胡建國，吳暉輝，羅永賢，黃麗丹

（順德職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，廣東 佛山 528333）

基于機器視覺的電子式健康秤自動檢定系統(tǒng)設計

胡建國，吳暉輝，羅永賢，黃麗丹

（順德職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，廣東 佛山 528333）

針對目前電子式健康秤采用人工檢定存在的勞動強度大、工作效率低和工人易出錯等問題，開發(fā)了基于機器視覺的自動檢定系統(tǒng)。利用機器視覺系統(tǒng)進行LCD顯示屏字符識別、誤差計算和結(jié)果判定；通過伺服電缸進行增砣砝碼的逐級加載和卸載；采用氣缸實現(xiàn)檢測產(chǎn)品的送料和退料。結(jié)果表明：視覺系統(tǒng)可實現(xiàn)LCD字符的精確快速識別，檢定系統(tǒng)可完成電子式健康秤的自動計量檢定，具有高效、高精和智能等特點。

電子秤；計量檢定；機器視覺；伺服電缸

電子衡器是國家強制管理的計量器具，需要在出廠前進行計量檢定，以保證計量準確性［1］。某電子式健康秤在包裝前要求在四個計量點進行檢定測試，目前采用人工方式檢定，測試產(chǎn)品需要工人送料和退料﹑加載設備需要手動啟動和停止﹑加載結(jié)果需要人眼讀數(shù)和判定，存在工作強度大﹑檢定效率低﹑檢定質(zhì)量易受人為因素影響等問題［2-3］。

開發(fā)電子式健康秤自動檢定系統(tǒng)是解決上述問題的途徑，但關(guān)鍵需要解決檢定過程中的自動送退料﹑自動加卸載和自動讀判數(shù)問題，其中，自動上下料和自動加卸載屬于位置控制問題，自動讀判數(shù)屬于圖像識別問題。位置控制是自動控制領(lǐng)域的成熟技術(shù)，而機器視覺是工業(yè)自動化領(lǐng)域的一項新型技術(shù)，用機器代替人眼和人腦來做測量和判斷，已廣泛應用于字符識別﹑定性檢測﹑定量測量﹑視覺導引等工業(yè)領(lǐng)域［4-6］。

本文將設計一種基于機器視覺的電子式健康秤自動檢定系統(tǒng)，采用氣缸解決自動送退料問題，采用伺服電缸解決自動加卸載問題，采用機器視覺系統(tǒng)解決自動讀判數(shù)問題，實現(xiàn)電子式健康秤的自動﹑精確﹑快速﹑智能檢定。

1 機械系統(tǒng)

圖1所示為利用Solidworks軟件設計的電子秤自動檢定系統(tǒng)整機機械系統(tǒng)三維裝配圖，包括底座﹑立架﹑對電子秤進行標準砝碼逐級加載的加載系統(tǒng)和為加載系統(tǒng)進行電子秤供給的供料系統(tǒng)等。

圖1 整機機械系統(tǒng)三維裝配圖

1.1 加載系統(tǒng)

圖2所示為加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括伺服電機﹑減速帶輪﹑伺服電缸﹑鋼絲索﹑滑輪﹑滑塊和三個等質(zhì)量的標準砝碼。

圖2 加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)同步帶（減速比i =1∶1）減速后，通過伺服電缸內(nèi)的滾珠絲杠（導程d = 5 mm）變換為電缸端部吊環(huán)的直線運動，吊環(huán)通過鋼絲索﹑滑輪﹑滑塊和吊鉤拉動砝碼，三角形吊鉤的下邊與下面砝碼固聯(lián)，其上角懸掛在上面砝碼（或滑塊）的吊臂上，通過控制滑塊的高度位置，可實現(xiàn)標準砝碼對電子秤的加載和卸載。

加載系統(tǒng)的主要設計計算為伺服電機在最大負載下加速時驅(qū)動扭矩的計算，根據(jù)動靜法有

式中，F(xiàn)a為絲杠軸向負載，η為絲杠效率，Tb為支撐軸承摩擦阻力矩，Tc為預緊扭矩，Ndif為加速時間ta內(nèi)的轉(zhuǎn)速增量，Je為折算到電機軸端的慣性矩，包括伺服電機轉(zhuǎn)子慣性矩﹑同步帶輪等效慣性矩﹑絲杠等效慣性矩﹑滑輪等效慣性矩以及負載慣性矩等。

1.2 供料系統(tǒng)

圖3所示為供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括單桿氣缸﹑托盤和直線導軌等。直線導軌主要承垂直方向標準砝碼的工作負荷，該值為直線導軌的選型計算依據(jù)。氣缸的設計計算主要包括動能校核和負載校核，負載校核要求實際負載不大于允許負載，即W≤Wa，動能校核要求實際動能不大于允許動能，即E≤Ea， 其中

式中，Va為氣缸動作平均速度。

圖3 供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)

2.1 硬件設計

圖4所示為電子秤自動檢定系統(tǒng)基于可編程控制器的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖?？刂破鞒诉M行常規(guī)的順序控制外，需要與視覺控制器進行信息交換，實現(xiàn)相機快門的觸發(fā)和判斷結(jié)果的接收，還需要對伺服電機進行運動控制，實現(xiàn)三個標準砝碼的加載和卸載。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軟件設計

