本发明涉及测量与检测技术领域，尤其涉及一种核电用锆管直线度测量方法及装置。
背景技术
核能作为一种清洁、高效、无污染的清洁能源，已被广泛应用于军事、生产和经济等领域，随着环境污染的加剧和传统化石类能源的枯竭，大规模、广领域、高技术的核能发电已成为大势所趋。由于重水反应堆具备残留废物少、能量利用率高和工业应用技术成熟度高等特点，其在世界范围的核电系统均具有广泛的应用。核燃料棒是重水反应堆的基元，其加工生产的质量直接关系到核电站的正常运行。
由于锆材料在高温、高辐射状态下仍能保持良好的金属特性，一般采用锆合金管将核燃料包起来以防止裂变产物溢出。锆管内部需填充核燃料，且填充完成的锆管也需要装配成核燃料棒束，其的直线度直接影响到核燃料填充过程和装配过程的出错率和自动化程度等性能参数；锆管的直线度也会影响到核燃料棒束反应过程的散热、流量等参数；直线度差的锆管在反应过程中因散热性能差存在变形破裂的风险，从而造成裂变产物泄漏。因此，对核电用锆管进行直线度检测尤为重要。
由于核燃料具有一定的辐射性，且数量巨大，需采用智能化、自动化程度高的设备和方法对核电用锆管的直线度进行检测，检测过程中避免过多的人为干预，以避免对人造成过多辐射。目前大多数直线度检测装置和系统是手工监测或半自动检测，整个过程中需要人机配合完成检测工作，自动化和智能化程度低。且目前已公开的直线度测量设备和系统不能同时兼顾测量精度和测量效率的需求，系统设计往往功能单一，测量系统不完备，且设备价格昂贵。
综上所述，如何有效解决核电用锆管高效、精确、低成本的直线度检测，是核电领域和测量检测领域亟待解决的问题。
为此申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有技术的不足和缺陷而提供一种核电用锆管直线度测量方法。
本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种实现上述电用锆管直线度测量方法的装置。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种核电用锆管直线度测量方法,其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)建立包含相机的锆管直线度测量装置，根据锆管和相机镜头的几何模型，采用两端点连线法的直线度计算方法建立锆管直线度测量数学模型；
(2)利用相机采集所述锆管的第一端面图像和第一中间部位图像，提取所述锆管第一端面图像的圆心坐标和第一中间部位图像的圆心坐标；
(3)利用相机采集所述锆管的第二端面图像和第二中间部分图像，提取所述锆管第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标；所述锆管的第一端面和第二端面分别位于所述锆管的两端；在提取所述锆管第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标时，需要进行yoz平面对称处理；
(4)以步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标为基准，将步骤(3)所提取所述锆管第二端面图像的圆心坐标和所述步骤(2)所提取的第y一端面图像的圆心坐标与所述步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标统一对应起来；
(5)根据步骤(1)建立的锆管直线度测量数学模型，采用步骤(2)提取所述锆管第一端面图像的圆心坐标和第一中间部位图像的圆心坐标以及步骤(3)提取所述锆管第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标计算所述锆管的直线度。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(1)中的建立包含相机的锆管直线度测量装置，根据锆管和相机镜头的几何模型，采用两端点连线法的直线度计算方法建立锆管直线度测量数学模型的具体方法是：
以锆管的中心轴线为y轴，以所述锆管直线度测量装置的铅锤方向为z轴，以所述锆管直线度测量装置的水平方向为x轴建立三维坐标系；
根据所建立的锆管直线度测量装置，采用两端点连线法的直线度计算方法建立锆管直线度测量的数学模型的步骤如下：
建立所述锆管第一端面的圆心和第二端面的圆心之间的空间直线方程(1)如下：
