摘 要：針對機械式水表檢定存在人眼讀數誤差大和現有檢定裝置能力的不足，以實現水表準確讀數、自動化檢定為目標，研發了一種基于機器視覺的水表檢定一體機，采用模板匹配定位梅花針并計算轉速，設計了具有方向性的水表托盤和立體式流水線，利用PLC搭建控制系統，實現了集水表輸送、掃碼、鎖緊表罩、抽真空、注水、誤差檢定、分揀為一體的高精度、高效率檢定。
關鍵詞：機器視覺；水表檢定 ； 一體機
0 引言
隨著城鎮化改革的推進，新增水表的需求量非常大，相應地水表檢測的工作量也非常巨大。為了滿足日益增長的水表出貨量以及國家對水表強制檢定的要求，采用全自動檢定裝置成為一種必然的趨勢?，F有的水表檢定裝置多數以人工操作、人工讀數的檢測方式，效率低下，勞動強度大[1]，檢測結果易受到人為因素干擾。因此，有必要研發一種自動化程度高的水表檢定裝置。
目前國內主要采用光電脈沖法[2-3]和靜態圖像法[4-5]對檢定臺改造升級，實現實時水表自動化檢測，但其僅局限于對水表自動讀數的研究，國內對于水表檢定一體機的研究還處于空白。本文運用機器視覺技術結合PLC技術搭建控制系統，采用抽真空注水的方式，并設計了具有方向性的水表托盤和立體式流水線，研制出水表檢定一體機。
1 水表檢定一體機結構設計
1.1 整體結構設計
水表檢定一體機主要由視覺在線檢定系統，PLC控制系統、鎖緊裝置、掃碼器、抽真空注水裝置、通水裝置、托盤、流水線、兩軸機械手等部分組成。具體結構見圖1。
圖1 水表檢定一體機整機圖
為節約空間，流水線采用上下立體循環結構，流水線上放置6個托盤。托盤負責輸送水表，使用光電傳感器檢測托盤，控制阻擋氣缸動作，讓托盤在指定位置停止，設置掃碼器讀取水表一維碼，鎖緊工位的頂升氣缸將托盤頂起，鎖緊裝置鎖緊水表表罩，升降臺1將托盤輸送至下層流水線，水表輸送至抽真空注水工位，托盤被頂起，卡緊，旋轉180°開始抽真空注水。注水完成后，水表送至檢定工位；同樣托盤被頂起，水表卡緊，開始檢定，流量計計算通過水表水流的標準體積，視覺系統檢測水表示值，采用“比對法”計算水表誤差，判斷水表是否合格。升降臺2將檢定后的水表輸送至上層流水線，兩軸機械手通過吸盤將合格的水表分揀到合格區，將不合格的水表分揀至不合格區，工作流程如圖2所示。
圖2 工作流程圖
1.2 托盤設計
以流水線的方式送檢水表，需要保證水表方向的一致性。在相機采集圖像時，要盡可能保證水表表盤垂直于相機光軸，同時，在到達每個工位時，水表還要完成自動裝配。為了解決上述問題，本文設計了水表專用托盤，其結構如圖3所示。
圖3 水表專用托盤
2 水表檢定一體機控制系統設計
2.1 控制系統方案
本機共有5個工位，分別是掃碼工位、鎖緊工位、抽真空注水工位、檢定工位、分揀工位，并在各工位中設置光電傳感器和阻擋器。工作過程中要求控制系統使托盤上的水表按順序在不同工位自動完成指定動作，即實現水表輸送時在相應的工位自動停止或裝配，完成掃碼、鎖緊表罩、抽真空注水、注水、誤差檢定、分揀等一系列動作。臺達PLC以高速、穩健、高可靠度而著稱，廣泛應用于各種工業自動化機械[6]。本文設計了基于臺達PLC及人機界面的雙工位水表檢定一體機控制系統，主要負責各工位設備的通訊、邏輯信號控制及電動機控制、閥門控制，以實現生產自動化?？刂葡到y總體設計如圖4所示。
圖4 一體機控制系統架構
2.2 硬件設計
PLC通過輸入/輸出接口與外部設備連接，實現信號電平的轉換，從而控制設備。在設計的生產線的5個工位中，輸入輸出設備包含光電傳感器、阻擋器、伺服電機、夾表器、移裁機、電磁閥、繼電器、球閥。選用DVP80 EHOOT3型號PLC作為主機，DVP32EHOOT作為拓展，共有56個輸入接口，56個輸出接口，可滿足生產需求。系統具體接線如圖5所示。
圖5 PLC接線圖
a) 掃碼工位
原始檢定臺使用掃碼槍掃碼，需要人工操作。本文在流水線上加裝掃碼器，并設有阻擋器，使水表停留在掃碼工位，掃碼器掃碼，視覺檢測系統直接獲取水表編號，接著發出信號，隨后阻擋器關閉，水表進入下個工位。
b) 鎖緊工位
鎖緊裝置采用精密行星減速機驅動，相對其他減速機，精密行星減速機具有體積小、高精度、高傳動效率、高的轉矩/體積比等特點，可以有較高的轉矩輸出。氣閥控制阻擋器的開關，使水表停留在鎖緊工位，利用頂升氣缸將水表抬起與鎖緊裝置配合，當減速機達到設定的轉矩，變頻器輸出信號給PLC，頂升氣缸下降，水表回到流水線上。
c) 抽真空注水工位
傳統濕式水表在鎖緊表罩前，需要先向水表注水，將表盤灌滿水，排除表盤空氣，再把水表鎖緊，無法在流水線上運用。本文提出先將鎖緊后的水表抽真空，使表內產生壓差，再將表盤旋轉180°向下，即可實現水表表盤灌滿水。電磁閥控制夾緊氣缸夾緊和松開水表，采用輕型臥式多級離心泵供水，進氣球閥控制水流的通斷，水表表腔內體積小，需要抽放的空氣量不大，選用水環式真空泵抽放水表空氣，具體結構如圖6所示。
