桑建國
摘 要：機械設計製造在工業化生產中不可或缺，自動化技術的革新應用大幅提升了機械設計製造水平。新形勢下自動化技術在機械設計製造中呈現智能化、網絡化、數控化趨勢，為此詳細研究了自動化技術在機械設計製造中的應用情況。基於傳感器研發機械設計製造自動化監測系統，動態獲取機械加工工具機的運行狀態;基於機器視覺技術檢測機械生產零件的缺陷，保障機械生產質量。提供機械設計製造效率優化的技術支持，驅動機械設計製造行業效益提升。
關鍵詞：自動化技術;機器視覺;傳感器;機械設計製造
工業生產以機械設備的發展為契機開啟嶄新的生產時代，人類社會的進步以機械化為重要動力進行生產革新。我國工業生產隨著改革開放大規模展開，帶動了機械自動化生產水平的優化與進步，機械化生產成為經濟建設的關鍵增長點之一[1]。自動化是機械化生產達到較高水平的顯著特徵，標誌著機械化水平的進步，是驅動社會革新進步關鍵性節點，社會生產的效率與質量由此得到較大改善[2]。機械設計製造中的自動化技術是優化生產效率與生產質量的關鍵因素，實現了生產材料的優化配置與效率的提升[3]。以往機械設計製造領域需要人的操作才能實現高效的生產計劃，而自動化技術在機械設計製造中的應用解放了人的雙手，減少人力成本。本文重點列舉了機械設計製造的自動化檢測技術與自動化監控技術，保障機械設計製造的質量與效率。
1 傳感器技術在機械設計製造自動化監測中的應用
機械設計製造行業的數控工具機趨向大型化、高速化、高精度的發展方向，長期的繁重工作負擔下，振動、衝擊等壓力對機械製造數控工具機產生超負荷影響，干擾工具機生產狀態，進一步導致數控工具機生產誤差變大[4]，嚴重可出現意外停機狀況。因此，如何精準監控數控工具機生產狀態、預判機械製造故障等信息成為優化機械設計製造效率的重中之重。本文基於傳感器設計機械製造工具機狀態監測系統，實時向管理人員提供可靠的工具機運行數據，保障機械生產正常運行。
1.1 機械製造工具機狀態監測系統傳感器選取
機械設計製造監控的傳感器主要包括加速度傳感器與功率傳感器，最終選取的傳感器相關信息見下表。
1.2 機械製造工具機狀態監測系統總體結構設計
基於傳感器的機械製造工具機狀態監測系統結構見圖1，該系統使用嵌入式技術實現不同硬體接口的連接，具體表現為加速度、電機電流、溫度等各個信號接口數據的採集與傳輸。監測系統的加速度傳感器信號採集原理如下：加速度信號主要通過4線制的方式和前置專門性信號採集模塊連接，將該模塊信號轉變為乙太網信號輸出並與嵌入式監控系統的乙太網接口連接，設置監控系統採集數據的頻率為10 Hz。功率傳感器信號採集原理同上，差異在於其信號輸出使用5線制與前置專用信號採集模塊連接。
基於傳感器設計機械製造工具機狀態監測系統，用以監測機械設計製造情況，生產操作人員在監控端可隨時查看工具機運行信息，確保及時發現工具機異常現象，保障機械製造順利進行。
2 自動化檢測技術在機械設計製造中的應用
在國外高水平精密度檢測技術的衝擊下，湧現大量嶄新的檢測設備與儀器，結合機械生產的自動化需求，高度自動化檢測儀器在機械製造行業中成為主流[5]。計算機技術、集成技術的綜合運用使得機械製造檢測設施功能越來越全面，機械製造自動化檢測技術應運而生。自動化檢測是自動化機械製造系統的功能之一，目標是檢測機械生產產品的質量，能夠在檢測過程中通過較少的人工操作實現自動檢測[6]。本次重點研究了機器視覺在機械設備製造自動檢測中的應用情況，通過識別機械零件圖像信息自動檢測零件的缺陷。
2.1 自動化檢測技術的相機設置
