板型核燃料元件包殼內芯體邊界識別與定位檢測系統

張小剛，俞東寶，湯 慧，朱永利，葛 騰

(中核北方核燃料元件有限公司，包頭 014035)

板型核燃料元件由上下兩層金屬包殼將彌散燃料芯體密封在元件中部區域，具有鈾密度高、鈾裝載量大等優點，已經成為研究試驗堆常用的燃料元件[1-2]。元件產品質量直接影響反應堆的運行安全和運行效率，因此，燃料元件在生產過程中需要進行嚴格的質量檢測[3-4]。

板型核燃料元件主要采用軋制工藝制備，利用一副軋輥，將焊接好的組合坯料(見圖1)送入兩個軋輥間的縫隙處，在壓應力作用下實現蓋板、框架與芯體之間密封結合的目的。受軋制工藝的影響，芯體不僅在軋制方向上伸長，同樣也會在寬度方向上有一定的延展。軋制完成后的板型燃料元件具有尾端芯體減薄區較短，頭端芯體減薄區較長、較疏松，芯體在長度方向直線度較差等特點[5-6]。

圖1 板型核燃料元件軋制坯結構示意

板型核燃料元件技術規范要求芯體必須處于燃料板中央，且同時需知道芯體的長度、寬度、芯體距四邊的距離、芯體在寬度方向和長度方向的對稱度。現有方法中，為了保證芯體處于燃料板中央，板型核燃料元件需經過初定位劃線、初剪板、精定位劃線、精銑板、再次檢測芯體位置共4道生產檢測流程。芯體初定位劃線、精定位劃線都屬于芯體定位過程，均需要人工識別芯體的邊界，記錄芯體相對位置，定位后需要人工計算芯體在制定范圍內居中后的加工余量。在整個檢測過程易出現芯體邊界識別錯誤、定位后計算錯誤等，導致加工后芯體裸露，造成二次污染。同時，在初定位劃線和精定位劃線完成后，都會由人工使用電動筆在燃料板上手動刻制元件編號，帶來元件編號刻錯和刻制不規范等現象，存在較大的質量隱患。針對以上板型元件芯體定位現有方法中存在的不足，筆者開發了包殼內芯體邊界識別與定位檢測系統，實現燃料元件軋制成型后，通過一次定位即可直接加工出滿足精度要求的成品燃料元件并實現自動檢測，保證檢測精度的同時大幅提高生產檢測效率、降低成本。

1 檢測方法原理

根據板型彌散體核燃料元件的結構特點和自動化檢測需求，確定了如圖2所示的自動化檢測流程。檢測時，將待檢板型核燃料元件放置在物料箱平板支架上，物料箱平板固定至自動上下料桁架機械手的指定上料位置，再通過懸臂上的真空吸盤吸附燃料板轉放至檢測位置，然后工件承載平臺帶動芯體直線平移運動，完成掃描檢測，產生一幅完整的透視圖像。通過軟件分析功能進行定位，并將獲得的數據傳輸至激光切割裝置。在平移掃描的同時，安裝在龍門架上的掃碼裝置掃碼錄入工件信息并傳送給打標噴碼機構。工件承載平臺繼續向前平移到切割工位上，切割機構可進行三維運動對多余部位進行快速切割。切邊后，激光打標機在燃料元件指定位置處刻上元件的唯一編碼。打標之后，工件承載平臺反向運動將芯體返回到檢測工位復檢，復檢合格后通過吸盤和三維桁架機械手搬運至下料區，不合格產品將被取出或者進行二次切割。循環以上過程，即可完成芯體定位和料邊切除，得到合格的板型燃料元件。

