基于機(jī)器視覺(jué)的計(jì)量封印自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

龍紫筠 梁健文 梁世昌

摘要：針對(duì)計(jì)量封印制造、包裝、安裝過(guò)程的檢測(cè)需求，應(yīng)用光機(jī)電一體化、現(xiàn)代設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺(jué)、編碼識(shí)別及通信等技術(shù)，研制基于機(jī)器視覺(jué)的計(jì)量封印在線質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印生產(chǎn)、標(biāo)志、安裝質(zhì)量的全自動(dòng)、高速、高精度在線識(shí)別與檢測(cè)，并進(jìn)行瑕疵分類處理，旨在為電力行業(yè)計(jì)量封印的生產(chǎn)及管理提供完整的在線檢測(cè)與處理方案，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印的自動(dòng)化、智能化、信息化生產(chǎn)與管理。

關(guān)鍵詞：計(jì)量封印;自動(dòng)檢測(cè)技術(shù);裝配質(zhì)量;包裝質(zhì)量;加封質(zhì)量

1 ? ?主要研究?jī)?nèi)容

基于機(jī)器視覺(jué)的計(jì)量封印在線質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要包括裝配質(zhì)量檢測(cè)、包裝質(zhì)量檢測(cè)及加封質(zhì)量檢測(cè)三個(gè)部分。

1.1 ? ?裝配質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)計(jì)量封印的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)裝配工藝，研究產(chǎn)品缺陷在線檢測(cè)軟件及集送料、定位、圖像采集、瑕疵分類處理、下料等功能于一體的產(chǎn)品缺陷檢測(cè)裝置。其中，軟件通過(guò)噪聲抑制、背景減除、圖像分割、動(dòng)態(tài)閾值、特征提取等算法的應(yīng)用提高系統(tǒng)的成像精度，提高檢測(cè)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確率及效率，滿足計(jì)量封印質(zhì)量高精度、動(dòng)態(tài)檢測(cè)的需求。

1.2 ? ?計(jì)量物資編碼綁定平臺(tái)

根據(jù)計(jì)量封印的標(biāo)志要求，研究字符及條形碼視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)及計(jì)量物資編碼綁定平臺(tái)。研究計(jì)量封印產(chǎn)品物資編碼快速識(shí)別的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)字符編碼及條形碼的自動(dòng)識(shí)別和錄入，并通過(guò)平臺(tái)管理軟件識(shí)別資產(chǎn)編號(hào)，綁定至周轉(zhuǎn)箱號(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印的信息化管理。

1.3 ? ?加封質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)計(jì)量封印的檢定與加封要求，研究電能表的加封檢測(cè)集成裝置，實(shí)現(xiàn)電能表智能定位、封印自動(dòng)配料、自動(dòng)加封、加封質(zhì)量檢測(cè)、電能表編碼和計(jì)量封印編碼檢測(cè)、編碼自動(dòng)綁定等功能，并可以與智能鎖封管理系統(tǒng)及電力營(yíng)銷管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)電能表與計(jì)量封印的資產(chǎn)管理。

2 ? ?裝配質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 ? ?技術(shù)原理

裝配質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)、圖像采集、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印半成品、成品的質(zhì)量檢測(cè)，替代肉眼檢測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)了計(jì)量封印的全自動(dòng)化生產(chǎn)。

2.2 ? ?檢測(cè)需求分析

目前計(jì)量封印的缺陷率平均約為0.445%，主要有蓋板焊接移位、蓋板穿孔、反蓋板焊接、缺蓋板、缺底座五種瑕疵類型，瑕疵出現(xiàn)的原因主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題、注塑焊接工藝參數(shù)問(wèn)題及成型設(shè)備的不穩(wěn)定因素，目前采用肉眼進(jìn)行檢測(cè)，耗時(shí)耗力，且容易因視覺(jué)疲勞導(dǎo)致誤判。

2.3 ? ?軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程

本項(xiàng)目的檢測(cè)系統(tǒng)以虛擬儀器LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成檢測(cè)系統(tǒng)的軟件程序，檢測(cè)系統(tǒng)分別通過(guò)ModBus協(xié)議和UDP協(xié)議與PLC控制系統(tǒng)和封印管理系統(tǒng)通信，將檢測(cè)結(jié)果與封印管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)校驗(yàn)。

