指示表智能檢測分選系統(tǒng)的研究

周洪燕， 宿文玲

（哈爾濱量具刃具集團有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

指示表智能檢測分選系統(tǒng)的研究

周洪燕， 宿文玲

（哈爾濱量具刃具集團有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

文中研究了一套國內(nèi)首例智能指示表檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機器人、打標機、指示表檢查儀、待檢料盒、合格/不合格料盒、工作平臺組成，以機器人為核心，依次完成對指示表的精度檢測、分選、打標、裝箱等一系列流水線工作。整個檢測過程為全自動化檢測，無人工干預(yù)，節(jié)省人力成本，滿足指示表在檢定過程實現(xiàn)全自動化檢定的快速高效的生產(chǎn)模式，具有十分重要的實用價值和極其廣闊的應(yīng)用前景。

指示表；智能；精度檢測

0 引言

指示表屬于精密測量儀表，是機械工業(yè)以及實驗室最常使用的儀表，在我國工業(yè)領(lǐng)域中是不可替代的重要角色。由于指示表是一種基本量具，使用頻率非常高，使用范圍非常廣泛，所以市場需求量非常大。為了適應(yīng)市場需求，包括哈量在內(nèi)的指示表生產(chǎn)企業(yè)大批量生產(chǎn)指示表，而作為精密檢具，指示表的精度檢定必須是非常嚴格的，所以，在指示表出廠前需要對其示值誤差進行檢定，以判斷是否合格。目前，國外對計算機視覺技術(shù)研究的比較早，特別是在數(shù)字圖像處理技術(shù)和機電一體化技術(shù)方面比較成熟，以德國的Mahr公司為例，已經(jīng)研究出能夠?qū)崿F(xiàn)快速、可靠、準確檢定的全自動指示表檢定儀，但其價格相當(dāng)昂責(zé)，很難被國內(nèi)的廣大用戶所接受。國內(nèi)普遍使用的是機械式檢定儀，也有一部分企業(yè)在使用半自動化式的檢定儀，比如，哈量生產(chǎn)的4616指示表檢查儀，采用的是光電法?？傊瑹o論是國內(nèi)還是國外，指示表的檢定都需要人為參與，由于指示表的生產(chǎn)量特別大，所以需要大量的勞動力來進行檢測。因此為了提高儀表精度、解放勞動力，研制出一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)、精度高、速度快、自動化程度高，并且符合我國廣大用戶價位的全自動指示表檢測系統(tǒng)，將對我國的指示表生產(chǎn)和檢定發(fā)揮巨大的作用。

本文研究的是一套智能化指示表檢測系統(tǒng)，是一條自動化檢測線，打破了傳統(tǒng)的指示表檢測方式，利用機器人自動上下料技術(shù)、打標機自動打標技術(shù)以及數(shù)字圖像處理技術(shù)，依次完成對指示表的檢測、分選、打標、裝箱等一系列流水線工作。自動地對指示表的示值進行識別，實現(xiàn)指示表檢測過程的智能化，從而完全省去檢定過程中的人為參與，既提高了檢定的速度，又節(jié)約了人力成本。此外，本系統(tǒng)用機器人代替人工，具有“高精度、高分辨力、高可靠性、高智能化、低成本”等突出的技術(shù)優(yōu)勢、政策優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，可節(jié)約資源，在國內(nèi)是首次將機器人應(yīng)用在指示表生產(chǎn)行業(yè)中，屬于新興項目，對國內(nèi)指示表生產(chǎn)行業(yè)有著非常重要的意義。

1 指示表智能檢測分選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本項目研制的是一套國內(nèi)首例智能指示表檢測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由機器人、打標機、指示表檢查儀、待檢料盒、合格/不合格料盒、工作平臺組成，以機器人為核心，依次完成對指示表的檢測、分選、打標、裝箱等一系列流水線工作。整個檢測過程為全自動化檢測，無人工干預(yù)，節(jié)省人力成本，滿足指示表在檢定過程實現(xiàn)全自動化檢定的快速高效的生產(chǎn)模式。智能指示表檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。此套檢測系統(tǒng)包括機械、電氣、軟件，完全由我公司自主研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)，成本較低，有較大的利潤空間，批量生產(chǎn)后，能進一步降低成本，使產(chǎn)品具有更強的競爭力。

