韋桂櫻

（廣東省茂名市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東茂名 525000）

在食品制造機(jī)械領(lǐng)域，壓力表應(yīng)用于油脂加工機(jī)械、食品加工機(jī)中，壓力參數(shù)極其重要，而對壓力參數(shù)進(jìn)行測試的裝置就是壓力表，壓力表不僅造價(jià)低，而且使用方便。按照食品制程業(yè)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 53198-1999《滾壓式封口機(jī) 產(chǎn)品質(zhì)量分等》，SC/T 6024-2003《小包裝食品用壓力蒸汽滅菌裝置》等，壓力表的檢定項(xiàng)目屬于強(qiáng)制性質(zhì)，檢定的間隔期為6 個(gè)月，存在很大的檢測工作量，而且人工檢定誤差問題一直難以解決。機(jī)器視覺技術(shù)的普及顯著提升了工業(yè)自動(dòng)化水平，降低了體力勞動(dòng)的強(qiáng)度，改善了社會(huì)工作結(jié)構(gòu)。在計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)，既可以降低成本又可以確保檢定的準(zhǔn)確性。因此，本文以LabVIEWVision 開發(fā)模塊為基礎(chǔ)，以PACE7000 作為壓力控制器和壓力源，進(jìn)行壓力表自動(dòng)化檢定裝置的設(shè)計(jì)。

1 機(jī)器視覺與圖像處理

1.1 機(jī)器視覺

顧名思義，在測量和判斷過程中利用機(jī)器代替人眼，稱之為機(jī)器視覺。具體地說，就是數(shù)字計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理圖像后并說明“圖像中有什么”的操作，也就是對圖像中內(nèi)容進(jìn)行識別。由此也稱其為計(jì)算機(jī)視覺。一個(gè)工業(yè)機(jī)器視覺標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)包括：相機(jī)、鏡頭、光源、圖像處理單元、通信與輸出單元、監(jiān)視器、圖像處理軟件等。該系統(tǒng)的運(yùn)行原理是，利用相機(jī)進(jìn)行圖像獲取，圖像處理單元將獲取的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，按照顏色、亮度和像素分布等信息，借助相關(guān)的算法，判斷、識別顏色、形狀和尺寸。之后能夠參考判別的結(jié)果來有效控制某些設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺系統(tǒng)讓工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度和柔性顯著提升。特別是在某些不適合人員操作或者檢測的危險(xiǎn)工作環(huán)境中，都選擇機(jī)器視覺取代人工視覺。在自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如果利用人工進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢查，會(huì)因?yàn)闄z測者主觀因素的影響，檢測質(zhì)量缺乏精準(zhǔn)度。所以，應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)讓生產(chǎn)效率顯著提升，將人員從重復(fù)而繁重的工作中解脫出來。當(dāng)前，在質(zhì)量控制、成品檢測等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)。

1.2 圖像處理技術(shù)

圖像處理具體來說是指處理數(shù)字圖像，是機(jī)器視覺的重要組成部分。通常將通過采樣后進(jìn)行數(shù)字化的二維數(shù)組叫做數(shù)字圖像，像素就屬于二維數(shù)組的元素范疇。灰度值的數(shù)量大約為元素的值即是以整數(shù)存在的灰度值，通常處理圖片的規(guī)格皆為8 bit 的BMP 圖像，灰度值的數(shù)量大約為255 個(gè)。圖像處理的內(nèi)容包括對圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)的處理和分析，圖像數(shù)字化、圖像增強(qiáng)和復(fù)原，以及圖像壓縮等。按照不同圖像處理的特點(diǎn)，將相關(guān)技術(shù)劃分為關(guān)聯(lián)性和區(qū)別性協(xié)同作用：對圖像的處理、分析和理解。所謂的圖像工程就是三者結(jié)合的產(chǎn)物，即包括既有關(guān)聯(lián)性又有差異性的圖像處理、分析和理解三個(gè)環(huán)節(jié)，促使三者緊密結(jié)合，并進(jìn)行工程的實(shí)際應(yīng)用。通常圖像處理就是變換圖像與圖像之間的關(guān)系。在狹義上講，圖像處理就是加工和處理圖像，一方面是進(jìn)行圖像清晰度的改善，一方面更有助于之后的圖像識別，另外圖像處理也包括為了減少傳輸時(shí)間和存儲空間所進(jìn)行的圖像編碼壓縮。圖像分析就是檢測圖像中感興趣的區(qū)域，進(jìn)而獲取圖像并理解圖像。圖像理解的關(guān)鍵意義是按照圖像分析結(jié)果，進(jìn)一步研究圖像中的目標(biāo)特征，并獲取針對圖像目標(biāo)的解釋，進(jìn)而對行動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃指導(dǎo)。針對精密壓力表的圖像處理，主要采取形態(tài)學(xué)和圖像分析方式。例如膨脹腐蝕、閾值分割二值化、濾波等[1]。

2 檢定軟件的工作原理

2.1 檢定裝置組態(tài)

