基于機器視覺的計量封印自動檢測技術研究與應用

龍紫筠 梁健文 梁世昌

摘要：針對計量封印制造、包裝、安裝過程的檢測需求，應用光機電一體化、現(xiàn)代設計、機器視覺、編碼識別及通信等技術，研制基于機器視覺的計量封印在線質量檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)計量封印生產、標志、安裝質量的全自動、高速、高精度在線識別與檢測，并進行瑕疵分類處理，旨在為電力行業(yè)計量封印的生產及管理提供完整的在線檢測與處理方案，實現(xiàn)計量封印的自動化、智能化、信息化生產與管理。

關鍵詞：計量封印;自動檢測技術;裝配質量;包裝質量;加封質量

1 ? ?主要研究內容

基于機器視覺的計量封印在線質量檢測系統(tǒng)主要包括裝配質量檢測、包裝質量檢測及加封質量檢測三個部分。

1.1 ? ?裝配質量檢測系統(tǒng)

根據(jù)計量封印的結構特點及生產裝配工藝，研究產品缺陷在線檢測軟件及集送料、定位、圖像采集、瑕疵分類處理、下料等功能于一體的產品缺陷檢測裝置。其中，軟件通過噪聲抑制、背景減除、圖像分割、動態(tài)閾值、特征提取等算法的應用提高系統(tǒng)的成像精度，提高檢測實時性、準確率及效率，滿足計量封印質量高精度、動態(tài)檢測的需求。

1.2 ? ?計量物資編碼綁定平臺

根據(jù)計量封印的標志要求，研究字符及條形碼視覺識別系統(tǒng)及計量物資編碼綁定平臺。研究計量封印產品物資編碼快速識別的檢測方法，實現(xiàn)字符編碼及條形碼的自動識別和錄入，并通過平臺管理軟件識別資產編號，綁定至周轉箱號，實現(xiàn)計量封印的信息化管理。

1.3 ? ?加封質量檢測系統(tǒng)

根據(jù)計量封印的檢定與加封要求，研究電能表的加封檢測集成裝置，實現(xiàn)電能表智能定位、封印自動配料、自動加封、加封質量檢測、電能表編碼和計量封印編碼檢測、編碼自動綁定等功能，并可以與智能鎖封管理系統(tǒng)及電力營銷管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)電能表與計量封印的資產管理。

2 ? ?裝配質量檢測系統(tǒng)

2.1 ? ?技術原理

裝配質量檢測系統(tǒng)通過機器視覺、圖像采集、運動目標識別檢測等技術，實現(xiàn)計量封印半成品、成品的質量檢測，替代肉眼檢測，真正實現(xiàn)了計量封印的全自動化生產。

2.2 ? ?檢測需求分析

目前計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)的原因主要包括產品設計問題、注塑焊接工藝參數(shù)問題及成型設備的不穩(wěn)定因素，目前采用肉眼進行檢測，耗時耗力，且容易因視覺疲勞導致誤判。

2.3 ? ?軟件開發(fā)過程

本項目的檢測系統(tǒng)以虛擬儀器LabVIEW為開發(fā)平臺，完成檢測系統(tǒng)的軟件程序，檢測系統(tǒng)分別通過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，將檢測結果與封印管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行實時比對校驗。

2.4 ? ?檢測集成機構設計與研制

根據(jù)計量封印的結構特點、檢測要求及裝配工藝要求，項目應用光機電一體化技術、現(xiàn)代設計技術、自動控制技術、電機驅動技術等，研制出集成送料、定位、卸料與瑕疵處理等功能的計量封印裝配質量在線檢測裝置，并具有全自動化、高速、高精度、通用性強等特點（圖1、圖2）。

3 ? ?計量物資編碼綁定平臺

3.1 ? ?技術原理

計量物資編碼綁定平臺通過機器視覺、自動控制、編碼識別、通信、信息處理等技術，實現(xiàn)計量封印的標志質量檢測、字符及條形碼識別及編碼綁定，檢測系統(tǒng)高效、可靠，便于對資產進行信息化管理。

3.2 ? ?軟件開發(fā)過程

3.2.1 ? ?編碼檢測與識別的實現(xiàn)

計量物質的編碼主要包括包裝盒、箱上的編碼，包裝盒、箱內所有封印、電能表的編碼，需要識別的條形碼有一維碼（code 128）、二維碼（PDF417、QR code、Data Matrix）。本項目研制了一種基于LabVIEW的字符編碼檢測系統(tǒng)，采用機器視覺技術對整盒、箱產品進行圖像采集，并可以根據(jù)產品位置自由設定條形碼的識別順序。

3.2.2 ? ?字符檢測與識別的實現(xiàn)

（1）首先通過訓練建立字符模板庫，根據(jù)字符在圖像分割時呈現(xiàn)的特征，可針對每個字符建立多模板，以增強模板匹配識別的適應性。

（2）從圖像中分割出字符特征需應用二值化方法，必須設定包含字符與背景的ROI（感興趣區(qū)域），在檢測開始前先設定ROI，并保存于計算機硬盤中，檢測時由程序自動調用。

