基于LabVIEW与PLC的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用

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1、学校代号10532学号S1602W0196 分 类 号TP274.5密级公开 工程硕士学位论文 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒 视觉识别与定位系统的开发与应用 学位申请人姓名索鑫宇 培养单位机械与运载工程学院 导师姓名及职称刘坚 教授孔朝阳 高级经济师 学科专业车辆工程 研究方向机器视觉 论 文 提 交 日 期2018 年 4 月 23 日 学校代号：10532 学号：S1602W0196 密级：公开 湖南大学湖南大学工程工程硕士学位论文硕士学位论文 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒 视觉识别与定位系统的开发与应用 学位申请人姓名：索鑫宇 导师姓名及职称：刘坚 教授孔

2、朝阳 高级经济师 培养单位：机械与运载工程学院 专业名称：车辆工程 论 文 提 交 日 期 ：2018 年 4 月 23 日 论 文 答 辩 日 期 ：2018 年 5 月 19 日 答辩委员会主席：程军圣 教授 Development and application of nuclear fuel rod visual recognition and location system based on LabVIEW and PLC by Xinyu Suo B.E. (Jiangsu University of Science and Technology) 2016 A thesis su

3、bmitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in VehicleEngineering in the Graduate School of Hunan University Supervisor Professor LIU Jian (4)电动分度盘旋转精度：0.05 ； (5)识别合格元件可按要求旋转到预设位置； (6)单根元件周向回转定位精度：元件直线度小于 0.4 mm 时，精度 0.5 ； (7)元件在检测过程中不得损伤表面； (8)所有选用材料均

4、在甲方要求范围内； (9)整体结构设计紧凑、美观，且便于设备维修维护（得到用户满意）； 2.2.2 电气系统技术指标 (1)按钮开关设置齐全，能够独立运行的部件，都应有相应的手动操作按钮。 手动动作可能发生干涉危险的，必须设置互锁保护； (2)可编程控制器 PLC 及伺服驱动系统采用 Allen-Bradley 自动控制系统完成； (3)PLC 及伺服驱动系统采用 EtherNet/IP（以太网）通讯方式； (4)PLC 输入、输出点要预留 15%以上备用点，并间隔布置，便于后期扩展； (5)工作电源：380 V10% ，控制电源：220 V10% ，电源频率：5060 Hz； 2.2.3 控

5、制系统技术指标 (1)系统控制：采用基于 LabVIEW 开发的锆管检测定位系统作为上位机进行 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 10 控制； (2)通讯方式：EtherNet/IP（以太网）； (3)可实时显示检测画面； (4)具有自动保存不合格元件图像的功能； (5)检测系统能够记录每根元件最终的精度； (6)历史检测数据保存期至少为 1 周； (7)对被测附件轮廓及夹具轮廓均可修改相关参数； (8)具有检测元件隔离块角度分布的功能； (9)可利用标定块自动进行畸变和像素尺寸标定； 2.2.4 其他技术指标 (1)平均单根元件识别与定位时间：10

6、s； (2)乙方需制定验证整体视觉检测装置定位精度的方案； (3)具备燃料元件方向纠错功能； (4)具有精度校准功能； (5)元件组别识别成功率 99.8%（保证整根元件直线度小于 0.4 mm 条件下）； (6)可检测元件方向的正反，检测准确率 99.8%（元件直线度小于 0.4 mm）； (7)安全装置：非接触式传感器、急停开关； (8)安全防护：该设备的工作范围内需设置警示区及围栏。 2.3 系统整体设计思路 整个设备系统被细分为视觉模块、机械结构与电气控制模块、上位机模块三 大部分19。本小结将结合设备的各项技术指标的要求，给出各模块的整体设计思 路。三个模块的关系图如图 2.4 所示

7、；机械结构与电气控制模块进行核燃料元件 上料操作，元件到达检测工位发送信号给上位机模块；上位机发送命令给视觉模 块进行图像处理，处理好的检测识别结果反馈给上位机；上位机依据预设判定条 件决定检测结果是否满足检测要求，并根据不同的判断结果发送不同指令给机械 结构与电气控制模块，使其实现不同的控制逻辑，保证设备稳定可靠运行20,21。 图 2.4 设备模块关系图 工程硕士学位论文 11 2.3.1 视觉模块设计思路 视觉模块是整个设备系统的神经中枢23,24，它的作用是采集图像算法所需的 图像，并从图像中提取所需的类型、直线度、旋转角度、隔离快分布等信息，将 这些信息传递给 PLC 控制器控制执行