2.4 ? ?檢測(cè)集成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制

根據(jù)計(jì)量封印的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、檢測(cè)要求及裝配工藝要求，項(xiàng)目應(yīng)用光機(jī)電一體化技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等，研制出集成送料、定位、卸料與瑕疵處理等功能的計(jì)量封印裝配質(zhì)量在線檢測(cè)裝置，并具有全自動(dòng)化、高速、高精度、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)（圖1、圖2）。

3 ? ?計(jì)量物資編碼綁定平臺(tái)

3.1 ? ?技術(shù)原理

計(jì)量物資編碼綁定平臺(tái)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)控制、編碼識(shí)別、通信、信息處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印的標(biāo)志質(zhì)量檢測(cè)、字符及條形碼識(shí)別及編碼綁定，檢測(cè)系統(tǒng)高效、可靠，便于對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行信息化管理。

3.2 ? ?軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程

3.2.1 ? ?編碼檢測(cè)與識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

計(jì)量物質(zhì)的編碼主要包括包裝盒、箱上的編碼，包裝盒、箱內(nèi)所有封印、電能表的編碼，需要識(shí)別的條形碼有一維碼（code 128）、二維碼（PDF417、QR code、Data Matrix）。本項(xiàng)目研制了一種基于LabVIEW的字符編碼檢測(cè)系統(tǒng)，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)整盒、箱產(chǎn)品進(jìn)行圖像采集，并可以根據(jù)產(chǎn)品位置自由設(shè)定條形碼的識(shí)別順序。

3.2.2 ? ?字符檢測(cè)與識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

（1）首先通過(guò)訓(xùn)練建立字符模板庫(kù)，根據(jù)字符在圖像分割時(shí)呈現(xiàn)的特征，可針對(duì)每個(gè)字符建立多模板，以增強(qiáng)模板匹配識(shí)別的適應(yīng)性。

（2）從圖像中分割出字符特征需應(yīng)用二值化方法，必須設(shè)定包含字符與背景的ROI（感興趣區(qū)域），在檢測(cè)開(kāi)始前先設(shè)定ROI，并保存于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，檢測(cè)時(shí)由程序自動(dòng)調(diào)用。

（3）字符識(shí)別的原理：對(duì)圖像中的所有字符編碼進(jìn)行二值化分割，然后將分割后的單個(gè)字符圖像與模板庫(kù)中的圖像進(jìn)行匹配運(yùn)算，將相似度得分最高的模板認(rèn)為與待識(shí)別的字符一致。

為提高字符識(shí)別率，本文提出了一種基于ROI智能調(diào)整及多模板匹配的字符識(shí)別方法，其原理是：

1）首先為每組字符編碼設(shè)定適當(dāng)大小的初始ROI;

2）設(shè)置ROI與字符之間的最小間距值（可以設(shè)置多個(gè)值）以及ROI在水平方向移動(dòng)的范圍;

3）對(duì)于字符分割導(dǎo)致識(shí)別錯(cuò)誤的情況，令ROI在初始位置的水平方向鄰域范圍內(nèi)移動(dòng)，直至ROI與字符之間的間隙超過(guò)最小間距值為止，再進(jìn)行字符分割、識(shí)別。在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成上述算法的編程。

（4）所有產(chǎn)品的條形碼信息都識(shí)別出來(lái)后，按照設(shè)定的要求進(jìn)行順序檢驗(yàn)與信息錄入，檢測(cè)所有編碼是否都符合要求。

3.2.3 ? ?編碼與字符軟件的開(kāi)發(fā)

編碼與字符軟件包含字符與編碼的設(shè)置、數(shù)據(jù)分析與處理，并能與計(jì)量封印管理軟件和電力營(yíng)銷系統(tǒng)進(jìn)行信息共享，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印的信息化管理。

3.2.4 ? ?計(jì)量物資編碼綁定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制

計(jì)量物資編碼綁定機(jī)構(gòu)主要通過(guò)滾筒傳輸帶傳送計(jì)量物資周轉(zhuǎn)箱，采用高速攝像頭配合圖像識(shí)別技術(shù)，同時(shí)對(duì)多個(gè)電能表資產(chǎn)編號(hào)進(jìn)行采集識(shí)別，在計(jì)量物資管理軟件中將識(shí)別的資產(chǎn)編號(hào)綁定至周轉(zhuǎn)箱號(hào)。機(jī)構(gòu)主要包括滾筒傳送裝置、識(shí)讀裝置、條碼打印裝置、觸摸控制模塊等。整機(jī)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

