技术领域本发明属于物料检测领域，具体涉及一种燃料芯块外形尺寸和外观缺陷的检测设备和方法，主要用于对MOX燃料芯块的检测。
背景技术：
MOX燃料芯块是以UO2粉末和PuO2粉末为原料，通过机械混合、压制和烧结而成的陶瓷体，作为核燃料被广泛用于压水堆和快堆中。燃料芯块的尺寸过大会导致无法装管，尺寸过小和外观的缺陷的存在会因引起燃料棒包壳受热不均，导致包壳破损致使核事故的发生，正因为如此，在装管之前必须证明每一个MOX燃料芯块其外形尺寸和外观的完整性满足设计要求，并对所有芯块进行直径检查和100％外观缺陷检查，以确保顺利装管和反应堆运行安全运行。国内核燃料领域的核燃料元件，为低富集度的UO2芯块，其辐射水平较低，内照射危害较小，目前采用的是人工检查的方式。由于MOX芯块的强辐射性和Pu元素的剧毒性，需要一种专用设备在线自动完成MOX燃料芯块的直径和外观100％完整性检查，并且设备被要求必须安装在手套箱内使用，同时确保芯块在检测过程中不丢失，不因检测活动造成新的破损，同时利于检修和维护。目前基于可见光的图像识别的测量技术，在核燃料元件生产线还没有应用先例，在其它行业也没有开展同时对产品尺寸和缺陷进行高精确定量测量。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃料芯块外形尺寸和外观缺陷的检测设备，替代人工实现对燃料芯块自动完成直径和外观的完整性检查，且在检查过程中不丢失和造成新破损。为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种燃料芯块外形尺寸和外观缺陷的检测设备，包括设置在手套箱内的机械装置和两套图像采集装置及设置在手套箱外的图像处理系统，所述机械装置包括自动给料和排序装置、自动上料装置、自动转运装置、翻转和旋转装置及定位装置；所述自动给料和排序装置用于将该燃料芯块送给自动上料装置；自动上料装置接收燃料芯快后上升将该燃料芯块输送给自动转运装置；自动转运装置接收燃料芯块后水平移动并将该燃料芯块输送翻转和旋转装置；翻转和旋转装置接收燃料芯块后按照一定的角度旋转，一套图像采集装置对旋转燃料芯块的外形尺寸和外侧面采集；图像采集装置完成采集后，翻转和旋转装置再将燃料芯块输送给自动转运装置，自动转运装置继续水平移动并将燃料芯块输送给定位装置，定位装置接收采集后的燃料芯块并将该燃料芯块径向定位，另一套图像采集装置对定好位的燃料芯块两端面进行图像采集；两套图像采集装置采集的图像均传输给图像处理系统，该图像处理系统用于对图像处理，并确定燃料芯块是否存在缺陷。进一步，所述自动给料和排序装置包括振动盘和设置在振动盘上圆形振动器，圆形振动器的顶部设有螺旋形通道，所述螺旋形通道的出口设置输送槽，所述输送槽的下端设有振动块。进一步，所述自动上料装置包括能够升降的槽型机构，所述槽型机构顶部设有平底槽，侧面从顶部向下开有大于燃料芯块直径小于输送槽宽度的通槽，所述槽型机构与自动给料和排序装置中的输送槽出口对应。进一步，所述自动转运装置包括能够上、下、左、右四个位置移动的转运机构，所述转运机构的两端及中部设有能够张开和闭合的夹爪。进一步，所述翻转和旋转装置包括能够在上下两个位置来回翻转的翻转机构、与翻转机构配合并在翻转机构的带动下能够旋转的旋转装置、设置在旋转装置内部能够左右开合的第一夹持机构，第一夹持机构的内侧面设有用于固定燃料芯块的伸缩式顶针；所述定位装置包括第二夹持机构及设置在第二夹持机构的下端的升降机构。进一步，所述两套图像采集装置包括高分辨率的三个相机，其中一个相机用于完成燃料芯块外形尺寸和外侧面图像采集，另外两个相机用于完成燃料芯块端面图像采集。