8、机构进行相应的动作。视觉模块的设计思 路，如图 2.5 所示： 图 2.5 视觉模块的设计思路 进行视觉模块的设计时需要先分析检测元件的几何特征；针对元件的特点并 结合其他的技术参数（如节拍、功能、精度等客观条件）来确定最合适的成像方 式25,26；根据技术要求与可行性选择合适的光源、镜头、相机类型与尺寸，保证 可以得到需要的高品质原始图片；针对得到的图像设计合理的视觉处理算法求取 所需要的元件特征；同时我们需要对所设计的算法进行分析与验证，需要做大量 的实验去验证其鲁棒性及准确性，并根据测试的结果不断修正，在效果怎么都不 理想时需要从源头着手自顶向下一步步去优化视觉模块。 2.3.2 机械结

9、构与电气控制模块设计思路 机械结构与电气控制总是需要相辅相成的，随着科学技术的进步，机械越来 越离不开自动化，机电一体化的理念早就深入人心27,28。脱离了机械的电气是没 有肢体的，脱离了电气的机械是没有灵魂的。优秀的机械设计可以减少电气设备 的使用，控制成本、提高设备控制的可靠性；优秀的电气控制设计可以弥补机械 设计、机械加工的不足，在最大程度上提高设备的自动化水平和可靠性28。本文 的机械结构与电气控制模块设计思路如图 2.6 所示： 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 12 图 2.6 机械结构与电气控制模块设计思路图 首先需要对待检测的元件以及关

10、于机械机构动作与电气模块相关的技术要 求进行分析。对于机械结构的设计先明确设备需要完成的执行动作与所实现的功 能；将设备机械结构分为送料机构、整体框架、成像机构、位姿调整机构四个方 面进行分别设计；完成了关键的四个结构的设计之后需要对设备的整体布局进行 设计，需要做到结构紧凑合理；对于此类非标设备应尽可能选用标准件，这样既 可以缩短设备的设计周期又可以提高整体设备的可靠性与经济性，对于一些非标 件需要合理设计，尽可能降低机加的难度同时要方便最终的装配与调试。 对于电气控制设计，先设计出设备运行时各运动部件的运动逻辑；对诸如气 缸、伺服电机、电磁阀等执行部件进行选型（在选择电极时要考虑之后的伺服

11、通 讯与兼容问题，部分厂家的 PLC 与其他厂家的伺服与电机不兼容）29；统计设备 输入输出信号的类型与个数，以此确定 PLC 控制器各模块的配置，在选配完成之 后分别绘制气路、电路接线图。 机械结构与电气控制的设计从来都不是独立进行的，在设计的过程中两者之 间需要不断的交互与反馈，这样才能设计出最优的机电一体化设备23。机械结构 部分需要设计出尽可能合理可靠的结构，要方便结构的最终控制者电气控制部分 进行控制；电气控制部分的一些标准件的选型需要及时反馈给机械设计，机械结 构需要合理布置空间给这些电气元件布置，关于电气控制柜的布局也需要电气控 制与机械结构进行合作协商；诸如散热布局、电源口设计

12、、网口安装等细小的方 面也需要电气与机械统筹考虑。 工程硕士学位论文 13 2.3.3 上位机控制模块设计思路 图 2.7 上位机的控制模块设计思路图 相比于视觉模块的设计和机械结构与电气控制模块设计，上位机控制模块相 对独立一些。上位机的设计主要集中在软件领域，不需要考虑检测对象的不同， 针对不同的检测对象与应用，上位机的整体架构思路基本相同30,31。只需在设计 时针对技术协议提出的技术指标设计相应的功能。并在保证功能的同时设计出界 面友好操作简便的上位机系统。如图 2.7 所示为上位机的控制模块设计思路图。 本文上位机软件的编写平台为 LabVIEW 软件，其独创的图像化编程语言大 大提

13、高了编程的效率与界面的美观度。首先分析技术要求，依据技术要求先搭建 出一个简易的软件界面，其中要包含技术协议中的全部需要显示与配置的参数， 实际的功能可以不实现，但是所有的功能都需要体现出来；接下来分为两块进行 硬件和环境的搭建，本文中使用视觉设备所以需要确认图像采集开的选择，上位 机需要与下位机 PLC 进行数据的交互， 故在正式开始编写程序之前需要把通信的 环境建立，其中就包括通信方式及硬件选择与配置工作；软件结构的设计在本文 中拟分为三个部分设备状态监控、主功能模块、报警监控与处理，主功能模块主 要进行图像处理，数据保存，给 PLC 发送运动指令等任务。状态监控与报警监控 与处理都是在进

