视觉检测新技术攻克核燃料芯块测量难题

来源：科技日报
通讯员：李立敏 记者：刘垠

近日，视觉术攻中国计量大学联合中核建中核燃料元件有限公司研发的检测核燃料芯块自动化非接触测量技术成果，正式刊发于中国计量测试学会主办的新技芯块《计量学报》。该系统创新融合二维轮廓成像与三维点云扫描技术，克核实现单工位一次性完成9类关键几何参数检测，燃料有效解决了传统检测中工件损伤、测量效率低下及参数覆盖不全等行业痛点，难题为核电燃料智能制造提供了高精度计量新方案。视觉术攻

行业痛点与技术背景

在“双碳”能源转型加速推进的检测背景下，国内核电建设步伐不断加快。新技芯块二氧化铀核燃料芯块作为反应堆的克核核心部件，其尺寸精度直接关乎装配间隙、燃料传热效率及长期运行的测量安全性。

长期以来，难题传统生产环节主要依赖游标卡尺、视觉术攻位移计等接触式检测设备。这种模式存在显著短板：
* 多工位分段检测：流程繁琐，效率偏低。
* 损伤风险：接触式测量易划伤芯块表面。
* 人为误差：人工操作导致一致性差、检测节拍慢。

此外，现有视觉检测方案多局限于柱面或端面单一区域的测量，无法同步获取完整的三维形貌数据，导致行业长期缺乏集成化的高精度检测装备。

技术突破：双模态协同检测

针对核燃料芯块微米级的严苛公差、特殊凹陷端面结构以及量产无损检测需求，中国计量大学现代科技学院副教授张新娜（文章第一作者）带领团队，联合中核企业开展技术攻关。

1. 硬件平台创新

团队构建了二维远心成像 + 线激光三维扫描的协同硬件平台，并配套自主开发的C#上位机控制系统。系统支持三种独立工作模式：
* 二维检测模式
* 三维扫描模式
* 全尺寸联合检测模式

通过无需重复装夹的设计，系统可一次性采集柱面与端面的全部几何数据。

2. 算法优化

• 二维检测模块：采用亚像素轮廓提取算法，精准捕捉直径、高度、倒角及垂直度等关键参数。
• 三维检测模块：独创几何邻域筛选点云精简算法。该算法在保留碟形关键特征的前提下，削减了70%的冗余数据，大幅提升了碟形直径、深度及肩宽的运算速度。

实测性能与验证

整套系统经过严格测试，表现出优异的性能指标：

• 检测效率：
• 常规检测（仅测柱面参数）：单件耗时约 6秒。
• 全尺寸检测（含三维形貌扫描）：单件耗时约 18秒。
• 测量精度：
• 端面尺寸测量精度优于 ±0.02毫米。
• 重复性实验中，标准块直径与高度的测量标准偏差稳定控制在 5微米以内。
• 稳定性验证：
• 在模拟批量随机上料测试中，所有参数波动均满足核电制造 IT5高精度公差标准。

应用前景与未来展望

该项目依托国家相关项目支持，完成了从理论推导、软硬件搭建到实物全流程验证，彻底摆脱了传统接触式检测的局限，兼顾了无损、高速、高精度三大核心需求。

目前，这套一体化视觉检测系统已正式落地中核建中核燃料元件有限公司检测生产线。张新娜副教授表示，团队后续将重点优化设备定位鲁棒性、简化标定流程，并进一步提升点云处理速度和系统整体检测效率。

新技术的落地应用，将有效支撑核燃料元件的规模化、高质量智能制造，为我国核电长期安全稳定运行筑牢精密计量检测根基。

(责任编辑：时尚)