前言
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對工業(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，同時對制件表面的檢測、識別和評定也提出了更高的要求, 對表面加工微觀特性的評定從定性綜合評定階段轉(zhuǎn)向了定量、標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)評定階段。然而這些參數(shù)的測量與評定的難度大，生產(chǎn)過程中的相關(guān)檢測過程增加了生產(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)流程是每個工序加工完一定量之后，對該材料進行取樣然后送到檢測試驗室進行測定，在測定的過程中試驗環(huán)境的微小改變都會對試驗測定結(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)品遠遠不能滿足市場需求。
因此尋求一種表面微觀特性檢測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)計了一個對生產(chǎn)材料表面進行分形特性分析的視覺檢測系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了產(chǎn)品的在線檢測。
系統(tǒng)硬件平臺的構(gòu)成
NI的虛擬儀器技術(shù)使用成熟的計算機技術(shù)和模塊化的高性能硬件為我們系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了強有力的支持。PXI系統(tǒng)能提供最佳的性能，Compact Vision System（CVS） 系統(tǒng)是NI公司PAC（可編程自動控制器）系列產(chǎn)品中專門用于視覺采集檢測的產(chǎn)品，提供了最為堅固的硬件結(jié)構(gòu)。 整個檢測系統(tǒng)是一個利用NI CVS和PXI產(chǎn)品建立起來的高性能集成化實時系統(tǒng)，其中PXI系統(tǒng)由嵌入式實時PXI控制器PXI- 8146 RT和PXI機箱等模塊組成，在本系統(tǒng)中承擔(dān)著控制中心的重要作用；實時緊湊視覺系統(tǒng)使用了CVS-1450，在本系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)前端工業(yè)現(xiàn)場的圖像采集和測量系統(tǒng)地初步處理的任務(wù)。分布在多個生產(chǎn)流程的CVS系統(tǒng)通過1394攝像頭采集數(shù)據(jù)并進行前端處理，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）
圖1基于分形理論的機器視覺檢測系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)軟件平臺的實現(xiàn)
本檢測系統(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大的函數(shù)庫為這一復(fù)雜的視覺檢測系統(tǒng)的開發(fā)提供了支持。檢測軟件在控制中心端運行，利用PXI的強大性能，完成對圖像的分型分析，得到相應(yīng)檢測參數(shù)結(jié)果，提供用戶監(jiān)控和操作界面。
整個檢測系統(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)表面微觀特性的識別與評定應(yīng)用到了工程實際。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），通過功率譜識別表面形貌
最終構(gòu)建起來的機器視覺檢測系統(tǒng)通過計算加工制件表面分形維數(shù)等特征參數(shù)結(jié)合結(jié)構(gòu)函數(shù)來分析表面形貌的變化過程。系統(tǒng)的核心算法用到了基于分?jǐn)?shù)布朗增量場模型，并通過多重分形譜來對表面進行深度分析。軟件中的核心算法分形特性參數(shù)的計算已經(jīng)是通過Visual C++ 6.0編寫好的，而LabVIEW是一個開放性的軟件平臺，它提供了各種工具來實現(xiàn)和外部代碼或程序的交互，因此可以很方便的將現(xiàn)有的分形特性參數(shù)計算算法的動態(tài)鏈接庫文件裝載到 LabVIEW中。
系統(tǒng)性能測試與驗證
我們將整個系統(tǒng)投放到了質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴散層核心材料的TLG-23生產(chǎn)線上，使用LabVIEW開發(fā)的檢測控制軟件是在PXI平臺上運行的，圖2顯示的是2005年6月29日的一次實時測試的界面。
圖2 基于分形理論的機器視覺檢測系統(tǒng)在TLG-23生產(chǎn)線上的測試界面
在生產(chǎn)線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上還有其它自動化生產(chǎn)設(shè)備，CVS和PXI構(gòu)成的檢測系統(tǒng)可以和它們無縫連接，在整個的測試過程中可以保證實現(xiàn)實時在線檢測，這樣不僅省去了以前耗時復(fù)雜的檢測過程，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。同時檢測的準(zhǔn)確率也大大提高，圖3是近期的生產(chǎn)測試報告，從檢測的結(jié)果分析其完全符合實際生產(chǎn)需要，達到了設(shè)計要求。
系統(tǒng)優(yōu)勢
1.滿足工業(yè)環(huán)境的需要
雖然現(xiàn)有的攝像機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)建的視覺檢測系統(tǒng)一旦工作在較為苛刻的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場時（如高溫、電磁干擾嚴(yán)重等工況下），就會出現(xiàn)檢測錯誤，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行的，在測試系統(tǒng)設(shè)計的初期階段，曾經(jīng)試用傳統(tǒng)攝像機采集，但在TLG-23生產(chǎn)線進行測試時，由于在生產(chǎn)流程中的碳化過程是在極其苛刻的生產(chǎn)溫度下進行的，導(dǎo)致該工作現(xiàn)場的視覺系統(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)場視覺采集系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度，才能大大提高該機器視覺檢測系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性。后來采用得NI的CVS 1450系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)是專門針對工業(yè)應(yīng)用惡劣的溫度、電磁干擾、噪聲、震動等環(huán)境設(shè)計的，能夠在極端溫度下正常工作，系統(tǒng)在整個碳化過程中采集到的圖像都沒有因為現(xiàn)場的高溫發(fā)生圖像變形、模糊等現(xiàn)象。
2．強大的擴展性與二次開發(fā)能力
由于采用了NI的虛擬儀器技術(shù)，使得本系統(tǒng)擁有強大的靈活性、集成性和堅固性，能夠和現(xiàn)今絕大多數(shù)的自動化設(shè)備進行通信，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，將原來的自動化控制設(shè)備接入我們的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，達到協(xié)同工作，在一定的程度上節(jié)約了我們的生產(chǎn)成本，同時擴展了我們系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
如果是對于一個全新的生產(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量和控制。同時這些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)計的用戶面板達到共同監(jiān)測測量數(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)運行前可以對系統(tǒng)進行配置，選擇加工方式（如拋光、研磨、精車、電鍍等），更具靈活性，可以使檢測系統(tǒng)應(yīng)用在更多的工業(yè)材料生產(chǎn)現(xiàn)場，其操作界面友好、維護方便、易于升級。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)品的測試，其測量分析的結(jié)果也完全滿足設(shè)計要求。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)檢測中。
結(jié)論
基于分形理論的高效機器視覺檢測系統(tǒng)使用NI的CVS視覺系統(tǒng)、PXI控制器和LabVIEW7.1進行系統(tǒng)的軟硬件平臺的構(gòu)建。該檢測系統(tǒng)應(yīng)用分形理論，成功的將對工程表面形貌的識別和評定應(yīng)用到了工程實際，取得了令人滿意的效果，可以說有了此系統(tǒng)的在線檢測，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，實現(xiàn)了真正的生產(chǎn)自動化。其突出優(yōu)點在于：①檢測系統(tǒng)采用簡潔的總線形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具開放性、可擴充性；③具有強大的人機交互界面，維護簡便；④擁有強大的二次開發(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)建功能更加強大、完整的工業(yè)控制測量系統(tǒng)，便于形成標(biāo)準(zhǔn)化。