圖1 整體結(jié)構(gòu)布局

1.2 工作流程

如圖1所示，機器人首先從待檢料盒抓取待檢指示表，然后將被檢表依次送至指示表檢查儀1和指示表檢查儀2處進行精度檢測，檢測數(shù)據(jù)存至對應(yīng)的報告中，檢測完畢后計算機根據(jù)檢測結(jié)果自動分選合格、不合格的指示表，機器人將不合格的指示表直接運送至不合格料盒中，將合格的指示表運送至打標機處，打標機為指示表打印表體序列號，同時此序列號將自動存至計算機對應(yīng)的被檢表的報告中，以備查詢打印，待打標機打印完成，機器人將合格指示表送至合格料盒，完成指示表的分選，依次循環(huán)。

1.3 機器人的選型

指示表智能檢測分選系統(tǒng)是國內(nèi)首例使用機器人代替人工完成指示表的檢測、打標、分選、裝箱，機器人在本系統(tǒng)中擔(dān)任搬運工的角色，實現(xiàn)了指示表檢定過程的智能化。機器人采用東芝公司生產(chǎn)的THL700型機器手。THL系列機械手是具有4自由度的水平多關(guān)節(jié)機械手，特別適合組裝及搬送。而且此款機械手操作方便，編程語言簡單易學(xué)，很容易上手。

為了提高工作效率，機械手設(shè)計安裝兩個氣爪，可以分別抓取指示表。另外，此款機器人性價比高，體積小，重量輕，耗電少，節(jié)能環(huán)保。

1.4 指示表檢查儀的設(shè)計方案

指示表檢查儀是由我公司自主研發(fā)，采用當(dāng)今最新的數(shù)字圖像處理技術(shù)，充分利用計算機的高速性能和光柵技術(shù)的準確性，設(shè)計出這款操作靈活、使用方便的全自動化式檢查儀，具有精度高、速度快、成本低等優(yōu)點。

指示表檢查儀采用全自動測量方式，采用雷塞兩軸運動控制卡，山洋步進電動機，雷尼紹高精度光柵，以及采用德國映美精高分辨率相機。由控制系統(tǒng)驅(qū)動步進電動機轉(zhuǎn)動，步進電動機帶動機械卡具水平運動，機械卡具推動指示表的測桿一起平移，從而帶動指示表指針轉(zhuǎn)動。高精度光柵作為位置反饋實時監(jiān)測指示表測桿的位移量，按照預(yù)先設(shè)計的步長，當(dāng)?shù)竭_被檢點時，停止運動。此時，軟件控制CCD采集圖像至計算機內(nèi)存，然后利用軟件對采集到的表盤圖像進行處理（濾波、閾值分割、二值化、細化）以及利用Hough變換算法確定表針所在直線的位置，完成指示表檢定中指針位置的判斷，根據(jù)指示表分辨率與指針位置的對應(yīng)關(guān)系計算出此點處的示值誤差。然后，控制系統(tǒng)驅(qū)動步進電動機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，實時監(jiān)測光柵值，當(dāng)?shù)竭_下一個檢測點時控制電動機停止轉(zhuǎn)動，采集圖像，圖像處理，計算誤差值，依次循環(huán)，直到所有的檢測點全部被檢測完，經(jīng)過計算得到一組示值誤差數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，按照國標計算各項誤差值，從而確定指示表的精度，得出指示表是否合格的結(jié)論。同時，檢測結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，以備查詢和打印。

指示表檢查儀的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字圖像處理技術(shù)，使用CCD攝像頭采集圖像，采用了先進的計算機視覺技術(shù)代替人眼，運用數(shù)字圖像處理技術(shù)，判斷指示表表針的位置，從而獲得指示表的讀數(shù)，此項技術(shù)的研究成功，實現(xiàn)了指示表檢定的自動化，大大減少了檢定人員的勞動強度，避免了人眼讀數(shù)誤差，提高了檢定效率。

