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，實現計量封印生產、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

根據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、動態閾值、特征提取等算法的應用提高系統的成像精度，提高檢測實時性、準確率及效率，滿足計量封印質量高精度、動態檢測的需求。

1.2 ? ?計量物資編碼綁定平臺

根據計量封印的標志要求，研究字符及條形碼視覺識別系統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，實現計量封印的信息化管理。

1.3 ? ?加封質量檢測系統

根據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及電力營銷管理系統進行數據交互，實現電能表與計量封印的資產管理。

2 ? ?裝配質量檢測系統

2.1 ? ?技術原理

裝配質量檢測系統通過機器視覺、圖像采集、運動目標識別檢測等技術，實現計量封印半成品、成品的質量檢測，替代肉眼檢測，真正實現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，瑕疵出現的原因主要包括產品設計問題、注塑焊接工藝參數問題及成型設備的不穩定因素，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 ? ?軟件開發過程

本項目的檢測系統以虛擬儀器LabVIEW為開發平臺，完成檢測系統的軟件程序，檢測系統分別通過ModBus協議和UDP協議與PLC控制系統和封印管理系統通信，將檢測結果與封印管理系統中的數據進行實時比對校驗。

2.4 ? ?檢測集成機構設計與研制

根據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，檢測系統高效、可靠，便于對資產進行信息化管理。

3.2 ? ?軟件開發過程

3.2.1 ? ?編碼檢測與識別的實現

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，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

（1）首先通過訓練建立字符模板庫，根據字符在圖像分割時呈現的特征，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開發環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

編碼與字符軟件包含字符與編碼的設置、數據分析與處理，并能與計量封印管理軟件和電力營銷系統進行信息共享，實現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

4.1 ? ?技術原理

加封質量檢測系統采用機器視覺、工業機器人自動控制、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、穩定、通用性好等特點。

4.2 ? ?加封檢測系統設計與開發

4.2.1 ? ?基于光電傳感器的運行狀態信息采集

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

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、執行幾個步驟。采用工業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，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，發送位移命令，實現水平多關節機器人的運動，進行加封。

4.2.3 ? ?自動加封系統的設計與研制

項目根據各執行機構實現的功能，將系統執行機構分為五部分：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運行的基礎，其工作效率、定位精度直接影響系統的其他機構;鎖封輸送機構為系統源源不斷地提供鎖封物料，其穩定高效的輸送是系統功能實現的前提;加封機構是整個系統的關鍵及重點難點，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;信息采集機構實現對電能表、鎖封的信息采集，主要采用機器視覺實現。以上五個模塊的協同運行，保證了加封檢測系統的順序運行。

5 ? ?項目創新點

（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在線檢測軟件，克服掃描運動目標、背景復雜等影響，實現計量封印在高速運動過程中的高精度檢測，屬于行業上的應用創新。

（2）根據計量封印的結構特點及檢測要求，采用現代設計技術、光機電一體化技術等，開發一套集送料、檢測與不良品處理等功能于一體的計量封印檢測裝置，實現產品檢測過程的全自動化。

（3）開發一種在線檢測監控系統，采用移動通信技術、藍牙技術、射頻識別技術，實現計量封印生產、包裝、運輸、安裝過程中的全壽命周期管理。且系統搭載Android系統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]

[1] FINKENZELLER K.射頻識別技術原理與應用[M].6版.王俊峰，宋起柱，彭瀟，等譯.北京：電子工業出版社，2015.

[2] 彭金萍，李福安，王艷瑋.基于二維碼的電能表防偽封印研制[J].電測與儀表，2006，43（9）：33-36.

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及項目管理工作。