基于機器視覺與檢定軟件的壓力表自動檢定裝置

韋桂櫻

（廣東省茂名市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東茂名 525000）

在食品制造機械領(lǐng)域，壓力表應(yīng)用于油脂加工機械、食品加工機中，壓力參數(shù)極其重要，而對壓力參數(shù)進行測試的裝置就是壓力表，壓力表不僅造價低，而且使用方便。按照食品制程業(yè)相關(guān)的行業(yè)標準JB/T 53198-1999《滾壓式封口機 產(chǎn)品質(zhì)量分等》，SC/T 6024-2003《小包裝食品用壓力蒸汽滅菌裝置》等，壓力表的檢定項目屬于強制性質(zhì)，檢定的間隔期為6 個月，存在很大的檢測工作量，而且人工檢定誤差問題一直難以解決。機器視覺技術(shù)的普及顯著提升了工業(yè)自動化水平，降低了體力勞動的強度，改善了社會工作結(jié)構(gòu)。在計量領(lǐng)域應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)，既可以降低成本又可以確保檢定的準確性。因此，本文以LabVIEWVision 開發(fā)模塊為基礎(chǔ)，以PACE7000 作為壓力控制器和壓力源，進行壓力表自動化檢定裝置的設(shè)計。

1 機器視覺與圖像處理

1.1 機器視覺

顧名思義，在測量和判斷過程中利用機器代替人眼，稱之為機器視覺。具體地說，就是數(shù)字計算機自動處理圖像后并說明“圖像中有什么”的操作，也就是對圖像中內(nèi)容進行識別。由此也稱其為計算機視覺。一個工業(yè)機器視覺標準的系統(tǒng)包括：相機、鏡頭、光源、圖像處理單元、通信與輸出單元、監(jiān)視器、圖像處理軟件等。該系統(tǒng)的運行原理是，利用相機進行圖像獲取，圖像處理單元將獲取的圖像進行數(shù)字化處理，按照顏色、亮度和像素分布等信息，借助相關(guān)的算法，判斷、識別顏色、形狀和尺寸。之后能夠參考判別的結(jié)果來有效控制某些設(shè)備動作。機器視覺系統(tǒng)讓工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度和柔性顯著提升。特別是在某些不適合人員操作或者檢測的危險工作環(huán)境中，都選擇機器視覺取代人工視覺。在自動化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如果利用人工進行產(chǎn)品質(zhì)量檢查，會因為檢測者主觀因素的影響，檢測質(zhì)量缺乏精準度。所以，應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)讓生產(chǎn)效率顯著提升，將人員從重復(fù)而繁重的工作中解脫出來。當(dāng)前，在質(zhì)量控制、成品檢測等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)。

1.2 圖像處理技術(shù)

圖像處理具體來說是指處理數(shù)字圖像，是機器視覺的重要組成部分。通常將通過采樣后進行數(shù)字化的二維數(shù)組叫做數(shù)字圖像，像素就屬于二維數(shù)組的元素范疇?；叶戎档臄?shù)量大約為元素的值即是以整數(shù)存在的灰度值，通常處理圖片的規(guī)格皆為8 bit 的BMP 圖像，灰度值的數(shù)量大約為255 個。圖像處理的內(nèi)容包括對圖像進行形態(tài)學(xué)的處理和分析，圖像數(shù)字化、圖像增強和復(fù)原，以及圖像壓縮等。按照不同圖像處理的特點，將相關(guān)技術(shù)劃分為關(guān)聯(lián)性和區(qū)別性協(xié)同作用：對圖像的處理、分析和理解。所謂的圖像工程就是三者結(jié)合的產(chǎn)物，即包括既有關(guān)聯(lián)性又有差異性的圖像處理、分析和理解三個環(huán)節(jié)，促使三者緊密結(jié)合，并進行工程的實際應(yīng)用。通常圖像處理就是變換圖像與圖像之間的關(guān)系。在狹義上講，圖像處理就是加工和處理圖像，一方面是進行圖像清晰度的改善，一方面更有助于之后的圖像識別，另外圖像處理也包括為了減少傳輸時間和存儲空間所進行的圖像編碼壓縮。圖像分析就是檢測圖像中感興趣的區(qū)域，進而獲取圖像并理解圖像。圖像理解的關(guān)鍵意義是按照圖像分析結(jié)果，進一步研究圖像中的目標特征，并獲取針對圖像目標的解釋，進而對行動進行規(guī)劃指導(dǎo)。針對精密壓力表的圖像處理，主要采取形態(tài)學(xué)和圖像分析方式。例如膨脹腐蝕、閾值分割二值化、濾波等[1]。

