CN103594129B - 核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法，包括以下步骤：（1）将进行无损检测的反应堆压力容器多轴扫查器按照预定的安装位置安装到待检测的反应堆压力容器内；（2）确定多轴扫查器的各个自由度运动轴和相应运动轴上进行无损检测的探头的空间位置以及确定核电站反应堆压力容器内待检测的管状部件轮廓和管状部件的位置；（3）根据核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓和空间位置生成各个运动轴上的探头进行智能扫查的运动轨迹；（4）根据步骤（3）生成的运动轨迹生成多轴扫查器的各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数，当进行扫查时，多轴扫查器按照各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数驱动各个自由度运动轴依次运动进行扫查管状部件表面。该方法有效简化了扫查流程、提高了扫查精度及速度。

Description

核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法

技术领域

本发明属于表面检测技术领域，具体涉及一种核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法。

背景技术

目前，在核电检测领域，为了减少对检测人员和被检测对象的影响，一般采用无损检测。无损检测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小，位置，性质和数量等信息。它与破坏性检测相比，无损检测有以下特点。第一是具有非破坏性，因为它在做检测时不会损害被检测对象的使用性能；第二具有全面性，由于检测是非破坏性，因此必要时可对被检测对象进行100%的全面检测，这是破坏性检测办不到的；第三具有全程性，破坏性检测一般只适用于对原材料进行检测，如机械工程中普遍采用的拉伸、压缩、弯曲等，破坏性检验都是针对制造用原材料进行的，对于产成品和在用品，除非不准备让其继续服役，否则是不能进行破坏性检测的，而无损检测因不损坏被检测对象的使用性能。所以，它不仅可对制造用原材料，各中间工艺环节、直至最终产成品进行全程检测，也可对服役中的设备进行检测。

无损检测其重要性已得到公认，主要有射线检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）和液体渗透检测（PT）四种。其他无损检测方法有涡流检测（ET）、声发射检测（AT）、热像/红外（TIR）、泄漏试验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检验（MFL）、远场测试检测方法（RFT）、超声波衍射时差法（TOFD）等。而核电站反应堆压力容器内存在数量众多的不规则形状部件，目前对该类部件的表面超声/涡流检测多采用手动模式。通过手动模式进行扫查，检测人员不可避免的接触这些部件，这些关键部件影响检测人员的身体健康。为了减少检查人员的辐照剂量，本发明因此而来。

发明内容

本发明的目的是提出一种核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法，满足了核电站关键部件的各种复杂轨迹扫查要求，解决了特殊部位的检查盲区问题，提高了检查结果的质量；也解决现有技术中手动模式进行扫查导致检测人员暴露在一定量的辐照剂量的危险问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）将进行无损检测的反应堆压力容器多轴扫查器按照预定的安装位置安装到待检测的反应堆压力容器内；

（2）确定多轴扫查器的各个自由度运动轴和相应运动轴上进行无损检测的探头的空间位置以及确定核电站反应堆压力容器内待检测的管状部件轮廓和管状部件的位置；

（3）根据核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓和空间位置生成各个运动轴上的探头进行智能扫查的运动轨迹；

（4）根据步骤（3）生成的运动轨迹生成多轴扫查器的各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数，当进行扫查时，多轴扫查器按照各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数驱动各个自由度运动轴依次运动进行扫查管状部件表面。

优选的技术方案是：所述方法步骤（3）中运动轨迹按照如下步骤获得：

1）按照扫查方向将核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓分解成若干个扫查点，然后将这些扫查点按照扫查次序依次相连形成端点依次相连的若干个矢量线段作为扫查轨迹；

2）根据多轴扫查器的探头运动中心到管状部件物体表面的距离，在扫查轨迹外侧构建与扫查轨迹各个矢量线段相同斜率的若干个等距线段，根据矢量线段的斜率、矢量象限、方向获取这些等距线段的端点，并将这些等距线段按照运动方向依次相连形成运动轨迹。