本发明还提供一种燃料芯块外形尺寸和外观缺陷的检测方法，包括如下步骤：1)利用自动给料和排序装置完成给料、利用自动上料装置完成上料、利用自动转运装置完成转运、利用翻转和旋转装置完成燃料芯块旋转；利用定位装置完成燃料芯块的径向定位；2)利用两套图像采集装置分别对燃料芯块的外形尺寸和外侧面采集；3)利用另一套图像采集装置对燃料芯块端面采集；4)将两套图像采集装置采集到的图像分别传送给图像处理系统；5)图像处理系统对图像处理，并区分燃料芯块好坏。进一步，在步骤5)中，所述图像处理包括对外形尺寸的处理，其步骤如下：1)轮廓提取，边界识别；2)上下边界均值相减得到图像分块外径像素；3)对图像分块得到的外径再进行平均；4)通过像素与标准样品尺寸关系计算得出芯块直径。进一步，在步骤5)中，所述图像处理包括对外侧面图像的处理，其步骤如下：1)对图像分块识别；2)拼接后的图像头尾连接处理；3)获取目标参数，即角度、宽度、长度、弧度；4)断开目标连接；5)缺陷分类；6)不合格判定。进一步，在步骤5)中，所述图像处理包括对端面图像的处理，包括如下步骤：1)获取内径椭圆区域灰度门限；2)获取内径椭圆中心和半径和外径椭圆中心和半径；3)内径椭圆填充；4)外径椭圆中心和半径校正；5)获取敏感区域；6)目标分割；目标角度、长度、宽度参数提取；7)裂纹与缺陷识别。本发明的有益技术效果在于：(1)本发明通过对燃料芯块图像的采集和分析处理，结合一套全自动传输装置实现了燃料芯块直径和外观缺陷100％自动测量，确保顺利装管和反应堆运行的安全性；(2)本发明燃料芯块的检测速度为5个/min，芯块直径的测量精度为0.01mm(一个像素点)，且能给出缺陷类型和测量结论；(3)方法简单、可靠。附图说明图1是本发明检测装置的结构示意图；图2是燃料芯块的结构示意图；图3是图1中自动给料和排序装置的结构示意图；图4是图1中自动上料装置的结构示意图；图5是图1中自动转运装置的结构示意图；图6是图1中翻转和旋转装置的结构示意图；图7是图1中定位装置的结构示意图图8是外径处理流程图；图9是外侧面处理流程图；图10是端面处理流程图。图中：1-燃料芯块2-自动给料和排序装置3-自动上料装置4-自动转运装置5-翻转和旋转装置6、7、8-照相机9-定位装置10-好坏料分选装置11-控制柜12-计算机系统21-圆形振动器22-振动盘23-输送槽24-振动块25-槽型机构26-转运机构27、28、29-夹爪30-第一夹持机构31-翻转机构32-旋转机构33-驱动电机34-升降机构35-第二夹持机构具体实施方式下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。如图1所示，本发明一种燃料芯块外形尺寸和外观缺陷的检测设备，其包括设置在手套箱内用于转运、旋转及定位燃料芯块的机械装置和用于采集燃料芯块的外形尺寸和外观缺陷的两个图像采集装置及设置在手套箱外用于对两个图像采集装置采集到的图像进行处理的图像处理系统。机械装置包括自动给料和排序装置2、自动上料装置3、自动转运装置4及翻转和旋转装置5、定位装置9及好坏料分选装置10。如图2所示，典型的MOX燃料芯块1为圆柱体，圆柱中心留有中心孔用于存留裂变气体，直径一般4mm-8mm，长度6mm-12mm。如图3所示，自动给料和排序装置1包括振动盘22和设置在振动盘22上圆形振动器21，圆形振动器21的顶部设有螺旋形通道，螺旋形通道的出口设置输送槽23，该输送槽23的下端设有振动块24。螺旋形通道向上的角度小于20度，输送槽23从起始端至末端向下倾斜且倾斜角度小于5度。输送槽两端设有光电感应器，控制给料和排序动作的开始或停止。采用自动给料和排序装置1可减少人工干预受到辐射危害。如图4所示，自动上料装置包括能够升降的槽型机构25，槽型机构25顶部设有平底槽，槽型机构25侧面从顶部向下开有大于燃料芯块直径小于输送槽23宽度的通槽，该通槽能够保证不同长度芯块的检测。该自动上料装置能够上下移动，根据控制信号逐一完成接料和上料，同时感应器能保证燃料芯块1到位时执行上升动作。