基于机器视觉的计量封印自动检测技术研究与应用

龙紫筠 梁健文 梁世昌

摘要：针对计量封印制造、包装、安装过程的检测需求，应用光机电一体化、现代设计、机器视觉、编码识别及通信等技术，研制基于机器视觉的计量封印在线质量检测系统，实现计量封印生产、标志、安装质量的全自动、高速、高精度在线识别与检测，并进行瑕疵分类处理，旨在为电力行业计量封印的生产及管理提供完整的在线检测与处理方案，实现计量封印的自动化、智能化、信息化生产与管理。

关键词：计量封印;自动检测技术;装配质量;包装质量;加封质量

1    主要研究内容

基于机器视觉的计量封印在线质量检测系统主要包括装配质量检测、包装质量检测及加封质量检测三个部分。

1.1    装配质量检测系统

根据计量封印的结构特点及生产装配工艺，研究产品缺陷在线检测软件及集送料、定位、图像采集、瑕疵分类处理、下料等功能于一体的产品缺陷检测装置。其中，软件通过噪声抑制、背景减除、图像分割、动态阈值、特征提取等算法的应用提高系统的成像精度，提高检测实时性、准确率及效率，满足计量封印质量高精度、动态检测的需求。

1.2    计量物资编码绑定平台

根据计量封印的标志要求，研究字符及条形码视觉识别系统及计量物资编码绑定平台。研究计量封印产品物资编码快速识别的检测方法，实现字符编码及条形码的自动识别和录入，并通过平台管理软件识别资产编号，绑定至周转箱号，实现计量封印的信息化管理。

1.3    加封质量检测系统

根据计量封印的检定与加封要求，研究电能表的加封检测集成装置，实现电能表智能定位、封印自动配料、自动加封、加封质量检测、电能表编码和计量封印编码检测、编码自动绑定等功能，并可以与智能锁封管理系统及电力营销管理系统进行数据交互，实现电能表与计量封印的资产管理。

2    装配质量检测系统

2.1    技术原理

装配质量检测系统通过机器视觉、图像采集、运动目标识别检测等技术，实现计量封印半成品、成品的质量检测，替代肉眼检测，真正实现了计量封印的全自动化生产。

2.2    检测需求分析

目前计量封印的缺陷率平均约为0.445%，主要有盖板焊接移位、盖板穿孔、反盖板焊接、缺盖板、缺底座五种瑕疵类型，瑕疵出现的原因主要包括产品设计问题、注塑焊接工艺参数问题及成型设备的不稳定因素，目前采用肉眼进行检测，耗时耗力，且容易因视觉疲劳导致误判。

2.3    软件开发过程

本项目的检测系统以虚拟仪器LabVIEW为开发平台，完成检测系统的软件程序，检测系统分别通过ModBus协议和UDP协议与PLC控制系统和封印管理系统通信，将检测结果与封印管理系统中的数据进行实时比对校验。

2.4    检测集成机构设计与研制

根据计量封印的结构特点、检测要求及装配工艺要求，项目应用光机电一体化技术、现代设计技术、自动控制技术、电机驱动技术等，研制出集成送料、定位、卸料与瑕疵处理等功能的计量封印装配质量在线检测装置，并具有全自动化、高速、高精度、通用性强等特点（图1、图2）。

3    计量物资编码绑定平台

3.1    技术原理

计量物资编码绑定平台通过机器视觉、自动控制、编码识别、通信、信息处理等技术，实现计量封印的标志质量检测、字符及条形码识别及编码绑定，检测系统高效、可靠，便于对资产进行信息化管理。

3.2    软件开发过程

3.2.1    编码检测与识别的实现

计量物质的编码主要包括包装盒、箱上的编码，包装盒、箱内所有封印、电能表的編码，需要识别的条形码有一维码（code 128）、二维码（PDF417、QR code、Data Matrix）。本项目研制了一种基于LabVIEW的字符编码检测系统，采用机器视觉技术对整盒、箱产品进行图像采集，并可以根据产品位置自由设定条形码的识别顺序。

3.2.2    字符检测与识别的实现

（1）首先通过训练建立字符模板库，根据字符在图像分割时呈现的特征，可针对每个字符建立多模板，以增强模板匹配识别的适应性。

（2）从图像中分割出字符特征需应用二值化方法，必须设定包含字符与背景的ROI（感兴趣区域），在检测开始前先设定ROI，并保存于计算机硬盘中，检测时由程序自动调用。

（3）字符识别的原理：对图像中的所有字符编码进行二值化分割，然后将分割后的单个字符图像与模板库中的图像进行匹配运算，将相似度得分最高的模板认为与待识别的字符一致。