14、行监控，不同的是状态监控只监控数据不接收指令，而报警监控 与处理需要监控报警状态同时要对操作人员的报警处理进行响应。这种安排是为 了提高程序的运行效率与稳定性；接下来进行详细的程序设计与编写，并不断测 试与维护。 与视觉模块的设计和机械结构与电气控制模块设计相比，上位机模块的设计 硬件成本较低，同时其独立性强，整体架构几乎不受项目的不同的影响，同时核 心的图像算法也是集中在上位机里， 所以其一个良好的上位机设计是极其重要的。 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 14 2.4 本章小结 本章首先对项目的选题与功能进行综述，引出项目的研究对象；接下来对项 目

15、的各个技术参数进行罗列与陈述。将整个项目分为 3 个模块视觉模块、机械结 构与电气控制模块、上位机控制模块，分别给出了各模块的具体设计思路，为接 下来的各个模块的详细设计提供了思路准备。保证了项目可以科学高效的推进。 工程硕士学位论文 15 第 3 章 光学成像方案及其算法实现 3.1 光学成像方案设计 本文在第 2 章已经分析了检测对象核燃料棒的几何参数与分类，同时也 罗列出了项目技术要求中关于图像处理精度与效率，针对其几何特点与技术要求 设计出了如下的光学成像方案： 3.1.1 设计方案一 图 3.1 光学成像方案一 如图 3.1 所示的光学成像方案，采用的是侧面成像的方式。核燃料棒水平放

16、 置，相机与镜头中轴线垂直于核燃料棒轴线数值向下，采用两个条光源平行放置 照向中间的隔离块。 本方案拟采用的工作方式为分度盘带动燃料棒每转 120相机采集一张图片， 每根核燃料棒拍照三次。然后将采集到的三张图片进行拼接，找到各个隔离块的 中心点与长度等信息进行分类。 方案一的实验结果如图 3.2 所示：其实验配置表如表 3.1 所示： 表 3.1 光学成像方案一配置 配件型号主参数 1主参数 2 相机 Basler piA2400-17gm 分辨率感光芯片尺寸 244820508.86.6 mm 镜头型号 OPT-C2514-5M 焦距视野大小 25 mm80.960.72 mm 光源型号 O

17、PT-LI6022 发光颜色数量 白2 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 16 从图片与初步的轮廓提取算法的结果可以看出，轮廓提取的效果并不是很 好，图片中的干扰噪声特别的多，几乎很难保证算法的准确性更不要提及精度与 效率了。经过分析此种算法的主要问题如下： （1）采集的图像噪声特别多，很难提取出理想的轮廓； （2）需要进行图像的拼接运算，由于成像的对象为细管状物体，其采集的 图像并不是图像沿圆周的展开是有着一定几何畸变的图像，拼接的图像不能真实 反映检测对象的几何属性。 （3）一个管需要拍照三次，会大大制约设备的处理效率。算法与三次回转 机构都会消耗

18、大量的时间，很难满足技术要求中的一根燃料棒的检测时间10s； 图 3.2 方案一实验结果 综上所述三点，排除此种方案。 3.1.2 设计方案二 图 3.3 光学成像方案二 工程硕士学位论文 17 表 3.2 光学成像方案二配置 配件型号主参数 1主参数 2 相机 Basler piA2400-17gm 分辨率感光芯片尺寸 244820508.86.6 mm 镜头型号 OPT-C2514-5M 焦距视野大小 25 mm80.960.72 mm 光源型号 OPT-FL9090 发光颜色数量 白1 本文所设计的第二种光学成像方案如图 3.3 所示。此方案拟采用的成像方式 为轴向成像，将相机与镜头的中

19、轴线与核燃料棒的轴线相互平行（尽量重合）， 采用背光打光方式。这样我们就可以拍照出燃料棒的轴向截面，此种图像的隔离 块的分布信息会十分明显，图像的噪声干扰不多，会方便接下来的图像算法设计。 方案二的实验结果如图 3.4 所示： 图 3.4 方案二实验结果 从图 3.4 的实验结果中我们可以看出，4、5、6 类型的燃料棒轴向拍照无法 拍到需要的隔离块，只能拍到虚化的大圆，1、2 类型的燃料棒仅可以拍照出端部 的长支撑垫，但中部的隔离块完全被虚化的大圆遮盖住。 此种原因是由采用了普通镜头所致，感兴趣的中部隔离块距离镜头的距离大 于端部距离镜头的距离，普通镜头具有近大远小的特性34，而燃料棒是一个长

20、管 状元件，端部与中部的直径相同，所以端部虚化的大圆会遮盖住中部的隔离块。 其原理图如图 3.5 所示： 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 18 图 3.5 普通镜头成像原理图 由上图可以看出，远离镜头端的 AA1 在 CCD 感光芯片上形成的像 AA1要 小于靠近镜头端 BB1 在 CCD 感光芯片上形成的像 BB1，即靠近镜头端物体的 成像会将远离镜头端的成像覆盖掉，应用于本设备的检测对象时，无法得到想要 的燃料棒中部隔离块的轴向视图。 3.1.3 设计方案三 为了克服普通相机的近大远小的特性，本文选择采用远心镜头来采集图像。 远心镜头的成像原理图

