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浅谈机器视觉的关键技术和在工业中的典型应用

  机器视觉是一种利用机器模拟人类视觉系统来理解和识别图像的综合技术,在日常生活中的应用十分广泛。本文将系统介绍机器视觉的关键技术和在工业中的典型应用,并盘点国内外主流的视觉厂商。 机器视觉是一种利用机器模拟人类视觉系统来理解和识别图像的综合技术,在日常生活中的应用十分广泛。例如,人脸识别已经大范围的应用于出行、住宿和交易等需要身份验证的场景。

  在工业领域,机器视觉也被大范围的应用到制造业所有的环节,协助进行仔细的检测、测量、识别、定位等工作。典型应用包括新能源动力电池和液晶屏的表面缺陷检验测试、半导体识别与测量、食品色选、零件的定位与引导等。本文将系统介绍机器视觉的关键技术和在工业中的典型应用,并盘点国内外主流的视觉厂商。

  通俗地说,机器视觉就是为机器安装上“慧眼”,让机器具有像人一样的视觉功能,以此来实现对图像的理解和识别。它是一种综合技术,融合了光学、传感技术、图像处理、机器学习以及机器人运动控制等术,能轻松实现对工业制作的完整过程中的产品、设备等工件的自动化分析和操作。

  机器视觉的发展可大致分为四个阶段:理论发展起步阶段、应用发展迅速阶段、应用与理论同步发展阶段、各行业深度应用阶段。上个世纪50年代,机器视觉于欧美发达国家开始萌芽,最初主要是理论分析,且主要为二维图像的分析和识别,之后随着计算技术等有关技术的发展,逐渐开始了三维视觉的研究,从线条、平面、曲线等二维特征分析,发展到图像明暗、纹理、运动及成像等三维特征分析。当前,机器视觉技术已处于各行业深度应用阶段。

  典型的机器视觉系统通常包含:照明系统(光源)、图像采集(工业相机、图像采集卡等)以及图像处理(视觉软件、图像处理器等)、控制与执行(控制器、执行机构如机械手、自动化装备、工业机器人等)部分。 以PCB视觉分拣系统为例,其主要构成部分包括光源、摄像头、图像采集卡、视觉软件、数字I/O卡、PLC和执行机构以及辅助传感器等。工作流程如下:当光源将光打到被测目标上时,CCD(电荷耦合器件)摄像机将生产线上的PCB图像转换为电信号,并将成像的模拟数据通过图像采集卡转换为数字图像,再传送给PC端,由机器视觉软件对图像做多元化的分析和处理,以检查PCB是不是满足质量发展要求。假如发现PCB存在缺陷,则经过数字IO卡向PLC发出一个信号,通知它控制机械手拿出该PCB。此时PLC会综合辅助定位传感器,检查PCB的位置,控制机械手准确抓取缺陷PCB,进而达到分拣目的。

  机器视觉技术在工业中的应用正在持续升温。例如在电子制造业的SMT(电路板表面贴装)加工中,AOI、SPI视觉检测已经取代人工目检成为标配。传统AOI/SPI检测以2D视觉为主,随着行业技术进步,3D AOI/SPI技术已成为视觉检测的重要组成部分。3D视觉的应用并不仅限于质量检验,在机器人导航、零件三维量测等领域均有落地场景。例如3D视觉中的双目立体视觉技术,其与机械手配合,能够对无序堆叠的散装零件做准确识别及抓取。 机器视觉在工业的常见应用可以归纳为四大类:检测、测量、识别与定位。其中,检测是机器视觉在工业最主要的应用,接下来依次是识别、定位、和测量功能。

  检测是机器视觉最常用的功能,主要为通过机器视觉技术对目标物体进行缺陷检验测试,如检测零件表面存在的裂纹、划痕、污染物、变色和其他不规则等缺陷。相比人工目检,机器视觉能达到更高的精度和效率。例如对于镜片、玻璃盖板、灯罩等透明材质产品,其缺陷最小可达微米级。借助机器视觉,采用不一样的照明方式(如背光照明、明场照明、暗场照明、漫反射照明等),配合不同的光源(如偏振结构光、激光、紫外光等),能轻松实现透明物体表面μm级缺陷的快速检测。01