如图5所示，自动转运装置4包括能够上、下、左、右四个位置移动的转运机构26，转运机构26上并排设置三个能够张开和闭合的夹爪27、28、29，能够依次将燃料芯块从自动上料装置转运至两个侧量位，分别进行直径尺寸、侧表面和端面测量，侧表面采用一个相机，端面采用两个相机。转运装置夹爪宽度小于燃料芯块长度，夹爪27、28、29和夹持机构30协调作用，保证燃料芯块在检测传递过程中不会跌落和丢失。如图6所示，翻转和旋转装置5包括能够在上下两个位置来回翻转的翻转机构31、与翻转机构31配合并在翻转机构31的带动下能够旋转的旋转装置32、设置在旋转装置32内部能够左右开合的第一夹持机构30，第一夹持机构30的内侧面设有用于固定燃料芯块的伸缩式顶针，能够将燃料芯块牢牢夹住。翻转机构31通过驱动电机33驱动，旋转装置32在驱动电机33的驱动下带动第一夹持机构30按照设定的速度和角度旋转，通过这些动作完成燃料芯块从自动转运装置4接料和送料，并使燃料芯块旋转。如图7所示，定位装置9包括用于夹持燃料芯块的第二夹持机构35及设置在第二夹持机构下端用于驱动夹持机构升降的升降机构34。定位装置9可以上升下降、左右开合。通过这些动作可调整燃料芯块达到此位置时中心位置不变，提高端面测量精度。第一夹持机构30和第二夹持机构35使燃料芯块在测量位能够准确定位，保证测量的重复性和测量精度。好坏料分选装置10：包括两个下料通道，下料通道可来回移动，将夹爪29上的燃料芯块送入相应的物料盒内。本发明通过控制柜11控制：控制柜11包括一个PCL控制器，一个液晶显示触摸屏和若干控制元器件，用于接收感应器信号与计算机进行通讯，控制上述机械装置的所有动作。这些控制系统的型号可随意选择。该控制柜通过驱动电机或气缸使所有的动作有序自动完成。本发明图像处理系统采用计算机系统12：包括视频采集卡和图像处理程序，用于接收并处理图像采集系统采集的芯块图片，与控制系统进行通讯，自动给出直径、中心孔、高度的测量数据、缺陷数据和好坏料结论。计算机系统完成图像的处理和动作指令的发出，从燃料芯块排序开始直至燃料芯块好坏料分选完成，所有的动作执行均由控制系统控制。一个计算机系统完成所有的图像处理和结果判定。两套图像采集装置包括高分辨率的三个相机及安装在照相机摄像头前端的LED平衡光源，三个相机安装在三个具有调节功能的平台上，其中一个相机用于对外径尺寸和外侧面采集，另外两个相机分别设置在定位装置9的两侧，用于完成燃料芯块端面采集。本发明六个机械模块，固定在两个底板上，两个底板之间活动连接，减少因装置振动对测量的影响。本发明燃料芯块自动转运过程如下：(1)批量的燃料芯块1放入圆形振动器21，振动盘22驱动圆形振动器21使燃料芯块沿振动盘22边缘排列按螺旋上身前进的方式进入输送槽23，直线振动器24驱动输送槽23使燃料芯块1进入槽型机构25(如图4所示燃料芯块1的位置)。输送槽23在前后位置设有两个感应器，可分别控制振动盘22和直线振动器24的工作状态，使物料输送开始或停止；(2)槽型机构25抬升与输送槽23错位，一个燃料芯块1被错位抬高进入上料位；(3)转运机构26下降，夹爪27闭合夹住位于槽型机构25上的燃料芯块1，转运机构26上升向右侧移动到位后下降，槽型机构25下降继续从输送槽23接料。(4)第一夹持机构30闭合夹住燃料芯块1，夹爪27张开，转运机构26上升向左侧移动到位，翻转机构31翻转至上位，驱动机构33驱动旋转装置32旋转六次(侧面图像采集同时进行，将图像送入计算机系统进行侧表面图像处理)，翻转机构31翻转至下位，转运机构26下降，夹爪27闭合从槽型机构25接料，夹爪28闭合从第一夹持机构30接料，第一夹持机构30张开。(5)转运机构26上升右侧移动到位后下降，升降机构34上升，第二加持机构35闭合(燃料芯块1定位)，夹爪28张开。