21、如下图所示： 图 3.6 远心镜头成像原理图 由上图可以看出，由于远心增加了光栅，放置在两个透镜的焦点处，这样只 有平行于光轴的光线才可以通过，并通过小透镜成像在 CCD 感光芯片上35。远 离镜头端的 AA1 在 CCD 感光芯片上形成的像 AA1等于靠近镜头端 BB1 在 CCD 感光芯片上形成的像 BB1，这种情况下就克服了近大远小的问题，通过轴向拍 照在理论上可以采集到核燃料棒中部隔离快的截面图。 工程硕士学位论文 19 图 3.7 光学成像方案三 表 3.3 光学成像方案三配置 配件型号主参数 1主参数 2 相机 Basler piA2400-17gm 分辨率感光芯片尺寸 24482

22、0508.86.6 mm 镜头型号 OPT-03M310 工作距离视野大小 310 mm29.322 mm 光源型号 OPT-FL9090 发光颜色数量 白1 3.8（a）实验拍照图片3.8（b）轮廓提取结果 图 3.8 光学成像方案三实验结果 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 20 从实验结果可以看出，采用了远心镜头后克服了普通镜头近大远小的问题， 相机可以清晰的采集到我们感兴趣的中部截面轮廓，这对以后的算法计算与设计 奠定了坚实的基础。 3.1.4 设计方案四： 在实际的工程应用中，实验室条件下的成像环境并不能满足使用需求。在一 些方面甚至是不可能

23、采用。列如设计方案三，虽然采集到了理想的图像，但是这 种成像方案的设计，并不能直接在实际的项目中使用。首先，这种背光的成像方 式只能采用燃料棒竖直放置方法，不能有其他的支撑，这就导致燃料棒是无法被 牢牢固定的，而其他的支撑可以固定住燃料棒，但是会遮挡背光从而影响燃料棒 中部的隔离块成像；其次技术协议要求可以实现燃料棒的旋转定位，这就要求在 图像采集进行检测的时候燃料棒不能移动，当检测完成之后燃料棒可回转运动。 实验三的设计依旧无法实现这一操作。 考虑到以上两点问题需要对光学成像方案进行重新设计。新的设计方案要满 足：1、背光成像；2、在拍照时固定燃料棒，在调整时可轴向旋转燃料棒 本文设计的新的

24、光学成像方案如图 3.9 所示，所采用的的光学成像方案的配 置如表 3.4 所示： 图 3.9 光学成像方案四 工程硕士学位论文 21 表 3.4 光学成像方案四配置 配件型号主参数 1主参数 2 相机 Basler piA2400-17gm 分辨率感光芯片尺寸 244820508.86.6 mm 镜头型号 OPT-03M310 工作距离视野大小 310 mm29.322 mm 光源型号 OPT-LI6022 发光颜色数量 白2 图 3.9 为方案四的设计图及实验图，方案四采用分度盘加三爪卡盘固定燃料 棒解决拍照时固定燃料棒，调整时旋转燃料棒的问题；不采用直接背光的打光方 式，而采取反射背光的

25、方式，光源为两个左右对称成角度分布的条形光源。反射 板为分离式设计，当检测时两反光板闭合通过反射形成背光效果，当需要进行位 姿调整时，反光板打开，不影响燃料棒的轴向旋转与之后的机器人取管动作。 实验四的实验结果如图 3.10 所示，由图可见，由于采用分离式的反光板，在 安装时会因为安装精度的问题，两个反光板之间的安装会有一点安装错位，从而 会在结合面引起阴影，可能会影响图像算法的处理效果。但经过实验，结果表明： 由反光板安装问题引起的结合处阴影在一定范围内可以通过图像处理算法消去， 不会影响轮廓的提取效果。 图 3.10 光学成像方案三实验结果 设计方案四在保证成像效果的前提下，充分考虑了后续

26、的自动化问题，考虑 到了上下料、燃料棒回转调整位姿。与之前的三种方案相比，方案四最优，故本 文采取方案四的光学成像方案。 3.2 图像处理算法简介 由于本文的检测对象为长管状元件，同时管壁上分布着不同高度与大小的隔 离块，这就导致了通过图像方式求取元件轴向图像的精确圆心是很难实现。考虑 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 22 到元件一致性较好，在运行时检测工位将元件固定，每次成像的位置是不变的， 可以认为每次检测时元件的圆心是不变的。故在检测元件时只要先进行物理圆心 的标定，即可将所求物理圆心值直接应用到后续的图像检测中。 本文图像处理算法是用 Lab