建立计算所述锆管中间部位(x0，y0，0)到所述锆管第一端面的圆心和第二端面的圆心之间的空间直线的距离的方程(2)如下：
根据成像系统特性建立所述锆管直线度测数学模型的方程(3)如下：
其中，(cx1,cy1,-cz0)和(cx2,cy2,cz0)为两端口圆心坐标,cz0根据锆管实际长度确定；λ为相机相面像元尺寸；δ为成像系统放大倍率；δisd为图像坐标系中锆管的直线度误差，单位是像素；sd为锆管世界坐标系下的直线度误差；k为直线特征参数如下：
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(2)中提取所述锆管第一端面图像的圆心坐标的具体方法是：当所述锆管的第一端面图像提取完成后，首先对所述锆管的第一端面图像进行二值化处理得到所述锆管的第一端面二值化图像；然后对所述锆管的第一端面二值化图像采用形态学处理去除感染信息，得到只保留了所述锆管的第一端面形状的所述锆管的第一端面二值图像；此时的所述锆管的第一端面二值图像中只包括所述锆管的第一端面信息，最后采用图像内接圆拟合的方法求得所述锆管的第一端面的圆心坐标。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(2)中提取所述锆管第一中间部位图像的圆心坐标的具体方法是：当所述锆管的第一中间部位图像提取完成后，首先对所述锆管的第一中间部位图像进行边缘提取得到所述锆管的第一中间部位边缘图像；然后对所述所述锆管的第一中间部位边缘图像采用形态学处理所述锆管的第一中间部位边缘图像中的噪声，最后求取所述锆管第一中间部位图像的圆心坐标。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(3)中提取所述锆管第二端面图像的圆心坐标的具体方法是：当所述锆管的第二端面图像提取完成后，首先对所述锆管的第二端面图像进行二值化处理得到所述锆管的第二端面二值化图像；然后对所述锆管的第二端面二值化图像采用形态学处理去除感染信息，得到只保留了所述锆管的第二端面形状的所述锆管的第二端面二值图像；此时的所述锆管的第二端面二值图像中只包括所述锆管的第二端面信息，最后采用图像内接圆拟合的方法求得所述锆管的第二端面的圆心坐标。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(3)中提取所述锆管第二中间部位图像的圆心坐标的具体方法是：当所述锆管的第二中间部位图像提取完成后，首先对所述锆管的第二中间部位图像进行边缘提取得到所述锆管的第二中间部位边缘图像；然后对所述所述锆管的第二中间部位边缘图像采用形态学处理所述锆管的第二中间部位边缘图像中的噪声，最后求取所述锆管第二中间部位图像的圆心坐标。
在本发明的一个优选实施例中，所述以步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标为基准，将步骤(3)所提取所述锆管第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标与所述步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标统一对应起来的具体方法如下：
根据所述锆管的几何模型，建立步骤(2)所提取所述锆管第一端面图像的圆心坐标和第一中间部位图像的圆心坐标以及步骤(3)所提取所述锆管第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标的对应关系；
根据所述的对应关系，以步骤(2)所提取的所述锆管第一中间部位图像的圆心坐标为基准，确定步骤(3)所提取所述锆管第二端面图像的圆心坐标和所述步骤(2)所提取的第一端面图像的圆心坐标与所述步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标，其中所述锆管第一中间部位图像的圆心坐标(x0,y0,0)，所述锆管第一端面图像圆心坐标(cx1,cy1,-czo)；所述锆管第二端面图像圆心坐标(cx2-x1+x0,cy2-y1+y0,cz0)，其中，根据锆管的长度确定cz0的大小。
一种上述电用锆管直线度测量方法的装置，包括：
一测量平台；
一安装在所述测量平台上的图像采集装置；
一安装在所述测量平台上的锆管定位支撑装置；待测量锆管放置在所述锆管定位支撑装置上并被所述锆管定位支撑装置定位，使所述锆管的中心轴线平行于所述图像采集装置的光轴，所述图像采集装置对所述锆管的端面和中间部位进行图像采集；
