基于機器視覺與組態(tài)王的壓力表自動檢定裝置

周兵 趙景輝 宋艷麗 / 遼寧機電職業(yè)技術學院

0 引言

壓力表自動檢定裝置根據國家計量檢定規(guī)程JJG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》設計制造而成，適用于一般壓力表、壓力真空表和真空表（以下簡稱壓力表）的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定[1][2]。裝置主要實現以下功能：

1）實時顯示檢定裝置的壓力值和動態(tài)工作情況。

2）設置和修改參數。

3）利用可編程邏輯控制器、相機、視覺控制器等自動實時獲取現場數據，根據檢定規(guī)程的要求處理和保存數據。

4）自動填寫檢定數據表，打印檢定證書。

1 檢定裝置的硬件設計原理

1.1 檢定裝置工作原理

1.1.1 壓力表視覺讀取示值硬件

利用相機、視覺控制器和視覺軟件平臺，實現壓力表示值的形態(tài)信息的準確獲取、儀表示值識別算法，達到指針式壓力表示值的正確讀取。

1.1.2 壓力表數據采集表殼輕敲機構與自動控制電路設計壓力表數據采集表殼輕敲機構圖1所示。

圖1 壓力表數據采集表殼輕敲機構原理

壓力表表殼輕敲機構由光電開關G、汽缸Q、相機X、壓力表Y組成。其中，壓力表是數據采集對象；光電開關控制相機對輕敲前和輕敲后的被檢壓力表壓力值采集；汽缸用來輕敲壓力表表殼。當汽缸桿推出，輕敲壓力表表殼，推出的汽缸桿通過遮擋光電開關，產生一個復位電平，至視覺控制器，觸發(fā)相機拍攝一次壓力表的壓力值，這個壓力值就是輕敲前檢定點的壓力值。當控制汽缸桿退回汽缸的過程中，光電開關由被汽缸桿遮擋變?yōu)椴徽趽?，又產生一個復位信號至視覺控制器，觸發(fā)相機再一次拍攝壓力表的壓力值，這個壓力值即為輕敲后檢定點的壓力值。由此通過壓力表表殼輕敲機構實現自動采集檢定點輕敲前和輕敲后壓力表的壓力值。

壓力表數據采集自動控制電路原理由光電開關控制電路、繼電器及視覺控制器電路組成。

1.1.3 壓力表視覺讀取示值軟件

彈簧管壓力表表盤如圖2所示。

圖2 彈簧管壓力表表盤

首先，對壓力表表盤進行分析，以彈簧管壓力表為例，儀表量程為60 MPa，0～60 MPa之間分為6等份，共占270°，沒有分度值的表盤占90°。因此，表盤 1°=60 MPa/270°=0.222 22 MPa。1 MPa=270°/60 MPa=4.5°。

壓力表視覺讀取示值軟件設計原理如圖3所示。

圖3 壓力表視覺讀取示值軟件設計原理

首先，通過相機對被檢表進行圖像采集，完成后對壓力表表盤圖像進行預處理、特征提取、示值識別，最后輸出壓力表示值。

（1）算法

數學運算1計算結果：

<數學運算_1計算結果>=(<兩直線夾角_1 夾角>*60)/270

數學運算2計算結果：

<數學運算_2計算結果>= (360-<兩直線夾角_1 夾角>)*60/270

壓力表表盤中心與0 MPa之間的連線為基準線，輪廓定位線與基準線的夾角為

<兩直線夾角_1 夾角>

0～40 MPa之間的連線與基準線的夾角為

<兩直線夾角_3 夾角>

<輪廓定位_1角度> <= <兩直線夾角_3 夾角>?<數學運算_1 計算結果>:<數學運算_2 計算結果>

如果輪廓定位1角度小于兩直線夾角3的夾角，壓力表的示值就是數學運算1計算結果，反之，壓力表的示值就是數學運算2計算結果。

（2）壓力值輸出轉換

"壓力值："+ToString(<數學運算_1 計算結果>,"f1")+" "+ "MPa"

將壓力表的顯示值保留一位小數。

1.2.4 檢定裝置

檢定裝置原理如圖4所示。

圖4 檢定裝置原理

檢定裝置由傳動齒輪、活塞泵、步進電機、油杯、標準表（壓力變送器）、快速夾表機構、步進電機驅動器、計算機控制系統(tǒng)、視覺控制器、被檢壓力表、視覺采集裝置（相機等）、電磁閥手動閥等組成?？梢酝瑫r檢定十個壓力表，檢定效率高。檢定裝置采用兩臺步進電機帶動兩個活塞壓力泵造壓，提高造壓速度，滿足多個壓力表同時檢定的需求。其中，一臺活塞壓力泵處于造壓階段時（即向油路注油），另一臺處于造壓準備階段（即從油杯吸油）。兩臺步進電機和相應的電磁閥由計算機控制系統(tǒng)控制，同時工作交替造壓。檢定裝置采用相機等視覺采集裝置和視覺控制器自動讀取被檢壓力表的示值，實現檢定過程的完全自動化。

