一种燃料棒端塞锥状面打标字符的面阵识别系统的制作方法

本发明涉及一种燃料棒端塞锥状面打标字符的面阵识别系统。

背景技术：

燃料棒端塞上的打标字符在该端塞的锥状面上，现有技术一般是采用人工识别，其效率慢且人员劳动强度大。

因此，设计一款识别燃料棒端塞上的打标字符系统，以提高识别效率并降低人员劳动强度，成为所述技术领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种燃料棒端塞锥状面打标字符的面阵识别系统，解决现有技术识别燃料棒端塞锥状面打标字符效率低、以及识别人员劳动强度大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种燃料棒端塞锥状面打标字符的面阵识别系统，包括机架，以及均设于所述机架上的上料存料架、下料存料架、自动上下料机构、纵传机构、设于所述机架上的plc控制器、用于对燃料棒端塞锥状面打标字符进行光学成像的视觉系统、以及用于在视觉系统对燃料棒进行光学成像时对燃料棒起支撑作用的支撑机构；

所述上料存料架有四个，并且等距分布于所述机架顶面的一侧，用于暂时存放待识别字符的燃料棒，所述下料存料架有四个，并且等距分布于所述机架顶面的另一侧，用于暂时存放已识别字符燃料棒；

所述自动上下料机构设于所述机架上，包括固定于所述机架顶面下方的驱动气缸，位于所述机架顶面上方用于将所述上料存料架上待识别字符的燃料棒传移至所述纵传机构、或者将位于所述纵传机构上已识别字符的燃料棒传移至所述下料存料架的顶料板，以及连接所述驱动气缸和所述顶料板的伸缩杆；

所述纵传机构纵向设于所述机架上并位于所述上料存料架和所述下料存料架之间，用于将从所述顶料板传送过来的待识字符别的燃料棒传送至所述视觉系统、或将由所述视觉系统已识别字符的燃料棒送至所述顶料板处，包括等距分布于同一直线上用于夹持燃料棒并驱动燃料棒移动的传送主动轮组和用于对燃料棒起支撑作用的五组传送从动轮组；

所述视觉系统位于所述机架一端，包括视觉外壳、设于所述视觉外壳内侧用于夹持通过所述纵传机构传送过来的燃料棒的夹持调节件、均设于所述视觉外壳内的环形光源件和周向均匀分布于所述环形光源件外侧的四个面阵光学组件、以及设于所述视觉外壳外侧用于将燃料棒端塞锥状面打标字符定位在所述面阵光学组件视野内的定位组件，四个所述面阵光学组件用于同时对固定于所述夹持调节件上的燃料棒上的端塞锥状面打标字符进行光学成像，所述面阵光学组件包括面阵相机和固定于所述面阵相机前端的相机镜头，所述环形光源件与固定于所述夹持调节件上的燃料棒同轴。

所述plc控制器分别与所述驱动气缸、所述支撑机构、所述传送主动轮组、所述面阵光学组件和所述环形光源件功能连接。

进一步地，所述传送主动轮组包括纵向设于所述机架上的导轨、固定于所述导轨上且相互平行的一对导杆、以及滑动设于所述导轨上并分别穿设于一对所述导杆上的一对主动传送基座，每个所述主动传送基座上分别设有一个平行气爪、一个固定于该平行气爪上的传送主动轮和一个用于驱动该传送主动轮运行的驱动电机，所述plc控制器分别与所述平行气爪和所述驱动电机功能连接，两个所述传送主动轮在所述平行气爪的作用下将燃料棒夹紧，同时在所述驱动电机的作用下运行将燃料棒送至或送离所述视觉外壳。