27、VIEW 自带 vision 模块进行编写的。图像处理算 法的逻辑如图 3-11 所示。 图 3.11 图像处理算法逻辑图 以已标定物理圆心坐标为中心，截取 800800 像素图像；在截取的图像中以 （401,401）为圆心覆盖一个直径为 590 像素的圆，每个像素点的灰度值设置为 0； 将图像进行开操作，闭操作等形态学处理，去除多余的毛刺等，孔洞。保存 为图像 1。如下图： 工程硕士学位论文 23 图 3.12 图像处理算法过程 对图像 1 别进行形态学操作 2（膨胀操作）得到图像 2，将图像 2 减去图像 1 得到图像 3；将图像 3 进行二值化处理，阈值设置为 31，得到图像 4。（图像

28、为 8 位灰度图，共有 256 个灰度级）此时可以求取出元件外轮廓形貌。如下图： 图 3.13 图像处理算法过程 2 但经过测试，有时由于打光或直线度问题会导致图像轮廓不封闭，此时算法 无法进行，在这里添加一个判定，计算矩阵的元素的和，在此设置一个阈值 a=4.5E+8 如果元素和大于 a 则封，小于 a 则不封闭。 不封闭时将图像 1 进行二值化（阈值 114）的到图像 5，图像 5 与图像 4 相加 得到图像 6。对图像 6 进行形态学操作去除毛刺与小得到图 7 并对图像 7 进行封 闭判断，继续算法流程。 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 24

29、图 3.14 图像处理算法过程 3 由于图像的边缘一般都属于过渡的状态，颜色为白黑颜色的过渡，直接使用 大的阈值进行二值化会丢失准确的边缘信息36。将已经求取得到的边界信息图像 4 与大阈值得到的图像 6 相加，既可以克服边缘信息丢失带来的精度降低，又可 以解决边缘不封闭的问题。 图 3.15 图像处理算法过程 4 求取图像的外轮廓坐标，以标定的物理圆心为原点建立 XY 坐标系，从 X 轴 的正轴与轮廓的第一个交点开始，顺时针求取外轮廓各点距离圆心的距离，将外 轮廓展开，依据所展开的外轮廓将数据进行滤波与标准化，依据标准化后的轮廓 工程硕士学位论文 25 展开图，求取需要的隔离块高度、数量、角

30、度分布等信息，以供后续判断类型与 正反。如图 3.15 所示： 求取到所需的高度分布、隔离块中点角度、隔离块分布、隔离块个数信息后 可以依据这些信息进行类别正反的识别与旋转角度的计算。其中： 高度分布：轮廓展开归一化后各个隔离快的平均高度； 隔离块中点角度：为隔离块中点对应的轮廓展开角度。轮廓展开点中第一个 点为 0，最后一个点为 360； 隔离块分布：每个展开的隔离块中心点之间的依次相距角度； 隔离块个数：轮廓展开归一化后凸起的个数； 如图 3.16 所示，为视觉算法的类型判断与旋转角度计算逻辑图，首先判断隔 离块个数 N 是否为 6，如果为 6 燃料棒的类型一定为 6 号，选取从 X 轴顺

31、时针旋 转第一个隔离块为基准块，根据基准块的位置旋转到标准角度；若隔离块的个数 不为 6，判断隔离块个数是否为 4，若为 4，则燃料棒类型一定为 2 号，查找隔离 块的高度分布在 8090 的隔离块（此隔离块为支撑垫）作为基准块，以基准块为 起点重新排序隔离块分布，将重新得到的隔离块分布与标准的正向隔离块分布和 标准的反向隔离块分布分别进行相减，将相减之后的隔离块分布数组进行绝对值 求和的到Z（正向）F（反向），比较Z与F的大小，求和小的更接近真实 分布，燃料棒方向即为此方向，若Z 大于F则为反向，反之为正向，根据基准 块可以计算出需要的旋转角度；若隔离块个数不为 4，计算高度分布为 3040

32、 隔 离块（薄隔离块）的个数N1，判断是否为 5，若 N1=5，则燃料棒为 5 号，此时 以顺时针第一个隔离块为初始基准块依次迭代排序隔离块分布，并每次迭代时减 去标准分布数组，将得到的数组中的元素进行绝对值求和，当迭代完成后，求和 最小的那个隔离块分布就为标准隔离块分布，对应的隔离块为基准块，根据基准 块可以计算出需要的旋转角度；若 N15，判断 N1 是否等于 3，若 N1=3，则为 4 号燃料棒，寻找高度分布为 100110 的隔离块（厚隔离块）作为基准块，以基准 块为起点重新排序隔离块分布，将重新得到的隔离块分布与标准的正向隔离块分 布和标准的反向隔离块分布分别进行相减，将相减之后的隔

