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、標準化參數(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)果造成嚴重的影響，這樣的生產(chǎn)方式嚴重的影響了生產(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)中擔當前端工業(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數(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)，便于形成標準化。</