一图像处理装置，所述图像处理装置对所述图像采集装置所采集的图像进行处理获得所述待测量锆管的直线度并将所获得的待测量锆管的直线度与标准锆管的直线度进行比对。
在本发明的一个优选实施例中，还包括一安装在所述测量平台上将待测量锆管放置到所述锆管定位支撑装置上的锆管上料装置。
在本发明的一个优选实施例中，所述图像采集装置包括相机和连接在所述相机镜头上的远心镜头，所述相机通过一5轴微调平台安装在所述测量平台上，所述远心镜头通过一镜头支架支撑在所述测量平台上。
在本发明的一个优选实施例中，所述锆管定位支撑装置包括至少一安装在所述测量平台上的带v型槽的定位座和至少一与所述带v型槽的定位座铰接的带v型槽的压紧块，所述带v型槽的压紧块由一压紧块驱动气缸驱动进行翻转，将待检测锆管压紧在所述带v型槽的定位座上，压紧块驱动气缸安装在所述测量平台上。
在本发明的一个优选实施例中，所述锆管上料装置包括水平直线运动机构和安装在所述水平直线运动机构上的垂直运动机构以及安装在所述垂直运动机构上的锆管托架。
由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：
1、本发明所建立的装置可实现锆管的自动化上料、装夹、掉头等动作，整个过程不需要人工操作和干预，减少了由于人为操作而引起的人工误差，且整个系统操作简便。若辅以上下料机器人，整个过程可完全实现自动化和智能化，可极大地保护工人避免被辐射。
2、由本方法设计的成像过程，不需要定制特殊元件就能完成整个锆管高效、精确、低成本的直线度检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施的一种核电用锆管直线度测量装置的结构示意图。
图2为本发明实例中待测量锆管直线度测量计算原理图。
图3为本发明实例中基于两端口图像的直线度计算流程图。
图4为本发明实例中锆管直线度测量装备工作流程图。
图5为本发明实例中端面图像处理结果和锆管直线度计算示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
如图1所示一种核电用锆管直线度测量装置，包括：一测量平台100和设置在测量平台100上的图像采集装置200、锆管定位支撑装置300、图像处理装置(图中未示出)和锆管上料装置400。锆管定位支撑装300置包括安装在测量平台100上的两带v型槽的定位座310和两带v型槽的定位座310铰接的两带v型槽的压紧块320，两带v型槽的压紧块320由一压紧块驱动气缸330同时驱动进行翻转，将待测量锆管(图中未示出)压紧在两带v型槽的定位座310上，压紧块驱动气缸300安装在测量平台100上。
图像采集装置200包括相机210和连接在相机210镜头上的远心镜头220，相机210通过一5轴微调平台安装230在测量平台上100，远心镜头220通过一镜头支架240支撑在测量平台100，被锆管定位支撑装置300固定的待检测锆管(图中未示出)的中心轴线平行于图像采集装置200的光轴，图像采集装置200对待检测锆管的端面和中间部位进行图像采集。图像处理装置(图中未示出)对图像采集装置200所采集的图像进行处理获得待测量锆管(图中未示出)的直线度并将所获得的待测量锆管(图中未示出)的直线度与标准锆管(图中未示出)的直线度进行比对。
锆管上料装置400包括水平直线运动机构410和安装在水平直线运动机构上410的垂直运动机构420以及安装在垂直运动机构420上的锆管托架430。
图2展示了待测量锆管(图中未示出)直线度测量计算原理图。待测量锆管(图中未示出)在进行焊接时，由于受热变形使待测量锆管(图中未示出)中间部位出现弯曲，其变形形式表现为中间部位弯曲严重，而两端口部位基本不变形，且变形形式基本固定。本装备采用两端点连线法对待测量锆管(图中未示出)直线度进行计算和测量，通过拍摄两端口图像提取待测量锆管(图中未示出)左右端口的圆心和中间部位圆心，用直线连接两端口圆心，中间部位圆心到该连线的距离即为待测量锆管(图中未示出)的直线度，该测量方案符合直线度测量原理。
图3至图5展示了一种核电用锆管直线度测量装置的测量流程。测量开始前，首先需设置上位机(图中未示出)参数，主要包括直线度筛选阈值、工作模式、水平直线运动机构410和垂直运动机构420运行速度、环形光源亮度等参数。上位机(图中未示出)参数设置完成后，会将其命令下发至下位机(图中未示出)，其中锆管上料装置400、图像采集装置200和锆管定位支撑装置300由不同的下位机(图中未示出)控制。待各下位机(图中未示出)设置完成后，初始化完成，此时测量准备工作完成，各装置进入测量状态。