优选的技术方案是：所述方法步骤（3）中将待扫查的核电站反应堆压力容器内管状部件的真实轮廓进行离散化处理，得到离散化后的二维轮廓Cⁱ表示进行真实轮廓进行离散化处理时分段取点依次相连的矢量线段，则其运动轨迹表示为其中Oⁱ表示运动轨迹上的与矢量线段Cⁱ对应的矢量等距线段；n为大于等于1的自然数；假设Cⁱ矢量线段的起始点为(x₁,y₁)，终点为(x₂,y₂)，则与之相接的矢量线段Cⁱ⁺¹的起始点为(x₂,y₂)，设其终点为(x₃,y₃)；假设k₁、k₂分别表示矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的斜率，则当x₁≠x₂，x₃≠x₂时，有：假设与矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹对应的运动轨迹上的等距线段为Oⁱ、Oⁱ⁺¹；Oⁱ的起始点为(tx₁,ty₁)，终点为(tx₂,ty₂)；Oⁱ⁺¹的起始点为(tx₂,ty₂)，终点为(tx₃,ty₃)；D表示多轴扫查器的探头架运动中心到管状部件物体表面的距离，即矢量等距线段Oⁱ到Cⁱ矢量线段的距离。

由于核电站发应对压力容器内管状部件的外表面通常有光滑连续的轮廓，将该真实轮廓进行分段取点的离散化处理，可以得到离散化后的二维轮廓轨迹，可以表示为实际扫查检测时，探头都是垂直贴合于待检测物体表面，用D表示探头架运动中心（探头）到待检物体表面的距离，本发明方法可根据上述条件，自动生成探头架的运动轨迹如果Cⁱ矢量线段不是水平线段或者垂直线段，则其可以用方程表示为：y=kx+b,k≠0且k≠∞。与二维轮廓相对应的运动轨迹为其中Oⁱ=Cⁱ±D·Nⁱ,Nⁱ为曲线段的单位法向向量；Cⁱ表示矢量线段。D表示多轴扫查器的探头架运动中心到管状部件物体表面的距离，即矢量等距线段Oⁱ到Cⁱ矢量线段的距离。

优选的，本发明技术方案中：当k₁≠0,k₁≠∞,k₂≠0,k₂≠∞,且k₁≠k₂时，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

${\mathrm{tx}}_1=x_1+D\·\sqrt{\frac{k_1^2}{1+k_1^2}};$

${\mathrm{ty}}_1=y_1-\frac{D}{k_1}\·\sqrt{\frac{k_1^2}{1+k_1^2}};$

${\mathrm{tx}}_2=\frac{{\mathrm{ty}}_3-{\mathrm{ty}}_1+k_1\·{\mathrm{tx}}_1-k_2\·{\mathrm{tx}}_3}{k_1-k_2};$

${\mathrm{ty}}_2=\frac{k_1\·{\mathrm{ty}}_3-k_2\·{\mathrm{ty}}_1+k_1\·k_2\·({\mathrm{tx}}_1-{\mathrm{tx}}_3)}{k_1-k_2};$

${\mathrm{tx}}_3=x_3+D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

${\mathrm{ty}}_3=y_3-\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

依次类推，按照上述步骤依次获得运动轨迹上所有的端点坐标。

优选的技术方案是：所述方法中当k₁=0，k₂=∞时，由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向垂直，则根据以下四种情况获得相应等距线段的端点坐标：

11）当由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向构成第三矢量象限时，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁；ty₁=y₁-D；

tx₂=x₂+D；ty₂=y₂-D；

tx₃=x₃-D；ty₃=y₃；

12）当由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向构成第二矢量象限时，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁-D；

tx₂=x₂+D,ty₂=y₂-D；

tx₃=x₃+D,ty₃=y₃；

13）当由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向构成第一矢量象限时，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁+D；

tx₂=x₂+D,ty₂=y₂+D；

tx₃=x₃+D,ty₃=y₃；

14）当由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向构成第四矢量象限时，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁+D；

tx₂=x₂-D,ty₂=y₂+D；

tx₃=x₃-D,ty₃=y₃。

优选的技术方案是：所述方法中当k₁=0，k₂=0时，由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向一致，且处于同一直线上；则根据以下两种情况获得相应等距线段的端点坐标：

21）由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向均是正向，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁-D；

tx₂=x₂,ty₂=y₂-D；

tx₃=x₃,ty₃=y₃-D；

22）由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向均是逆向，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁+D；

tx₂=x₂,ty₂=y₂+D；

tx₃=x₃,ty₃=y₃+D。

优选的技术方案是：所述方法中当k₁=0，k₂≠0且k₂≠∞，时，则根据以下两种情况获得相应等距线段的端点坐标：

31）由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向时，无论由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于哪个象限，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁+D；