圖2 板型元件芯體自動化檢測流程圖

2 系統硬件設計

設備機械部分由C型臂機構、拾取機械臂機構、運載車機構、檢測平臺、打標機構等組成(見圖3)。其操作基本流程為:打開設備電源(X射線機、線陣探測器、計算機等)；對射線機進行訓機；啟動檢驗控制程序開始設備初始化，根據軟件提示進行校準工作；將被檢測板型燃料元件放置在運載車上，打開鉛房鉛門；元件通過運載車運輸至鉛房內指定位置，關閉鉛門，拾取機械臂機構從運載車上夾取元件并取得其放至檢測平臺上，拾取機械臂機構松開零件返回至初始位置，開啟射線源準備檢測；檢測過程中C型臂可根據檢測需要進行平移，射線源可根據檢測需要調節焦距；檢測完成后輸出檢測信息和標識編碼，同時關閉射線源，C型臂回到初始位置，拾取機械臂機構移動到檢測零件位置將元件拾取放置至運載車上，再拾取第二個元件放置在檢測位置，以此方式重復檢測；當運載車上所有元件的檢測完成后，打開鉛門，運載車開出鉛防護室，再次對元件進行裝卸，以該方式連續進行檢測。

圖3 檢測系統機械組成示意

2.1 C型臂機構

C型臂機構主要包括射線源、線陣探測器、射線源移動機構、C型臂移動機構(見圖4)。檢測時射線機自上向下照射，成像窗口始終與射線機相對。射線源移動機構由射線源和絲杠移動機構組成，射線源可沿y2軸上下移動，調節與線陣探測器的距離，垂直移動精度不大于0.05 mm。C型臂可沿z1軸水平移動，完成對板型燃料元件的掃描，水平移動精度不大于0.05 mm。

圖4 檢測系統C型臂結構示意

2.2 元件拾取機構

元件拾取機構(見圖5)由矩形管焊接件、真空吸盤、真空發生器及相關的氣動元件組成。傳動機構由直線導軌和滾珠絲桿絲母等傳動件組成。動力機構由精密的新型減速機及高精度的伺服電機及驅動器組成。吸盤可進行90°旋轉適應芯體上下料，選用氣動元件公司高精度的旋轉氣缸以保證高效準確地上下料。

圖5 檢測系統元件拾取機構組成示意

元件拾取機構采用的吸附機械臂須以非鐵磁性方式吸附元件。吸附機械臂最大吸附重量不小于3.5 kg。自動更換裝置中有防跌落，防劃傷保護裝置，機械臂運轉穩定，更換板型元件時最大運轉速度不超過1.5 m·min-1。系統有換板異常檢測功能，換板異常時會該自動停止并報警，防止元件在更換過程中損壞。

元件吸取機構安裝在桁架機械手的z軸末端，具有旋轉和真空吸取功能，各組吸盤與元件擋板錯位布置，互不干涉。

3 軟件系統設計

3.1 圖像失真矯正處理

數字原始圖像存在一定的變形失真，在對圖像進行處理之前，首先要解決圖像失真的問題。該設計選用多排線陣探測器，在多線陣探測器逐行掃描的過程中，使用錯排積分的方法，將前行與后行的線陣圖像疊加，使用類似差分的思想方法，降低了圖像的噪聲，提高了圖像的準確性。

對DR(數字射線)成像板數字圖像信號進行累加處理，利用專用圖像處理包對其進行拼接得到整張板的圖像信息，根據圖像灰度變化自動識別燃料板的芯體和鋁包殼邊界。在軟件中建立虛擬坐標系，工裝傳動中設有光柵尺，利用光柵尺的示值校準虛擬坐標系，使軟件坐標與實際坐標相對應，實現測量軟件與檢測系統同步運行。板型核燃料元件芯體成像案例如圖6所示，圖右側為數字成像中采集的燃料板實時圖像，左側為對實時圖像進行提取拼接后所得的燃料板最終圖像。利用軟件確定芯體和燃料板的中心，再計算中心偏差距離，計算定位點的坐標位置；電機運動到定位點時自動定位，從而得到芯長、芯寬、芯體距邊、不對稱度等信息。

