基于圖像識別技術(shù)電子臺秤自動檢定裝置的研制

吳海軍，丁 斌，劉蘊婧

（南通市計量檢定測試所，江蘇南通 226000）

0 引言

電子臺秤為我們生活、生產(chǎn)中不可或缺的計量器具，它廣泛應(yīng)用于集貿(mào)市場、工廠的產(chǎn)品質(zhì)量檢測和企業(yè)的對外貿(mào)易結(jié)算中。我國《計量法》規(guī)定電子臺秤為法律規(guī)定的強制檢定計量器具。

根據(jù)《數(shù)字指示秤檢定規(guī)程》（JJG539—2015）要求，電子臺秤須要進行外觀檢查、置零準確度、稱量示值誤差、除皮準確度、除皮后的稱量示值誤差、重復(fù)性測試、偏載測試、鑒別力測試等十幾項的檢定［1］。根據(jù)每一臺電子臺秤的最大稱量，砝碼的選取通常為1、2、5、10、20、50 kg的不同組合，并且每一臺電子臺秤檢定都須要上百次的砝碼選取和放下工作。砝碼的組合選取判斷工作須要人腦計算，砝碼的拎取工作須要人力，而且比較危險。其次，電子臺秤的臺件數(shù)巨大，據(jù)不完全統(tǒng)計僅南通市就有三百多萬件，而且現(xiàn)在的人員數(shù)量完全達不到電子臺秤的檢定工作需求。由于其檢定工作相對單一，且勞動強度大，容易造成檢驗人員疲勞，從而可能影響到檢測的客觀準確性。

針對這些問題，本文設(shè)計了一種自動化智能檢測裝置可完美解決。該裝置結(jié)合了計算機自動測量控制系統(tǒng)、成像自動識別系統(tǒng)、砝碼自動加卸載系統(tǒng)、感量砝碼自動加卸載系統(tǒng)、鑒別閾砝碼自動加卸載系統(tǒng)、自動移位偏載測試系統(tǒng)等多種模塊于一體，能自動智能完成電子臺秤檢定所需的上百次的砝碼提取和放下工作，以及后續(xù)的證書記錄的自動生成，以期待實現(xiàn)檢測行業(yè)的自動智能化（智能檢定），解放人力，提高工作效率，降低檢定錯誤率，避免一些可能由人力操作帶來的安全隱患，并能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)的電子臺秤設(shè)備檢定工作主要還是靠人工搬運砝碼為主，少有機械設(shè)備的研制成功，目前這一塊在市場上還有很大的空白，當(dāng)然也有不少同行及測試院在此領(lǐng)域進行過一些初步嘗試。朱浩等［2］介紹了一種電子臺秤自動檢測裝置，但結(jié)構(gòu)相對單一，無法實現(xiàn)人工智能檢測及檢測報告的自動化出具，實用性大打折扣；王成福［3］介紹了一種采用PLC編程的程序軟件控制系統(tǒng)，但操作性相對復(fù)雜，真正運行起來機器容易疲勞，容易發(fā)生故障，使用起來也不方便；陳桂蘭等［4］改用PC機、單片機和傳感器組合代替原來的PLC控制，但也未從根本上解決疲勞問題，且無法做到人工智能識別的程度。綜上，還有其他很多人也相繼在此領(lǐng)域做出一些努力，取得了一定的進展，但結(jié)果都有一定的缺陷，無法真正意義上實現(xiàn)人工智能檢定，自動化程度也有待提高。

2 研究思路分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計（制造）方案

本機采用直接加載載荷方式，即直接利用專用高精度砝碼的來復(fù)現(xiàn)質(zhì)量。整個裝置由機架、反向架機構(gòu)、砝碼組、砝碼升降機構(gòu)、偏載移動機構(gòu)、控制柜等組成，其整體外觀如圖1所示。其操作由計算機軟件自動控制，自動完成檢測全部過程，自動產(chǎn)生數(shù)據(jù)報表及圖形曲線。

2.2 功能部分組成

（1）本機的測量由二圈靜重砝碼和一組感量砝碼實現(xiàn)。每組砝碼既可單獨動作完成力值測量，也可通過砝碼組合機構(gòu)相互組合完成測量。

（2）砝碼升降機構(gòu)是由二組獨立的升降平臺組成，完成內(nèi)圈砝碼組和外圈砝碼組的單獨或組合掛載，通過升降平臺的升降實現(xiàn)所需質(zhì)量的加載和卸載。感量砝碼組由單獨的升降機構(gòu)實現(xiàn)感量砝碼的加載和卸載。