2 檢定軟件的工作原理

2.1 檢定裝置組態(tài)

本研究選用的組態(tài)軟件為北京某科技公司的組態(tài)王軟件7.55，該軟件屬于中文操作系統(tǒng)，應(yīng)用于WindowsNT/2000/XP 中，圖形界面生產(chǎn)功能十分完善，能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場進行形象逼真的描繪?？梢蕴峁┒喙δ艿目丶涂丶瘮?shù)以及種類眾多的I/O 驅(qū)動程序，該軟件通信參數(shù)和設(shè)備配置具體為以下內(nèi)容。

2.1.1 通信參數(shù)

波特率：9 600；通信方式：RS232；數(shù)據(jù)位：7；通信超時：3 000 ms；奇偶效驗：偶效驗；停止位：2。

2.1.2 設(shè)備配置

本研究利用歐姆龍Hostlink 公司生產(chǎn)的PLC；以串口（COM1）作為通信方式。選擇北京某公司生產(chǎn)的視覺控制器進行串口數(shù)據(jù)發(fā)送；采用串口（COM2）作為通信方式。

2.2 檢定裝置主控制界面

本研究檢定裝置檢定界面主要包括：控制流程、允許變動量輸入、電磁閥控制開關(guān)、回差允許值、檢定點、允許誤差值、標準壓力值、待檢定點數(shù)、已檢定點數(shù)等。

2.3 檢定裝置檢定記錄表

本研究的檢定裝置檢定記錄表界面的主體就是報表控件，具體包括：打印檢定記錄表、數(shù)據(jù)填表、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)查詢等功能。以確保在記錄表中正確地填入檢定的數(shù)據(jù)，讓檢定任務(wù)完成。

2.4 檢定裝置檢定證書界面

檢定證書設(shè)計及操作系統(tǒng)主要由操作按鈕和報表控件構(gòu)成，具體包括：打印設(shè)置、存表、讀表、增加、列表式組合框。在此基礎(chǔ)上有效完成檢定裝置檢定證書的打印操作[2]。

3 壓力表自動化檢定裝置硬件設(shè)計

3.1 檢定裝置

通常情況下，應(yīng)用的壓力表泛指為指針式壓力表，本文提出自動檢定的整體方案是針對指針時壓力表的檢定，如圖1 所示。主要有本文重點闡述的壓力控制機器PACE7000、通訊線束、專用工業(yè)照相機、工控機、打印機等。利用CCD 作為專用工業(yè)相機，通信協(xié)議遵照RS485 串口模式，與計算機相連的是USB 口；利用LAN 口完成主機與PACE7000 壓力控制臺的通訊；利用USB 口連接打印機。參照PACE7000 壓力控制器的通信控制協(xié)議，全自動壓力表檢定裝置可以借助自主開發(fā)的檢定軟件進行壓力的自動控制，可以通過精準度極高的數(shù)字壓力傳感器有效獲取標準壓力值，利用CCD 工業(yè)相機參照指針識別算法進行壓力數(shù)的讀取，根據(jù)JJG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》檢定規(guī)程，進行各項誤差值計算后給出檢定結(jié)果。

圖1 壓力表自動檢定總體方案

3.2 檢定程序

壓力表自動檢定過程設(shè)計如下：將壓力表安裝到計量工裝，鏡頭與表盤呈現(xiàn)平行狀態(tài)；將表的自動計量軟件開啟；將通訊串口與工業(yè)計算機的接口打開；進行“開始檢定”的操作，向控制器發(fā)送指令，進行對應(yīng)壓力值的輸出，借助串口向工控機實時傳送壓力值；按照相關(guān)算法，工業(yè)相機進行被測壓力表示值的實時計算，然后將計算結(jié)果與相同準確度壓力傳感器的標準壓力值進行對比，獲取不同壓力點對照的誤差，并進行回程誤差、示值誤差的計算，按照壓力表等級求出對照的檢定結(jié)果，最終將檢定記錄表打印出來[3]。

4 壓力表自動化檢定裝置軟件設(shè)計

4.1 圖像采集及二值化處理模塊

針對壓力表自動化檢定裝置軟件的設(shè)計，主要包括兩個部分：壓力表自動讀數(shù)識別程序和壓力表表盤圖像采集程序。首先利用機器視覺（LabVIEW）軟件平臺編程，操縱CCD工業(yè)相機實時采集壓力表的圖像。將這些圖像計算處理后，讀取壓力表指針的數(shù)值。將獲取的圖像讀入并存儲，通過IMAQThreshold 實施二值化處理圖像，將背景噪聲影響數(shù)值識別的程度降到最低。閾值范圍的確定可以利用IndexArray和ForLoop 的循環(huán)端口VI 實現(xiàn)，而閾值范圍的設(shè)置則是利用IMAQThreshold 完成。設(shè)定超過閾值時亮度最小，僅為0，低于閾值時亮度最大，可達255。根據(jù)以上的方式，可以獲取壓力表二值化的圖像（如圖2 所示）。