33、离块分布数组进行绝 对值求和的到Z1（正向）F1（反向），比较Z1与F1的大小，求和小的更接 近对应的方向，若Z1大于F1则为反向，反之为正向，根据基准块可以计算出需 要的旋转角度；若 N13，则为 1 号燃料棒，寻找隔离块高度为 8090 的隔离块 （支撑垫）为基准块，根据基准块可以计算出需要的旋转角度。至此 5 种类型的 燃料棒全部分类完成。 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 26 图 3.16 视觉算法的类型判断与旋转角度计算逻辑图 3.3 本章小结 本章通过分析技术要求及被检测元件的几何特征， 设计了 4 种光学成像方案。 通过对比与分析，选择

34、了分离式反光板配合远心镜头+条形光的组合方式；然后 对视觉检测算法进行了简要的介绍，对算法的实现逻辑与分类标准进行了分析。 完成了本视觉检测设备的光学部分软硬件的设计工作。 工程硕士学位论文 27 第 4 章 视觉识别与定位系统机械电气部分设计 4.1 机械结构部分设计 依据技术协议本文将机械结构分为：送料模块、光学成像模块、燃料棒位姿 调整模块、设备整体框架四个部分，下文对此四个部分进行分别介绍。 4.1.1 送料模块设计 依据技术参数送料模块需要满足的功能为： (1)上下燃料棒料到检测工位功能； (2)具备燃料元件方向纠错功能； 图 4.1 送模块设计图 送料模块的设计图如图 4.1 所示

35、，其中 1-平移伺服电机；2-送料挡板；3-内 六角螺栓 M5-15； 4-送料支架； 5-内六角螺栓 M6-20； 6-拖链； 7-内六角螺栓 M10-20； 8-送料模块安装板；9-内六角螺栓 M4-20；10-丝杠模组；11-拖链链接板；12-丝 杠滑块与旋转气缸连接板；13-旋转气缸；14-旋转气缸与举升气缸下连接板；15- 旋转气缸与举升气缸上连接板；16-举升气缸；17-送料拨叉组件 1；18-送料拨叉 组件 2；19-标准圆柱销5-10；20-内六角螺栓 M5-10；21-送料支架光电传感器。 4-送料支架用来接收上一工位拆码垛送来的燃料棒元件；2-送料挡板将核燃 料棒限制在预定

36、的范围内，确保接下来的检测过程中，燃料棒中部的隔离块可以 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 28 处于正确的镜头工作范围内，采集出对焦清晰的图像；4-送料支架上安装了 21- 送料支架光电传感器，其作用为感知是否送料支架上放置了燃料棒，在自动化运 行状态下，当一个流程的逻辑完成后，PLC 将会读取 21-送料支架光电传感器状 态，若为有料则进行送料检测工作；1-电机与 10-丝杠模组组成丝杠平移模组，带 动由 13-旋转气缸、16-举升气缸、17-送料拨叉组件 1、8-送料拨叉组件 2 等组成 的方向纠错模块，通过旋转气缸可以带动燃料棒进行调头以完成方

37、向纠错功能； 6-拖链中安装了举升气缸旋转气缸中的传感器线与气管，主要为了防止在设备运 动过程中传感器线气管等发生缠绕干涉设备运动等问题。 送料模块工作流程图如下： 图 4.2 送料模块工作流程图 举升气缸带动拨叉向上，从送料支架上顶起燃料棒；平移电缸带动整个方向 纠错模块与燃料棒运送到检测工位进行检测；如果检测结果为正确，平移电缸带 动方向纠错模块返回上料位置等待上料；如果检测结果为方向反了，则举升气缸 工程硕士学位论文 29 举起燃料棒，移动到中间位置，旋转气缸旋转进行方向纠错，然后平移电机带动 燃料棒至检测工位；如果检测结果为其他类型的错误，则举升气缸举起燃料棒， 移动到中间位置，系统报

38、警显示错误信息并等待操作人员处理。 4.1.2 光学成像模块设计 光学成像模块的设计重点主要集中在反光板的设计，分离式夹紧装置的设 计，光源的设计，相机镜头位置布局与相机微调机构设计。依据技术参数送料模 块需要满足： (1)打光方式为分离式反光板，成像模块不会影响上下料的节拍； (2)相机镜头具有微调功能以此保证设备成像模块同心性的要求； 图 4.3 光学成像模块设计图 如图 4.3 所示，为光学成像模块的设计图，其中 22-光学安装平台；23-轴承 座；24-燃料棒支撑座；25-球铰链；26-压紧块连接件；27-压紧块；28-上反光板； 29-下反光板；30-条形光源；31-燃料棒元件；32

