李美鳳

摘要：文中介紹了一種基于智能方式檢測(cè)電子秤計(jì)量性能的裝置，區(qū)別于傳統(tǒng)手工方式檢定電子秤效率低、工作強(qiáng)度大等不足，該裝置基于自動(dòng)控制、圖像識(shí)別等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子秤全量程、全性能的自動(dòng)檢測(cè)，不僅效率高而且受人為因素影響小，可廣泛應(yīng)用于電子秤生產(chǎn)企業(yè)及計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：電子秤；待檢設(shè)備；智能檢測(cè)；自動(dòng)控制；圖像識(shí)別

Design and Research of an Ai- based Electronic Scale Detection Device

LI Meifeng

（Sanming Metrology Institute， Sanming 365000， Fujian， China）

Abstract： This paper introduces a newly designed electronic scale detection device based on an intelligent detection method， which is different from the traditional manual testing approach. By applying the automatic control and image identification techniques， an electronic scale detection? device has been introduced to achieve full automatic and full range detection， which is comparably high efficiency and high accuracy. This device could be potentially applied in electronic scale industries and testing institutes.

Key Words：? Electronic scale; EUT; Intelligent detection; Automatic control; Image recognition

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，在貿(mào)易活動(dòng)中，人們對(duì)電子秤的使用率及技術(shù)要求越來(lái)越高，不但要求產(chǎn)品質(zhì)量可靠，而且還要求價(jià)格低。在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)，電子秤制造廠除了采用先進(jìn)的技術(shù)和生產(chǎn)工藝不斷提高質(zhì)量外，在電子秤出廠檢測(cè)方面還得耗費(fèi)大量的財(cái)力、物力、人力來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)電子秤的檢測(cè)主要以手動(dòng)檢測(cè)方式為主，由于EUT（待檢設(shè)備）本身的量程決定了檢測(cè)的工作強(qiáng)度：通常小稱量的電子秤，使用小砝碼便可以完成檢定；但當(dāng)EUT量程上升到一定的稱量，對(duì)應(yīng)的檢定砝碼的重量與重復(fù)次數(shù)將給檢定工作帶來(lái)巨大的壓力；同時(shí)對(duì)于檢定規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)的掌握程度，也使得檢定質(zhì)量受人為因素影響較大。因此，設(shè)計(jì)研究一種新型的智能電子秤計(jì)量性能檢測(cè)裝置即電子秤自動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)該裝置對(duì)電子秤的各項(xiàng)計(jì)量性能指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，可大大提高檢測(cè)效率與管理水平，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

2019年，三明市計(jì)量所與福州富日衡之寶電子有限公司共同合作研究“電子秤計(jì)量性能智能檢測(cè)裝置的研究”獲得福建省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科技項(xiàng)目立項(xiàng)，項(xiàng)目已順利通過(guò)專家驗(yàn)收。

1 裝置整體設(shè)計(jì)思路與研究方向

“電子秤計(jì)量性能智能檢測(cè)裝置的研究”參照J(rèn)JG539-2016《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程的計(jì)量指標(biāo)設(shè)計(jì)，主要包括結(jié)構(gòu)、電氣、計(jì)量、軟件、AI等模塊，形成以AI智能檢測(cè)及識(shí)別為主的核心設(shè)計(jì)方案；后臺(tái)軟件系統(tǒng)參照電子秤檢驗(yàn)流程，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制砝碼升降機(jī)構(gòu)、X-Y工作臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC控制器，可實(shí)現(xiàn)四角測(cè)試、線性測(cè)試、重量標(biāo)定和重復(fù)測(cè)試，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)采集及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，在裝置上預(yù)置視頻數(shù)字采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻信息采集，對(duì)于顯示數(shù)據(jù)及顯示的相應(yīng)符號(hào)信息，可做到有效評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)軟件智能判斷EUT檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)EUT的智能檢測(cè)。

總體方案設(shè)計(jì)：研究電子秤的檢驗(yàn)流程，分析每個(gè)檢驗(yàn)步驟利用自動(dòng)化設(shè)備的可行性，確定詳細(xì)的設(shè)備技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)路線。

設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：通過(guò)對(duì)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和性能分析，進(jìn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括設(shè)備外觀、砝碼升降機(jī)構(gòu)、砝碼串運(yùn)行機(jī)構(gòu)、X-Y運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、AI攝像頭機(jī)構(gòu)、電器控制柜、人機(jī)界面機(jī)構(gòu)等。