（3）字符識別的原理：對圖像中的所有字符編碼進行二值化分割，然后將分割后的單個字符圖像與模板庫中的圖像進行匹配運算，將相似度得分最高的模板認為與待識別的字符一致。

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

1）首先為每組字符編碼設定適當大小的初始ROI;

2）設置ROI與字符之間的最小間距值（可以設置多個值）以及ROI在水平方向移動的范圍;

3）對于字符分割導致識別錯誤的情況，令ROI在初始位置的水平方向鄰域范圍內移動，直至ROI與字符之間的間隙超過最小間距值為止，再進行字符分割、識別。在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中完成上述算法的編程。

（4）所有產品的條形碼信息都識別出來后，按照設定的要求進行順序檢驗與信息錄入，檢測所有編碼是否都符合要求。

3.2.3 ? ?編碼與字符軟件的開發(fā)

編碼與字符軟件包含字符與編碼的設置、數(shù)據(jù)分析與處理，并能與計量封印管理軟件和電力營銷系統(tǒng)進行信息共享，實現(xiàn)計量封印的信息化管理。

3.2.4 ? ?計量物資編碼綁定機構設計與研制

計量物資編碼綁定機構主要通過滾筒傳輸帶傳送計量物資周轉箱，采用高速攝像頭配合圖像識別技術，同時對多個電能表資產編號進行采集識別，在計量物資管理軟件中將識別的資產編號綁定至周轉箱號。機構主要包括滾筒傳送裝置、識讀裝置、條碼打印裝置、觸摸控制模塊等。整機設計圖如圖3所示。

4 ? ?加封質量檢測系統(tǒng)

4.1 ? ?技術原理

加封質量檢測系統(tǒng)采用機器視覺、工業(yè)機器人自動控制、傳感器、計算機軟硬件、人機接口等技術，實現(xiàn)計量封印加封、加封質量檢測、編碼識別與綁定等功能，具有高效、穩(wěn)定、通用性好等特點。

4.2 ? ?加封檢測系統(tǒng)設計與開發(fā)

4.2.1 ? ?基于光電傳感器的運行狀態(tài)信息采集

光電傳感器主要負責采集自動加封系統(tǒng)的運行狀態(tài)信號機故障信號，由光纖傳感器、真空發(fā)生壓力傳感器、磁性開關三類傳感器配合檢測，使整個系統(tǒng)正確有序地執(zhí)行指令。

4.2.2 ? ?基于機器視覺的信息采集

加封過程智能定位主要有圖像采集、圖像預處理、目標匹配、計算目標坐標擬合、路徑計算、執(zhí)行幾個步驟。采用工業(yè)相機獲取裝配線上的實時圖像信號，對圖像進行預處理，即圖像灰度化、圖像降噪、圖像增強、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）算法進行目標匹配計算，搜索與模板最相似的兩個子圖。對標定的目標子圖進行亞像素處理，利用線性插值法插入亞像素點獲取更多圖像細節(jié)，對處理后的圖像再次進行模板匹配，以提高裝配精度。擬合計算目標位置坐標，計算機械手移動路徑，發(fā)送位移命令，實現(xiàn)水平多關節(jié)機器人的運動，進行加封。

4.2.3 ? ?自動加封系統(tǒng)的設計與研制

項目根據(jù)各執(zhí)行機構實現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)執(zhí)行機構分為五部分：電表輸送機構、鎖封輸送機構、加封機構、檢測機構及信息采集機構。其中電表輸送機構是整個系統(tǒng)運行的基礎，其工作效率、定位精度直接影響系統(tǒng)的其他機構;鎖封輸送機構為系統(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)功能實現(xiàn)的前提;加封機構是整個系統(tǒng)的關鍵及重點難點，由于各種電表的尺寸差異及其他因素，對加封定位的通用性要求高;檢測機構主要是對加封質量、編碼質量進行檢測判斷與分析;信息采集機構實現(xiàn)對電能表、鎖封的信息采集，主要采用機器視覺實現(xiàn)。以上五個模塊的協(xié)同運行，保證了加封檢測系統(tǒng)的順序運行。

5 ? ?項目創(chuàng)新點

（1）采用基于高精度CCD的圖像采集技術及運動目標識別檢測技術開發(fā)在線檢測軟件，克服掃描運動目標、背景復雜等影響，實現(xiàn)計量封印在高速運動過程中的高精度檢測，屬于行業(yè)上的應用創(chuàng)新。

（2）根據(jù)計量封印的結構特點及檢測要求，采用現(xiàn)代設計技術、光機電一體化技術等，開發(fā)一套集送料、檢測與不良品處理等功能于一體的計量封印檢測裝置，實現(xiàn)產品檢測過程的全自動化。

（3）開發(fā)一種在線檢測監(jiān)控系統(tǒng)，采用移動通信技術、藍牙技術、射頻識別技術，實現(xiàn)計量封印生產、包裝、運輸、安裝過程中的全壽命周期管理。且系統(tǒng)搭載Android系統(tǒng)的智能手機或智能平板電腦等移動平臺，突破了管理過程中的時空限制。

[參考文獻]

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收稿日期：2020-07-21

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