采用兩臺壓力泵同時工作的關鍵問題為換泵過程中避免產生壓力波動。油路的切換采用五個電磁閥控制，優(yōu)點是密閉性好，保證了系統(tǒng)有較高的造壓速度和靜態(tài)壓力穩(wěn)定性。其中，五個電磁閥分別控制兩臺壓力泵與油杯、被檢表、標準表之間油路的通斷。另一個電磁閥安裝在被檢表與標準表油路間，用于造壓換泵前切斷被檢表油路與造壓油路間的聯系。待換泵完成，且造壓油路重新恢復換泵前壓力時，再打開電磁閥，這樣可消除換泵過程中可能產生的壓力波動。

1.2 檢定裝置硬件電氣原理

1.2.1 可編程邏輯控制器與電磁閥

電路如圖5、圖6所示?？删幊踢壿嬁刂破鬟x用歐姆龍CP1H-XA40DR-A[3]。電源電壓：220 VAC；輸入點數：24點；輸出點數：16點；輸出形式：繼電器。內置模擬輸入4點（占用CH數4CH）。輸入信號量程：1-5 VDC；分辨力：1/16 000或1/12 000。

圖5 可編程邏輯控制器主機輸出與電磁閥、步進電機驅動器接線

圖6 可編程邏輯控制器內置A/D轉換器接線

1.2.2 步進電機驅動器電路

步進電機驅動器采用Q3HB64MA，為等角度恒力矩細分型驅動器，驅動電壓DC12-40 V，電流在5.8 A以下。內部采用類似伺服控制原理的電路，使電機低速運行平穩(wěn)，無震動和噪聲，電機在高速運轉時力矩大大高于二相和五相混合式步進電機。定位精度最高可達60 000 步/轉。

PU：步進脈沖信號輸入端，DR：方向信號控制端，MF：電機使能信號端（高電平使能），SM：細分信號選擇端（高電平按D0-D3設定細分運行）。工作時設置為500個脈沖/轉。

步進電機選用三相混合式BSHB386。采用交流伺服控制原理,三相正弦電流驅動。步進電機每轉移動距離5 mm。1 mm=100道。

由此，主軸電機每轉一圈，即線圈每繞一圈，步進電機驅動器接收一個脈沖信號，步進電機走一步為1道。

1.2.3 可編程邏輯控制器內置A/D轉換器電路

此時，可編程邏輯控制器將采集到的標準壓力表的數據與相機、視覺采集裝置和視覺控制器采集到的被檢壓力表的數據進行處理，完畢后再送至計算機，得到相應檢測點的基本誤差、回程誤差、輕敲位移，并依次進行其他檢測點的檢測。當所有檢測點檢測完畢，計算機將最終的檢測結果進行處理并打印。

可編程邏輯控制器程序如圖7所示。

圖7 可編程邏輯控制器程序

2 檢定裝置軟件

2.1 檢定裝置組態(tài)

組態(tài)軟件選用北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王軟件7.55。它是運行于WindowsNT/2000/XP中文操作系統(tǒng)的一種組態(tài)軟件，具有完善的圖形界面生成功能，可以形象逼真地描繪工業(yè)現場。提供了功能齊全的控件和控件函數以及多種I/O驅動程序[4]。

組態(tài)王通信參數和設備配置：

1）通信參數

波特率：9 600；數據位：7；奇偶效驗：偶效驗；停止位：2；通信超時：3 000 ms；通信方式：RS232。

2）設備配置

（1）歐姆龍PLC

設備生產廠家：歐姆龍Hostlink；設備邏輯名稱：PLC；設備地址：0；通信方式：串口（COM1）。

（2）視覺控制器

設備生產廠家：北京亞控生產串口數據發(fā)送；設備邏輯名稱：視覺控制器；通信方式：串口（COM2）。

2.2 檢定裝置主控制界面

檢定裝置檢定界面如圖8所示[5][6]。由檢定裝置控制流程、電磁閥控制開關、檢定點、標準壓力值、已檢定點數、待檢定點數、允許誤差值、回差允許值、允許變動量輸入等組成。具體命令語言編程略。

圖8 檢定裝置檢定界面

2.3 檢定裝置檢定記錄表

檢定裝置檢定記錄表界面如圖9所示，由報表控件組成，包括：數據填表、數據查詢、數據記錄、打印檢定記錄表等按鈕。保證檢定數據正確地填入記錄表中，完成檢定任務。

圖9 檢定裝置檢定記錄表界面

2.4 檢定裝置檢定證書界面

檢定證書設計及操作按鈕[5][6]由報表控件、操作按鈕組成，包括：增加、存表、讀表、打印設置、列表式組合框。完成檢定裝置檢定證書的打印。

3 結語

壓力表自動檢定裝置采用先進的可編程控制器、組態(tài)軟件技術和機器視覺技術，性能指標完全達到JJG 52-2013的要求，有效避免了在檢定壓力表中人為因素造成的不必要誤差，提高了檢定的效率和準確性。