本研究選用的組態(tài)軟件為北京某科技公司的組態(tài)王軟件7.55，該軟件屬于中文操作系統(tǒng)，應(yīng)用于WindowsNT/2000/XP 中，圖形界面生產(chǎn)功能十分完善，能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場進(jìn)行形象逼真的描繪。可以提供多功能的控件和控件函數(shù)以及種類眾多的I/O 驅(qū)動(dòng)程序，該軟件通信參數(shù)和設(shè)備配置具體為以下內(nèi)容。

2.1.1 通信參數(shù)

波特率：9 600；通信方式：RS232；數(shù)據(jù)位：7；通信超時(shí)：3 000 ms；奇偶效驗(yàn)：偶效驗(yàn)；停止位：2。

2.1.2 設(shè)備配置

本研究利用歐姆龍Hostlink 公司生產(chǎn)的PLC；以串口（COM1）作為通信方式。選擇北京某公司生產(chǎn)的視覺控制器進(jìn)行串口數(shù)據(jù)發(fā)送；采用串口（COM2）作為通信方式。

2.2 檢定裝置主控制界面

本研究檢定裝置檢定界面主要包括：控制流程、允許變動(dòng)量輸入、電磁閥控制開關(guān)、回差允許值、檢定點(diǎn)、允許誤差值、標(biāo)準(zhǔn)壓力值、待檢定點(diǎn)數(shù)、已檢定點(diǎn)數(shù)等。

2.3 檢定裝置檢定記錄表

本研究的檢定裝置檢定記錄表界面的主體就是報(bào)表控件，具體包括：打印檢定記錄表、數(shù)據(jù)填表、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)查詢等功能。以確保在記錄表中正確地填入檢定的數(shù)據(jù)，讓檢定任務(wù)完成。

2.4 檢定裝置檢定證書界面

檢定證書設(shè)計(jì)及操作系統(tǒng)主要由操作按鈕和報(bào)表控件構(gòu)成，具體包括：打印設(shè)置、存表、讀表、增加、列表式組合框。在此基礎(chǔ)上有效完成檢定裝置檢定證書的打印操作[2]。

3 壓力表自動(dòng)化檢定裝置硬件設(shè)計(jì)

3.1 檢定裝置

通常情況下，應(yīng)用的壓力表泛指為指針式壓力表，本文提出自動(dòng)檢定的整體方案是針對指針時(shí)壓力表的檢定，如圖1 所示。主要有本文重點(diǎn)闡述的壓力控制機(jī)器PACE7000、通訊線束、專用工業(yè)照相機(jī)、工控機(jī)、打印機(jī)等。利用CCD 作為專用工業(yè)相機(jī)，通信協(xié)議遵照RS485 串口模式，與計(jì)算機(jī)相連的是USB 口；利用LAN 口完成主機(jī)與PACE7000 壓力控制臺的通訊；利用USB 口連接打印機(jī)。參照PACE7000 壓力控制器的通信控制協(xié)議，全自動(dòng)壓力表檢定裝置可以借助自主開發(fā)的檢定軟件進(jìn)行壓力的自動(dòng)控制，可以通過精準(zhǔn)度極高的數(shù)字壓力傳感器有效獲取標(biāo)準(zhǔn)壓力值，利用CCD 工業(yè)相機(jī)參照指針識別算法進(jìn)行壓力數(shù)的讀取，根據(jù)JJG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》檢定規(guī)程，進(jìn)行各項(xiàng)誤差值計(jì)算后給出檢定結(jié)果。

圖1 壓力表自動(dòng)檢定總體方案

3.2 檢定程序

壓力表自動(dòng)檢定過程設(shè)計(jì)如下：將壓力表安裝到計(jì)量工裝，鏡頭與表盤呈現(xiàn)平行狀態(tài)；將表的自動(dòng)計(jì)量軟件開啟；將通訊串口與工業(yè)計(jì)算機(jī)的接口打開；進(jìn)行“開始檢定”的操作，向控制器發(fā)送指令，進(jìn)行對應(yīng)壓力值的輸出，借助串口向工控機(jī)實(shí)時(shí)傳送壓力值；按照相關(guān)算法，工業(yè)相機(jī)進(jìn)行被測壓力表示值的實(shí)時(shí)計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果與相同準(zhǔn)確度壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)壓力值進(jìn)行對比，獲取不同壓力點(diǎn)對照的誤差，并進(jìn)行回程誤差、示值誤差的計(jì)算，按照壓力表等級求出對照的檢定結(jié)果，最終將檢定記錄表打印出來[3]。

4 壓力表自動(dòng)化檢定裝置軟件設(shè)計(jì)

4.1 圖像采集及二值化處理模塊

針對壓力表自動(dòng)化檢定裝置軟件的設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)部分：壓力表自動(dòng)讀數(shù)識別程序和壓力表表盤圖像采集程序。首先利用機(jī)器視覺（LabVIEW）軟件平臺編程，操縱CCD工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集壓力表的圖像。將這些圖像計(jì)算處理后，讀取壓力表指針的數(shù)值。將獲取的圖像讀入并存儲，通過IMAQThreshold 實(shí)施二值化處理圖像，將背景噪聲影響數(shù)值識別的程度降到最低。閾值范圍的確定可以利用IndexArray和ForLoop 的循環(huán)端口VI 實(shí)現(xiàn)，而閾值范圍的設(shè)置則是利用IMAQThreshold 完成。設(shè)定超過閾值時(shí)亮度最小，僅為0，低于閾值時(shí)亮度最大，可達(dá)255。根據(jù)以上的方式，可以獲取壓力表二值化的圖像（如圖2 所示）。

