指示表智能檢測(cè)分選系統(tǒng)的研究

周洪燕， 宿文玲

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

指示表智能檢測(cè)分選系統(tǒng)的研究

周洪燕， 宿文玲

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

文中研究了一套國(guó)內(nèi)首例智能指示表檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)器人、打標(biāo)機(jī)、指示表檢查儀、待檢料盒、合格/不合格料盒、工作平臺(tái)組成，以機(jī)器人為核心，依次完成對(duì)指示表的精度檢測(cè)、分選、打標(biāo)、裝箱等一系列流水線(xiàn)工作。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程為全自動(dòng)化檢測(cè)，無(wú)人工干預(yù)，節(jié)省人力成本，滿(mǎn)足指示表在檢定過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化檢定的快速高效的生產(chǎn)模式，具有十分重要的實(shí)用價(jià)值和極其廣闊的應(yīng)用前景。

指示表；智能；精度檢測(cè)

0 引言

指示表屬于精密測(cè)量?jī)x表，是機(jī)械工業(yè)以及實(shí)驗(yàn)室最常使用的儀表，在我國(guó)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(chǎng)需求量非常大。為了適應(yīng)市場(chǎng)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(yán)格的，所以，在指示表出廠(chǎng)前需要對(duì)其示值誤差進(jìn)行檢定，以判斷是否合格。目前，國(guó)外對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)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(jī)電一體化技術(shù)方面比較成熟，以德國(guó)的Mahr公司為例，已經(jīng)研究出能夠?qū)崿F(xiàn)快速、可靠、準(zhǔn)確檢定的全自動(dòng)指示表檢定儀，但其價(jià)格相當(dāng)昂責(zé)，很難被國(guó)內(nèi)的廣大用戶(hù)所接受。國(guó)內(nèi)普遍使用的是機(jī)械式檢定儀，也有一部分企業(yè)在使用半自動(dòng)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。總之，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)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(dòng)力來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。因此為了提高儀表精度、解放勞動(dòng)力，研制出一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、精度高、速度快、自動(dòng)化程度高，并且符合我國(guó)廣大用戶(hù)價(jià)位的全自動(dòng)指示表檢測(cè)系統(tǒng)，將對(duì)我國(guó)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(cè)系統(tǒng)，是一條自動(dòng)化檢測(cè)線(xiàn)，打破了傳統(tǒng)的指示表檢測(cè)方式，利用機(jī)器人自動(dòng)上下料技術(shù)、打標(biāo)機(jī)自動(dòng)打標(biāo)技術(shù)以及數(shù)字圖像處理技術(shù)，依次完成對(duì)指示表的檢測(cè)、分選、打標(biāo)、裝箱等一系列流水線(xiàn)工作。自動(dòng)地對(duì)指示表的示值進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)指示表檢測(cè)過(guò)程的智能化，從而完全省去檢定過(guò)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(jī)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(shì)、政策優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)，可節(jié)約資源，在國(guó)內(nèi)是首次將機(jī)器人應(yīng)用在指示表生產(chǎn)行業(yè)中，屬于新興項(xiàng)目，對(duì)國(guó)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(cè)分選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目研制的是一套國(guó)內(nèi)首例智能指示表檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)器人、打標(biāo)機(jī)、指示表檢查儀、待檢料盒、合格/不合格料盒、工作平臺(tái)組成，以機(jī)器人為核心，依次完成對(duì)指示表的檢測(cè)、分選、打標(biāo)、裝箱等一系列流水線(xiàn)工作。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程為全自動(dòng)化檢測(cè)，無(wú)人工干預(yù)，節(jié)省人力成本，滿(mǎn)足指示表在檢定過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化檢定的快速高效的生產(chǎn)模式。智能指示表檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。此套檢測(cè)系統(tǒng)包括機(jī)械、電氣、軟件，完全由我公司自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，成本較低，有較大的利潤(rùn)空間，批量生產(chǎn)后，能進(jìn)一步降低成本，使產(chǎn)品具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 整體結(jié)構(gòu)布局

