核燃料組件骨架自動(dòng)化檢測(cè)方法研究

高明月，盛國(guó)福，段德龍，馮亮，陳兵兵

(中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500)

0 引言

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種精密測(cè)量?jī)x器，具有通用性強(qiáng)、測(cè)量范圍廣、測(cè)量效率高、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。近30年來，三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)已發(fā)展成為獲得零部件尺寸和相互位置數(shù)據(jù)最有效的測(cè)量方法之一，在機(jī)械、汽車、儀表、電子及航空航天等行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)核燃料組件企業(yè)主要通過花崗巖平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)方箱、測(cè)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器等人工完成骨架檢測(cè)。這種測(cè)量方法受人工因素影響大，在測(cè)量過程中需要對(duì)骨架進(jìn)行3次手動(dòng)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)增加。本文基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)開展研究，實(shí)現(xiàn)了骨架自動(dòng)化檢測(cè)，提高了生產(chǎn)效率和安全性。

1 骨架檢測(cè)技術(shù)要求

典型的壓水堆核燃料組件骨架呈方形，由1個(gè)下管座部件、24根導(dǎo)向管部件、1根儀表管、11層格架、24個(gè)套管、24個(gè)軸肩螺釘組成[2]。構(gòu)成骨架的導(dǎo)向管(或儀表管)與格架之間采用壓力電阻點(diǎn)焊連接，導(dǎo)向管上端與螺紋套管脹接，導(dǎo)向管下端與帶螺紋孔的下端塞焊接后通過軸肩螺釘與下管座連接[3]。

根據(jù)骨架技術(shù)條件，需要檢測(cè)的尺寸包括總長(zhǎng)度、Rb面垂直度、套管端面平面度、每層格架位置和相對(duì)于骨架軸線的垂直度，主要技術(shù)參數(shù)見表1，骨架結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

表1 骨架主要技術(shù)參數(shù)

圖1 骨架結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)針配置

配置三坐標(biāo)測(cè)針時(shí)，在不影響采集特征的前提下，應(yīng)以測(cè)針盡可能短、連接盡可能少、球半徑盡可能大為原則，以減小測(cè)量誤差[4]?？紤]骨架整體尺寸及薄壁特征的測(cè)量要求，測(cè)針配置方案為：短測(cè)針、長(zhǎng)測(cè)桿，同時(shí)配備球形測(cè)針(3號(hào)針)與柱形測(cè)針(2號(hào)針)以及水平測(cè)針和豎直測(cè)針(1號(hào)針)，詳見圖2。

圖2 骨架三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針配置

3 工裝夾具設(shè)計(jì)

工裝夾具需確保骨架每次放置的位置偏差盡可能小[5]，避免與測(cè)量系統(tǒng)干涉，盡量保證柱形針與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軸平行(盡可能在同一斷面內(nèi)進(jìn)行測(cè)量)[6]。綜合考慮以上因素，骨架三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工裝夾具設(shè)計(jì)見圖3-圖4。

圖3 支撐定位板

圖4 定位銷

整套工裝夾具由10只支撐定位板和2只定位銷組成。2只定位銷與下管座裙邊按圖4方式靠緊，起縱向定位作用。底部支撐板對(duì)骨架提供支撐，使骨架與大理石平臺(tái)之間保持一定間距。第1塊和第10塊側(cè)板是側(cè)面定位板，與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)器坐標(biāo)系的y軸平行，使骨架長(zhǎng)度方向與機(jī)器坐標(biāo)系的y軸平行，提高柱形針測(cè)量精度。

4 測(cè)量程序設(shè)計(jì)