${\mathrm{tx}}_2=\frac{k_2{.\mathrm{tx}}_3+{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_3}{k_2},{\mathrm{ty}}_2=y_2+D;$

${\mathrm{tx}}_3=x_3-D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}},{\mathrm{ty}}_3=y_3+\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

32）由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为正向时，无论由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于哪个象限，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁-D；

${\mathrm{tx}}_2=\frac{k_2{.\mathrm{tx}}_3+{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_3}{k_2},{\mathrm{ty}}_2=y_2-D;$

${\mathrm{tx}}_3=x_3+D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}},{\mathrm{ty}}_3=y_3-\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}}.$

本发明的另一目的在于提供一种核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查系统，其特征在于所述系统包括用于将进行无损检测的反应堆压力容器多轴扫查器按照预定的安装位置安装到待检测的反应堆压力容器内，确定多轴扫查器的各个自由度运动轴和相应运动轴上进行无损检测的探头的空间位置以及确定核电站反应堆压力容器内待检测的管状部件轮廓和管状部件的位置的预处理模块；用于根据核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓和空间位置生成各个运动轴上的探头进行智能扫查的运动轨迹的运动轨迹生成模块；用于根据生成的运动轨迹生成多轴扫查器的各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数，当进行扫查时，多轴扫查器按照各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数驱动各个自由度运动轴依次运动进行扫查管状部件表面的智能扫查模块。

优选的技术方案是：所述多轴扫查器各个自由度运动轴上固定用于连接检测探头的探头工具架。检测探头可以是表面超声检测探头或涡流检测探头。

优选的技术方案是：所述多轴扫查器设置有2～20个自由度的运动轴。更为优选的是所述多轴扫查器设置有4个自由度的运动轴。当所述多轴扫查器设置有4个自由度的运动轴时，则4个自由度的运动轴依次为可在预定空间内进行精确移动的X轴、Y轴、Z轴以及用于在预定空间内进行360°范围内旋转运动的W轴。这些运动轴与伺服电机连接，通过控制卡或控制盒控制运动步进或旋转角度。多轴扫查器每个运动轴的运动可以是每个自由度的运动轴依次运动进行，也可以同时运动进行。本发明所述的依次运动进行是指当一个自由度的运动轴通过控制指令和相应控制参数运动到停止后，另一个自由度的运动轴开始运动。本发明所述的同时运动进行是指多个自由度的运动轴根据各自接收的控制指令和相应控制参数进行同时运动，其可以同时停止，也可以不同时停止；这根据多个自由度的运动轴各自运动的路径决定。

具体的，X轴运动为X轴在核电站反应堆压力容器内进行水平方向上的直线运动；Y轴运动为Y轴在核电站反应堆压力容器内进行水平方向上的直线运动，且与X轴运动方向垂直；Z轴运动为Z轴在核电站反应堆压力容器内进行竖直方向上的直线运动，其与X轴运动方向、X轴运动方向构成的平面垂直；W轴运动为W轴在核电站反应堆压力容器内进行360°范围内旋转运动。

本发明技术方案获得运动轨迹后，由运动轨迹形成各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数的具体方法不再详述。商业上有现成的可编程的控制卡或控制盒可供参考。将相应的运动轨迹按照核电站相应的操作规程进行编程后，写入控制卡或者控制盒可以形成各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数。这些控制卡或者控制盒可以控制各个自由度运动轴的伺服电机进行相应的运动处理。

本发明技术方案有效减少检查人员的辐照剂量，简化复杂二维轮廓扫查的操作，本发明实现了不规则物体自动表面运动轨迹生成算法，通过不规则物体自动表面运动轨迹生成算法来实现核电站关键部件表面的自动扫查工作。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

与现有手动扫查模式相比，本发明的自动扫查系统及自动扫查方法有效简化了扫查流程、提高了扫查精度及速度、减少了在役是检查人员辐照剂量水平。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查系统的结构框图；

