一种基于人工智能的电子秤检测装置设计与研究

李美凤

摘要：文中介绍了一种基于智能方式检测电子秤计量性能的装置，区别于传统手工方式检定电子秤效率低、工作强度大等不足，该装置基于自动控制、图像识别等技术，可实现对电子秤全量程、全性能的自动检测，不仅效率高而且受人为因素影响小，可广泛应用于电子秤生产企业及计量检测机构。

关键词：电子秤；待检设备；智能检测；自动控制；图像识别

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

随着我国经济和科技的高速发展，在贸易活动中，人们对电子秤的使用率及技术要求越来越高，不但要求产品质量可靠，而且还要求价格低。在竞争日益激烈的市场，电子秤制造厂除了采用先进的技术和生产工艺不断提高质量外，在电子秤出厂检测方面还得耗费大量的财力、物力、人力来保证产品质量的可靠。当前，国内电子秤的检测主要以手动检测方式为主，由于EUT（待检设备）本身的量程决定了检测的工作强度：通常小称量的电子秤，使用小砝码便可以完成检定；但当EUT量程上升到一定的称量，对应的检定砝码的重量与重复次数将给检定工作带来巨大的压力；同时对于检定规程及标准的掌握程度，也使得检定质量受人为因素影响较大。因此，设计研究一种新型的智能电子秤计量性能检测装置即电子秤自动检验台，通过该装置对电子秤的各项计量性能指标进行自动检测、存储及数据处理，可大大提高检测效率与管理水平，降低生产成本，提升产品质量。

2019年，三明市计量所与福州富日衡之宝电子有限公司共同合作研究“电子秤计量性能智能检测装置的研究”获得福建省市场监督管理局科技项目立项，项目已顺利通过专家验收。

1 装置整體设计思路与研究方向

“电子秤计量性能智能检测装置的研究”参照JJG539-2016《数字指示秤》检定规程的计量指标设计，主要包括结构、电气、计量、软件、AI等模块，形成以AI智能检测及识别为主的核心设计方案；后台软件系统参照电子秤检验流程，设计自动控制砝码升降机构、X-Y工作台执行机构和PLC控制器，可实现四角测试、线性测试、重量标定和重复测试，同时考虑到数据采集及后续的数据处理，在装置上预置视频数字采集系统，可实现实时视频信息采集，对于显示数据及显示的相应符号信息，可做到有效评估，从而实现软件智能判断EUT检测数据，实现EUT的智能检测。

总体方案设计：研究电子秤的检验流程，分析每个检验步骤利用自动化设备的可行性，确定详细的设备技术指标及技术路线。

设备结构设计：通过对设备技术指标和性能分析，进行设备的结构设计：包括设备外观、砝码升降机构、砝码串运行机构、X-Y运动工作台、AI摄像头机构、电器控制柜、人机界面机构等。

设备电气系统设计：通过对设备技术指标和性能分析，进行设备的电气系统设计：包括各种电气部件的选型（如设备控制器、升降电缸及控制电机、X-Y导轨、X-Y控制电机、摄像头、人机界面显示屏以及相关零件）、设备电气电路设计、各种部件的安装设计等。

控制软件设计：依据电子秤检验流程进行控制软件设计，包括设备初始化、X-Y工作台移动控制、升降电缸、升降控制、执行控制、人工智能识别电子秤工作状态、检测结果分析及判断、人机操作界面等。

管理软件设计：根据检验结果数据进行生产过程管理软件设计，包括自动处理检定数据、自动生成检定记录、报表系统等。装置整体框架如图1所示。

对电子秤的合格性判定所需检测的项目较多，为了能够快速、准确、智能地完成检测，本装置的设计与研究要点为以下三点。

1）依据JJG 539-2016《数字指示秤》检定规程，电子秤计量性能的检定主要有：偏载、重复性、称重性能等计量性能检测，设计XYZ伺服电机驱动三轴平台，通过运动控制器，使得组合检定砝码在检测平台上横向、竖向移动，以满足X轴及Y轴上的偏载测试；另设计砝码在纵向移动，以满足Z轴上重复性、称重性能的检测。

2）依据检定规程中对各测量点的分布，设计砝码以1225的组合方式定制，用以满足1/3、1/2和满载的称重及其他组合；并设计按M1级不锈钢材质进行砝码定制并送法定计量检定机构量值溯源。