进一步地，所述导杆上穿设有顶紧弹簧，所述主动传送基座穿设在所述导杆上时被所述顶紧弹簧向着所述视觉外壳顶紧，所述plc控制器与所述顶紧弹簧功能连接。

进一步地，所述传送从动轮组包括固定于所述机架上的从动传送基座、以及通过支杆与所述从动传送基座连接的传送从动轮。

进一步地，所述传送主动轮组和所述传送从动轮组之间、以及相邻所述动轮组之间的间距均为250mm。

进一步地，所述支撑机构包括五组支撑轮组，五组所述支撑轮组等距分布于与五组所述传送从动轮组相同的直线上，相邻所述支撑轮组之间的间距均为300mm，所述支撑轮组包括固定于所述机架上的支撑座，连接在所述支撑座上的伸缩支架，固定于所述伸缩支架上用于支撑燃料棒的一对聚氨酯支撑轮，以及设于所述支撑座上并且活塞杆与所述伸缩支架连接的升降气缸，所述升降气缸与所述plc控制器功能连接，所述升降气缸用于驱动所述伸缩支架上升或下降。

进一步地，所述定位组件包括用于将燃料棒端塞锥状面打标字符定位在面阵光学组件视野内的定位杆，以及位于所述视觉外壳外侧并穿设在所述定位杆上的调整螺母，所述定位杆与固定于所述夹持调节件上的燃料棒同轴。

进一步地，所有所述上料存料架均与水平面呈一个小于3°的夹角，并且所述上料存料架位于所述机架的一端低于另一端，每一个所述上料存料架上均等距设有两个以上挡料板。

进一步地，所有所述下料存料架均与水平面呈一个小于3°的夹角，并且所述下料存料架位于所述机架的一端高于另一端。

进一步地，每一个所述下料存料架在远离所述机架的一端处设有挡料柱。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，燃料棒端塞锥状面打标字符识别效率高，打标字符识别精度高，系统运行稳定，自动化程度高，能极大降低识别人员劳动强度。

(2)本发明通过设机架、上料存料架、下料存料架、自动上下料机构、纵传机构、plc控制器、视觉系统和支撑机构，燃料棒端塞锥状面打标字符识别效率高，打标字符识别精度高，系统运行稳定，自动化程度高，能极大降低识别人员劳动强度。待识别燃料棒上料至上料存料架，自动上下料机构将待识别燃料棒从上料存料架移至纵传机构内，驱动电机启动将待识别燃料棒送至视觉系统内，到位后，驱动电机停止运行，视觉系统内夹持调节件夹持待识别燃料棒，同时支撑机构内的升降气缸运行，聚氨酯支撑轮上升支撑待识别燃料棒，视觉系统开始识别待识别燃料棒端塞锥状面打标字符，完成后驱动电机启动将已识别燃料棒退出视觉系统，自动上下料机构将已识别燃料棒翻至下料存料架，已识别燃料棒在下料存料架暂存。

过程中，自动上下料机构负责将上料存料架上的待识别燃料棒移至纵传机构，并将纵传机构上的已识别燃料棒移至下料存料架；自动上下料机构中的顶料板由驱动气缸带动做上下运动，初始时顶料板在下位，需要上下料时，驱动气缸启动将顶料板上移至上位，此工位燃料棒流入下工位(即流入纵传机构内)，上工位燃料棒流入此工位。上料存料架和下料存料架均倾斜角度3度以下，角度可调，燃料棒停于上料存料架的挡料板处或停于下料存料架的挡料柱处。

过程中，当自动上下料机构将燃料棒从上料存料架移至纵传机构后，此时由传送主动轮和传送从动轮共同支撑燃料棒，传送从动轮是无动力轮，燃料棒被传送主动轮带动至视觉系统，视觉系统夹持燃料棒，两个传送主动轮打开并离开燃料棒，此时聚氨酯支撑轮上升支撑燃料棒，燃料棒离开纵传机构，视觉系统开始识别燃料棒，待识别完成后，由两个传送主动轮夹持送出燃料棒。

过程中，传送主动轮安装在导轨上，顶紧弹簧将主动传送基座向着视觉系统顶紧，当送料到位后，燃料棒与视觉系统内定位杆限位接触，燃料棒不能再向前传送，传送主动轮通过主动传送基座就开始压缩顶紧弹簧，系统检查到顶紧弹簧压缩后停止送料，此处可以在所述plc控制器和所述顶紧弹簧之间设位移传感器，位移传感器实时检测顶紧弹簧的位移变化并将检测到的信息实时传送至plc控制器，当plc控制器接收到顶紧弹簧有位移变化时，实时控制传送主动轮组停止送料。