圖6 板型核燃料元件芯體成像案例

3.2 芯體輪廓和離散顆粒識別

芯體輪廓檢測和定位的主要過程如下所述。

(1) 圖像預處理。使用專用圖像采集軟件采集檢測圖像，形成一幅完整的靜態圖像，剔除無效像素點，完成圖像預處理。

(2) 圖像噪聲處理。采用自適應中值濾波技術對采集后的圖像進行降噪處理，利用Canny邊緣檢測算法獲取燃料芯體輪廓線和離散顆粒的輪廓形貌。

(3) 確定芯體輪廓。無效像素點和離散顆粒導致燃料芯體輪廓線不閉合，需要進行相鄰像素延伸形成完整閉合的輪廓線。

(4) 求取面積中心線。根據圖像邊界輪廓，采用最小二乘法擬合出芯體中心線，并求取出面積中心線。面積中心線求取的原則為：芯體的上輪廓線距面積中心線的最大距離與下輪廓線距面積中心線的最大距離相等。

(5) 尺寸測量。在以面積中心線為x軸的坐標系中，通過既定的算法，求取芯體最大長度、芯體最大寬度、芯體最小長度、芯體最小寬度、芯體輪廓線長度、芯體輪廓寬度、芯體平均長度、芯體平均寬度、離散燃料顆粒尺寸以及距新輪廓的距離。板型核燃料元件芯體定位如圖7所示。

圖7 板型核燃料元件芯體定位示意

3.3 芯體定位算法開發

在以芯體面積中心線為x軸的坐標系中，作n條垂直于x軸，且能同時穿過芯體上下邊沿線的直線，該直線與上邊沿線交點的y坐標為A1,A2,…,An，與下邊沿線交點的y坐標值為a1,a2,…,an。在以芯體中心線為x軸的坐標系中，作n條平行于x軸，且能同時穿過芯體左右邊沿線的直線，且與左邊沿線交點的x坐標值為B1,B2,…,Bn，與右邊沿線交點的x坐標值為b1,b2,…,bn(見圖8)。因此，芯體最大寬度為max(Ai)-min(ai)，i=1～n；最大長度為max(Bi)-min(bi)，i=1～n；進一步計算可得到芯體的平均寬度和平均長度。

圖8 芯體尺寸計算方式示意

在以芯體面積中心線為x軸的坐標系中，做一系列平行于x軸，且至少與上下邊沿有一個交點的直線，與上邊沿線交點的y坐標為U1，U2，…，Uk，與下邊沿交點的y坐標為D1,D2,…,Dm。芯體輪廓寬度為max(Ui)-min(Dj)，i=1～k，j=1～m。

在以芯體中心線為x軸的坐標系中，作一系列垂直于x軸，且至少與左右邊沿線有一個交點的直線，與左邊沿線交點的x坐標為L1,L2,…,Ll，與右邊沿線交點的x坐標為R1,R2,…,Rr(見圖9)。芯體輪廓長度為max(Rj)-min(Li)，i=1～l，j=1～r。

圖9 芯體輪廓場寬度測量示意

4 結論

根據板型彌散體核燃料元件的結構特點，建立了一種基于X射線數字成像的板型核燃料元件芯體自動定位檢測方法，研制了自動化檢測系統。該系統采用X射線數字成像技術，結合圖像處理及自動識別技術，實現了對板型鋁包殼內芯體形貌的掃描，準確地檢測出內部不規則形狀芯體的矩形邊界，從而為后續切割多余的鋁包殼框架提供準確的定位畫線依據，以避免在切除多余鋁包殼時誤切除了芯體而導致芯體裸露造成污染和不良品。該系統通過對燃料板中芯體與鋁包殼邊界的識別和計算，直接獲得燃料元件芯體長度、寬度、對稱度、飛濺的燃料顆粒等信息，實現了芯體的自動定位，代替了長期以來依靠人工目視觀察射線底片來確定芯體在燃料板中位置的方法，既縮短了燃料元件加工和檢測流程，又提高了檢測可靠性，進一步保證了產品質量。