王 毅 徐煒東

(昆明船舶設備研究試驗中心，昆明 650051)

1 引 言

管型測力計、機械式拉力表等測力設備的檢定是按照《JJG445-2000工作測力儀檢定規(guī)程》[1]的要求進行的。按照檢定規(guī)程中所述，測力儀根據(jù)靜力效應原理工作，其結構形式不受限制，但均須有確定的力作用點、受力方向及示值顯示裝置。根據(jù)檢定器具控制要求中所述，按照測力儀的規(guī)格分別選用相應量程的標準測力砝碼、標準測力儀，標準測力杠桿、材料試驗機或標準測力機作為檢定測力儀的力標準器。因各設備的測量結構和原理不同，自動化程度也不同，數(shù)據(jù)采集、處理方法也不盡相同。比如，測力儀顯示為指針標尺式或游標式指示結構，操作者一般通過人眼判斷讀取并記錄，進行人工數(shù)據(jù)處理并錄入到計算機相應界面。上述情況必將造成計量檢定工作的效率較低，尤其在被檢設備數(shù)量較大時，效果更加明顯。在人工智能領域中，各種圖像識別技術的發(fā)展逐漸成熟且已經(jīng)被廣泛應用，如人臉識別、指紋識別和車牌識別等。因此，圖像識別技術也完全可以應用在計量檢定中的標尺和游標識別，從而使計量檢定過程實現(xiàn)完全的閉環(huán)控制，提高計量檢定過程的自動化水平。

2 系統(tǒng)構建及設計

整個系統(tǒng)分機械結構部分和數(shù)據(jù)采集兩部分。機械結構按功能分包括：傳感器掛架機構、加載機、定向滑動機構、操作平臺等。數(shù)據(jù)采集包括：標準傳感器、信號放大處理器、數(shù)據(jù)通訊線纜和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.1 結構原理

機械結構采用旋轉-直線運動加載方式，配合標準傳感器掛架，定向滑動機構、操作平臺等構成綜合加載系統(tǒng)。旋轉-直線運動加載機構選用渦輪蝸桿結構設計。蝸輪蝸桿升降機輸入軸為雙向連接，其中一端可以連接手動轉輪，另一端可以連接電機。被測設備掛架上端安裝標準傳感器，標準傳感器下部掛鉤吊鉤被測設備，被測設備下部掛鉤連接蝸輪蝸桿升降機的連接機構。

圖1 結構原理圖Fig.1 Structural schematic

如圖1所示，升降機安裝在操作平臺上，操作手輪旋轉升降機構使絲桿向下平移，將負載加載到被測拉力計上，標準拉力傳感器懸掛在頂架上，傳感器下部掛鉤懸掛被測拉力計，傳感器輸出信號即為拉力計加載信號。

被檢的彈簧測力計結構包括：帶有刻度尺的外套筒、帶有游標的內彈簧和上下掛鉤等元件組成。外力加載時，彈簧拉伸并帶動游標在滑槽內移動，游標與外部套筒上的標尺產(chǎn)生位移，拉力讀取時，游標指針對準標尺刻度位置，即為拉力計讀數(shù)。

2.2 加載控制

加載過程是通過升降機輸入軸旋轉實現(xiàn)的。順時針旋轉時，絲桿下移；逆時針旋轉時，絲桿上移。設計選型計算時，選擇傳動比為1∶5，輸入功率0.37kW，提升力1000kg，輸入轉速300r/min，起升速度0.3m/min。經(jīng)比對計算，輸入軸每轉360°時，絲桿提升1mm。輸入軸每轉10°時，絲桿提升0.0278mm。該分辨率基本可以滿足系統(tǒng)要求。分辨率太高時，絲桿升降將變得緩慢，影響工作效率。假設手動轉動時，轉速(3～4)r/s，即絲桿上升/下降(3～4)mm，可以滿足工作效率要求。

升降機雙側輸入軸，一端可以安裝手輪，另一端可以安裝電機驅動。在掛載被測設備時，加載前的絲桿行程是無效行程，絲桿運動需要快速到位。此過程采用電機驅動無疑是最合適的選擇。絲桿到達加載位置時，采用模擬手動加載的步進電機程序控制加載或手動加載。

2.3 數(shù)據(jù)采集

軟件設計按功能可分為系統(tǒng)通訊、步進電機控制、標準傳感器數(shù)據(jù)采集、圖像智能識別、數(shù)據(jù)處理和測量數(shù)據(jù)保存、輸出等部分。