1.2 工作流程

如圖1所示，機(jī)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(jìn)行精度檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)存至對(duì)應(yīng)的報(bào)告中，檢測(cè)完畢后計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)分選合格、不合格的指示表，機(jī)器人將不合格的指示表直接運(yùn)送至不合格料盒中，將合格的指示表運(yùn)送至打標(biāo)機(jī)處，打標(biāo)機(jī)為指示表打印表體序列號(hào)，同時(shí)此序列號(hào)將自動(dòng)存至計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)的被檢表的報(bào)告中，以備查詢(xún)打印，待打標(biāo)機(jī)打印完成，機(jī)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(jī)器人的選型

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

為了提高工作效率，機(jī)械手設(shè)計(jì)安裝兩個(gè)氣爪，可以分別抓取指示表。另外，此款機(jī)器人性?xún)r(jià)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(jì)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(jì)算機(jī)的高速性能和光柵技術(shù)的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)出這款操作靈活、使用方便的全自動(dòng)化式檢查儀，具有精度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

指示表檢查儀采用全自動(dòng)測(cè)量方式，采用雷塞兩軸運(yùn)動(dòng)控制卡，山洋步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，雷尼紹高精度光柵，以及采用德國(guó)映美精高分辨率相機(jī)。由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械卡具水平運(yùn)動(dòng)，機(jī)械卡具推動(dòng)指示表的測(cè)桿一起平移，從而帶動(dòng)指示表指針轉(zhuǎn)動(dòng)。高精度光柵作為位置反饋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指示表測(cè)桿的位移量，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的步長(zhǎng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)被檢點(diǎn)時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，軟件控制CCD采集圖像至計(jì)算機(jī)內(nèi)存，然后利用軟件對(duì)采集到的表盤(pán)圖像進(jìn)行處理（濾波、閾值分割、二值化、細(xì)化）以及利用Hough變換算法確定表針?biāo)谥本€(xiàn)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(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出此點(diǎn)處的示值誤差。然后，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光柵值，當(dāng)?shù)竭_(dá)下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)控制電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，采集圖像，圖像處理，計(jì)算誤差值，依次循環(huán)，直到所有的檢測(cè)點(diǎn)全部被檢測(cè)完，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到一組示值誤差數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，按照國(guó)標(biāo)計(jì)算各項(xiàng)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(shí)，檢測(cè)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以備查詢(xún)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(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)代替人眼，運(yùn)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(xiàng)技術(shù)的研究成功，實(shí)現(xiàn)了指示表檢定的自動(dòng)化，大大減少了檢定人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Access作為數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)工具，利用C#語(yǔ)言強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)模式，開(kāi)發(fā)出此指示表檢測(cè)軟件。軟件系統(tǒng)采用了面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的先進(jìn)思想，在開(kāi)始著手系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，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(gè)模塊具有特定的功能，同時(shí)各模塊相對(duì)獨(dú)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(kāi)發(fā)、維護(hù)和升級(jí)。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(cè)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(shí)代的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展，人工智能的應(yīng)用越來(lái)越普遍。將計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼來(lái)對(duì)指示表進(jìn)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(jī)CCD獲取表盤(pán)圖像，將圖像保存至計(jì)算機(jī)內(nèi)存，利用計(jì)算機(jī)的高速性能對(duì)表盤(pán)圖像進(jìn)行處理，然后運(yùn)用相關(guān)數(shù)字圖像處理方法對(duì)表盤(pán)圖像進(jìn)行預(yù)處理以及表針識(shí)別，確定出指示表表針的位置，從而計(jì)算指示表的示值誤差，并自動(dòng)完成各項(xiàng)誤差的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)指示表檢定的自動(dòng)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(dòng)檢定分選系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是以運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以及機(jī)械傳動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)指示表的自動(dòng)檢定。首先通過(guò)工業(yè)相機(jī)CCD獲取清晰的指示表表盤(pán)圖像，對(duì)獲取的圖像依次進(jìn)行平滑濾波、二值化、腐蝕、細(xì)化等預(yù)處理，然后通過(guò)Hough（哈夫）變換算法識(shí)別出指示表表針?biāo)谥本€(xiàn)的位置，利用指示表的分辨率、刻線(xiàn)數(shù)目等相關(guān)參數(shù)和指針位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出指示表的讀數(shù)。此數(shù)值就是計(jì)算機(jī)視覺(jué)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(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出示值誤差，并與國(guó)標(biāo)比對(duì)，得出檢定結(jié)論，完成指示表的檢定。