过程中，因燃料棒本身是细长结构，再加之壁薄，易变形，传送从动轮组设五组，并且传送主动轮组和传送从动轮组之间、以及相邻所述动轮组之间的间距均为250mm；同时，支撑轮组也设五组，且相邻支撑轮组之间的间距设为300mm，支撑轮组主要由一对聚氨酯支撑轮支撑燃料棒。使燃料棒能有效的被支撑，防止燃料棒在两送料轮之间因重力下坠。

过程中，燃料棒被传送至视觉系统后，燃料棒端塞锥状面打标字符被定位杆定位在面阵光学组件视野内进行光学成像，四套面阵光学组件内的面阵相机均布在燃料棒端塞锥状面打标字符四周，由四个面阵相机所成像的四张图片拼接即是燃料棒端塞锥状面打标字符锥面的展开图形，在视觉外壳外侧设调整螺母，以及对燃料棒进行调整，以使本发明能适用于对不同规格的燃料棒端塞锥状面打标字符进行识别。

过程中，plc控制器分别与所述驱动气缸、所述支撑机构、所述传送主动轮组、所述面阵光学组件和所述环形光源件功能连接，由plc控制器控制本系统运行，系统运行稳定，自动化程度高，能极大降低识别人员劳动强度。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明机架示意图。

图3为本发明纵传机构及支撑机构结构示意图。

图4为图3的右视图。

图5为图3的俯视图。

图6为本发明下料存料架示意图。

图7为本发明上料存料架示意图。

图8为本发明自动上下料机构示意图。

图9为本发明视觉系统外部示意图。

图10为本发明视觉系统内部示意图。

图11为本发明视觉系统内部正视示意图。

图12为本发明字符分块示意图。

图13为本发明上、中或下部稀疏的代表字符。

其中，附图标记对应的名称为：

1-机架、2-上料存料架、3-下料存料架、4-驱动气缸、5-顶料板、6-伸缩杆、7-导轨、8-主动传送基座、9-平行气爪、10-传送主动轮、11-驱动电机、12-从动传送基座、13-传送从动轮、14-导杆、15-顶紧弹簧、16-升降气缸、17-夹持调节件、18-定位杆、19-调整螺母、20-环形光源件、21-面阵光学组件、22-面阵相机、23-相机镜头、24-视觉外壳、25-挡料板、26-挡料柱、28-支撑座、29-伸缩支架、30-聚氨酯支撑轮。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1-13所示，一种燃料棒端塞锥状面打标字符的面阵识别系统，结构简单、设计科学合理，使用方便，燃料棒端塞锥状面打标字符识别效率高，打标字符识别精度高，系统运行稳定，自动化程度高，能极大降低识别人员劳动强度。本发明包括机架1，以及均设于所述机架1上的上料存料架2、下料存料架3、自动上下料机构、纵传机构、设于所述机架1上的plc控制器、用于对燃料棒端塞锥状面打标字符进行光学成像的视觉系统、以及用于在视觉系统对燃料棒进行光学成像时对燃料棒起支撑作用的支撑机构。

本发明所述支撑机构包括五组支撑轮组，五组所述支撑轮组等距分布于与五组所述传送从动轮组相同的直线上，相邻所述支撑轮组之间的间距均为300mm，所述支撑轮组包括固定于所述机架1上的支撑座28，连接在所述支撑座28上的伸缩支架29，固定于所述伸缩支架29上用于支撑燃料棒的一对聚氨酯支撑轮30，以及设于所述支撑座28上并且活塞杆与所述伸缩支架29连接的升降气缸16，所述升降气缸16与所述plc控制器功能连接，所述升降气缸16用于驱动所述伸缩支架29上升或下降。