39、-元件支撑光电传感器；33-镜头 支撑件；34-远心镜头；35-工业相机；36-相机安装板；37-旋转微调机构；38-左 右微调机构；39-俯仰微调机构；40-上下微调机构；41-微调机构安装板；42-支撑 件安装板；43-元件支撑拨叉；44-支撑气缸；45-光源安装板；46-光源支撑座；47- 压紧气缸。 32-元件支撑光电传感器是为了检测 31-燃料棒元件是否到达检测工位，28- 上反光板与 27-压紧块通过螺栓固连在一起；47-压紧气缸控制 27-压紧块下压使 得 28-上反光板与 29-下反光板配合在一起，上下反光板闭合后所形成的封闭空隙 轮廓与管的外轮廓相同，当检测工位上有待检测元件

40、时上下反光板与管的外轮廓 紧密配合没有间隙，30-条形光照射光线被反光板反射，形成背光效果。 如图 4.4 所示，由于 31-燃料棒元件待检测的部分为中部区域，为了将反光板 形成背光效果，压紧块的固定位置要偏离中部隔离块的，这样就导致在光学检测 工位上料的时，27-压紧块未未下压，31-燃料棒元件未固定，力 F0 和 F2 没有， 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 30 在重力 G 和支持力 F1 作用下，会产生旋转力矩，引起燃料棒掉料的问题，增加 44-支撑气缸，在检测工位上料时撑起 43-元件支撑拨叉，起到支撑作用，当检测 时 27-压紧块下压，3

41、1-燃料棒元件被固定，43-元件支撑拨叉被收起，不会影响相 机的端面成像。 图 4.4 支撑气缸工作原理图 37-旋转微调机构，38-左右微调机构，39-俯仰微调机构，40-上下微调机构组 成四自由度相机镜头微调机构，可以控制相机镜头快速实现其光轴与 31-燃料棒 元件中心轴两轴平行的功能，如图 4.5 所示，当镜头的光轴与燃料棒的中心轴同 轴时得到的侧视图可以清晰提取外部轮廓，但当不同轴时所采集的图像就不具备 检测条件的。 图 4.5 相机镜头光轴与燃料棒轴线不同位置采集图像 光学成像模块工作流程图如下： 图 4.6 光学成像模块工作流程图 工程硕士学位论文 31 如上图所示：初始状态下，支

42、撑气缸顶起，压紧气缸打开；当光学成像模块 检测到燃料棒元件时，压紧气缸下压；支撑气缸下降，开辟出图像采集区域；相 机进行图像采集与运算；将运算结果输出给 PLC 控制各运动部件进行相应的动 作。 4.1.3 燃料棒位姿调整模块设计 燃料棒位姿调整模块的功能为在图像处理完成之后计算出需要调整的旋转 角度，上位机会将数据传送给 PLC，PLC 控制位姿调整机构对燃料棒进行指定角 度的旋转，当旋转到位后，机器人前来取料，位姿调整模块需要释放燃料棒。其 设计重点为分度旋转需要夹持燃料棒旋转，当不需要旋转时，姿调整模块需要将 燃料棒释放，在自动运行过程中，这种释放与夹持过程简便高效不会产生干涉。 同时夹

43、持旋转过程中燃料棒除了绕其轴线的回转运动， 不可以有其他方向的移动。 依据技术参数与设计重点燃料棒位姿调整模块需要满足： (1)具有精确回转的功能； (2)机构在回转过程中要保证分度盘与燃料棒的轴线始终同心； 图 4.7 燃料棒位姿调整模块设计图 如图 4.7 所示，为燃料棒位姿调整模块设计图，其中 48-回转机构安装座；49- 分度盘电机；50-电气滑环；51-电气滑环固定支架；52-滑环分度盘连接轴套；53- 分度盘；54-分度盘连接件；55-夹指气缸连接件；56-夹指气缸定位套；57-夹指气 缸；58-夹指；59-联轴器。 49-分度盘电机，53-分度盘通过螺栓固定在 48-回转机构安装

44、座上。在此项目 中需要保证整个设备的回转定位精度，所以就一定要保证 53-分度盘与 57-夹指气 缸中心的同心度。 基于 LabVIEW 与 PLC 的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 32 图 4.8 夹指气缸与分度盘同轴凸台结构 54-分度盘连接件通过螺栓与 53-分度盘固连在一起，如图 4.8 所示：54-分度 盘连接件与 53-分度盘之间加工一个过渡配合的定位凸台，主要是为了保证设备 安装时的同心度；55-夹指气缸连接件通过螺栓与 57-夹指气缸连接在一起，为了 保证 57-夹指气缸中心与 53-分度盘的同心度，就要保证 57-夹指气缸中心与 55- 夹指气缸连接件的同心度，所以