图2为核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查系统进行检测作业时的连接框图；

图3为本发明等距线段的方向定义；

图4为线段C的法线方程的原理图；

图5为三点坐标的数据解析原理图；

图6为当k₁=0，k₂=∞时，三点坐标各种情况下的数据解析示意图；

图7为当k₁＝0，k₂=0时，三点坐标各种情况下的数据解析示意图；

图8为当k₁=0，k₂≠0且k₂≠∞时，三点坐标各种情况下的数据解析示意图；

图9为核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查的扫查流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

如图1所示，该核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查系统，包括用于将进行无损检测的反应堆压力容器四轴扫查器按照预定的安装位置安装到待检测的反应堆压力容器内，确定四轴扫查器的4个自由度运动轴和相应运动轴上进行无损检测的探头的空间位置以及确定核电站反应堆压力容器内待检测的管状部件轮廓和管状部件的位置的预处理模块；用于根据核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓和空间位置生成4个运动轴上的探头进行智能扫查的运动轨迹的运动轨迹生成模块；用于根据生成的运动轨迹生成多轴扫查器的4个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数，当进行扫查时，四轴扫查器按照4个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数驱动4个自由度运动轴依次运动进行扫查管状部件表面的智能扫查模块。

如图2所示，核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查系统安装在上位机上，并与控制卡连接控制四轴扫查器。所述四轴扫查器4个自由度运动轴上固定的表面超声检测探头或涡流检测探头。四轴扫查器设置有4个自由度的运动轴，则4个自由度的运动轴依次为可在预定空间内进行精确移动的X轴、Y轴、Z轴以及用于在预定空间内进行360°范围内旋转运动的W轴。这些运动轴与伺服电机（可以是单一的伺服电机，也可以是多个伺服电机进行四轴驱动）连接，通过控制卡或控制盒控制运动步进或旋转角度。

其中X轴运动为X轴在核电站反应堆压力容器内进行水平方向上的直线运动；Y轴运动为Y轴在核电站反应堆压力容器内进行水平方向上的直线运动，且与X轴运动方向垂直；Z轴运动为Z轴在核电站反应堆压力容器内进行竖直方向上的直线运动，其与X轴运动方向、X轴运动方向构成的平面垂直；W轴运动为W轴在核电站反应堆压力容器内进行360°范围内旋转运动。

该四轴扫查器进行核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查时，按照如下步骤进行：

（1）将进行无损检测的反应堆压力容器多轴扫查器按照预定的安装位置安装到待检测的反应堆压力容器内；

（2）确定多轴扫查器的各个自由度运动轴和相应运动轴上进行无损检测的探头的空间位置以及确定核电站反应堆压力容器内待检测的管状部件轮廓和管状部件的位置；

（3）根据核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓和空间位置生成各个运动轴上的探头进行智能扫查的运动轨迹；

（4）根据步骤（3）生成的运动轨迹生成多轴扫查器的各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数，当进行扫查时，多轴扫查器按照各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数驱动各个自由度运动轴依次运动进行扫查管状部件表面。

其中运动轨迹按照如下步骤获得：

1）按照扫查方向将核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓分解成若干个扫查点，然后将这些扫查点按照扫查次序依次相连形成端点依次相连的若干个矢量线段作为扫查轨迹；

2）根据多轴扫查器的探头运动中心到管状部件物体表面的距离，在扫查轨迹外侧构建与扫查轨迹各个矢量线段相同斜率的若干个等距线段，根据矢量线段的斜率、矢量象限、方向获取这些等距线段的端点，并将这些等距线段按照运动方向依次相连形成运动轨迹。