相機是機器視覺技術檢測零件的關鍵構成，綜合考慮解析度、靈敏度、信噪比、資金投入等因素確定使用黑白CCD相機。在機械零件生產過程中，定義零件傳送速度為v，相機視野為A×B，相機採集圖像速度上限為r，D、G分別表示機械零件的長度與高度，基於機械生產的效率要求，規定零件缺陷檢測速度每秒不能低於n個，檢測單個零件的耗時為t。據此得到相機拍照期間機械零件移動的長度，如公式（1）所示
結合上述標準與檢測精度（0.1 mm）可確定相機的解析度為640×480，此解析度考慮了相機的成本投入情況，在不考慮成本的前提下可選擇更高解析度的相機，有效提升機械零件檢測精度。
LED光源能耗小、性價比高，在機器視覺技術中的應用較為廣泛，所以選擇LED光源作為機械製造零件檢測的環境光。
2.2 自動化檢測技術的光電開關選取
光電開關是機械零件自動化檢測的關鍵控制部件，相機拍攝機械零件的時間由光電開關決定，主要原理為：機械零件行進期間觸發光電開關，此時計算機接收來自光電開關的信號，確保計算機對相機獲取圖像過程進行控制[7]。此處使用對射式光電開關，通過更正光電開關在檢測線上相對時間的方式得到合理的零件拍攝區域位置與大小，呈現最優的光電開關布置與零件拍攝效果。
圖2展示了光電開關布置結構。結合圖2分析光電開關工作原理：光電開關安置於相機的前方位置，光電開關在零件遮擋其光路時即可採集光電信號並傳輸至計算機，確保計算機操控相機拍攝機械零件圖像。
2.3 機械零件邊緣檢測與缺陷識別
成功採集機械零件圖像後對其進行預處理，然後展開機械零件圖像的邊緣檢測活動，基於Sobel算法提取零件圖像的輪廓邊緣，根據提取到的左右邊緣點坐標即可去除輪廓邊緣得到缺陷情況。具體判定機械零件是否存在缺陷的方法如下：（1）當零件輪廓邊緣中包含顯著的撕裂帶邊緣信息，則斷定此機械零件可能存在缺陷，等待深入檢測;（2）當零件輪廓邊緣中不存在顯著撕裂帶邊緣信息，判斷此零件合格。經過圖像後處理確定存在缺陷的零件，獲取缺陷位置與尺寸信息的思路為：將存在缺陷幾率的零件灰度圖像進行閾值分割獲取二值化圖像，得到零件缺陷的目標信息，與背景完整分割，呈現具體的缺陷形狀、位置信息、大小信息。
二值化圖像中，像素0、像素1分別表示圖像背景和物體，選取合理的灰度值或者灰度區間作為閾值是圖像二值化的關鍵步驟，據此分割機械零件的圖像，方法如下：
3 結論
我國國民經濟的快速發展需要機械自動化技術的大力支持，我國取得國際競爭的勝利需要機械自動化技術不斷革新升級，以符合機械生產的國際化標準。機械設計製造中的自動化技術有效提升了社會生產能力，將人的雙手從機械操作中逐漸解放出來，減少了人力成本的資金投入。此外，自動化技術的升級換代使機械設計製造行業水平提升，帶動行業整體變革。新形勢下自動化技術在機械設計製造中的應用除更新技術水平外，更要加強技術人員的知識積累與專業技能培訓，提高機械操作人員的技能水準，更好地為優化生產效益、提高國民經濟增長服務。
參考文獻：
[1] 呂沛. 機械設計製造及其自動化技術發展研究[J]. 科學技術創新， 2016， 26（19）：59.
[2] 江濤. 自動化技術在機械設計製造中的應用[J]. 現代製造技術與裝備， 2016（9）：168.
[3] 李鳳. 自動化技術在機械設計製造中的應用研究[J]. 時代農機， 2017， 44（2）：21-22.
[4] 董效. 探討自動化技術在機械設計製造中的應用價值[J]. 內燃機與配件， 2018（1）：72-73.
[5] 於家. 自動化技術在機械設計製造中的應用[J]. 山東工業技術， 2019（6）：24.
[6] 陳曉. 機械設計製造及其自動化中計算機技術的應用分析[J]. 科學技術創新， 2017（4）：22.
[7] 劉艷雄， 張亮傑， 毛華傑. 基於機器視覺的精沖零件斷面缺陷檢測系統研究[J]. 製造業自動化， 2016， 38（4）：9-13.