設(shè)備電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)：通過(guò)對(duì)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和性能分析，進(jìn)行設(shè)備的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)：包括各種電氣部件的選型（如設(shè)備控制器、升降電缸及控制電機(jī)、X-Y導(dǎo)軌、X-Y控制電機(jī)、攝像頭、人機(jī)界面顯示屏以及相關(guān)零件）、設(shè)備電氣電路設(shè)計(jì)、各種部件的安裝設(shè)計(jì)等。

控制軟件設(shè)計(jì)：依據(jù)電子秤檢驗(yàn)流程進(jìn)行控制軟件設(shè)計(jì)，包括設(shè)備初始化、X-Y工作臺(tái)移動(dòng)控制、升降電缸、升降控制、執(zhí)行控制、人工智能識(shí)別電子秤工作狀態(tài)、檢測(cè)結(jié)果分析及判斷、人機(jī)操作界面等。

管理軟件設(shè)計(jì)：根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程管理軟件設(shè)計(jì)，包括自動(dòng)處理檢定數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成檢定記錄、報(bào)表系統(tǒng)等。裝置整體框架如圖1所示。

對(duì)電子秤的合格性判定所需檢測(cè)的項(xiàng)目較多，為了能夠快速、準(zhǔn)確、智能地完成檢測(cè)，本裝置的設(shè)計(jì)與研究要點(diǎn)為以下三點(diǎn)。

1）依據(jù)JJG 539-2016《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程，電子秤計(jì)量性能的檢定主要有：偏載、重復(fù)性、稱重性能等計(jì)量性能檢測(cè)，設(shè)計(jì)XYZ伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三軸平臺(tái)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器，使得組合檢定砝碼在檢測(cè)平臺(tái)上橫向、豎向移動(dòng)，以滿足X軸及Y軸上的偏載測(cè)試；另設(shè)計(jì)砝碼在縱向移動(dòng)，以滿足Z軸上重復(fù)性、稱重性能的檢測(cè)。

2）依據(jù)檢定規(guī)程中對(duì)各測(cè)量點(diǎn)的分布，設(shè)計(jì)砝碼以1225的組合方式定制，用以滿足1/3、1/2和滿載的稱重及其他組合；并設(shè)計(jì)按M1級(jí)不銹鋼材質(zhì)進(jìn)行砝碼定制并送法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)量值溯源。

3）工作臺(tái)上設(shè)計(jì)一個(gè)視頻采集器（攝像頭），用于采集顯示窗口視頻，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、識(shí)別，并傳送至主機(jī)柜，通過(guò)提取數(shù)字及符號(hào)特征，讀出顯示內(nèi)容，以便進(jìn)行自動(dòng)分析和控制；后臺(tái)智能分析系統(tǒng)主要針對(duì)偏載檢測(cè)和稱重性能檢測(cè)的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)檢測(cè)性能滿足檢定規(guī)程要求時(shí)，設(shè)置報(bào)警燈顯示綠色，不滿足要求時(shí)，顯示紅色，從而直觀判斷產(chǎn)品合格與否。

2裝置關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

本裝置設(shè)計(jì)研究中采用的關(guān)鍵技術(shù)主要有通用計(jì)算機(jī)電子技術(shù)和壓力傳感，X軸、Y軸、Z軸坐標(biāo)計(jì)算算法，數(shù)字圖像識(shí)別算法、數(shù)字和圖像識(shí)別，電機(jī)驅(qū)動(dòng)三軸平臺(tái)、自動(dòng)控制技術(shù)及電子秤檢測(cè)流程中檢測(cè)參量的智能化分析與判定。

2.2難點(diǎn)

1）砝碼升降機(jī)構(gòu)：砝碼升降機(jī)構(gòu)在橫向、縱向及豎直方向升降應(yīng)可靠、精確，并在多次重復(fù)升降后應(yīng)精準(zhǔn)、重復(fù)定位。

2）裝置工作臺(tái)：X-Y 工作臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，且重復(fù)性好。

3）智能識(shí)別電子秤工作狀態(tài)：利用人工智能技術(shù)，對(duì)電子秤顯示屏中的數(shù)字、符號(hào)等智能識(shí)別，同時(shí)采集測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)處理器，根據(jù)符號(hào)判斷電子秤工作狀態(tài)，以此為檢驗(yàn)系統(tǒng)提供依據(jù)。

4）自動(dòng)執(zhí)行檢驗(yàn)流程：根據(jù)電子秤檢驗(yàn)工藝流程，自動(dòng)控制砝碼升降機(jī)構(gòu)和 X-Y 工作臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成電子秤各項(xiàng)計(jì)量參數(shù)的檢測(cè)。