该运动轨迹可以按照如下方式进行获得：

如图3所示，假设核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓在x、y平面上如图所示，可以将核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓进行分解处理。将待扫查的核电站反应堆压力容器内管状部件的真实轮廓进行离散化处理，得到离散化后的二维轮廓Cⁱ表示进行真实轮廓进行离散化处理时分段取点依次相连的矢量线段，根据待检物体的实际情况可知，该矢量线段是依次相连的。又，检查时，探头总是垂直于被检物体表面，这里用D表示探头运动中心到备件物体表面的距离。则其运动轨迹表示为其中Oⁱ表示运动轨迹上的与矢量线段Cⁱ对应的矢量等距线段；n为大于等于1的自然数；假设Cⁱ矢量线段的起始点为(x₁,y₁)，终点为(x₂,y₂)，则与之相接的矢量线段Cⁱ⁺¹的起始点为(x₂,y₂)，设其终点为(x₃,y₃)；假设k₁、k₂分别表示矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的斜率，则当x₁≠x₂，x₃≠x₂时，有：假设与矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹对应的运动轨迹上的等距线段为Oⁱ、Oⁱ⁺¹；Oⁱ的起始点为(tx₁,ty₁)，终点为(tx₂,ty₂)；Oⁱ⁺¹的起始点为(tx₂,ty₂)，终点为(tx₃,ty₃)；D表示多轴扫查器的探头架运动中心到管状部件物体表面的距离，即矢量等距线段Oⁱ到Cⁱ矢量线段的距离。

如图4所示，假设线段C的方程为：y=kx+b,k≠0且k≠∞，则线段C上点(x₁,y₁)处的法线方程为：

$y-y_1=-\frac{1}{k}(x-x_1);$

在该法线上，与点(x₁,y₁)距离为D的点(x_p,y_p)应满足下述约束条件：

$\sqrt{{(x_p-x_1)}^2+{(y_p-y_1)}^2}=D-------\left(1\right);$

$y_p-y_1=-\frac{1}{k}(x_p-x_1)-------\left(2\right);$

由方程（1）（2），可得出(x_p,y_p)的坐标如下：

$x_p=x_1+D\·\sqrt{\frac{k^2}{1+k^2}},y_p=y_1-\frac{D}{k}\·\sqrt{\frac{k^2}{1+k^2}};$

或 $x_p=x_1-D\·\sqrt{\frac{k^2}{1+k^2}},y_p=y_1+\frac{D}{k}\·\sqrt{\frac{k^2}{1+k^2}}.$

假设将运动方向定义为沿箭头方向，向右侧运行为表面扫查路径，则取：

$x_p=x_1+D\·\sqrt{\frac{k^2}{1+k^2}},y_p=y_1-\frac{D}{k}\·\sqrt{\frac{k^2}{1+k^2}}.$ 通过该定义确定运动轨迹中的点。内壁扫查时，通过矢量线段的方向来区别。

对核电站反应堆压力容器内管状部件的表面扫查可分为内、外壁两种情形，如图5所示，其中以id=1表示外壁扫查，id=0表示内壁扫查。本实施例通过矢量线段的方向来区分内、外壁扫查。本实施例通过在曲线或者给出的数据上至少获得三组数据，如图5所示。沿着第一点坐标到第二点坐标的方向进行求解。

上述如图5所示的三点解析图中，设由点(x₁,y₁)到点(x₂,y₂)的矢量线段的斜率为k₁，由点(x₂,y₂)到点(x₃,y₃)的矢量线段的斜率为k₂，当x₁≠x₂，x₃≠x₂，有：

$k_1=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}$

$k_2=\frac{y_3-y_2}{x_3-x_2}$

假设等距线段上与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的点分别为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，由前述推导可知：

${\mathrm{tx}}_1=x_1+D\·\sqrt{\frac{k_1^2}{1+k_1^2}};$

${\mathrm{ty}}_1=y_1-\frac{D}{k_1}\·\sqrt{\frac{k_1^2}{1+k_1^2}}$ ${\mathrm{tx}}_3=x_3+D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

${\mathrm{ty}}_3=y_3-\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

再由：

$\frac{{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_1}{{\mathrm{tx}}_2-{\mathrm{tx}}_2}=k_1;$

$\frac{{\mathrm{ty}}_3-{\mathrm{ty}}_2}{{\mathrm{tx}}_3-{\mathrm{tx}}_2}=k_2;$

可得出：

${\mathrm{tx}}_2=\frac{{\mathrm{ty}}_3-{\mathrm{ty}}_1+k_1\·{\mathrm{tx}}_1-k_2\·{\mathrm{tx}}_3}{k_1-k_2};$

${\mathrm{ty}}_2=\frac{k_1\·{\mathrm{ty}}_3-k_2\·{\mathrm{ty}}_1+k_1\·k_2\·({\mathrm{tx}}_1-{\mathrm{tx}}_3)}{k_1-k_2}.$