軟件由我公司自主研發(fā)，采用VS2012作為開發(fā)平臺，C#作為開發(fā)語言，Access作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具，利用C#語言強大的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)模式，開發(fā)出此指示表檢測軟件。軟件系統(tǒng)采用了面向?qū)ο缶幊陶Z言的先進思想，在開始著手系統(tǒng)開發(fā)時，就考慮應(yīng)用面向?qū)ο笏枷雽⑾到y(tǒng)的數(shù)據(jù)和方法封裝在一起，采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，每個模塊具有特定的功能，同時各模塊相對獨立。這樣就減少了各模塊之間的耦合關(guān)系，便于系統(tǒng)的開發(fā)、維護和升級。軟件主界面如圖2所示。

圖2 軟件主界面

2 指示表智能檢測分選系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)字圖像處理技術(shù)

數(shù)字圖像處理技術(shù)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著時代的進步、科學(xué)的發(fā)展，人工智能的應(yīng)用越來越普遍。將計算機視覺代替人眼來對指示表進行檢定的技術(shù)就是人工智能在工業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。由工業(yè)相機CCD獲取表盤圖像，將圖像保存至計算機內(nèi)存，利用計算機的高速性能對表盤圖像進行處理，然后運用相關(guān)數(shù)字圖像處理方法對表盤圖像進行預(yù)處理以及表針識別，確定出指示表表針的位置，從而計算指示表的示值誤差，并自動完成各項誤差的計算，實現(xiàn)指示表檢定的自動化，顯著提高生產(chǎn)效率，降低人力成本，減少生產(chǎn)成本。

指示表自動檢定分選系統(tǒng)功能的實現(xiàn)是以運動控制技術(shù)以及機械傳動技術(shù)等為基礎(chǔ)，以數(shù)字圖像處理技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)指示表的自動檢定。首先通過工業(yè)相機CCD獲取清晰的指示表表盤圖像，對獲取的圖像依次進行平滑濾波、二值化、腐蝕、細化等預(yù)處理，然后通過Hough（哈夫）變換算法識別出指示表表針所在直線的位置，利用指示表的分辨率、刻線數(shù)目等相關(guān)參數(shù)和指針位置的對應(yīng)關(guān)系計算出指示表的讀數(shù)。此數(shù)值就是計算機視覺代替人眼讀取的指示表示值，比人眼讀數(shù)要精確得多，而且速度快。最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出示值誤差，并與國標比對，得出檢定結(jié)論，完成指示表的檢定。

2.2 自動上下料技術(shù)

將機器人應(yīng)用于指示表檢測領(lǐng)域，利用機械手實現(xiàn)自動上下料，這是本系統(tǒng)最大的亮點。整個檢測過程為全自動化檢測，無人工干預(yù)，機器人不間斷地將指示表送至指示表檢查儀進行檢測，機器人根據(jù)檢測結(jié)果進行自動分選，分選完成后，由機器人抓取不合格的指示表運送至不合格料盒，抓取檢測合格的指示表，將其運送到打標機進行打標，待打標完成，將打標完成的指示表運送至合格料盒。完成自動分選裝箱工作。

機械手采用自動旋轉(zhuǎn)氣爪機構(gòu)，可實現(xiàn)多個指示表同時處于循環(huán)工位中，提高工作效率。另外，整套系統(tǒng)具備自檢測功能，檢測在循環(huán)過程中的報警信號和待檢料盒無料以及合格/不合格料盒已滿信號，并給出提示。

2.3 自動打標技術(shù)

每塊指示表都有唯一的表體序列號，打印表體序列號是指示表生產(chǎn)的一道必備工序，此套檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了表體序列號打印的自動化，大大提高了生產(chǎn)效率。

在智能檢測系統(tǒng)流水線中，待指示表檢定合格后，機器人將指示表運送到打標機處，使用打標機自動打印表體的序列號，實現(xiàn)自動打標，節(jié)省人力。打標機選用的是ZL-GX10D激光打標機，打印效果和打標速度能夠滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)高效、高速、高可靠性的要求。