（3）自動控制機構(gòu)由計算機軟件編程完成整個測量過程。即根據(jù)要求通過砝碼組合機構(gòu)掛載砝碼，然后選擇需要測量的量程子程序即可由計算機控制整個測量過程。

（4）反向架機構(gòu)實現(xiàn)拉力測量，該機構(gòu)由微電機驅(qū)動，計算機控制其上梁上下移動，滿足被檢傳感器的測量空間要求。該機構(gòu)無論是對壓力傳感器還是拉力傳感器均可由計算機控制其測量空間的位移要求。

電子臺秤自動檢定裝置的細節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2—6所示，砝碼升降平臺包括反向架、偏載移動均靠電機驅(qū)動。砝碼結(jié)構(gòu)是由一大串砝碼空心嵌套為一個整體，通過下降高度的控制來達到所需要的砝碼稱量。電子臺秤的鑒別力測試主要是通過感量砝碼來實現(xiàn)，它是由一串單獨的砝碼置于電子臺秤平臺上方由電機驅(qū)動控制其升降過程。

此外，圖中不含成像自動識別系統(tǒng)，它是由一顆高清攝像頭固定于電子臺秤顯示屏前方，用于讀取顯示數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)將讀取到的設(shè)備信息自動輸入計算機中，從而大大提高工作效率。

3 軟件開發(fā)介紹

該機軟件采用美國國家儀器的LABVIEW軟件編寫，并按照數(shù)字臺稱檢定規(guī)程JJG539—2016的要求，通過PC機進行高速數(shù)據(jù)采集、處理、保存、打印等實現(xiàn)全自動化檢測，也可進行手動控制，并配有自動故障判斷停機系統(tǒng)及人為緊急停止裝置。

圖1 產(chǎn)品總體外觀圖2 砝碼升降平臺

圖3 砝碼結(jié)構(gòu)

圖4 感量砝碼

圖5 反向架、偏載移動及平臺上升下降裝置

圖6 反向架提升及感量砝碼加載

電路系統(tǒng)采用數(shù)字集中控制器，方便維護，可實現(xiàn)遠程故障診斷，系統(tǒng)運行更加可靠，故障率大大降低。

3.1 軟件特點

（1）采用美國國家儀器的控制系統(tǒng)，該公司的LABVIEW系統(tǒng)具有良好的操控性及卓越的穩(wěn)定性，且控制界面友好，試驗時全部是人性化的圖形界面可以減少人為誤操作，是目前全世界最高端的工業(yè)控制系統(tǒng)，并被廣泛應(yīng)用在國防航天航空等的自動軌跡控制等領(lǐng)域。

（2）采樣率高，最高可以達到10 MHz的采樣率，并有良好的濾波能力和智能通信系統(tǒng)，可以方便地采集各種型號的儀表數(shù)據(jù)，并直接在計算機上顯示，實現(xiàn)自動校準。

（3）計算機自動伺服控制試驗過程，自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集和處理、打印，并可人為任意設(shè)置加卸載及測試方案，測試數(shù)據(jù)符合GB/T7551—2007的要求及處理方式，自動生成原始測試記錄，并按照客戶要求生成自己固定格式的校準報告。軟件界面展示如圖7—8所示。

4.2 控制方式

（1）手動控制。通過計算機可進行手動加、卸載控制。

（2）自動控制。主要由計算機先前編好的程序自動控制，其控制過程主要分為4步。①測試過程管理：根據(jù)需要選擇合適的測試程序；②測試參數(shù)采集：測試過程中計算機會自動記錄數(shù)據(jù)；③測試參數(shù)處理：根據(jù)測試數(shù)據(jù)自動判別結(jié)果合格與否及誤差等級等參數(shù)；④打印輸出：可按用戶提供樣本及格式打印生成報告。

4 結(jié)語

本文針對目前市場上對電子臺秤智能檢定方面的空白，介紹了一種基于圖像識別技術(shù)電子臺秤自動智能檢定裝置，解決了傳統(tǒng)檢測中只能由人工搬運的問題，完美地實現(xiàn)了各種檢定過程中的稱量測試、偏載測試、重復(fù)性測試、鑒別力測試等過程，解決了檢定過程中可能遇到的其他困難，并且該系統(tǒng)能與本所數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)對接，實現(xiàn)基本信息自動錄入，從而自動生成原始記錄及證書報告，將檢測人員從繁瑣的重復(fù)性勞動中解放出來，大大地提高了工作效率，從而真正意義上實現(xiàn)了人工智能檢定。

圖7 檢定界面

圖8 報告處理界面