上述推导过程的约束条件为：

k₁≠0,k₁≠∞,k₂≠0,k₂≠∞,且k₁≠k₂。

而当k₁=0，须分k₂=0、k₂=∞、k₁≠0且k₁≠∞三种情况进行讨论，下面以k₁＝0为例，由前面的约定，内、外壁扫查是由矢量线段的方向决定的，因此，分类讨论时，矢量线段的方向也需要加以考虑。讨论各种情况：

当k₁=0，k₂=∞，如图6所示，有四种情况，

其中图6（1）为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向构成第三矢量象限，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁；ty₁=y₁-D；

tx₂=x₂+D；ty₂=y₂-D；

tx₃=x₃-D；ty₃=y₃；

图6（2）为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向构成第二矢量象限，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁-D；

tx₂=x₂+D,ty₂=y₂-D；

tx₃=x₃+D,ty₃=y₃；

图6（3）为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向构成第一矢量象限，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁+D；

tx₂=x₂+D,ty₂=y₂+D；

tx₃=x₂+D,ty₃=y₃；

图6（4）为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向构成第四矢量象限，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁+D；

tx₂=x₂-D,ty₂=y₂+D；

tx₃=x₃-D,ty₃=y₃。

当k₁=0，k₂=0时，由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向一致，且处于同一直线上；分两种情况，其中图7（1）为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向均是正向，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁-D；

tx₂=x₂,ty₂=y₂-D；

tx₃=x₃,ty₃=y₃-D。

图7（2）为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段与由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向均是逆向，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁+D；

tx₂=x₂,ty₂=y₂+D；

tx₃=x₃,ty₃=y₃+D。

当k₁=0，k₂≠0且k₂≠∞时，各种可能的组合情况图8所示。则根据以下两种情况获得相应等距线段的端点坐标，如图8（1）～（4）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，无论由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于哪个象限，与(x₁,y₁)、(x₃,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁+D；

${\mathrm{tx}}_2=\frac{k_2{.\mathrm{tx}}_3+{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_3}{k_2},{\mathrm{ty}}_2=y_2+D;$

${\mathrm{tx}}_3=x_3-D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}},{\mathrm{ty}}_3=y_3+\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

其中由于k₁=0，ty₂=y₂+D

由 $\frac{{\mathrm{ty}}_3-{\mathrm{ty}}_2}{{\mathrm{tx}}_3-{\mathrm{tx}}_2}=k_2;$

可得出

${\mathrm{tx}}_2=\frac{k_2.{\mathrm{tx}}_3+{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_3}{k_2}.$

图8（1）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于第四象限，图8（2）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于第二象限，图8（3）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于第一象限，图8（4）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于第三象限。

如图8（5）～（8）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为正向，无论由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于哪个象限，与(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)对应的运动轨迹上的等距线段的端点为(tx₁,ty₁)、(tx₂,ty₂)、(tx₃,ty₃)，则：

tx₁=x₁,ty₁=y₁-D；

${\mathrm{tx}}_2=\frac{k_2{.\mathrm{tx}}_3+{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_3}{k_2},{\mathrm{ty}}_2=y_2-D;$

${\mathrm{tx}}_3=x_3+D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}},{\mathrm{ty}}_3=y_3-\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}}.$

其中由于k₁=0，ty₂=y₂-D

由 $\frac{{\mathrm{ty}}_3-{\mathrm{ty}}_2}{{\mathrm{tx}}_3-{\mathrm{tx}}_2}=k_2;$

可得出

${\mathrm{tx}}_2=\frac{k_2.{\mathrm{tx}}_3+{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_3}{k_2}.$

其中图8（5）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于第四象限，图8（6）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于第二象限，图8（7）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于第一象限，图8（8）所示为由端点(x₁,y₁)到端点(x₂,y₂)构成的矢量线段的运动方向为逆向，由端点(x₂,y₂)到端点(x₃,y₃)构成的矢量线段的运动方向处于第三象限。

上位机和上位机控制的运动控制卡为主从式控制结构，所述运动控制卡用于控制X轴、Y轴、Z轴、W轴这些运动轴速度、运动轴位置，并接受四轴扫查器的实时位置信号及零点信号反馈。