圖6 抽真空注水工位結構圖
d) 檢定工位
1) 水表檢定環境條件比較復雜，潮濕、光照、人影等因素都可能影響圖像獲取的準確性，光照、人影的變化會造成圖像RGB值的劇烈變化[7]，極大地影響水表圖像處理結果。為了獲取高質量水表圖像，減少后期圖像處理難度，提高檢測系統的效率和準確率，本文采用了工業CCD相機以及環形光源。
2)采用“比對法”檢定水表誤差，通過電磁流量計獲取通過水流的標準體積。為了保證流量計準確度，減小檢定原始誤差，采用進口科隆電磁流量計。電磁流量計輸出選擇脈沖，設定脈沖當量為0.000 5 L/P，設為X，通過計數器接收到的脈沖數來計算流量，標準水量V計算公式如下：
V=X×P
(1)
式中：V為標準水量體積，P為電磁流量計輸出的脈沖數。
e) 分揀工位
檢定后的水表存在合格表與不合格表，人工分揀工作強度大，長時間工作，容易出現錯揀的情況。本文設計了簡易的兩軸機械手分揀系統，結構如圖7。根據視覺檢測系統發送的信號，實現水表自動分揀。該機械手由2個伺服電機驅動，PLC發送脈沖控制伺服電機，實現機械手兩個方向的位置控制。利用水表表盤是玻璃材質的特性，機械手末端采用真空吸盤，并對水表做了1 000次的抓取實驗，成功抓取1 000次，抓取成功率100%，證明吸盤的抓取結構具有足夠的穩定性。
圖7 機械手結構圖
3 視覺在線檢定系統
3.1 圖像識別算法
梅花齒輪是水表的始動元件，檢測梅花針的轉數來獲取水表的讀數可以達到比較高的檢測精度和效率。傳統采用光電脈沖法對水表的梅花齒輪進行檢測，但是該檢測方式存在對焦不方便，工作過程中容易受氣泡水霧等的影響產生誤差，造成可靠性和穩定性不高[8]。本文使用CCD相機獲取水表圖像，并提出基于HALCON的模板匹配方法定位梅花針，并采用圖形學的方法消除氣泡的影響。
1) 創建模板和尋找模板
使用CAD軟件繪制梅花針的輪廓作為模板輸入，在HALCON中實現模板匹配的算子是 find_shape_model(Image : : ModelID, AngleStart,AngleExtent,MinScore,NumMatches,MaxOverlap,SubPixel,NumLevels,Greediness : Row, Column, Angle, Score)。該算子包含輸入和輸出參數，各參數代表的含義如下所示：
ModelID：模板句柄。
AngleStart：搜索時的起始角度。
AngleExtent：搜索時的角度范圍，必須與創建模板時的有交集。
MinScore：最小匹配值，輸出的匹配的得分Score 大于該值。
NumMatches：定義要輸出的匹配的最大個數。
MaxOverlap：當找到的目標存在重疊時，且重疊大于該值時選擇一個好的輸出。
SubPixel：計算精度的設置，5種模式。
NumLevels：搜索時金字塔的層數。
Greediness：貪婪度，搜索啟發式，一般都設為0.9，越高速度越快,容易出現找不到的情況。
Row, Column, Angle, Score：輸出匹配位置的行和列坐標、角度、得分。
2) 梅花針計數原理
在梅花針左右區域設置2個采樣點，如圖8所示，計算梅花針的轉數。當梅花針轉動時，采樣點區域會產生黑白交替。采樣點黑白交替一次，相應計數加1。選取數值最大的采樣點作為最終讀數。
圖8 梅花針采樣點位置
3.2 軟件界面的開發
在vs2010平臺上，利用MFC開發軟件界面，如圖9，主要由參數設置、復位、編輯條碼、生成報表，自動運行等部分組成。該界面簡潔直觀，在檢測過程中數據實時顯示，包括梅花針轉數、水表編號、誤差值、標準水量、檢測結果、檢測數、合格率等數據，在檢定完成后，還具有一鍵生成報表的功能，可以滿足水表檢定的工作需要。
圖9 軟件檢測界面
4 結語
使用流水線的方式將水表檢定的幾個步驟連接起來，改變了傳統人工裝表和卸表的方式。檢定時只需將水表放置在托盤中，并率先將抽真空注水的方式應用在濕式水表上，使用機器視覺技術檢測梅花針轉數代替人工讀數。利用“比對法”進行誤差檢定，檢測時間和用水量對比人工檢測方式有了大幅的提高，在效率和節約用水量方面具有非常明顯的優勢。經測算，若考慮水表的安裝、拆卸、注水鎖緊表罩，整個檢定過程一體機使用的時間比原來減少了4倍之多。
本文所研發的一體機已經投入實際生產，經過3個月的生產數據統計，設備的誤檢率僅為3.2%，具有較高的穩定性。一體機的研發有利于改善水表檢定的工作環境，提高水表檢定的自動化程度，本文率先采用流水線與水表檢定結合的方式，對今后水表檢定設備的研究方向具有借鑒意義。
參考文獻:
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