3 結(jié)論

根據(jù)“中國制造2025規(guī)劃”的要求，加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品，本項目即是在工業(yè)機器人與智能測量儀表領(lǐng)域開展的創(chuàng)新研發(fā)項目。指示表智能檢測分選系統(tǒng)是針對全自動化生產(chǎn)為目的而設(shè)計的，應(yīng)用機器人代替人工在指示表生產(chǎn)行業(yè)完成產(chǎn)品的打標、檢定、分選的全自動化生產(chǎn)過程，形成一條高效節(jié)能的自動化檢測線，實現(xiàn)了指示表檢定過程的智能化，減少人力成本，提高效率，這將對我國的儀表生產(chǎn)和檢定發(fā)揮巨大的作用。

指示表智能檢測分選系統(tǒng)是國內(nèi)首例使用機器人代替人工完成指示表的檢測、打標、分選、裝箱，實現(xiàn)了指示表檢測過程的智能化。哈量集團是國內(nèi)精密量儀產(chǎn)品最大制造商，每年生產(chǎn)的指示表類產(chǎn)品的數(shù)量非常大，指示表的檢定工作也是一項龐大的工作量，該項目完成后，所研制的產(chǎn)品將替代原有的半自動指示表檢查儀，直接服務(wù)于本企業(yè)，每年可為企業(yè)節(jié)省大量資金，同時對行業(yè)的科技進步起到了強有力的推動作用。

[1] 何斌.VisualC++數(shù)字圖像處理[M].北京:人民郵電出版社,2001:335-387.

[2] 王俊杰,黃心漢.一種對圖像進行快速二值化處理的方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1998(10):16-17.

[3] 徐建華.圖像處理與分析[M].北京:科學(xué)出版社,1990:187-205.

[4] 羅希平,田捷,諸葛要,等.圖像分割方法綜述[J].模式識別與人工智能,1997(3):259-263.

[5] 王騫,陳宇,管馬舟.C#程序設(shè)計經(jīng)典300例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013:322-333.

[6] 周靖.C#本質(zhì)論[M].北京:人民郵電出版社,2009:377-432.

[7] 程杰.大話設(shè)計模式[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:209-218,335-366.

[8] 王晟,韓澤坤.Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)經(jīng)典案例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:2-12.

[9] 曾登高..Net系統(tǒng)架構(gòu)與開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003:26-35.

[10] 鐵軍,林海平.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2002:6-15.

[11]張星明.視頻圖像捕獲及運動檢測技術(shù)的實現(xiàn)[J].計算機工程,2002(8):130-132.

[12]高宗海,林盤.Windows下視頻采集程序的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2002(1):33-35.

[13]周長發(fā).精通Visua1C++圖像編程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000:58-60.

[14]張凱麗,劉輝.邊緣檢測技術(shù)的發(fā)展研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報,2000,25(5):37-39.

[15]岳國義,李寶樹,趙書濤.智能型指針式儀表識別子系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學(xué)報,2003,24(增刊2):430-431.

Study on Precision Detection and Sorting System of Intelligent Dial Gauge

ZHOU Hongyan,SU Wen ling
(Harbin Measuring&CuttingTool Group Co.,Ltd.,Harbin 150040,China)

This paper researches a set of domestic first intelligent dial gauge inspection system.The whole system consists of robot,marking machine,dial gauge measurement machine,waiting box,qualified/unqualified box and work platform.The robot is the core part.The system can complete the detection,sorting,marking and packing of dial gauge.The whole detection process is fully automated detection without manual intervention,this can save human cost,and satisfy the rapid and efficient production mode completely.So this research has very important practical value and extremely broad application prospect.

dial gauge;intelligent;precision detection

TG 86

A

1002－2333（2018）01－0164－03

國家科技重大專項（2013zx04011-071）

（編輯黃 荻）

周洪燕（1982—），女，碩士，工程師，從事精密量儀軟件設(shè)