  测量大多数都用在检查零部件的尺寸精度和几何公差。机器视觉系统通常以单个像素为最小单位,并与常用度量衡单位做比例标定,通过计算两个或多个点之间的距离以及对象目标特征的位置,以确定测量值是不是满足规格。测量通常与缺陷检验测试结合使用,用于测量零件中检测到的不规则性,如在电力电子行业,线圈端头的形状规则与否会影响电路连接的良好程度(见下图)。

  在工业应用场景中,识别主要指能甄别目标物体的物理特征,包括外形、颜色、字符、条码等,这些标识通常包含产品的名字、制造商、日期代码、批号和有效期等,有助于提升零件的可追溯性,方便进行库存控制和产品验证。物流标签读取和字符识别是很常见的应用场景,颜色识别也慢慢变得多的应用到机器视觉。在电气行业,对于电线电缆颜色有一定要求,错误的线缆颜色会影响后期的故障判断与维护,因此借助机器视觉实现颜色识别很重要(见下图)。

  定位是在识别出物体的基础上,经过精确测量给出目标物体的坐标信息。定位功能主要使用在于生产的路径引导,是工业机器人的重要辅助功能,典型的应用包括零件的无序抓取(见下图)、AGV避障等,其他常见的定位应用还包括玻璃基板的定位、检查条形码和标签对齐、检查PCB中的IC放置以及排列包装托盘中的零件等。相比人工对齐和定位,机器视觉定位系统具有更高的精度和速度。

  当然,机器视觉的在工业的应用并不仅是上述四类,还有很多其他功能,诸如在增强现实中的应用,以帮助实现工业维护或培训员工;在安全监控中的应用,以检测工业场所的危险区域和操作,并及时报警以避免事故等等。未来随着视觉技术的不断成熟,其必将在工业领域实现更具广度和深度的应用。

  目前知名的机器视觉厂商以欧美日韩等发达国家企业为主,如来自美国的康耐视(Cognex)、科磊(KLA)、特利丹(Teledyne);来自日本的基恩士(KEYENCE)、欧姆龙(Omron);来自德国的宝视纳(Basler)、西克(SICK)等,和来自瑞典的海克斯康(Hexagon)、瑞士的堡盟(Baumer)等等。 相比欧美发达国家,我国机器视觉行业起步较晚,但受益于市场需求量开始上涨和国家政策推动,我国也涌现出了一批在机器视觉领域有相当积累的厂商,如海康威视、美亚光电、凌云光、微亿智造、汇川技术等等。除此以外还有很多围绕工业应用的机器视觉企业受到资本的青睐:思谋科技致力于将视觉AI应用于智能制造领域,已完成B轮2亿美元融资;梅卡曼德是以AI+3D视觉为核心的工业机器人智能化解决方案提供商,已完成了累计超过15亿元的融资;心鉴智控作为工业视觉检测核心技术服务商,连续完成两轮近亿元融资;华睿科技聚焦在机器视觉和移动机器人技术上,获得战略投资2.6亿元;长期致力于研发3D工业相机硬件和软件开发平台的图漾信息科技也于日前完成C轮融资,为其扩大市场规模和一马当先的优势助力。

  康耐视公司是全球机器视觉巨头,总部在美国,专注于工业自动化的机器视觉业务,可提供从相机、镜头、光源到软件、系统集成的全套工业视觉解决方案,涵盖检测、测量、识别、定位四大领域,适用2D/3D等不同场合,典型应用有:防错产品装配和制造、缺陷检验测试、制造和物流产品的识别和跟踪、机器人引导等,大范围的应用于半导体、电子、制药、汽车、包装等制造行业。

  基恩士于1974年成立于日本,是工厂自动化(FA)传感器、测量仪器和图像处理设备等产品的综合提供商,与康耐视共同被视为全球机器视觉行业的两大巨头。基恩士产品系列丰富,传感器为其主体业务,其中光电传感器是最核心的传感器品类,基于光电检测技术的机器视觉类产品包含了图像识别传感器、图像尺寸测量仪、3D扫描仪、3D显微系统、条码/二维码读取器等,大范围的应用于制造业各行业中。