數(shù)據(jù)采集軟件通過RS232接口連接標準傳感器。測力計加載后，標準傳感器數(shù)據(jù)實時傳送到上位機。被檢測力計讀數(shù)通過上位機圖像智能識別軟件程序讀取，然后在上位機數(shù)據(jù)記錄界面顯示并在后臺數(shù)據(jù)庫保存。標準傳感器力值數(shù)據(jù)由信號變送器和通訊接口直接錄入到計算機內部的專用測量軟件數(shù)據(jù)庫并顯示在軟件界面上。根據(jù)檢定規(guī)程的要求，生成數(shù)據(jù)記錄文檔。均值等計算數(shù)據(jù)由軟件自動計算并保存。試驗結果數(shù)據(jù)由測量專用軟件處理并自動添加到檢定證書標準格式中。其它管理數(shù)據(jù)和衍生計算數(shù)據(jù)由軟件計算后顯示到界面并實時保存到后臺數(shù)據(jù)庫。

3 控制原理

步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進信號由上位計算機控制模塊發(fā)出，包括快速步進、單步、定數(shù)步進、正反轉等控制方式。

上位機配置信號輸出模塊，將控制信號送至步進電機驅動器，由驅動器控制步進電機的運動。升降機負責加載，將力加載到被測彈簧測力計。標準傳感器將加載力信號送至信號變送器處理并傳送至上位機數(shù)據(jù)采集接口。被測彈簧測力計受加載力后，游標產(chǎn)生一定位移，攝像設備實時拍攝游標移動圖片，上傳到計算機，經(jīng)圖像處理軟件進行識別處理，獲取游標移動的位置，即為測力計讀數(shù)信息?？刂圃砜驁D如圖2所示。

圖2 控制原理圖Fig.2 Control schematic

未使用測力計讀數(shù)圖像智能識別技術時，被測設備示值讀數(shù)由操作人員讀取，然后人工錄入到計算機數(shù)據(jù)處理模塊。整個檢測過程中，人工讀取數(shù)據(jù)并錄入是唯一的非自動數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)。測力計讀數(shù)采用圖像智能識別可以有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集、處理，提高檢定系統(tǒng)自動化水平。

4 讀數(shù)智能識別

圖像識別的基本過程包括：(1)信息獲取。通過傳感設備，將光影或聲音等信息轉化為數(shù)字信息。信息表述為二維的圖象，也可以是波形圖及物理量與邏輯值。(2)預處理。如A/D轉換，圖像二值化、平滑、變換、濾波等圖象處理[2～4]。(3)特征的抽取和選擇[5]。例如，一幅(30×100)px的圖象可以得到3000個數(shù)據(jù)矩陣，在測量空間的數(shù)據(jù)矩陣數(shù)據(jù)通過變換獲得在特征空間最能反映分類本質的特征。(4)分類器功能設計[6,7]。分類器功能設計的主要作用是通過訓練確定判決規(guī)則，使之判決規(guī)則分類時，出錯率最低。(5)分類決策過程。在特征空間矩陣中對被識別對象特征進行分類。目前有很多圖像識別的方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡識別，概率統(tǒng)計識別等。離散型的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡具有聯(lián)想記憶的功能[8,9]，利用這一功能識別圖像可以取得令人滿意的效果。

4.1 設計思路

在測力計智能識別過程中，標尺刻度實際上的作用是靜態(tài)背景圖像和數(shù)據(jù)。采集的圖像經(jīng)二值化等處理，產(chǎn)生對應的圖像矩陣。標尺刻度產(chǎn)生的圖像是由有規(guī)律的長線條、中長線條和短線條組成的，兩個長線條之間分10格，中間用一條中長線條分隔，兩個長線條表述為20kg，兩個短線條之間表述為2kg。測力計量程為100kg時，算上端線共有6格長線條、5條中長線條和40個短線條組成全量程圖像，50個最小分辨率格。在圖像特征抽取和處理后，假設目測分辨率為10px/格、每條刻度線所占像素為1時，圖像特征數(shù)據(jù)矩陣的長度x=501?？紤]到兩端冗余和游標位置信息，實際矩陣長度x1=650。選取矩陣寬度y=90即可完整顯示圖像。

圖3 測力計圖像Fig.3 Dynamometer image

對圖3中測力計圖像進行二值化處理，在其中截取游標特征圖像作為位置比對樣板。游標二值化圖像大小為(133×50)px，根據(jù)幾何對稱關系計算游標指示端點位置，即中間位置在矩陣的第67列。圖像大小為(650×90)px。根據(jù)該端點所在刻度背景矩陣中位置與標尺刻度比對，判斷拉力值。