本发明所述上料存料架2有四个，并且等距分布于所述机架1顶面的一侧，用于暂时存放待识别字符的燃料棒，所述下料存料架3有四个，并且等距分布于所述机架1顶面的另一侧，用于暂时存放已识别字符燃料棒。所有所述上料存料架2均与水平面呈一个小于3°的夹角，并且所述上料存料架2位于所述机架1的一端低于另一端，每一个所述上料存料架2上均等距设有两个以上挡料板25；所有所述下料存料架3均与水平面呈一个小于3°的夹角，并且所述下料存料架3位于所述机架1的一端高于另一端，每一个所述下料存料架3在远离所述机架1的一端处设有挡料柱26。

本发明所述自动上下料机构设于所述机架1上，包括固定于所述机架1顶面下方的驱动气缸4，位于所述机架1顶面上方用于将所述上料存料架2上待识别字符的燃料棒传移至所述纵传机构、或者将位于所述纵传机构上已识别字符的燃料棒传移至所述下料存料架3的顶料板5，以及连接所述驱动气缸4和所述顶料板5的伸缩杆6。

本发明所述纵传机构纵向设于所述机架1上并位于所述上料存料架2和所述下料存料架3之间，用于将从所述顶料板5传送过来的待识字符别的燃料棒传送至所述视觉系统、或将由所述视觉系统已识别字符的燃料棒送至所述顶料板5处，包括等距分布于同一直线上用于夹持燃料棒并驱动燃料棒移动的传送主动轮组和用于对燃料棒起支撑作用的五组传送从动轮组，所述传送主动轮组和所述传送从动轮组之间、以及相邻所述动轮组之间的间距均为250mm。

本发明所述传送主动轮组包括纵向设于所述机架1上的导轨7、固定于所述导轨7上且相互平行的一对导杆14、以及滑动设于所述导轨7上并分别穿设于一对所述导杆14上的一对主动传送基座8，每个所述主动传送基座8上分别设有一个平行气爪9、一个固定于该平行气爪9上的传送主动轮10和一个用于驱动该传送主动轮10运行的驱动电机11，所述plc控制器分别与所述平行气爪9和所述驱动电机11功能连接，两个所述传送主动轮10在所述平行气爪9的作用下将燃料棒夹紧，同时在所述驱动电机11的作用下运行将燃料棒送至或送离所述视觉外壳24。

本发明所述导杆14上穿设有顶紧弹簧15，所述主动传送基座8穿设在所述导杆14上时被所述顶紧弹簧15向着所述视觉外壳24顶紧，所述plc控制器与所述顶紧弹簧15功能连接。

本发明所述传送从动轮组包括固定于所述机架1上的从动传送基座12、以及通过支杆与所述从动传送基座12连接的传送从动轮13。

本发明所述视觉系统位于所述机架1一端，包括视觉外壳24、设于所述视觉外壳24内侧用于夹持通过所述纵传机构传送过来的燃料棒的夹持调节件17、均设于所述视觉外壳24内的环形光源件20和周向均匀分布于所述环形光源件20外侧的四个面阵光学组件21、以及设于所述视觉外壳24外侧用于将燃料棒端塞锥状面打标字符定位在所述面阵光学组件21视野内的定位组件，四个所述面阵光学组件21用于同时对固定于所述夹持调节件17上的燃料棒上的端塞锥状面打标字符进行光学成像，所述面阵光学组件21包括面阵相机22和固定于所述面阵相机22前端的相机镜头23，所述环形光源件20与固定于所述夹持调节件17上的燃料棒同轴。

本发明所述定位组件包括用于将燃料棒端塞锥状面打标字符定位在面阵光学组件视野内的定位杆18，以及位于所述视觉外壳24外侧并穿设在所述定位杆上的调整螺母19，所述定位杆18与固定于所述夹持调节件17上的燃料棒同轴。