摘 要：機械設計製造在工業化生產中不可或缺，自動化技術的革新應用大幅提升了機械設計製造水平。新形勢下自動化技術在機械設計製造中呈現智能化、網絡化、數控化趨勢，為此詳細研究了自動化技術在機械設計製造中的應用情況。基於傳感器研發機械設計製造自動化監測系統，動態獲取機械加工工具機的運行狀態;基於機器視覺技術檢測機械生產零件的缺陷，保障機械生產質量。提供機械設計製造效率優化的技術支持，驅動機械設計製造行業效益提升。
關鍵詞：自動化技術;機器視覺;傳感器;機械設計製造
工業生產以機械設備的發展為契機開啟嶄新的生產時代，人類社會的進步以機械化為重要動力進行生產革新。我國工業生產隨著改革開放大規模展開，帶動了機械自動化生產水平的優化與進步，機械化生產成為經濟建設的關鍵增長點之一[1]。自動化是機械化生產達到較高水平的顯著特徵，標誌著機械化水平的進步，是驅動社會革新進步關鍵性節點，社會生產的效率與質量由此得到較大改善[2]。機械設計製造中的自動化技術是優化生產效率與生產質量的關鍵因素，實現了生產材料的優化配置與效率的提升[3]。以往機械設計製造領域需要人的操作才能實現高效的生產計劃，而自動化技術在機械設計製造中的應用解放了人的雙手，減少人力成本。本文重點列舉了機械設計製造的自動化檢測技術與自動化監控技術，保障機械設計製造的質量與效率。
1 傳感器技術在機械設計製造自動化監測中的應用
機械設計製造行業的數控工具機趨向大型化、高速化、高精度的發展方向，長期的繁重工作負擔下，振動、衝擊等壓力對機械製造數控工具機產生超負荷影響，干擾工具機生產狀態，進一步導致數控工具機生產誤差變大[4]，嚴重可出現意外停機狀況。因此，如何精準監控數控工具機生產狀態、預判機械製造故障等信息成為優化機械設計製造效率的重中之重。本文基於傳感器設計機械製造工具機狀態監測系統，實時向管理人員提供可靠的工具機運行數據，保障機械生產正常運行。
1.1 機械製造工具機狀態監測系統傳感器選取
機械設計製造監控的傳感器主要包括加速度傳感器與功率傳感器，最終選取的傳感器相關信息見下表。
1.2 機械製造工具機狀態監測系統總體結構設計
基於傳感器的機械製造工具機狀態監測系統結構見圖1，該系統使用嵌入式技術實現不同硬體接口的連接，具體表現為加速度、電機電流、溫度等各個信號接口數據的採集與傳輸。監測系統的加速度傳感器信號採集原理如下：加速度信號主要通過4線制的方式和前置專門性信號採集模塊連接，將該模塊信號轉變為乙太網信號輸出並與嵌入式監控系統的乙太網接口連接，設置監控系統採集數據的頻率為10 Hz。功率傳感器信號採集原理同上，差異在於其信號輸出使用5線制與前置專用信號採集模塊連接。
基於傳感器設計機械製造工具機狀態監測系統，用以監測機械設計製造情況，生產操作人員在監控端可隨時查看工具機運行信息，確保及時發現工具機異常現象，保障機械製造順利進行。
2 自動化檢測技術在機械設計製造中的應用
在國外高水平精密度檢測技術的衝擊下，湧現大量嶄新的檢測設備與儀器，結合機械生產的自動化需求，高度自動化檢測儀器在機械製造行業中成為主流[5]。計算機技術、集成技術的綜合運用使得機械製造檢測設施功能越來越全面，機械製造自動化檢測技術應運而生。自動化檢測是自動化機械製造系統的功能之一，目標是檢測機械生產產品的質量，能夠在檢測過程中通過較少的人工操作實現自動檢測[6]。本次重點研究了機器視覺在機械設備製造自動檢測中的應用情況，通過識別機械零件圖像信息自動檢測零件的缺陷。
2.1 自動化檢測技術的相機設置
相機是機器視覺技術檢測零件的關鍵構成，綜合考慮解析度、靈敏度、信噪比、資金投入等因素確定使用黑白CCD相機。在機械零件生產過程中，定義零件傳送速度為v，相機視野為A×B，相機採集圖像速度上限為r，D、G分別表示機械零件的長度與高度，基於機械生產的效率要求，規定零件缺陷檢測速度每秒不能低於n個，檢測單個零件的耗時為t。據此得到相機拍照期間機械零件移動的長度，如公式（1）所示