2.2 自動(dòng)上下料技術(shù)

將機(jī)器人應(yīng)用于指示表檢測(cè)領(lǐng)域，利用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，這是本系統(tǒng)最大的亮點(diǎn)。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程為全自動(dòng)化檢測(cè)，無(wú)人工干預(yù)，機(jī)器人不間斷地將指示表送至指示表檢查儀進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)器人根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)分選，分選完成后，由機(jī)器人抓取不合格的指示表運(yùn)送至不合格料盒，抓取檢測(cè)合格的指示表，將其運(yùn)送到打標(biāo)機(jī)進(jìn)行打標(biāo)，待打標(biāo)完成，將打標(biāo)完成的指示表運(yùn)送至合格料盒。完成自動(dòng)分選裝箱工作。

機(jī)械手采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣爪機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)指示表同時(shí)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(cè)功能，檢測(cè)在循環(huán)過(guò)程中的報(bào)警信號(hào)和待檢料盒無(wú)料以及合格/不合格料盒已滿(mǎn)信號(hào)，并給出提示。

2.3 自動(dòng)打標(biāo)技術(shù)

每塊指示表都有唯一的表體序列號(hào)，打印表體序列號(hào)是指示表生產(chǎn)的一道必備工序，此套檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了表體序列號(hào)打印的自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率。

在智能檢測(cè)系統(tǒng)流水線(xiàn)中，待指示表檢定合格后，機(jī)器人將指示表運(yùn)送到打標(biāo)機(jī)處，使用打標(biāo)機(jī)自動(dòng)打印表體的序列號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打標(biāo)，節(jié)省人力。打標(biāo)機(jī)選用的是ZL-GX10D激光打標(biāo)機(jī)，打印效果和打標(biāo)速度能夠滿(mǎn)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(guó)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(xiàng)目即是在工業(yè)機(jī)器人與智能測(cè)量?jī)x表領(lǐng)域開(kāi)展的創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目。指示表智能檢測(cè)分選系統(tǒng)是針對(duì)全自動(dòng)化生產(chǎn)為目的而設(shè)計(jì)的，應(yīng)用機(jī)器人代替人工在指示表生產(chǎn)行業(yè)完成產(chǎn)品的打標(biāo)、檢定、分選的全自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，形成一條高效節(jié)能的自動(dòng)化檢測(cè)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了指示表檢定過(guò)程的智能化，減少人力成本，提高效率，這將對(duì)我國(guó)的儀表生產(chǎn)和檢定發(fā)揮巨大的作用。

指示表智能檢測(cè)分選系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首例使用機(jī)器人代替人工完成指示表的檢測(cè)、打標(biāo)、分選、裝箱，實(shí)現(xiàn)了指示表檢測(cè)過(guò)程的智能化。哈量集團(tuán)是國(guó)內(nèi)精密量?jī)x產(chǎn)品最大制造商，每年生產(chǎn)的指示表類(lèi)產(chǎn)品的數(shù)量非常大，指示表的檢定工作也是一項(xiàng)龐大的工作量，該項(xiàng)目完成后，所研制的產(chǎn)品將替代原有的半自動(dòng)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(shí)對(duì)行業(yè)的科技進(jìn)步起到了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。

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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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2013zx04011-071）

（編輯黃 荻）

周洪燕（1982—），女，碩士，工程師，從事精密量?jī)x軟件設(shè)