为提高字符识别率，本文提出了一种基于ROI智能调整及多模板匹配的字符识别方法，其原理是：

1）首先为每组字符编码设定适当大小的初始ROI;

2）设置ROI与字符之间的最小间距值（可以设置多个值）以及ROI在水平方向移动的范围;

3）对于字符分割导致识别错误的情况，令ROI在初始位置的水平方向邻域范围内移动，直至ROI与字符之间的间隙超过最小间距值为止，再进行字符分割、识别。在LabVIEW开发环境中完成上述算法的编程。

（4）所有产品的条形码信息都识别出来后，按照设定的要求进行顺序检验与信息录入，检测所有编码是否都符合要求。

3.2.3    编码与字符软件的开发

编码与字符软件包含字符与编码的设置、数据分析与处理，并能与计量封印管理软件和电力营销系统进行信息共享，实现计量封印的信息化管理。

3.2.4    计量物资编码绑定机构设计与研制

计量物资编码绑定机构主要通过滚筒传输带传送计量物资周转箱，采用高速摄像头配合图像识别技术，同时对多个电能表资产编号进行采集识别，在计量物资管理软件中将识别的资产编号绑定至周转箱号。机构主要包括滚筒传送装置、识读装置、条码打印装置、触摸控制模块等。整机设计图如图3所示。

4    加封质量检测系统

4.1    技术原理

加封质量检测系统采用机器视觉、工业机器人自动控制、传感器、计算机软硬件、人机接口等技术，实现计量封印加封、加封质量检测、编码识别与绑定等功能，具有高效、稳定、通用性好等特点。

4.2    加封检测系统设计与开发

4.2.1    基于光电传感器的运行状态信息采集

光电传感器主要负责采集自动加封系统的运行状态信号机故障信号，由光纤传感器、真空发生压力传感器、磁性开关三类传感器配合检测，使整个系统正确有序地执行指令。

4.2.2    基于机器视觉的信息采集

加封过程智能定位主要有图像采集、图像预处理、目标匹配、计算目标坐标拟合、路径计算、执行几个步骤。采用工业相机获取装配线上的实时图像信号，对图像进行预处理，即图像灰度化、图像降噪、图像增强、分割图像。提取施封孔部分同心圆图像为特征，并以同心圆圆心作为中心建立图像轮廓模板。在分割后的图像窗口中搜索，用二维FFT（Fast Fourier Transform）算法进行目标匹配计算，搜索与模板最相似的两个子图。对标定的目标子图进行亚像素处理，利用线性插值法插入亚像素点获取更多图像细节，对处理后的图像再次进行模板匹配，以提高装配精度。拟合计算目标位置坐标，计算机械手移动路径，发送位移命令，实现水平多关节机器人的运动，进行加封。

4.2.3    自动加封系统的设计与研制

项目根據各执行机构实现的功能，将系统执行机构分为五部分：电表输送机构、锁封输送机构、加封机构、检测机构及信息采集机构。其中电表输送机构是整个系统运行的基础，其工作效率、定位精度直接影响系统的其他机构;锁封输送机构为系统源源不断地提供锁封物料，其稳定高效的输送是系统功能实现的前提;加封机构是整个系统的关键及重点难点，由于各种电表的尺寸差异及其他因素，对加封定位的通用性要求高;检测机构主要是对加封质量、编码质量进行检测判断与分析;信息采集机构实现对电能表、锁封的信息采集，主要采用机器视觉实现。以上五个模块的协同运行，保证了加封检测系统的顺序运行。

5    项目创新点

（1）采用基于高精度CCD的图像采集技术及运动目标识别检测技术开发在线检测软件，克服扫描运动目标、背景复杂等影响，实现计量封印在高速运动过程中的高精度检测，属于行业上的应用创新。

（2）根据计量封印的结构特点及检测要求，采用现代设计技术、光机电一体化技术等，开发一套集送料、检测与不良品处理等功能于一体的计量封印检测装置，实现产品检测过程的全自动化。

（3）开发一种在线检测监控系统，采用移动通信技术、蓝牙技术、射频识别技术，实现计量封印生产、包装、运输、安装过程中的全寿命周期管理。且系统搭载Android系统的智能手机或智能平板电脑等移动平台，突破了管理过程中的时空限制。

[参考文献]

[1] FINKENZELLER K.射频识别技术原理与应用[M].6版.王俊峰，宋起柱，彭潇，等译.北京：电子工业出版社，2015.

[2] 彭金萍，李福安，王艳玮.基于二维码的电能表防伪封印研制[J].电测与仪表，2006，43（9）：33-36.

收稿日期：2020-07-21

作者简介：龙紫筠（1989—），女，湖南益阳人，工程师，主要从事智能装备研发及项目管理工作。