本发明所述plc控制器分别与所述驱动气缸4、所述支撑机构、所述传送主动轮组、所述面阵光学组件和所述环形光源件20功能连接。

本发明通过设机架、上料存料架、下料存料架、自动上下料机构、纵传机构、plc控制器、视觉系统和支撑机构，燃料棒端塞锥状面打标字符识别效率高，打标字符识别精度高，系统运行稳定，自动化程度高，能极大降低识别人员劳动强度。待识别燃料棒上料至上料存料架，自动上下料机构将待识别燃料棒从上料存料架移至纵传机构内，驱动电机启动将待识别燃料棒送至视觉系统内，到位后，驱动电机停止运行，视觉系统内夹持调节件夹持待识别燃料棒，同时支撑机构内的升降气缸运行，聚氨酯支撑轮上升支撑待识别燃料棒，视觉系统开始识别待识别燃料棒端塞锥状面打标字符，完成后驱动电机启动将已识别燃料棒退出视觉系统，自动上下料机构将已识别燃料棒翻至下料存料架，已识别燃料棒在下料存料架暂存。

过程中，自动上下料机构负责将上料存料架上的待识别燃料棒移至纵传机构，并将纵传机构上的已识别燃料棒移至下料存料架；自动上下料机构中的顶料板由驱动气缸带动做上下运动，初始时顶料板在下位，需要上下料时，驱动气缸启动将顶料板上移至上位，此工位燃料棒流入下工位(即流入纵传机构内)，上工位燃料棒流入此工位。上料存料架和下料存料架均倾斜角度3度以下，角度可调，燃料棒停于上料存料架的挡料板处或停于下料存料架的挡料柱处。

过程中，当自动上下料机构将燃料棒从上料存料架移至纵传机构后，此时由传送主动轮和传送从动轮共同支撑燃料棒，传送从动轮是无动力轮，燃料棒被传送主动轮带动至视觉系统，视觉系统夹持燃料棒，两个传送主动轮打开并离开燃料棒，此时聚氨酯支撑轮上升支撑燃料棒，燃料棒离开纵传机构，视觉系统开始识别燃料棒，待识别完成后，由两个传送主动轮夹持送出燃料棒。

过程中，传送主动轮安装在导轨上，顶紧弹簧将主动传送基座向着视觉系统顶紧，当送料到位后，燃料棒与视觉系统内定位杆限位接触，燃料棒不能再向前传送，传送主动轮通过主动传送基座就开始压缩顶紧弹簧，系统检查到顶紧弹簧压缩后停止送料，此处可以在所述plc控制器和所述顶紧弹簧之间设位移传感器，位移传感器实时检测顶紧弹簧的位移变化并将检测到的信息实时传送至plc控制器，当plc控制器接收到顶紧弹簧有位移变化时，实时控制传送主动轮组停止送料。

过程中，因燃料棒本身是细长结构，再加之壁薄，易变形，传送从动轮组设五组，并且传送主动轮组和传送从动轮组之间、以及相邻所述动轮组之间的间距均为250mm；同时，支撑轮组也设五组，且相邻支撑轮组之间的间距设为300mm，支撑轮组主要由一对聚氨酯支撑轮支撑燃料棒。使燃料棒能有效的被支撑，防止燃料棒在两送料轮之间因重力下坠。

过程中，燃料棒被传送至视觉系统后，燃料棒端塞锥状面打标字符被定位杆定位在面阵光学组件视野内进行光学成像，四套面阵光学组件内的面阵相机均布在燃料棒端塞锥状面打标字符四周，由四个面阵相机所成像的四张图片拼接即是燃料棒端塞锥状面打标字符锥面的展开图形，在视觉外壳外侧设调整螺母，以及对燃料棒进行调整，以使本发明能适用于对不同规格的燃料棒端塞锥状面打标字符进行识别。

过程中，plc控制器分别与所述驱动气缸、所述支撑机构、所述传送主动轮组、所述面阵光学组件和所述环形光源件功能连接，由plc控制器控制本系统运行，系统运行稳定，自动化程度高，能极大降低识别人员劳动强度。