電子秤自動檢定系統(tǒng)的控制流程如圖5所示。在滿足外部和內(nèi)部運行允許后，供料系統(tǒng)﹑視覺系統(tǒng)和加載系統(tǒng)在控制系統(tǒng)控制下相互配合，完成電子秤自動檢定流程動作，如判斷物料有無﹑逐級加載時LED示值是否正常，最終將判定結(jié)果輸出給物料輸送單元，以作為電子秤分揀依據(jù)。

3 視覺系統(tǒng)

機器視覺是用機器代替人眼進行測量和判斷的技術(shù)。機器視覺產(chǎn)品采集目標圖像，并進行數(shù)字化處理和特征信息提取，最后根據(jù)預設的允許度和其它條件輸出結(jié)果，用以控制現(xiàn)場的設備動作。

本視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。安裝于電子秤LCD窗口上方的工業(yè)相機在逐級加載時拍攝LCD示值讀數(shù)，并將采集到的圖像傳遞給視覺控制器進行圖像預處理﹑特征提取和字符識別，并與預定值進行比較，判斷電子秤測量精度是否達到要求，并將判斷結(jié)果輸出給可編程控制器。其中，工業(yè)相機采用德國BASLER公司的Ace系列支持GigEVision標準協(xié)議的面陣相機，鏡頭﹑控制器和LED光源分別采用東莞奧普特公司的定焦鏡頭OPT-C2514﹑一體化視覺控制器SCI-Q2和白色條形光源OPT-LI32330-W-AA。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 測試結(jié)果

利用上述機械系統(tǒng)﹑控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)，在20 kg計量點采集到的源圖像如圖7a所示，對源圖像進行二值化和分割預處理后得到的圖像如圖7b所示，其中1～4代表分割后的4個字符。

圖7 源圖像與預處理圖像

進行字符訓練后在0 kg﹑20 kg和40 kg計量點自動字符識別后得到的圖像分別如圖8a﹑8b和8c所示。

圖8 字符自動識別結(jié)果

圖8c中，在40 kg計量點，測得讀數(shù)為39.7 kg，程序自動判定該電子稱在該計量點測量精度不合格，判定結(jié)果通過圖像控制器的I/O接口輸出給可編程控制的輸入端，不合格電子稱將被分揀出來，自動判定程序如下：

5 結(jié)論

1）設計了一種用于電子式健康秤自動計量檢定的系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效解決了人工檢定存在的勞動強度大﹑工作效率低和讀數(shù)易出錯等問題。

2）實現(xiàn)了對電子秤四個計量點的自動逐級加載和示值LCD字符的智能識別，該方法可大幅提高電子式健康秤的檢定精度和檢定效率。3）該自動檢定設備實現(xiàn)了電子式健康秤制造過程中檢定生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化和智能化，提高了電子式健康秤裝配線的自動化水平。

［1］ 青島市技術(shù)監(jiān)督局. JJG 539—1997 數(shù)字指示秤檢定規(guī)程［S］. 北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1997.

［2］ 厲志飛，王成李，趙偉國，等. Labview的電子秤自動檢定裝置設計［J］.中國計量學院學報，2012，23（2）：141-144.

［3］ 孫斌，趙偉國，鄭永軍. 移動式電子秤現(xiàn)場自動檢定校準裝置：101846546 B［P］.2011-07-20.

［4］ 廖強，周憶，米林，等. 機器視覺在精密測量中的應用［J］. 重慶大學學報（自然科學版），2002，25（6）：1-4.［5］ 韋爭亮，黃志斌，古耀達，等. 基于機器視覺與運動控制的軌距尺檢定器自動化檢測技術(shù)研究［J］.中國測試，2014，40（3）：23-27.

［6］ 袁清珂，張振亞，吳暉輝，等. 基于機器視覺系統(tǒng)的自動檢測系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］．組合機床與自動化加工技術(shù)，2014（11）：119-121.

Design of Automatic Verification System for Electronic Personal Scales Based on Machine Vision

HU Jianguo，WU Huihui，LUO Yongxian，HUANG Lidan
（School of Mechanical and Electrical Engineering， Shunde Polytechnic， Foshan Guangdong 528333，China）

To solve high labor intensity，low work efficiency and error-prone problems in the manual verification process of electronic personal scales，an automatic verification system based on machine vision was developed. The LCD display screen's character recognition， error calculation and result determination are conducted by means of machine vision. The step by step loading and unloading of weight-increasing weights are done by linear actuator driven by servo motor. The feeding and returning of products are carried out by air cylinder. The results show that the vision system can realize exact and fast recognition for the LCD characters and the verification system can be competent for the automatic metrological verification for electronic personal scales，with characteristics of high efficiency，high precision and intelligence.

electronic personal scale；metrological verification；machine vision；servo linear actuator

TH122

：A

：1672-6138（2017）01-0001-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2017.01.001

［責任編輯：吳卓］

2016-11-08

胡建國（1979—），男，湖北咸寧人，副教授，研究方向：制造裝備的設計﹑優(yōu)化與控制。