45、通过增加 56-夹指气缸定位套来确保安装的同心 度。54-分度盘连接件与 55-夹指气缸连接件通过定位销与螺栓连接这样就可以保 证旋转定位装置整体的同心性，确保回转定位的准确性；由于气缸上需要安装位 置传感器与气管，故增加 50-电、气滑环通过 51-电气滑环固定支架固定在 48-回 转机构安装座上，通过 52-滑环分度盘连接轴套可以保证 50-电气滑环与 53-分度 盘一同旋转， 这样在分度盘大角度旋转时就可以避免传感器线与气管的缠绕现象。 图 4.9 燃料棒位姿调整模块工作流程图 工程硕士学位论文 33 如图 4.9 燃料棒位姿调整模块工作流程图所示，燃料棒元件在检测时，夹指 气缸夹紧燃料

46、棒的一端；当检测完成时压紧气缸控制压紧块打开，分度盘带动夹 指气缸同燃料棒一同转动；当位姿调整完毕，通知机器人前来取走燃料棒，机器 人夹住燃料棒后，反馈给 PLC，PLC 控制夹指气缸松开，分度盘回原点位置，等 待下一次位姿调整任务。 4.1.4 设备整体框架设计 设备的整体框架为前面三小节所介绍的送料模块、光学成像模块、燃料棒位 姿调整模块的安装平台，同时还要考虑到电控部件，气控部件的安装、设备的固 定、搬运、电控部件的通风散热等问题。 依据技术参数与设计重点设备整体框架设计需要满足： (1)设备占地面积（长宽）1.2 m1.0 m； (2)要充分考虑后续设备安装调试等问题； (3)框架要预

47、留好电气控件的安装位置，要考虑通风散热等问题； 图 4.10 设备整体框架设计图 如图 4.10 所示，为设备整体框架设计图，其中 60-地脚；61-万向轮；62-气 控部件柜柜门；63-排气风扇；64-电源、网线外接口；65 电控部件柜柜门；66- 进气风扇。 如图 4.10 的俯视图所示，设备的气控部件柜和电控部件柜被设计安放在设备 的整体框架中，节省空间使得设备设计更加紧凑，气控部件柜与电控柜部件柜被 分离设计避免互相的干扰，影响设备的整体使用，同时此种设计也方便了后期线 路的安装与检修；如图 4-10 轴测视图所示，在气控部件柜与电控部件柜的上方分 基于 LabVIEW 与 PLC 的

48、核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用 34 别为送料模块安装位置与光学成像模块与位姿调整模块的安装位置，整体设计紧 凑；整体框架设计有 60-地脚，可以用来进行设备整体的调平，同时当设备位置 确定后可以使用化学螺栓通过地脚将设备整体固定，这样在设备运行过程中就不 会发生位移与转动，机器人为示教工作模式，视觉检测设备的相对位置固定可以 确保机器人的正常工作，提高整个产线的工作效率与稳定性；61-万向轮主要是为 了方便设备的移动，当设备需要移动时将 60-地脚旋起，可以依靠万向轮轻易移 动设备，当移动完成后释放 60-地脚，将设备整体顶起，使得 61-万向轮离开地面； 考虑到电控柜中安装有 PL

49、C、驱动器、24 变压器等发热元件，电控柜需要具有良 好的散热效果，因此在电控柜中设计了 63-排气风扇与 66-进气风扇，考虑到热空 气向上，冷空气向下，所以将 63-排气风扇设计在电控柜的上部，将 66-进气风扇 设计在电控柜的下部，冷空气源源不断的从电控柜下部流入，热空气从电控柜被 排出，整个电控柜里的空气与外部空气不断进行循环，确保电控柜中温度不会太 高，提高设备运行的稳定性。 以上即完成了视觉识别与定位系统机械部分的全部设计工作，完整的三维建 模设计图如图 4.11 所示： 图 4.11 设备三维建模设计图 4.2 电气部分设计 电气部分设计是整个设备的中枢神经系统，控制着各个执行部件的运动，电 气部分设计的好坏直接关系着整个设备的运行好坏39,40。在此部分中，本文主要 针对罗克韦尔 PLC 进行设计介绍。设计主要分为设备输入输出信号分析、主要电 气硬件配置与选型、工作流程设计与 PLC 程序编写三个部分进行介绍。 工程硕士学位论文 35 4.2.1 设备输入输出信号分析 在进行电机控制的设计之前，首要的工作是分析设备输入输出信号，确定各 信号的类型与个数，这是后续 PLC 选型与各模块配置的基础41。 表 4.1 端板焊视觉识别与定位系统输出输入信号分析表 通讯方式序号输入变量输出变量 I/O 0送料支架光电