基于机器视觉的水表检定一体机的研发

0 引言

随着城镇化改革的推进，新增水表的需求量非常大，相应地水表检测的工作量也非常巨大。为了满足日益增长的水表出货量以及国家对水表强制检定的要求，采用全自动检定装置成为一种必然的趋势。现有的水表检定装置多数以人工操作、人工读数的检测方式，效率低下，劳动强度大[1]，检测结果易受到人为因素干扰。因此，有必要研发一种自动化程度高的水表检定装置。

目前国内主要采用光电脉冲法[2-3]和静态图像法[4-5]对检定台改造升级，实现实时水表自动化检测，但其仅局限于对水表自动读数的研究，国内对于水表检定一体机的研究还处于空白。本文运用机器视觉技术结合PLC技术搭建控制系统，采用抽真空注水的方式，并设计了具有方向性的水表托盘和立体式流水线，研制出水表检定一体机。

1 水表检定一体机结构设计

1.1 整体结构设计

水表检定一体机主要由视觉在线检定系统，PLC控制系统、锁紧装置、扫码器、抽真空注水装置、通水装置、托盘、流水线、两轴机械手等部分组成。具体结构见图1。

图1 水表检定一体机整机图

为节约空间，流水线采用上下立体循环结构，流水线上放置6个托盘。托盘负责输送水表，使用光电传感器检测托盘，控制阻挡气缸动作，让托盘在指定位置停止，设置扫码器读取水表一维码，锁紧工位的顶升气缸将托盘顶起，锁紧装置锁紧水表表罩，升降台1将托盘输送至下层流水线，水表输送至抽真空注水工位，托盘被顶起，卡紧，旋转180°开始抽真空注水。注水完成后，水表送至检定工位；同样托盘被顶起，水表卡紧，开始检定，流量计计算通过水表水流的标准体积，视觉系统检测水表示值，采用“比对法”计算水表误差，判断水表是否合格。升降台2将检定后的水表输送至上层流水线，两轴机械手通过吸盘将合格的水表分拣到合格区，将不合格的水表分拣至不合格区，工作流程如图2所示。

图2 工作流程图

1.2 托盘设计

以流水线的方式送检水表，需要保证水表方向的一致性。在相机采集图像时，要尽可能保证水表表盘垂直于相机光轴，同时，在到达每个工位时，水表还要完成自动装配。为了解决上述问题，本文设计了水表专用托盘，其结构如图3所示。

图3 水表专用托盘

2 水表检定一体机控制系统设计

2.1 控制系统方案

本机共有5个工位，分别是扫码工位、锁紧工位、抽真空注水工位、检定工位、分拣工位，并在各工位中设置光电传感器和阻挡器。工作过程中要求控制系统使托盘上的水表按顺序在不同工位自动完成指定动作，即实现水表输送时在相应的工位自动停止或装配，完成扫码、锁紧表罩、抽真空注水、注水、误差检定、分拣等一系列动作。台达PLC以高速、稳健、高可靠度而著称，广泛应用于各种工业自动化机械[6]。本文设计了基于台达PLC及人机界面的双工位水表检定一体机控制系统，主要负责各工位设备的通讯、逻辑信号控制及电动机控制、阀门控制，以实现生产自动化。控制系统总体设计如图4所示。

图4 一体机控制系统架构

2.2 硬件设计

PLC通过输入/输出接口与外部设备连接，实现信号电平的转换，从而控制设备。在设计的生产线的5个工位中，输入输出设备包含光电传感器、阻挡器、伺服电机、夹表器、移裁机、电磁阀、继电器、球阀。选用DVP80 EHOOT3型号PLC作为主机，DVP32EHOOT作为拓展，共有56个输入接口，56个输出接口，可满足生产需求。系统具体接线如图5所示。

图5 PLC接线图

a) 扫码工位

原始检定台使用扫码枪扫码，需要人工操作。本文在流水线上加装扫码器，并设有阻挡器，使水表停留在扫码工位，扫码器扫码，视觉检测系统直接获取水表编号，接着发出信号，随后阻挡器关闭，水表进入下个工位。

b) 锁紧工位

锁紧装置采用精密行星减速机驱动，相对其他减速机，精密行星减速机具有体积小、高精度、高传动效率、高的转矩/体积比等特点，可以有较高的转矩输出。气阀控制阻挡器的开关，使水表停留在锁紧工位，利用顶升气缸将水表抬起与锁紧装置配合，当减速机达到设定的转矩，变频器输出信号给PLC，顶升气缸下降，水表回到流水线上。

c) 抽真空注水工位

传统湿式水表在锁紧表罩前，需要先向水表注水，将表盘灌满水，排除表盘空气，再把水表锁紧，无法在流水线上运用。本文提出先将锁紧后的水表抽真空，使表内产生压差，再将表盘旋转180°向下，即可实现水表表盘灌满水。电磁阀控制夹紧气缸夹紧和松开水表，采用轻型卧式多级离心泵供水，进气球阀控制水流的通断，水表表腔内体积小，需要抽放的空气量不大，选用水环式真空泵抽放水表空气，具体结构如图6所示。

图6 抽真空注水工位结构图

d) 检定工位

1) 水表检定环境条件比较复杂，潮湿、光照、人影等因素都可能影响图像获取的准确性，光照、人影的变化会造成图像RGB值的剧烈变化[7]，极大地影响水表图像处理结果。为了获取高质量水表图像，减少后期图像处理难度，提高检测系统的效率和准确率，本文采用了工业CCD相机以及环形光源。

