智能指示表檢定儀的原理和設(shè)計(jì)

　　智能指示表檢定儀是一款全自動(dòng)指示表檢定儀器，該儀器由CCD攝像技術(shù)及圖像處理技術(shù)加上成熟的光柵測(cè)量技術(shù)等組成，實(shí)現(xiàn)百分表、千分表、杠桿表等指示表示值誤差的檢定。
　　1　引言
　　指示表(百分表、千分表)是機(jī)械工業(yè)最為廣泛使用的常規(guī)儀表，在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在儀表生產(chǎn)企業(yè)和計(jì)量檢定技術(shù)機(jī)構(gòu)，需要對(duì)指示表各指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確檢定，以判斷是否合格，隨著指示表檢測(cè)市場(chǎng)的增大，使得指示表檢定工作也日趨繁瑣，成為檢測(cè)領(lǐng)域中一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作。以往的指示表檢定方法基本是采用高精度測(cè)微機(jī)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，如千分尺，通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)測(cè)微桿改變長(zhǎng)度由人眼進(jìn)行示值讀數(shù)，然后反行程改變測(cè)微桿檢測(cè)反行程讀取數(shù)據(jù)，普通0～10mm的百分表原始讀數(shù)200多個(gè)點(diǎn)，最后由200多個(gè)讀數(shù)計(jì)算指示表的示值誤差、回程差等指標(biāo)。這種檢定方法存在的問(wèn)題是：(1)人工目視讀數(shù)的精度低，可靠性差，重復(fù)性差；(2)檢定人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢定耗時(shí)長(zhǎng)，工作效率低，易疲勞；(3)只能進(jìn)行有限位置的定點(diǎn)檢定，靈活性和通用性差；(4)手工計(jì)算效率低，計(jì)算繁瑣，易出錯(cuò)。近年來(lái)，檢測(cè)市場(chǎng)逐步出現(xiàn)各類(lèi)半自動(dòng)指示表檢定儀，不同程度的減輕了檢定員的勞動(dòng)強(qiáng)度，但標(biāo)準(zhǔn)器的檢測(cè)精度殘差不齊，夾雜人工操作部分，檢測(cè)結(jié)果不確定評(píng)定中穩(wěn)定性和重復(fù)性貢獻(xiàn)依然較大。因此，盡快研制出一種能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的能與人更好溝通的全自動(dòng)指示表檢定儀，將對(duì)我國(guó)的儀表生產(chǎn)和檢定發(fā)揮很大的作用。計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理等技術(shù)近年來(lái)隨著理論與方法的發(fā)展在應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由攝像機(jī)獲取指示表圖像，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用計(jì)算機(jī)對(duì)視覺(jué)信息進(jìn)行處理，再運(yùn)用相關(guān)圖像處理方法對(duì)指示表圖像進(jìn)行預(yù)處理、識(shí)別，確定出儀表的精度，并自動(dòng)完成誤差分析，達(dá)到提高生產(chǎn)效率，減少人員消耗。降低生產(chǎn)成本的目的。
　　本課題的研究就是在采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和光學(xué)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供一種更快、更準(zhǔn)確、更可靠的檢定方法。
　　2　智能指示表檢定儀的設(shè)計(jì)
　　智能指示表檢定儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該智能指示表檢定儀由PC機(jī)控制，經(jīng)典的光柵測(cè)量技術(shù)中融入CCD攝像、圖像處理技術(shù)。檢定時(shí)只需將被檢表按規(guī)范要求安裝好，CCD攝像頭對(duì)準(zhǔn)指示表表盤(pán)，在檢定程序中選擇相應(yīng)的指示表類(lèi)型，啟動(dòng)檢測(cè)鍵，計(jì)算機(jī)根據(jù)CCD攝像電路讀取被檢表指針位置，經(jīng)圖像處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)反饋傳人電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)光柵測(cè)量裝置及被檢表，形成閉環(huán)回路自動(dòng)控制系統(tǒng)，檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序給出檢測(cè)數(shù)據(jù)，示值誤差、回程差及結(jié)論，使整個(gè)指示表檢定方法簡(jiǎn)單化、避免手動(dòng)、半自動(dòng)檢定儀手動(dòng)定點(diǎn)的缺陷，大大減少由于人眼視力疲勞及人工定點(diǎn)帶來(lái)的誤差。有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性及良好的計(jì)量性能。
　　2.1攝像系統(tǒng)
　　攝像系統(tǒng)由CCD攝像頭對(duì)準(zhǔn)指示表表盤(pán)，對(duì)指示表各受檢點(diǎn)位置實(shí)時(shí)拍攝及圖像處理反饋后自動(dòng)微調(diào)，結(jié)果監(jiān)視，完成圖像獲取工作。本系統(tǒng)中選用MV-VS130FM／FC高分辨率黑白／彩色工業(yè)數(shù)字CCD攝像機(jī)，該攝像機(jī)最高分辨率為1280×1024，象素尺寸4.65μm，黑白輸出，12位ADS位數(shù)據(jù)輸出，清晰度大于960線，具有較好的數(shù)據(jù)交換接口。