测量工作开始后，将待测量锆管(图中未示出)放置到锆管上料装置400的锆管托架430上，待锆管上料装置400检测到锆管托架430存在待测量锆管(图中未示出)时，便由垂直运动机构420配合自动上料至两带v型槽的定位座310；两带v型槽的定位座310检测到锆管上料完成后，便压紧块驱动气缸300驱动两带v型槽的压紧块320下压，完成待测量锆管(图中未示出)；待测量锆管(图中未示出)定位完成后，将其信号发送至图像处理装置(图中未示出)，图像处理装置(图中未示出)控制图像采集装置200对待测量锆管(图中未示出)一端进行图像采集；待测量锆管(图中未示出)一段部图像采集完成后，压紧块驱动气缸300驱动两带v型槽的压紧块320松开，锆管上料装置400通过水平直线运动机构410和垂直运动机构420将待测量锆管(图中未示出)取出并完成掉头工作，然后将待测量锆管(图中未示出)运送至两带v型槽的定位座310，完成待测量锆管(图中未示出)定位和另一端部图像采集；将采集到的锆管端部图像传输至图像处理装置(图中未示出)，图像处理装置(图中未示出)将采集到的图像进行处理和计算，输出最终测量结果和图形。
为了实现待测量锆管(图中未示出)直线度准确、高效的计算和测量，需要设计合理、简便、高效的机械结构，包括合适的尺寸参数和合理的机构形状。在本装置中，锆管上料装置400中水平直线运动机构410和垂直运动机构420的行程为l1，锆管上料装置400需要承担的任务包括待测量锆管(图中未示出)的上料和待测量锆管(图中未示出)的掉头工作，水平直线运动机构410和垂直运动机构420的行程l1既要保证能够保证待测量锆管(图中未示出)的上料，又需要保证待测量锆管(图中未示出)掉头时的空间，避免掉头时待测量锆管(图中未示出)与锆管定位支撑装置300出现碰撞现象，锆管上料装置400的锆管托架430的宽度、高度和u型槽的尺寸需要根据测量对象尺寸确定。
如图1至图5的一种核电用锆管直线度测量方法，步骤如下：
(1)建立包含相机的锆管直线度测量装置，根据待测量锆管(图中未示出)和相机210镜头的几何模型，采用两端点连线法的直线度计算方法建立锆管直线度测量数学模型；
步骤(1)中的建立包含相机210的锆管直线度测量装置，根据待测量锆管(图中未示出)和相机210镜头的几何模型，采用两端点连线法的直线度计算方法建立锆管直线度测量数学模型的具体方法是：
以待测量锆管(图中未示出)的中心轴线为y轴，以待测量锆管(图中未示出)直线度测量装置的铅锤方向为z轴，以锆管直线度测量装置的水平方向为x轴建立三维坐标系。
根据所建立的锆管直线度测量装置，采用两端点连线法的直线度计算方法建立锆管直线度测量的数学模型的步骤如下：
建立待测量锆管(图中未示出)第一端面的圆心和第二端面的圆心之间的空间直线方程(1)如下：
建立计算待测量锆管(图中未示出)中间部位(x0，y0，0)到待测量锆管(图中未示出)第一端面的圆心和第二端面的圆心之间的空间直线的距离的方程(2)如下：
根据成像系统特性建立所述锆管直线度测数学模型的方程(3)如下：
其中，(cx1,cy1,-cz0)和(cx2,cy2,cz0)为两端口圆心坐标,cz0根据锆管实际长度确定；λ为相机相面像元尺寸；δ为成像系统放大倍率；δisd为图像坐标系中锆管的直线度误差，单位是像素；sd为锆管世界坐标系下的直线度误差；k为直线特征参数如下：
(2)利用相机210采集待测量锆管(图中未示出)的第一端面图像和第一中间部位图像，提取待测量锆管(图中未示出)第一端面图像的圆心坐标和第一中间部位图像的圆心坐标；
步骤(2)中提取待测量锆管(图中未示出)第一端面图像的圆心坐标的具体方法是：当待测量锆管(图中未示出)的第一端面图像提取完成后，首先对待测量锆管(图中未示出)的第一端面图像进行二值化处理得到待测量锆管(图中未示出)的第一端面二值化图像。然后对待测量锆管(图中未示出)的第一端面二值化图像采用形态学处理去除感染信息，得到只保留了待测量锆管(图中未示出)的第一端面形状的待测量锆管(图中未示出)的第一端面二值图像。此时的待测量锆管(图中未示出)的第一端面二值图像中只包括待测量锆管(图中未示出)的第一端面信息，最后采用图像内接圆拟合的方法求得待测量锆管(图中未示出)的第一端面的圆心坐标。