2)采用“比对法”检定水表误差，通过电磁流量计获取通过水流的标准体积。为了保证流量计准确度，减小检定原始误差，采用进口科隆电磁流量计。电磁流量计输出选择脉冲，设定脉冲当量为0.000 5 L/P，设为X，通过计数器接收到的脉冲数来计算流量，标准水量V计算公式如下：

V=X×P

(1)

式中：V为标准水量体积，P为电磁流量计输出的脉冲数。

e) 分拣工位

检定后的水表存在合格表与不合格表，人工分拣工作强度大，长时间工作，容易出现错拣的情况。本文设计了简易的两轴机械手分拣系统，结构如图7。根据视觉检测系统发送的信号，实现水表自动分拣。该机械手由2个伺服电机驱动，PLC发送脉冲控制伺服电机，实现机械手两个方向的位置控制。利用水表表盘是玻璃材质的特性，机械手末端采用真空吸盘，并对水表做了1 000次的抓取实验，成功抓取1 000次，抓取成功率100%，证明吸盘的抓取结构具有足够的稳定性。

图7 机械手结构图

3 视觉在线检定系统

3.1 图像识别算法

梅花齿轮是水表的始动元件，检测梅花针的转数来获取水表的读数可以达到比较高的检测精度和效率。传统采用光电脉冲法对水表的梅花齿轮进行检测，但是该检测方式存在对焦不方便，工作过程中容易受气泡水雾等的影响产生误差，造成可靠性和稳定性不高[8]。本文使用CCD相机获取水表图像，并提出基于HALCON的模板匹配方法定位梅花针，并采用图形学的方法消除气泡的影响。

1) 创建模板和寻找模板

使用CAD软件绘制梅花针的轮廓作为模板输入，在HALCON中实现模板匹配的算子是 find_shape_model(Image : : ModelID, AngleStart,AngleExtent,MinScore,NumMatches,MaxOverlap,SubPixel,NumLevels,Greediness : Row, Column, Angle, Score)。该算子包含输入和输出参数，各参数代表的含义如下所示：

ModelID：模板句柄。

AngleStart：搜索时的起始角度。

AngleExtent：搜索时的角度范围，必须与创建模板时的有交集。

MinScore：最小匹配值，输出的匹配的得分Score 大于该值。

NumMatches：定义要输出的匹配的最大个数。

MaxOverlap：当找到的目标存在重叠时，且重叠大于该值时选择一个好的输出。

SubPixel：计算精度的设置，5种模式。

NumLevels：搜索时金字塔的层数。

Greediness：贪婪度，搜索启发式，一般都设为0.9，越高速度越快,容易出现找不到的情况。

Row, Column, Angle, Score：输出匹配位置的行和列坐标、角度、得分。

2) 梅花针计数原理

在梅花针左右区域设置2个采样点，如图8所示，计算梅花针的转数。当梅花针转动时，采样点区域会产生黑白交替。采样点黑白交替一次，相应计数加1。选取数值最大的采样点作为最终读数。

图8 梅花针采样点位置

3.2 软件界面的开发

在vs2010平台上，利用MFC开发软件界面，如图9，主要由参数设置、复位、编辑条码、生成报表，自动运行等部分组成。该界面简洁直观，在检测过程中数据实时显示，包括梅花针转数、水表编号、误差值、标准水量、检测结果、检测数、合格率等数据，在检定完成后，还具有一键生成报表的功能，可以满足水表检定的工作需要。

图9 软件检测界面

4 结语

使用流水线的方式将水表检定的几个步骤连接起来，改变了传统人工装表和卸表的方式。检定时只需将水表放置在托盘中，并率先将抽真空注水的方式应用在湿式水表上，使用机器视觉技术检测梅花针转数代替人工读数。利用“比对法”进行误差检定，检测时间和用水量对比人工检测方式有了大幅的提高，在效率和节约用水量方面具有非常明显的优势。经测算，若考虑水表的安装、拆卸、注水锁紧表罩，整个检定过程一体机使用的时间比原来减少了4倍之多。

本文所研发的一体机已经投入实际生产，经过3个月的生产数据统计，设备的误检率仅为3.2%，具有较高的稳定性。一体机的研发有利于改善水表检定的工作环境，提高水表检定的自动化程度，本文率先采用流水线与水表检定结合的方式，对今后水表检定设备的研究方向具有借鉴意义。

参考文献:

[1] 吕露. 基于自动识别技术的水表检定系统研究[D]. 北京：北京工业大学,2016.

[2] 潘丰. 水表特性自动校验系统设计[J]. 传感器技术,2003(10):24-26，29.

[3] 苑玮琦,于聪颖. 水表号码读取系统的设计与实现[J]. 电子技术应用,2007(4):74-76.

[4] 周志峰,丁维光. 基于图像识别的二表位全自动复式水表检定装置的研发[J]. 中国计量,2013(5):86-87.

[5] 王三武,戴亚文. 多指针水表自动识别系统[J]. 仪器仪表学报,2005(11):82-84，91.

[6] 刘涛,刘曼丹. 基于PLC的水晶研磨机控系统设计与实现[J]. 机械工程与自动化,2010 (5):155-160.

[7] 汤思孟,赵杰煜,陆晓峰. 基于机器视觉技术的水表新型检定方法[J]. 计量学报,2015,36(1):54-57.

[8] 骆兆松. 基于高速摄像的全自动水表检定装置及管理信息系统的设计与实现[D]. 济南：山东大学,2017.