圖2 圖像采集及處理程序

4.2 壓力表讀數(shù)識別模塊

在該軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以設(shè)定學(xué)習(xí)階段和讀數(shù)階段兩個(gè)階段進(jìn)行壓力表圖像示數(shù)的讀取。針對學(xué)習(xí)階段，獲得圖像對照的像素點(diǎn)的數(shù)值，可以通過Vision Assistant 完成，同時(shí)在相應(yīng)的數(shù)組中輸入，輸入兩個(gè)數(shù)組的連接到IMAQconvert IinetoROI 的函數(shù)中，然后通過兩個(gè)IMAQconvert IinetoROI 函數(shù)規(guī)定儀表的初始值和滿量程值的位置，利用IMAQconvert IinetoRO 有效組合兩個(gè)階段的ROI，有效輸入IMAQGetMeter 的學(xué)習(xí)函數(shù)。

完成學(xué)習(xí)過程后，進(jìn)行儀表指針的旋轉(zhuǎn)位置中心和一個(gè)數(shù)組的輸出。其中數(shù)組元素表示一條刻度弧線上初始值和滿量程值各個(gè)點(diǎn)的位置，讀數(shù)階段儀表讀數(shù)的計(jì)算就利用這些點(diǎn)進(jìn)行。以學(xué)習(xí)階段的輸出為基礎(chǔ)完成讀數(shù)階段，當(dāng)前讀數(shù)的所處位置的百分比，IMAQ Read Meter 可以借助檢測儀表指針的位置來確定，有效計(jì)算儀表的真實(shí)讀數(shù)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果中，既可以顯示讀數(shù)值，還能夠在圖像中清晰顯示ROI，以及有效顯示學(xué)習(xí)過程返回?cái)?shù)組中的各個(gè)點(diǎn)的位置以及指針指向的位置[4]。

4.3 壓力表通信與控制模塊

在該模塊的設(shè)計(jì)中，PACE7000 全自動(dòng)液壓控制器與軟件的通訊是利用RS485 串口完成；而工業(yè)相機(jī)（CCD）與軟件的通訊是通過標(biāo)準(zhǔn)的USB 接口實(shí)現(xiàn)。在LabVIEW 中，利用RS485 串口通信方式應(yīng)用VISA。作為儀器編程標(biāo)準(zhǔn)I/OAPI 的VISA，其編程利用面向?qū)ο蟮姆绞?，其?dú)立性、擴(kuò)展性和兼容性極佳；VISA 能夠有效控制VXI 或PXI 儀器、CPIB、以太網(wǎng)、串口、USB 等，同時(shí)按照應(yīng)用儀器的類型進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用，免除了用戶學(xué)習(xí)各種儀器通信協(xié)議的麻煩；VISA 無需依賴總線、操作系統(tǒng)和編程環(huán)境，完全可以在各類的操作系統(tǒng)、設(shè)備類型、編程語言中應(yīng)用相同的API。

在該軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以利用如下步驟進(jìn)行與PACE7000 壓力控制器的串口通信。首先初始化串口后進(jìn)行配置，利用visa config ure serialport 進(jìn)行基本配置的設(shè)定，包括串口的端口率、波特率等。初始化的設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行串口讀寫，根據(jù)PACE7000 通信控制協(xié)議的指令調(diào)用VISAWrite，然后VISARead 對協(xié)議指令進(jìn)行對應(yīng)的寫入和讀取，以及對相關(guān)條件的確定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力控制器的操作程序，在設(shè)定的順序結(jié)構(gòu)的最后，利用MSOffic Report 模塊輸出和打印全部記錄，完成打印后應(yīng)用函數(shù)VISACIose 關(guān)閉串口[5]。

5 結(jié)束語

本文以LabVIEW 機(jī)器視覺的功能為基礎(chǔ)，借助圖像處理技術(shù)，參考虛擬儀器串口通信理論，設(shè)計(jì)一套集機(jī)器視覺模擬量讀取、圖像采集、判斷決策以及I/O 控制于一身的壓力表自動(dòng)化檢定裝置。同時(shí)，壓力表自動(dòng)檢定裝置利用了前沿的可編程控制器、機(jī)器視覺技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)的結(jié)合，按照J(rèn)JG 52-2013 的標(biāo)準(zhǔn)，性能指標(biāo)完全滿足相關(guān)要求，降低和避免了因?yàn)槿斯z定壓力表產(chǎn)生的誤差，促進(jìn)壓力表檢定效率和準(zhǔn)確性的大幅度提升，讓相關(guān)的檢定水平再上新臺階，以推動(dòng)壓力表在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。