設計數(shù)字點陣時，圖像空白部分用-1表示，黑色部分用1表示，將測力計二值化圖像矩陣設計并保存。

在MATLAB開發(fā)環(huán)境下的神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱為Hopfield網(wǎng)絡提供了工具函數(shù)。如newhop()函數(shù)，該函數(shù)用于創(chuàng)建一個離散型Hopfiled神經(jīng)網(wǎng)絡，其調用格式為net=newhop(T),T是具有Q個目標向量的R×Q的矩陣(元素必須為-1或1)；net為生成的神經(jīng)網(wǎng)絡，具有在T中的向量上穩(wěn)定的點。

將采集的測力計圖像經(jīng)二值化處理，生成由1或-1組成的數(shù)字點陣輸入到創(chuàng)建好的Hopfiled網(wǎng)絡，網(wǎng)絡輸出與該數(shù)字點陣最為接近的目標向量，從而實現(xiàn)聯(lián)想記憶功能。經(jīng)識別的測力計圖像結果保存在對應的矩陣，用于游標位置識別計算。

4.2 游標位置識別

在實際測量過程中，游標位置隨加載的力值變化而變化。因此，需要根據(jù)測力計游標二值化后形成的特征矩陣與測力計刻度背景矩陣中的游標所在區(qū)域進行對比識別，才能確定游標實際所在位置，從而分析計算當前圖像顯示的力值。

設作為標準的游標矩陣為A(133×50)，測力計背景圖像矩陣C(650×90)內包含的游標矩陣B(133×50)。采用列增量法進行特征矩陣比對，在測力計背景圖像矩陣C中的第i=1列開始，取C的子集B，與游標特征矩陣A比較，將比較結果保存。每次比較加1，i≤650時結束，產(chǎn)生650個比對數(shù)據(jù)。

矩陣比對采用用matlab自帶的函數(shù)corr2(A,B)求矩陣的相關系數(shù)。

(1)

式中：r——相關系數(shù)；m——矩陣行數(shù)；n——矩陣列數(shù)；A——矩陣A；B——矩陣B。

相關系數(shù)r在[0,1]內，越接近1越相關。在

650個數(shù)據(jù)中排序，取最大值，即為游標目標位置。特征矩陣B的第67列即為拉力計讀數(shù)所處位置。在背景刻度線上的讀數(shù)計算公式：

y=(k-8)/5 8≤k≤508

(2)

式中：y——量程100kg拉力計的實際拉力值；k——背景刻度矩陣的像素所在列位置。

4.3 技術指標及加載圓整值4.3.1 主要技術指標

測量范圍：(0～1000)N；測量精度：示值的±0.2%以內(0.2級)；試驗速度：(0～300)mm/min；

位移精度：示值的±0.2%以內；有效試驗行程：300mm。

4.3.2加載圓整值說明

按照《JJG 445-2000工作測力儀檢定規(guī)程》[1]的要求，測力儀示值檢定時，測力儀至少檢定5個點，各點大致均勻分布，一般檢定測量上限的20%、40%、60%、80%和100%共5個點。按圖3所示測力計為例，準確度級別(FS)為2.0的彈簧拉力計，計算所測點數(shù)分別為20N、40N、60N、80N和100N共5個點。在加載力值時，則需要系統(tǒng)精度調節(jié)高于±2.0 %FS，即在取整的5個檢測點數(shù)值時，取小數(shù)點后1位即可滿足要求。按文中2.2節(jié)所述，精確加載圓整值時，選擇手輪微調加載，輸入軸每轉10度時，絲桿提升0.0278mm。假設彈簧拉力計游標行程120mm，對應(0～100)N的力值。輸入軸每轉10度時，對應0.0232N的力值變化。假定輸入軸分辨力為1度時，測量分辨力即為0.00232%。該分辨力下可以有效地對準確度等級在0.2級以下的加載力值圓整輸出。

5 結束語

研制測力計自動檢定裝置首先是力值傳感器的選擇，因為傳感器的好壞決定了試驗機的精度和測力穩(wěn)定性。其次就是升降拉力機運動加載部件滾珠絲杠的設計，如果絲桿間隙過大，將直接影響試驗的最大變形和伸長率。再次就是升降拉力機的動力源電機的選擇，采用的電機為步進電機，控制方式采用全數(shù)字脈沖控制，調速范圍廣，控制定位準確，反應快，能保證滿量程速度及位置控制準確。最后就是測控系統(tǒng)，采用圖像智能識別技術，自動識別拉力計讀數(shù)并上傳至上位機，替代人工讀數(shù)和數(shù)據(jù)手工錄入。由標準力值傳感器、步進電機自動控制和圖像識別拉力計讀數(shù)共同構成測量自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)拉力計快速自動化檢定。存在的問題是因步進電機的功率限制，本系統(tǒng)測力范圍具有一定的局限性，不能適合大力值的拉力計檢定。