-guided运动

在视觉引导运动中，视觉系统对运动系统提供一定的指导，如零件的位置或零件的方向误差。当我们从一个基本的集成到一个更高级的集成类型时，在运动和视觉系统之间有一个额外的交互层。例如，除了视觉引导之外，还可以有高速I/O触发。

视觉引导运动的一个很好的例子是灵活进食。在柔性进给中，零件以随机的位置和方向存在。视觉系统获取零件的图像，确定零件的坐标，然后将坐标提供给运动系统(图3)。运动系统使用这些坐标将执行器移动到零件上以拾取零件。它还可以在放置零件之前纠正零件的方向。有了这个实现，在拾取和放置过程之前，您不需要任何固定装置来定位和定位零件。您还可以将检查步骤与放置任务重叠。例如，视觉系统可以检查零件的缺陷，并向运动系统提供合格/不合格信息，然后执行器可以丢弃有缺陷的零件，而不是放置它。

图4显示了图3中描述的视觉引导运动系统的框图。视觉系统至少每秒一次向运动轨迹生成器提供部件的位置。这种类型的处理需要快速的实时系统，以满足视觉引导运动系统的定时和处理需求。

在视觉引导运动系统中，视觉系统仅在运动开始时为运动系统提供指导。在移动期间或之后没有反馈来验证移动是否正确执行。这种反馈的缺乏使得移动在像素到距离的转换中容易出错，并且移动的准确性完全依赖于运动系统。这些缺点在毫米和亚毫米范围内移动的高精度应用中变得突出。

视觉伺服控制

如果视觉系统在运动过程中不断地向运动系统提供反馈，则可以消除视觉引导运动的缺点。在视觉伺服控制中，视觉系统为运动系统提供初始引导，并在运动过程中提供持续反馈。视觉系统捕获、分析和处理图像，以位置回路(动态观察和移动)或实际位置反馈(直接伺服)的位置设定值的形式提供反馈。视觉伺服控制减少了从像素到距离转换的误差的影响，并提高了现有自动化的精度和准确性。通过视觉伺服控制，您可以解决以前认为无法解决的应用程序，例如需要微米或亚微米校准的应用程序。通过现场可编程门阵列(FPGA)技术，视觉伺服实现，特别是那些基于动态观察和移动方法的实现正变得可行，这些技术为时间关键的视觉处理任务提供硬件加速，并且可以达到关闭运动任务中使用的快速控制回路所需的响应速率。

设计的挑战

挑战:互操作性和技术支持

运动和视觉系统的组件选择、设置和配置是一项具有挑战性的任务。集成商通常从多个供应商中选择运动和视觉组件。这些组件不容易互操作，而且来自供应商的技术支持通常不足。这些因素显著地增加了集成时间，从而导致更高的集成成本。

解决方案:在设计机器视觉系统时，首先要考虑现成的集成机器视觉解决方案。这些集成解决方案由有限的供应商提供，以成本为代价提供交钥匙解决方案。这些解决方案缩短了集成时间，加快了部署速度。因此，如果一个标准的集成解决方案以合理的成本满足需求，那么它就是最好的选择。

第二种选择是考虑提供运动和视觉组件的供应商，或者至少提供核心可编程运动和视觉组件。使用此选项，可以保证组件之间的兼容性、单一编程环境和一个技术支持来源。这些因素有助于显著缩短集成时间。第三种选择是有合作关系的供应商。有了这样的合作计划，供应商通常会提供至少一部分产品之间的接口解决方案，并且兼容性问题的变通方法通常都有很好的文档记录。

对于任何选项，请评估您将从供应商那里获得的支持数量。如果需要，预算和支付支持包，如高级电话或系统工程师的个人支持。对于定制和高性能应用程序，支持变得越来越重要。来自供应商的良好支持可以显著减少您的集成时间，从而降低集成成本。

挑战:软件编程

虽然更高的软件性能使视觉引导运动解决方案得以采用，但软件集成挑战仍然是集成商和制造商的主要障碍。通常，运动和视觉组件有两种不同的编程环境。学习不同的环境通常需要大量的时间投入。即使在熟悉了环境之后，在它们之间传递和翻译命令和信息也是很麻烦的。HMI和I/O的集成增加了额外的负担并增加了集成时间。跨各种通信总线(如GigE、Cameralink和EtherCAT)的硬件集成使问题进一步复杂化。

在高速视觉引导运动系统、视觉伺服系统和高度专业化的应用(如生物医学和生命科学行业中的应用)中，通常需要实时和FPGA编程以及定制。通常，供应商添加的任何定制都需要付费。用户定制(如果有的话)通常采用固件级编程的形式，需要非常高的领域知识和对供应商硬件的熟悉程度。

一种环境更简单

选择一个易于学习并且可以跨各种硬件平台和总线无缝集成运动、视觉、HMI和I/O的编程环境。这种编程环境还必须允许定制的实时和FPGA编程，以解决当前和下一代机器视觉应用。该环境必须具有快速原型和机器的机械和视觉组件的早期验证的工具。图5显示了一个带有GigE相机的嵌入式视觉系统通过EtherCAT连接到伺服电机驱动器的示例。视觉和运动编程模块提供了实现高级功能所需的工具，以处理从相机捕获的图像，并通过伺服驱动器控制轴。其他高级api提供了HMI和I/O的简单集成。

质量、控制、效率、低成本

设计良好的机器视觉系统使制造商能够提高产品质量，加强过程控制，提高制造效率，同时降低总拥有成本。一个好的机器视觉设计从选择运动视觉集成类型开始，这是基于机器必须执行的自动化任务。为了成功地开发设计，集成商必须仔细考虑关注互操作性和支持服务质量的运动和视觉供应商。集成商必须选择能够实现无缝硬件集成的单一编程环境。当解决高度定制和高级应用时，集成商应该选择一个软件平台，使定制变得容易，实时和FPGA编程成为可能。

Priya Ramachandran是美国国家仪器公司的高级工程师。Ramachandran负责运动控制的产品设计和策略。她设计了专注于先进控制的前沿运动控制器，并具有先进运动视觉应用的广泛背景。Ramachandran拥有弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)电气工程硕士学位。控制工程．

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视频:机器视觉运动系统在质量上划一条线(即将推出)

机器视觉相机，控制器，软件-见下面的链接

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