其中上位机为PC机，其智能扫查系统的软件可以采用VB等语言编写。四轴扫查器各个自由度运动轴的行程范围可以预先设置。x轴行程范围0-1200mm，y轴行程范围0-1000mm，z轴行程范围0-600mm，w轴为周向旋转轴，可做360°周向旋转。轴向定位精度±0.05mm，重复定位精度正负0.05mm。周向定位精度±0.1°，重复定位精度±0.05°。

控制卡采用Galil公司的四轴运动控制卡，可完成4个运动轴的双闭环（速度环和位置环）伺服控制，经过光电隔离保护后可接受实时位置信号及零点信号反馈。通常运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。自带库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能，这些功能通过计算机可以方便地调用，简化了控制软件的编程。

伺服电机通过伺服驱动器进行驱动。伺服驱动器可以采用MAXON公司生产的大功率PWM驱动器，用于DC有刷伺服电机的驱动。输出功率范围10-250W，满足设计需要。由于是PWM型驱动器其高频分量对编码器信号、超声/涡流信号有极大的干扰，为了抑制电磁干扰，在硬件上设计了滤波电路，在软件上增加了部分滤波算法。

伺服电机的电源驱动采用系统可靠性高，技术成熟、性价比高的台湾明纬电源。目前该类产品已广泛应用于各类检测设备中。

经在测试环境下进行扫查，其误差能控制在≦1％以下，扫查精度极高；由于可以通过pc机进行控制，实现了远端网络控制扫查，避免了人身辐射剂量的累积。与现有手动扫查模式相比，该智能扫查系统及自动扫查方法有效简化了扫查流程、提高了扫查精度及速度、减少了在役是检查人员辐照剂量水平。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)将进行无损检测的反应堆压力容器多轴扫查器按照预定的安装位置安装到待检测的反应堆压力容器内；

(2)确定多轴扫查器的各个自由度运动轴和相应运动轴上进行无损检测的探头的空间位置以及确定核电站反应堆压力容器内待检测的管状部件轮廓和管状部件的空间位置；

(3)根据核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓和管状部件的空间位置生成各个运动轴上的探头进行智能扫查的运动轨迹；

(4)根据步骤(3)生成的运动轨迹生成多轴扫查器的各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数，当进行扫查时，多轴扫查器按照各个自由度运动轴的控制指令和相应的控制参数驱动各个自由度运动轴依次运动进行扫查管状部件表面；

所述方法步骤(3)中运动轨迹按照如下步骤获得：

1)按照扫查方向将核电站反应堆压力容器内管状部件轮廓分解成若干个扫查点，然后将这些扫查点按照扫查次序依次相连形成端点依次相连的若干个矢量线段作为扫查轨迹；

2)根据多轴扫查器的探头运动中心到管状部件物体表面的距离，在扫查轨迹外侧构建与扫查轨迹各个矢量线段相同斜率的若干个等距线段，根据矢量线段的斜率、矢量象限、方向获取这些等距线段的端点，并将这些等距线段按照运动方向依次相连形成运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法，其特征在于所述方法步骤(3)中将待扫查的核电站反应堆压力容器内管状部件的真实轮廓进行离散化处理，得到离散化后的二维轮廓Cⁱ表示进行真实轮廓离散化处理时分段取点依次相连的矢量线段，则其运动轨迹表示为其中Oⁱ表示运动轨迹上的与矢量线段Cⁱ对应的矢量等距线段；n为大于等于1的自然数；假设Cⁱ矢量线段的起始点为(x₁，y₁)，终点为(x₂，y₂)，则与之相接的矢量线段Cⁱ⁺¹的起始点为(x₂，y₂)，设其终点为(x₃，y₃)；假设k₁、k₂分别表示矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的斜率，则当x₁≠x₂，x₃≠x₂时，有：假设与矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹对应的运动轨迹上的等距线段为Oⁱ、Oⁱ⁺¹；Oⁱ的起始点为(tx₁，ty₁)，终点为(tx₂，ty₂)；Oⁱ⁺¹的起始点为(tx₂，ty₂)，终点为(tx₃，ty₃)；D表示多轴扫查器的探头架运动中心到管状部件物体表面的距离，即矢量等距线段Oⁱ到Cⁱ矢量线段的距离；