圖2 圖像采集及處理程序

4.2 壓力表讀數(shù)識別模塊

在該軟件系統(tǒng)的設(shè)計中，可以設(shè)定學(xué)習(xí)階段和讀數(shù)階段兩個階段進行壓力表圖像示數(shù)的讀取。針對學(xué)習(xí)階段，獲得圖像對照的像素點的數(shù)值，可以通過Vision Assistant 完成，同時在相應(yīng)的數(shù)組中輸入，輸入兩個數(shù)組的連接到IMAQconvert IinetoROI 的函數(shù)中，然后通過兩個IMAQconvert IinetoROI 函數(shù)規(guī)定儀表的初始值和滿量程值的位置，利用IMAQconvert IinetoRO 有效組合兩個階段的ROI，有效輸入IMAQGetMeter 的學(xué)習(xí)函數(shù)。

完成學(xué)習(xí)過程后，進行儀表指針的旋轉(zhuǎn)位置中心和一個數(shù)組的輸出。其中數(shù)組元素表示一條刻度弧線上初始值和滿量程值各個點的位置，讀數(shù)階段儀表讀數(shù)的計算就利用這些點進行。以學(xué)習(xí)階段的輸出為基礎(chǔ)完成讀數(shù)階段，當(dāng)前讀數(shù)的所處位置的百分比，IMAQ Read Meter 可以借助檢測儀表指針的位置來確定，有效計算儀表的真實讀數(shù)。在本系統(tǒng)的設(shè)計運行結(jié)果中，既可以顯示讀數(shù)值，還能夠在圖像中清晰顯示ROI，以及有效顯示學(xué)習(xí)過程返回數(shù)組中的各個點的位置以及指針指向的位置[4]。

4.3 壓力表通信與控制模塊

在該模塊的設(shè)計中，PACE7000 全自動液壓控制器與軟件的通訊是利用RS485 串口完成；而工業(yè)相機（CCD）與軟件的通訊是通過標準的USB 接口實現(xiàn)。在LabVIEW 中，利用RS485 串口通信方式應(yīng)用VISA。作為儀器編程標準I/OAPI 的VISA，其編程利用面向?qū)ο蟮姆绞?，其獨立性、擴展性和兼容性極佳；VISA 能夠有效控制VXI 或PXI 儀器、CPIB、以太網(wǎng)、串口、USB 等，同時按照應(yīng)用儀器的類型進行相應(yīng)驅(qū)動程序的調(diào)用，免除了用戶學(xué)習(xí)各種儀器通信協(xié)議的麻煩；VISA 無需依賴總線、操作系統(tǒng)和編程環(huán)境，完全可以在各類的操作系統(tǒng)、設(shè)備類型、編程語言中應(yīng)用相同的API。

在該軟件系統(tǒng)的設(shè)計中，可以利用如下步驟進行與PACE7000 壓力控制器的串口通信。首先初始化串口后進行配置，利用visa config ure serialport 進行基本配置的設(shè)定，包括串口的端口率、波特率等。初始化的設(shè)計完成后，進行串口讀寫，根據(jù)PACE7000 通信控制協(xié)議的指令調(diào)用VISAWrite，然后VISARead 對協(xié)議指令進行對應(yīng)的寫入和讀取，以及對相關(guān)條件的確定，進而實現(xiàn)壓力控制器的操作程序，在設(shè)定的順序結(jié)構(gòu)的最后，利用MSOffic Report 模塊輸出和打印全部記錄，完成打印后應(yīng)用函數(shù)VISACIose 關(guān)閉串口[5]。

5 結(jié)束語

本文以LabVIEW 機器視覺的功能為基礎(chǔ)，借助圖像處理技術(shù)，參考虛擬儀器串口通信理論，設(shè)計一套集機器視覺模擬量讀取、圖像采集、判斷決策以及I/O 控制于一身的壓力表自動化檢定裝置。同時，壓力表自動檢定裝置利用了前沿的可編程控制器、機器視覺技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)的結(jié)合，按照JJG 52-2013 的標準，性能指標完全滿足相關(guān)要求，降低和避免了因為人工檢定壓力表產(chǎn)生的誤差，促進壓力表檢定效率和準確性的大幅度提升，讓相關(guān)的檢定水平再上新臺階，以推動壓力表在各個領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。