  Basler是一家总部在德国的工业相机领先制造商。该公司推出了视觉系统的系列解决方案,涵盖从光源、镜头、相机、图像采集卡、PC卡、线缆及网络和外围配件到图像处理软件等各种组成部分。其机器视觉系列新产品和解决方案以先进的技术和稳定能力在行业中著称。目前已经在面向工厂自动化、工业机器人和医疗领域获得广泛应用,拥有超过30年的行业经验。

  海克斯康是一家总部在瑞典的公司,其业务涵盖测量、检测、制造等领域,是全球工业自动化以及机器视觉领域较为出色的企业之一。在过去20年,它战略性收并购全球行业领先的技术公司200多家,不断强化自身的技术优势,成为全世界传感器、软件和数字信息技术解决方案的领导者。

  堡盟是一家国际领先的工厂自动化和过程自动化生产厂商,总部在瑞士,专注于传感器、编码器、测量仪表以及工业相机的研发和生产。堡盟针对中国市场上各细分场景的数字化进程和应用特点,为新能源、医疗、餐饮、钢铁冶金、工程机械、轨道交通等行业提供了一系列种类丰富的编码器、传感器、工业相机等产品和解决方案。

  科磊是总部在美国的领先半导体设备制造商,主要提供半导体制造设备和解决方案,这中间还包括机器视觉产品和解决方案。科磊自成立起便深耕于半导体前道量检测设备行业,目前其产品品种类型已经覆盖加工工艺环节的各类前道光学、电子束量检测设备。凭借其检验测试产品高效、精确的性能特点,科磊以超过50%的市场占有率在行业内具有绝对的龙头地位。

  西克是一家总部在德国的工业自动化领域领先企业。西克专注于传感技术开发,积累了很丰富的行业应用经验,从半导体、电子元件到工业设施,从餐饮到石油和天然气,累计服务40余个行业。西克的产品涵盖了工厂自动化(FA)、物流自动化(LA)、过程自动化(PA)等三个主体业务板块,其中机器视觉及其解决方案是其一个重要的产品分支。

  欧姆龙是一家总部在日本的国际性工业自动化领域领先企业,其产品涵盖自动化控制、工业软件、机器人和设备等多个领域。作为工业自动化领域的领先者,欧姆龙拥有丰富的机器视觉产品和解决方案,包括图像处理系统、PC视觉系统、工业相机、视觉传感器等。

  Teledyne公司是一家总部在美国的企业,是高性能数字成像与半导体领域的国际领先企业。Teledyne公司的机器视觉系列新产品包括传感器、相机、图像处理软硬件,以及高度工程化的集成系统。

  海康机器人成立于2014年,是海康威视(股票代码002415)的子公司,也是面向全球的机器视觉和移动机器人产品及解决方案提供商。公司提供从光源、镜头、相机、视觉软件等视觉系统组件及整体解决方案,主要面向3C电子、新能源、物流、汽车制造、半导体/集成电路和食品/医药等行业。

  无锡先导智能装备股份有限公司(简称先导智能,股票代码300450)成立于1999年,业务涵盖锂电池智能装备、光伏智能装备、3C智能装备、智能物流、汽车产线、氢能智能装备、激光精密加工以及机器视觉等八大领域。

  深圳思谋信息科技有限公司(简称思谋科技)成立于2019年,公司以机器视觉为技术引擎,自研智能工业平台、智能传感器产品以及智能一体化装备,为卡尔蔡司、空客、博世等多家行业头部企业提供产业优化解决方案。

  南京汇川工业视觉技术开发有限公司(简称汇川视觉)是深圳汇川技术股份有限公司(股票代码300124)的子公司,公司主要产品为工业机器人、工业自动化控制等产品,其中工业视觉产品是汇川技术重要的产品分支,包含机器人视觉控制器、视觉软件等,目前已经应用在硅晶、锂电、食品饮料、印刷&包装、手机和TP行业。

  武汉精测电子集团股份有限公司(简称精测电子,股票代码300567)成立于2006年,主要产品为显示、半导体以及新能源等的视觉检测系统。公司的视觉产品目前已广泛应用在华星光电、京东方、天马等企业的生产中。