当k₁≠0，k₁≠∞，k₂≠0，k₂≠∞，且k₁≠k₂时，则：

${\mathrm{tx}}_1=x_1+D\·\sqrt{\frac{k_1^2}{1+k_1^2}};$

${\mathrm{ty}}_1=y_1-\frac{D}{k_1}\·\sqrt{\frac{k_1^2}{1+k_1^2}};$

${\mathrm{tx}}_2=\frac{{\mathrm{ty}}_3-{\mathrm{ty}}_1+k_1\·{\mathrm{tx}}_1-k_2\·{\mathrm{tx}}_3}{k_1-k_2};$

${\mathrm{ty}}_2=\frac{k_1\·{\mathrm{ty}}_3-k_2\·{\mathrm{ty}}_1+k_1\·k_2\·({\mathrm{tx}}_1-{\mathrm{tx}}_3)}{k_1-k_2};$

${\mathrm{tx}}_3=x_3+D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

${\mathrm{ty}}_3=y_3-\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

依次类推，按照上述步骤依次获得运动轨迹上所有的端点坐标。

3.根据权利要求2所述的核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法，其特征在于所述方法中当k₁＝0，k₂＝∞时，矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的运动方向互相垂直，则根据以下四种情况获得相应等距线段的端点坐标：

11)当矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的运动方向构成第三矢量象限时，则：

tx₁＝x₁；ty₁＝y₁-D；

tx₂＝x₂+D；ty₂＝y₂-D；

tx₃＝x₃-D；ty₃＝y₃；

12)当矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的运动方向构成第二矢量象限时，则：

tx₁＝x₁，ty₁＝y₁-D；

tx₂＝x₂+D，ty₂＝y₂-D；

tx₃＝x₃+D，ty₃＝y₃；

13)当矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的运动方向构成第一矢量象限时，则：

tx₁＝x₁，ty₁=y₁+D；

tx₂=x₂+D，ty₂＝y₂+D；

tx₃＝x₃+D，ty₃＝y₃；

14)当矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的运动方向构成第四矢量象限时，则：

tx₁＝x₁，ty₁＝y₁+D；

tx₂＝x₂-D，ty₂＝y₂+D；

tx₃＝x₃-D，ty₃＝y₃。

4.根据权利要求2所述的核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法，其特征在于所述方法中当k₁＝0，k₂＝0时，矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的运动方向一致，且处于同一直线上；则根据以下两种情况获得相应等距线段的端点坐标：

21)矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的运动方向均是正向，则：

tx₁＝x₁，ty₁＝y₁-D；

tx₂＝x₂，ty₂＝y₂-D；

tx₃＝x₃，ty₃＝y₃-D；

22)矢量线段Cⁱ、Cⁱ⁺¹的运动方向均是逆向，则：

tx₁＝x₁，ty₁＝y₁+D；

tx₂＝x₂，ty₂＝y₂+D；

tx₃＝x₃，ty₃＝y₃+D。

5.根据权利要求2所述的核电站反应堆压力容器内管状部件表面智能扫查方法，其特征在于所述方法中当k₁＝0，k₂≠0且k₂≠∞，时，则根据以下两种情况获得相应等距线段的端点坐标：

31)矢量线段Cⁱ的运动方向为逆向时，无论矢量线段Cⁱ⁺¹的运动方向处于哪个象限，则：

tx₁＝x₁，ty₁＝y₁+D；

${\mathrm{tx}}_2=\frac{k_2.{\mathrm{tx}}_3+{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_3}{k_2},$ ty₂＝y₂+D；

${\mathrm{tx}}_3=x_3-D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}},{\mathrm{ty}}_3=y_3+\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}};$

32)矢量线段Cⁱ的运动方向为正向时，无论矢量线段Cⁱ⁺¹的运动方向处于哪个象限，则：

tx₁＝x₁，ty₁＝y₁-D；

${\mathrm{tx}}_2=\frac{k_2.{\mathrm{tx}}_3+{\mathrm{ty}}_2-{\mathrm{ty}}_3}{k_2},$ ty₂＝y₂-D；

${\mathrm{tx}}_3=x_3+D\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}},{\mathrm{ty}}_3=y_3-\frac{D}{k_2}\·\sqrt{\frac{k_2^2}{1+k_2^2}}.$