3）工作台上设计一个视频采集器（摄像头），用于采集显示窗口视频，进行数据的采集、识别，并传送至主机柜，通过提取数字及符号特征，读出显示内容，以便进行自动分析和控制；后台智能分析系统主要针对偏载检测和称重性能检测的过程数据进行分析，当检测性能满足检定规程要求时，设置报警灯显示绿色，不满足要求时，显示红色，从而直观判断产品合格与否。

2装置关键技术、难点及创新点

2.1 关键技术

本装置设计研究中采用的关键技术主要有通用计算机电子技术和压力传感，X轴、Y轴、Z轴坐标计算算法，数字图像识别算法、数字和图像识别，电机驱动三轴平台、自动控制技术及电子秤检测流程中检测参量的智能化分析与判定。

2.2难点

1）砝码升降机构：砝码升降机构在横向、纵向及竖直方向升降应可靠、精确，并在多次重复升降后应精准、重复定位。

2）装置工作台：X-Y 工作台运行平稳、可靠，且重复性好。

3）智能识别电子秤工作状态：利用人工智能技术，对电子秤显示屏中的数字、符号等智能识别，同时采集测量数据传输至后台处理器，根据符号判断电子秤工作状态，以此为检验系统提供依据。

4）自动执行检验流程：根据电子秤检验工艺流程，自动控制砝码升降机构和 X-Y 工作台执行机构，完成电子秤各项计量参数的检测。

5）智能判断检测结果：根据计量性能参数及人工数据的自动采集，进行智能分析，给出合格与否的判定。

6）智能管理检验过程：根据人工智能采集的数据，依据JJG 539-2016《数字指示秤》检定规程设计检验流程，实现各项计量性能检测自动化，免除人为操作产生的判定误差。

2.3创新点

采用人工智能技术自动执行检测装置的机械动作，识别不同显示类型的EUT设备，其显示区域所显示的数字、图标、符号、文字等信息要素的图像捕捉，以及针对采集的相关图像信息进行判断，得到判断结果并自动进行分析，最终实现快速判定电子秤计量性能结果是否符合计量检定规程的要求。

3检测模式设计

1）检测模式设计为手动检测和自动检测。检测操作界面分为工作台等待区、工作台移动中心区、上升三个按键；检测项目主要为四角测试、线性测试、重量标定、重复性测试，其中四角测试包括左上角加载砝码、右上角加载砝码，左下角加载砝码，右下角加载砝码四个按键；线性测试包括加载砝码1、加载砝码2、加载砝码3、加载砝码4等按键；重量标定包括三段标定的“砝码1”“砝码2”“砝码3”和单段标定的“砝码”。

2）按自动运行按键，执行自动检测功能。自动检测基本流程框图如图2所示。

3）自动测试结束后，如果测试各项指标通过，在操作测试界面自动测试栏中状态框显示“测试合格”，如果测试过程某一项测试不合格（可在“检验数据”界面“自动测试数据列表”中查看），显示“测试不合格”如图3所示。

4）测试数据列表

在测试期间（手动或自动）各项测试的采集示值与实际载荷数据、采集示值误差及其合格判定结果在“校验数据”界面，“测试数据列表”动态实时显示，如图4所示。

5）测试检验数据报表生成，如图5所示。

4 获得专利

根据装置已实现的功能，对装置内嵌的软件申请并获得了软件著作权保护，项目所含的三个软件著作权为：电子秤称重示值和标志识别处理软件、电子秤自动检验台上位机控制系统、电子秤自动检验台 PLC 控制软件。

5 成果应用前景

当前国家对电子秤行业规定如下：所有出厂的产品都应进行成品的出厂检验；所有在销售终端使用的计价秤都必须执行强制检定。这就意味着每一个电子秤生产厂家以及每一台在销售终端的计价秤都必须经过出厂检测与周期检定。本装置在功能上不仅符合我国甚至国际通用的检定规程的要求，更以设备本身所能实现智能化降低了使用者对电子秤专业技术理论要求，同时释放检定过程中操作者频繁取放检定标准器（砝码）的劳动力，其应用前景相当广阔。

参考文献

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