本发明用于燃料棒端塞锥状面打标字符识别，字符是由激光雕刻的，字符由大写字母a-z和阿拉伯数字0-9组成，且字符以大写英文字母开始，通过光学成像系统，相机采集到字符图像。由于燃料棒棒身很小、表面光滑、呈黑色或者白色状，端塞锥状面是不平整的，字符字体小、笔画较细，所以，字符图像亮度较低、对比度较差、存在由于光照不均产生的噪声。目前的字符识别技术，并没有一套适用于各种应用场景的通用字符识别系统，所以本发明针对燃料棒端塞锥状面打标字符识别这一特定应用环境，研究一套实用燃料棒端塞锥状面打标字符识别算法。

本发明中的燃料棒端塞锥状面打标字符识别方法的步骤如下：

a.分析燃料棒端塞锥状面打标字符的成像特点和字符特点，提出了一种新的基于灰度值统计特征的图像增强方法，解决字符图像反光问题，并且将较细的字符加粗；

b.利用图像二值化，分割字符，将字符区域从复杂的图像背景中提取出来；

c.提出了一种基于隶属度的字符特征提取方法，提取字符特征；

d.采用基于径向基函数(rbf)神经网络的模式分类方法作为字符识别方法。

在步骤a中，分析燃料棒端塞锥状面打标字符的成像特点、字符特点，提出了一种新的基于灰度值统计特征的图像增强方法，相比传统图像增强方法，该方法在增强图像对比度的同时能得到较稳定的图像灰度值范围，因此能更好地解决字符图像反光问题，并且将细字符加粗，以便于字符分割；

首先，计算图像全局灰度值统计特征，利用公式(1)和公式(2)，计算大小为n*n的图像i的灰度平均值m和方差var；然后，将m和var代入公式(3)，得到灰度值归一化后图像i1，其中m0和var0分别为指定的图像均值和图像方差，灰度值归一化方法在增强字符图像对比度的同时能得到稳定的图像灰度值范围，有效解决字符图像反光问题；最后，计算图像局部灰度值统计特征，利用公式(4)得到字符加粗后的图像i2，便于字符分割，其中max(i,j)和min(i,j)分别代表在像素点(i,j)处的局部灰度值的最大值和最小值。

i2(i,j)＝|max(i,j)-min(i,j)|(4)

在步骤b中，利用图像二值化，分割字符，将字符区域从复杂的图像背景中提取出来。将公式(4)所得i2(i,j)带入公式(5)，得到二值化后的图像g(i,j)，其中t代表全局阈值常数。

在步骤c中，针对基于几何特征或者基于结构特征的传统字符特征提取方法的不足，前者难以区分相似字符且抗噪能力差，后者通常运算量大难以满足实时要求，本发明提出了一种基于隶属度的字符特征提取方法。该方法从几何特征出发，考虑到图像存在各种噪声污染，加入隶属度分析，这样描述模糊性问题比起几何特征更为合理。该方法相比传统字符特征提取算法，优势明显：(1)特征空间区分度高，识别率更高；(2)特征容易提取，特征空间维度低，时空复杂度更低、算法速度更快；(3)较好的稳定性和鲁棒性，不易受噪声干扰。

首先，提取字符的几何特征，如图12(a)所示，将字符在水平方向上等距划分为3等分，统计在2条分界线所在行的黑色像素个数作为特征值；同理竖直方向，如图12(b)；如图12(c)所示，将字符在水平和竖值方向划分为4*2个小块，统计各个小块内的黑色像素个数作为特征值，由此得到13维几何特征向量。然后，加入隶属度分析，考虑到大写英文字母和阿拉伯数字的黑色像素在空间分布上总体较稀疏，因此从水平方向上将字符分为上、中、下3部分，计算各个部分的中间区域(如图13的矩形块所示)出现黑色像素的概率，由此得到3维特征值，这样描述模糊性问题比起几何特征更为合理，特征不易受噪声干扰。

在步骤d中，采用基于rbf神经网络的模式分类方法作为字符识别方法，rbf网络包括输入层、隐藏层和输出层。将步骤c所得的16维特征向量作为输入层；通过自适应学习得到隐藏层；26个大写英文字母加10个阿拉伯数字，得到有36个节点的输出层。该神经网络的网络结构简洁、训练速度快且识别率高。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。