步骤(2)中提取待测量锆管(图中未示出)第一中间部位图像的圆心坐标的具体方法是：当待测量锆管(图中未示出)的第一中间部位图像提取完成后，首先对待测量锆管(图中未示出)的第一中间部位图像进行边缘提取得到待测量锆管(图中未示出)的第一中间部位边缘图像。然后对待测量锆管(图中未示出)的第一中间部位边缘图像采用形态学处理待测量锆管(图中未示出)的第一中间部位边缘图像中的噪声，最后求取待测量锆管(图中未示出)第一中间部位图像的圆心坐标。
(3)利用相机采集待测量锆管(图中未示出)的第二端面图像和第二中间部分图像，提取待测量锆管(图中未示出)第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标，待测量锆管(图中未示出)的第一端面和第二端面分别位于待测量锆管(图中未示出)的两端，在提取待测量锆管(图中未示出)第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标时，需要进行yoz平面对称处理；
步骤(3)中提待测量锆管(图中未示出)第二端面图像的圆心坐标的具体方法是：当待测量锆管(图中未示出)的第二端面图像提取完成后，首先对待测量锆管(图中未示出)的第二端面图像进行二值化处理得到待测量锆管(图中未示出)的第二端面二值化图像。然后对待测量锆管(图中未示出)的第二端面二值化图像采用形态学处理去除感染信息，得到只保留了待测量锆管(图中未示出)的第二端面形状的待测量锆管(图中未示出)的第二端面二值图像。此时的待测量锆管(图中未示出)的第二端面二值图像中只包括待测量锆管(图中未示出)的第二端面信息，最后采用图像内接圆拟合的方法求得所述锆管的第二端面的圆心坐标。
步骤(3)中提取测量锆管(图中未示出)第二中间部位图像的圆心坐标的具体方法是：当测量锆管(图中未示出)的第二中间部位图像提取完成后，首先对测量锆管(图中未示出)的第二中间部位图像进行边缘提取得到测量锆管(图中未示出)的第二中间部位边缘图像；然后对测量锆管(图中未示出)的第二中间部位边缘图像采用形态学处理测量锆管(图中未示出)的第二中间部位边缘图像中的噪声，最后求取测量锆管(图中未示出)第二中间部位图像的圆心坐标。
(4)以步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标为基准，将步骤(3)所提取测量锆管(图中未示出)第二端面图像的圆心坐标和步骤(2)所提取的第y一端面图像的圆心坐标与步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标统一对应起来；
以步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标为基准，将步骤(3)所提取测量锆管(图中未示出)第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标与所述步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标统一对应起来的具体方法如下：
根据测量锆管(图中未示出)的几何模型，建立步骤(2)所提取测量锆管(图中未示出)第一端面图像的圆心坐标和第一中间部位图像的圆心坐标以及步骤(3)所提取测量锆管(图中未示出)第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标的对应关系；
根据之前对应关系，以步骤(2)所提取的测量锆管(图中未示出)第一中间部位图像的圆心坐标为基准，确定步骤(3)所提取测量锆管(图中未示出)第二端面图像的圆心坐标和步骤(2)所提取的第一端面图像的圆心坐标与步骤(2)所提取的第一中间部位图像的圆心坐标，其中测量锆管(图中未示出)第一中间部位图像的圆心坐标(x0,y0,0)，测量锆管(图中未示出)第一端面图像圆心坐标(cx1,cy1,-czo)；测量锆管(图中未示出)第二端面图像圆心坐标(cx2-x1+x0,cy2-y1+y0,cz0)，其中，根据测量锆管(图中未示出)的长度确定cz0的大小。
(5)根据步骤(1)建立的锆管直线度测量数学模型，采用步骤(2)提取测量锆管(图中未示出)第一端面图像的圆心坐标和第一中间部位图像的圆心坐标以及步骤(3)提取测量锆管(图中未示出)第二端面图像的圆心坐标和第二中间部位图像的圆心坐标计算测量锆管(图中未示出)的直线度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。