5）智能判斷檢測(cè)結(jié)果：根據(jù)計(jì)量性能參數(shù)及人工數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，進(jìn)行智能分析，給出合格與否的判定。

6）智能管理檢驗(yàn)過(guò)程：根據(jù)人工智能采集的數(shù)據(jù)，依據(jù)JJG 539-2016《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程設(shè)計(jì)檢驗(yàn)流程，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)計(jì)量性能檢測(cè)自動(dòng)化，免除人為操作產(chǎn)生的判定誤差。

2.3創(chuàng)新點(diǎn)

采用人工智能技術(shù)自動(dòng)執(zhí)行檢測(cè)裝置的機(jī)械動(dòng)作，識(shí)別不同顯示類型的EUT設(shè)備，其顯示區(qū)域所顯示的數(shù)字、圖標(biāo)、符號(hào)、文字等信息要素的圖像捕捉，以及針對(duì)采集的相關(guān)圖像信息進(jìn)行判斷，得到判斷結(jié)果并自動(dòng)進(jìn)行分析，最終實(shí)現(xiàn)快速判定電子秤計(jì)量性能結(jié)果是否符合計(jì)量檢定規(guī)程的要求。

3檢測(cè)模式設(shè)計(jì)

1）檢測(cè)模式設(shè)計(jì)為手動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)。檢測(cè)操作界面分為工作臺(tái)等待區(qū)、工作臺(tái)移動(dòng)中心區(qū)、上升三個(gè)按鍵；檢測(cè)項(xiàng)目主要為四角測(cè)試、線性測(cè)試、重量標(biāo)定、重復(fù)性測(cè)試，其中四角測(cè)試包括左上角加載砝碼、右上角加載砝碼，左下角加載砝碼，右下角加載砝碼四個(gè)按鍵；線性測(cè)試包括加載砝碼1、加載砝碼2、加載砝碼3、加載砝碼4等按鍵；重量標(biāo)定包括三段標(biāo)定的“砝碼1”“砝碼2”“砝碼3”和單段標(biāo)定的“砝碼”。

2）按自動(dòng)運(yùn)行按鍵，執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)功能。自動(dòng)檢測(cè)基本流程框圖如圖2所示。

3）自動(dòng)測(cè)試結(jié)束后，如果測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)通過(guò)，在操作測(cè)試界面自動(dòng)測(cè)試欄中狀態(tài)框顯示“測(cè)試合格”，如果測(cè)試過(guò)程某一項(xiàng)測(cè)試不合格（可在“檢驗(yàn)數(shù)據(jù)”界面“自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)列表”中查看），顯示“測(cè)試不合格”如圖3所示。

4）測(cè)試數(shù)據(jù)列表

在測(cè)試期間（手動(dòng)或自動(dòng)）各項(xiàng)測(cè)試的采集示值與實(shí)際載荷數(shù)據(jù)、采集示值誤差及其合格判定結(jié)果在“校驗(yàn)數(shù)據(jù)”界面，“測(cè)試數(shù)據(jù)列表”動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，如圖4所示。

5）測(cè)試檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表生成，如圖5所示。

4 獲得專利

根據(jù)裝置已實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)裝置內(nèi)嵌的軟件申請(qǐng)并獲得了軟件著作權(quán)保護(hù)，項(xiàng)目所含的三個(gè)軟件著作權(quán)為：電子秤稱重示值和標(biāo)志識(shí)別處理軟件、電子秤自動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)控制系統(tǒng)、電子秤自動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái) PLC 控制軟件。

5 成果應(yīng)用前景

當(dāng)前國(guó)家對(duì)電子秤行業(yè)規(guī)定如下：所有出廠的產(chǎn)品都應(yīng)進(jìn)行成品的出廠檢驗(yàn)；所有在銷售終端使用的計(jì)價(jià)秤都必須執(zhí)行強(qiáng)制檢定。這就意味著每一個(gè)電子秤生產(chǎn)廠家以及每一臺(tái)在銷售終端的計(jì)價(jià)秤都必須經(jīng)過(guò)出廠檢測(cè)與周期檢定。本裝置在功能上不僅符合我國(guó)甚至國(guó)際通用的檢定規(guī)程的要求，更以設(shè)備本身所能實(shí)現(xiàn)智能化降低了使用者對(duì)電子秤專業(yè)技術(shù)理論要求，同時(shí)釋放檢定過(guò)程中操作者頻繁取放檢定標(biāo)準(zhǔn)器（砝碼）的勞動(dòng)力，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。

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