同时进行的动作：槽型机构25下降继续从输送槽23接料；第一夹持机构30闭合从夹爪27接料，夹爪27张开，翻转机构31翻转至上位，驱动机构33驱动旋转装置32旋转六次(第二个芯块的侧面图像采集和处理)。(6)转运机构26上升向左侧移动到位下降，夹爪27从槽型机构25接料，翻转机构31翻转至下位，夹爪28闭合从第一夹持机构30接料，第一夹持机构30张开，夹爪29闭合从第二加持机构35接料，第二加持机构35张开，升降机构34下降，端面图像采集(同时将图像送入计算机系统进行端面图像处理，此时燃料芯块1的测量结论由计算机已发指令至控制系统)。(7)转运机构26上升向右侧移动到位下降，好坏料分选装置10根据好坏料指令摆动到相应位置接夹爪29下料，继续下一个测量循环。本发明还提供一种燃料芯块外形尺寸和外观缺陷的检测方法：包括如下步骤：1)利用自动给料和排序装置完成给料、利用自动上料装置完成上料、利用自动转运装置完成转运、利用翻转和旋转装置完成燃料芯块旋转；利用定位装置完成燃料芯块的径向定位；2)利用两套图像采集装置分别对燃料芯块的外形尺寸和外侧面采集；3)利用另一套图像采集装置对燃料芯块端面采集；4)将两套图像采集装置采集到的图像分别传送给图像处理系统；5)图像处理系统对图像处理，并区分燃料芯块好坏。其中，图像处理技术如下：(1)侧表面图像的采集：到达侧面测量位时，机构30带动芯块60°旋转一次，共旋转六次，照相机6在机构32每旋转一次结束后拍摄图片一幅，共拍摄图片六幅，每幅图片覆盖芯块的有效角度为180°，其中机构30能保证每个待检芯块的右侧为固定位。(2)侧表面图像的处理：(a)直径的测量，如图8所示。上述六幅图片均进行轮廓提取，计算每幅图片每个轮廓上下边缘像素点之间的像素点后取平均值，根据标准样品的尺寸-像素点关系计算得出芯块直径。(b)表面缺陷的图像处理方法，如图9所示。先识别出采集的一帧图像中芯块的上下边界线，计算出外径像素尺寸，然后在上边界线的基础上加上1/5的外径尺寸作为一个图像分块的开始行，行高度为外径尺寸的1/2。对每个图像分块分别进行图像分割(采用统计方法)，得到目标二值像。对二值像作头尾连接处理，如果第一个图像分块和最后一个图像分块都有目标，且满足以下3个条件：目标行方向长度或者列方向长度都大于30像素；第一个图像分块的目标距离顶部在10行以内，最后一个图像分块的目标距离底部在10行以内；第一个图像分块的目标最上面一行与最后一个图像分块的目标最下面一行左右距离像素在10以内，则需要进行头尾连接处理。进行相应的头尾调整，解决由于从目标中间开始旋转，导致目标被切割的现象。获取目标的宽度，长度。宽度在目标径向的法线方向上找，某个包含像素最多的法线方向上的像素个数就是宽度像素个数。长度像素个数的是目标外围边界绕一周的像素个数的一半。断开目标连接。每个目标分别找出最上，最下，最左，最右的4个点，如果两个目标的这4个极点距离小于5(每个像素约0.01毫米)，则认为两个目标是可以连接的。对这两目标相关参数进行合并。(3)端面图像的采集：芯块到达端面测量位时，夹爪29夹持芯块，使芯块两端面分别处于照相机7、8的视场范围内，分别拍摄芯块左、右端面图像一幅，将图像送入计算机系统。这种照相机与光源同轴且垂直于芯块端面的图像采集方式，使端面图像的灰度变得非常均匀且边缘轮廓明显，缺陷表面与非缺陷表面的灰度差值较大。(4)端面图像的处理方法，如图10所示。设置灰度门限获取芯块中心孔轮廓和外边缘轮廓，在中心孔边缘与外边缘之间的区域通过灰度门限可识别出缺陷的轮廓，并根据给定的计算方式，确定其缺陷类型和大小。本发明的检测装置及检测方法同样适用于其他圆柱体带中心孔结构的零件检测。本发明的燃料芯块外形尺寸和外观缺陷的检测设备和方法并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。