　　2.2圖像處理及反饋系統(tǒng)
　　
　　該系統(tǒng)主要由圖像獲取、圖像預(yù)處理、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理程序組成。經(jīng)CCD攝像頭拍攝的圖像獲取后經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)、圖像銳化、閥值分割等預(yù)處理后，使原始圖像成為清晰的，對(duì)比度良好的可處理圖像?？商幚韴D像經(jīng)過(guò)圖像處理程序完成表盤(pán)位置、示值刻度線、指針位置三個(gè)主要參數(shù)獲取。檢定儀在檢測(cè)點(diǎn)附近由圖像數(shù)據(jù)處理完成偏差計(jì)算，偏差小于閥值，讀取檢測(cè)數(shù)據(jù)；偏差大干閥值驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行微調(diào)，直至指針位置偏差小于閥值。該系統(tǒng)要求有快得相應(yīng)能力，較高的數(shù)據(jù)處理速度。
　　2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
　　檢測(cè)時(shí)，伺服電機(jī)接受檢定命令后驅(qū)動(dòng)指示表運(yùn)動(dòng)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的指示表受檢點(diǎn)個(gè)數(shù)和相鄰受檢點(diǎn)之間距離間隔，驅(qū)動(dòng)到受檢點(diǎn)位置，經(jīng)檢測(cè)，指針位置正確后由光柵測(cè)量系統(tǒng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)是整個(gè)檢定儀核心部件之一，要求結(jié)果簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好，驅(qū)動(dòng)精度高、響應(yīng)速度快?；谝陨弦?，本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路采用森創(chuàng)5BYG250D-0241兩相混合步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)半步工作步距角0.9°，保持轉(zhuǎn)矩1.72N·m，定位轉(zhuǎn)矩0.07N·m，該步進(jìn)電機(jī)采用SH-2806N細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，對(duì)步進(jìn)64分后控制精度可達(dá)0.01°，導(dǎo)程小于0.01μm，具有較高的精度等級(jí)。
　　3　計(jì)量性能驗(yàn)證
　　3.1重復(fù)性試驗(yàn)
　　選取一計(jì)量性能較穩(wěn)定的千分表安裝在智能指示表檢定儀的表座支架，調(diào)整其測(cè)頭與檢定儀測(cè)桿測(cè)量面相接觸，從同一方向重復(fù)移動(dòng)檢定儀測(cè)桿10次，使千分表顯示同一值，記錄檢定儀10次顯示值的最大變化量，取最大變化量的1／3.08為檢定結(jié)果。
　　經(jīng)試驗(yàn)最大變化量在3.00mm點(diǎn)為0.00020mm
　　s=0.000203/3.08＝0.000065mm=0.065μm符合JJG201-2008《指示類(lèi)量具檢定儀檢定規(guī)程》關(guān)于重復(fù)性的要求。
　　3.2穩(wěn)定性試驗(yàn)
　　智能指示表檢定儀的穩(wěn)定性考核方法有兩種方式：(1)用穩(wěn)定的計(jì)量器具每間隔一定時(shí)間對(duì)該指示表檢定儀進(jìn)行檢測(cè)，連續(xù)檢測(cè)三次以上，(2)選擇一計(jì)量性能穩(wěn)定的被檢指示表，每隔一段時(shí)間用指示表檢定儀對(duì)該指示表進(jìn)行檢測(cè)，時(shí)間間隔大干一個(gè)月，連續(xù)三次以上。從計(jì)量器具保存、精度、方法綜合判定，選擇第一種方法為佳。故選擇三等量塊作為標(biāo)準(zhǔn)，每隔一個(gè)月對(duì)該指示表檢定儀進(jìn)行檢測(cè)，共測(cè)量四次，其中某次試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。
　　由上表可以看出各考核點(diǎn)四次試驗(yàn)中最大值與最小值之差均小于百分表檢定儀的最大示值誤差。符合JJF1033-2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核要求。
　　4　結(jié)語(yǔ)
　　本儀器要達(dá)到指示類(lèi)儀表檢定及不確定度規(guī)范要求，就須保證該檢定儀各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JJG201-2008《指示類(lèi)量具檢定儀檢定規(guī)程》。本儀器送計(jì)量部門(mén)檢測(cè)。示值誤差、回程差等各項(xiàng)計(jì)量性能要求均滿足規(guī)程要求。作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，該儀器具有較高的精度等級(jí)，該儀器操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，重復(fù)測(cè)量能力較強(qiáng)，同時(shí)具有良好的人機(jī)溝通能力，較大程度的降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短檢定時(shí)間，勞動(dòng)效率大大提高，有較好的使用價(jià)