結合上述標準與檢測精度（0.1 mm）可確定相機的解析度為640×480，此解析度考慮了相機的成本投入情況，在不考慮成本的前提下可選擇更高解析度的相機，有效提升機械零件檢測精度。
LED光源能耗小、性價比高，在機器視覺技術中的應用較為廣泛，所以選擇LED光源作為機械製造零件檢測的環境光。
2.2 自動化檢測技術的光電開關選取
光電開關是機械零件自動化檢測的關鍵控制部件，相機拍攝機械零件的時間由光電開關決定，主要原理為：機械零件行進期間觸發光電開關，此時計算機接收來自光電開關的信號，確保計算機對相機獲取圖像過程進行控制[7]。此處使用對射式光電開關，通過更正光電開關在檢測線上相對時間的方式得到合理的零件拍攝區域位置與大小，呈現最優的光電開關布置與零件拍攝效果。
圖2展示了光電開關布置結構。結合圖2分析光電開關工作原理：光電開關安置於相機的前方位置，光電開關在零件遮擋其光路時即可採集光電信號並傳輸至計算機，確保計算機操控相機拍攝機械零件圖像。
2.3 機械零件邊緣檢測與缺陷識別
成功採集機械零件圖像後對其進行預處理，然後展開機械零件圖像的邊緣檢測活動，基於Sobel算法提取零件圖像的輪廓邊緣，根據提取到的左右邊緣點坐標即可去除輪廓邊緣得到缺陷情況。具體判定機械零件是否存在缺陷的方法如下：（1）當零件輪廓邊緣中包含顯著的撕裂帶邊緣信息，則斷定此機械零件可能存在缺陷，等待深入檢測;（2）當零件輪廓邊緣中不存在顯著撕裂帶邊緣信息，判斷此零件合格。經過圖像後處理確定存在缺陷的零件，獲取缺陷位置與尺寸信息的思路為：將存在缺陷幾率的零件灰度圖像進行閾值分割獲取二值化圖像，得到零件缺陷的目標信息，與背景完整分割，呈現具體的缺陷形狀、位置信息、大小信息。
二值化圖像中，像素0、像素1分別表示圖像背景和物體，選取合理的灰度值或者灰度區間作為閾值是圖像二值化的關鍵步驟，據此分割機械零件的圖像，方法如下：
3 結論
我國國民經濟的快速發展需要機械自動化技術的大力支持，我國取得國際競爭的勝利需要機械自動化技術不斷革新升級，以符合機械生產的國際化標準。機械設計製造中的自動化技術有效提升了社會生產能力，將人的雙手從機械操作中逐漸解放出來，減少了人力成本的資金投入。此外，自動化技術的升級換代使機械設計製造行業水平提升，帶動行業整體變革。新形勢下自動化技術在機械設計製造中的應用除更新技術水平外，更要加強技術人員的知識積累與專業技能培訓，提高機械操作人員的技能水準，更好地為優化生產效益、提高國民經濟增長服務。
參考文獻：
[1] 呂沛. 機械設計製造及其自動化技術發展研究[J]. 科學技術創新， 2016， 26（19）：59.
[2] 江濤. 自動化技術在機械設計製造中的應用[J]. 現代製造技術與裝備， 2016（9）：168.
[3] 李鳳. 自動化技術在機械設計製造中的應用研究[J]. 時代農機， 2017， 44（2）：21-22.
[4] 董效. 探討自動化技術在機械設計製造中的應用價值[J]. 內燃機與配件， 2018（1）：72-73.
[5] 於家. 自動化技術在機械設計製造中的應用[J]. 山東工業技術， 2019（6）：24.
[6] 陳曉. 機械設計製造及其自動化中計算機技術的應用分析[J]. 科學技術創新， 2017（4）：22.
[7] 劉艷雄， 張亮傑， 毛華傑. 基於機器視覺的精沖零件斷面缺陷檢測系統研究[J]. 製造業自動化， 2016， 38（4）：9-13.
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