  合肥美亚光电技术股份有限公司(简称美亚光电,股票代码002690)始创于1993年。公司深度聚焦智能分选、高端医疗影像等业务板块,主要产品有色选机、X光异物检测机、口腔CBCT、耳鼻部CBCT等,广泛应用于农副产品加工、食品制造、精制茶制造、轮胎制造、再生资源回收利用以及医疗卫生等领域。

  凌云光技术股份有限公司(简称凌云光,股票代码688400)2002年成立于北京,围绕机器视觉与光纤光学开展业务。公司战略聚焦机器视觉业务,为客户提供可配置视觉系统、智能视觉装备与核心视觉器件等高端产品与解决方案。目前已经面向电子制造、新型显示、印刷包装、新能源、影视动漫、科学图像、轨道交通等行业形成机器视觉解决方案。

  深圳市劲拓自动化设备股份有限公司(简称劲拓股份,股票代码300400)成立于1997年,公司产品有电子热工设备、检测设备、自动化设备、光电显示设备和半导体专用设备等。其中半导体专用设备是公司近年来重点发展的战略级业务产品,汲取了半导体封装、贴合、焊接等相关的技术经验,具有技术壁垒和国产替代实力。

  苏州天准科技股份有限公司(简称天准科技,股票代码688003)成立于2005年,公司致力于开发各类视觉装备,旨在打造视觉装备平台。基本的产品包括视觉测量装备、视觉检测装备、视觉制程装备、智能网联方案等,面向消费电子、半导体、PCB、新能源、新汽车、智能驾驶领域。

  上海矩子科技股份有限公司(简称矩子科技,股票代码300802)成立于2007年,公司致力于成为全球技术领先的专业视觉智能设备制造商,基本的产品包括机器视觉设备、控制线缆组件、控制单元及设备。产品主要应用于电子信息制造、工业控制、金融电子、新能源、食品与包装、汽车等多个领域。

  梅卡曼德机器人由清华海归团队于2016年创办,总部位于北京和上海。其AI+3D视觉解决方案已经在汽车、物流、重工等众多领域规模化落地,已实现规模化交付的典型应用包括:无序抓取、上下料、纸箱/周转箱拆码垛、视觉引导定位/装配、缺陷检测、高精度测量、机器人涂胶/喷胶等。

  东集技术股份有限公司(简称东集技术)成立于2002年,是国内自动识别与数据采集领域的代表企业之一。公司产品包括工业级手持终端、超高频(UHF)RFID终端、工业平板电脑、机器视觉终端及自动化集成解决方案,专注服务制造、零售、物流、医疗及公共事业5大行业,助力企业一线经营数据的实时采集、计算分析和远程控制,实现数字化并降本增效。

  杭州汇萃智能科技有限公司(简称荟萃智能)成立于2012年,公司产品包括:机器视觉算法库(HCvisionLib),通用智能高速机器视觉平台(HCvision System)、红外热像仪、高精度测量仪等,此外,公司可提供算法深度定制服务、以及视觉和运动控制一体化开发服务。

  常州微亿智造科技有限公司(简称微亿智造)成立于2018年,以工业AI+机器视觉为主线,当前已经发展成为数字化工厂综合解决方案提供商,主要产品既有以AI视觉技术为核心的智能质检设备,也有采用了卷积神经网络的Tri-Vision混合视觉算法。

  陕西维视智造科技股份有限公司(简称维视智造)成立于2003年,总部位于西安,是国内AI工业视觉产品线齐全的公司之一,提供机器视觉部件、智能视觉传感器、智能视觉装备等产品,以及基于视觉的一站式服务,目前产品及解决方案已经大范围的应用于新能源(光伏、锂电)、电子、汽车、医药等诸多行业。 下图为e-works整理的中国市场主流的机器视觉厂商生态图:

  机器视觉技术在工业的应用前景非常广阔,需求日益高涨。尽管目前的应用还存在诸多问题和挑战,例如使用环境恶劣导致视觉系统性能下降;短时间内处理大量图像的计算能力和处理速度瓶颈问题;暂时未做到根据生产环境自动调整参数和算法的自适应等问题,但是随着图像传感、图像算法等技术的进步,以及各大解决方案厂商对机器视觉技术的持续探索,未来机器视觉技术必将为工业发展带来无限可能。

  6月15日,上海市政府发布了《上海市推动制造业高质量发展三年行动计划(2023-2025年)》(以下简称《行动计划》)。 《行动计划》提出,到2025年,“2+(3+6)+(4+5)”现代化产业体系不断夯实,工业增加值超过1.3万亿元,占地区生产总值比重达25%以上,工业投资年均增长5%,制造业支撑全市经济发展的功能地位显著增强。 一、高端制造引领功能大幅提升。工业战略性新兴产业产值占规模以上工业总产值比重达45%,工业劳动生产率超过50万元/人,三大先导产业总规模达1.8万亿元。 二、自主创新策源水平显著增强。一批关键领域实现攻关突破,产业链供应链自主可控能力持续提高,重点制造业企业研发投入强度达2.5%以上。 三、 数字化 和

  随着机器人技术的飞速发展,现如今工业机器人的先进程度让人叹为观止,能够代替人类去做一些繁重重复性的工作,做到运动和指令的精确传输,各部位紧密配合完成复杂的工作,那么这些灵动的5轴6轴机器人是如何精准灵活的完成这些指令的呢?   首先,我们需要了解工业机器人的三大核心部件:控制器、伺服电机、减速器。 1控制器是工业机器人的大脑,负责发布和传递动作指令 2.伺服电机是工业机器人的动力系统,是工业机器人运动的心脏。 3.减速机是连接动力源与执行机构之间的传动机构,能将马达的转速降低,并让转矩提升。其将电动机、内燃机等高速运转的动力,透过输入轴上的小齿轮啮合后,再输出至轴上的大齿轮以达到减速的目的,并藉此传递更大的力矩;控制工业机器人动作

  随着汽车和工业市场中自动化和互联革命的推进,边缘节点正在迅速成为网络攻击的目标。软件更新、远程捕获诊断数据以及远程端点与基础设施之间的通信变得越来越普遍,因此容易遭受网络攻击和其它安全威胁。 随着半导体技术的进步,工艺尺寸不断缩小,将闪存嵌入到包含硬件安全模块(HSM)的 MCU 中也变得越来越困难,因此外置闪存的需求不断增加。当闪存外置于 MCU 时,存储的代码和数据将更加容易受到攻击,所以设备必须设计安全启动流程和其它基础设施,以确保存储和检索的内容可以信赖。 本文探讨的是,当闪存外置于拥有 HSM 模块的 MCU 时,但仍然保持硬件信任根时,新一代安全设备的设计会面临哪些挑战和安全要求。本文涉及的其他内容还包括:加

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  工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。 我国工业机器人经历了近30年的发展,已进入了产业化初期阶段,取得多项令人鼓舞的成果,如何抓住我国对工业机器人需求量激增的机遇,实现工业机器人产业的规模化,仍有许多问题值得思考。 (1)国内机器人产业化存在制约瓶颈。 关键元部件依赖进口,特别是在高性能交流伺服电机和高精密减速器方面的差距尤为明显,造成国产工业机器人成本居高不下,严重制

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  即将亮相第十五届中国国际高新技术成果交易会 嵌入式计算平台专业厂商——凌华科技将于2013年11月16日盛装亮相第十五届中国国际高新技术成果交易会。为期6天的年度盛会将在深圳会展中心隆重揭幕并持续至11月21日。本次展会中凌华科技展出了全系列工业级移动计算产品,提供完善的解决方案。欢迎莅临凌华科技展台:深圳会展中心1展馆1D72-74。 此次展会,凌华科技将展出全系列智能型触控电脑、高亮度智能屏以及工业级移动手持数据终端等系列新品。工业级移动手持数据终端提供绝佳的灵活性与超便利的用户接口,结合NFC/RFID、条码扫描器以及无线传输功能,可满足终端使用者在应用层面上的多项需求,可以普遍的应用在各种产业领域。 智能型触控电脑采用

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