4 ? ?加封質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

4.1 ? ?技術(shù)原理

加封質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)、工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)控制、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件、人機(jī)接口等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印加封、加封質(zhì)量檢測(cè)、編碼識(shí)別與綁定等功能，具有高效、穩(wěn)定、通用性好等特點(diǎn)。

4.2 ? ?加封檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

4.2.1 ? ?基于光電傳感器的運(yùn)行狀態(tài)信息采集

光電傳感器主要負(fù)責(zé)采集自動(dòng)加封系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)機(jī)故障信號(hào)，由光纖傳感器、真空發(fā)生壓力傳感器、磁性開(kāi)關(guān)三類傳感器配合檢測(cè)，使整個(gè)系統(tǒng)正確有序地執(zhí)行指令。

4.2.2 ? ?基于機(jī)器視覺(jué)的信息采集

加封過(guò)程智能定位主要有圖像采集、圖像預(yù)處理、目標(biāo)匹配、計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)擬合、路徑計(jì)算、執(zhí)行幾個(gè)步驟。采用工業(yè)相機(jī)獲取裝配線上的實(shí)時(shí)圖像信號(hào)，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，即圖像灰度化、圖像降噪、圖像增強(qiáng)、分割圖像。提取施封孔部分同心圓圖像為特征，并以同心圓圓心作為中心建立圖像輪廓模板。在分割后的圖像窗口中搜索，用二維FFT（Fast Fourier Transform）算法進(jìn)行目標(biāo)匹配計(jì)算，搜索與模板最相似的兩個(gè)子圖。對(duì)標(biāo)定的目標(biāo)子圖進(jìn)行亞像素處理，利用線性插值法插入亞像素點(diǎn)獲取更多圖像細(xì)節(jié)，對(duì)處理后的圖像再次進(jìn)行模板匹配，以提高裝配精度。擬合計(jì)算目標(biāo)位置坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)械手移動(dòng)路徑，發(fā)送位移命令，實(shí)現(xiàn)水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行加封。

4.2.3 ? ?自動(dòng)加封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制

項(xiàng)目根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為五部分：電表輸送機(jī)構(gòu)、鎖封輸送機(jī)構(gòu)、加封機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)及信息采集機(jī)構(gòu)。其中電表輸送機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其工作效率、定位精度直接影響系統(tǒng)的其他機(jī)構(gòu);鎖封輸送機(jī)構(gòu)為系統(tǒng)源源不斷地提供鎖封物料，其穩(wěn)定高效的輸送是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的前提;加封機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵及重點(diǎn)難點(diǎn)，由于各種電表的尺寸差異及其他因素，對(duì)加封定位的通用性要求高;檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要是對(duì)加封質(zhì)量、編碼質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)判斷與分析;信息采集機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表、鎖封的信息采集，主要采用機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)。以上五個(gè)模塊的協(xié)同運(yùn)行，保證了加封檢測(cè)系統(tǒng)的順序運(yùn)行。

5 ? ?項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用基于高精度CCD的圖像采集技術(shù)及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)在線檢測(cè)軟件，克服掃描運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、背景復(fù)雜等影響，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的高精度檢測(cè)，屬于行業(yè)上的應(yīng)用創(chuàng)新。

（2）根據(jù)計(jì)量封印的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及檢測(cè)要求，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、光機(jī)電一體化技術(shù)等，開(kāi)發(fā)一套集送料、檢測(cè)與不良品處理等功能于一體的計(jì)量封印檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檢測(cè)過(guò)程的全自動(dòng)化。

（3）開(kāi)發(fā)一種在線檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，采用移動(dòng)通信技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量封印生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、安裝過(guò)程中的全壽命周期管理。且系統(tǒng)搭載Android系統(tǒng)的智能手機(jī)或智能平板電腦等移動(dòng)平臺(tái)，突破了管理過(guò)程中的時(shí)空限制。

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收稿日期：2020-07-21

作者簡(jiǎn)介：龍紫筠（1989—），女，湖南益陽(yáng)人，工程師，主要從事智能裝備研發(fā)及項(xiàng)目管理工作。