4.1 建立工裝坐標(biāo)系

工裝坐標(biāo)系使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)粗略確定骨架所在位置，在批量化檢測(cè)時(shí)避免了手動(dòng)采點(diǎn)，提高了檢測(cè)效率[7]。工裝坐標(biāo)系編程思路：在底部支撐板上表面采點(diǎn)構(gòu)造平面1，設(shè)置為z軸0點(diǎn)，其法線方向?yàn)閦軸正方向。在第10塊和第1塊側(cè)板上依次各采1點(diǎn)，構(gòu)造直線1，將直線1圍繞z軸正旋轉(zhuǎn)至y軸正方向。在定位銷上各采4點(diǎn)，構(gòu)造成2個(gè)圓，用2個(gè)圓的圓心連線的中點(diǎn)作為x軸、y軸原點(diǎn)。切換成自動(dòng)模式精建工裝坐標(biāo)系：在10塊底板上各取4點(diǎn)，構(gòu)造平面2，設(shè)置為z軸0點(diǎn)，其法線方向設(shè)置為z軸正方向。其他與粗建工裝坐標(biāo)系方法一致。將以上程序保存成坐標(biāo)系文件，命名為“工裝坐標(biāo)系”，在主程序中回調(diào)。

4.2 測(cè)量A基準(zhǔn)和B基準(zhǔn)

骨架放置在工裝夾具上如圖5所示，A、B面是骨架生產(chǎn)的加工基準(zhǔn)，用于模擬骨架軸線。

圖5 骨架放置在工裝夾具上

用1號(hào)針在格架B基準(zhǔn)面上采點(diǎn)，擬合成平面B。注意采點(diǎn)位置盡量平整，不要在焊縫、凹坑位置采點(diǎn)。將平面B設(shè)置為z軸原點(diǎn)，其法線方向設(shè)置為z軸正方向。用3號(hào)針在格架A基準(zhǔn)面上采點(diǎn)構(gòu)造平面A，將平面A設(shè)置為x軸原點(diǎn)，法線設(shè)置為x軸負(fù)方向。

4.3 測(cè)量Rb面

Rb面是下管座支腿構(gòu)成的平面。在每個(gè)支腿上采4個(gè)點(diǎn)，盡量覆蓋支腿的最大面積，擬合成Rb面，將Rb面設(shè)置成y軸0點(diǎn)。至此，建立了以下管座Y角為0點(diǎn)、以A基準(zhǔn)法線為x軸負(fù)方向，以B基準(zhǔn)法線為z軸正方向，以Rb面法線為y軸正方向的零件坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系下，格架的y坐標(biāo)即是格架位置，測(cè)量結(jié)果更為直觀。

4.4 采集格架位置

選用柱形針在每層格架內(nèi)條帶上采集4個(gè)點(diǎn)，擬合成平面。平面的y坐標(biāo)為格架位置，相對(duì)于A、B基準(zhǔn)的垂直度為該層格架相對(duì)于骨架軸線的垂直度。為了提高測(cè)量精度，在靠近格架4個(gè)角的內(nèi)條帶上采點(diǎn)(最大程度覆蓋整個(gè)格架)，要避開焊點(diǎn)、剛凸和彈簧，注意探針不要與導(dǎo)向翼、導(dǎo)向管或工裝夾具發(fā)生干涉。

4.5 采集套管平面

共有24根套管，每根套管上取4點(diǎn)，擬合成套管平面。下面以1根套管為例，闡述采點(diǎn)方法。先用3號(hào)針在套管外壁上采集4點(diǎn)，構(gòu)造出套管端面圓，將零件坐標(biāo)系的x軸0點(diǎn)和z軸0點(diǎn)平移到該套管端面圓圓心處，切換2號(hào)針在套管端面采點(diǎn)。為了確保2號(hào)針在同一斷面內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，將套管端面上點(diǎn)的x、z坐標(biāo)修改成理論值(圖6)，該理論值的絕對(duì)值與套管外徑相等，為7.6mm。第1根套管端面采點(diǎn)完成后，通過坐標(biāo)運(yùn)算和陣列完成其他23根套管采點(diǎn)程序編制。

圖6 套管端面上點(diǎn)的x、z坐標(biāo)

4.6 評(píng)價(jià)

特征測(cè)量完畢后，編輯尺寸評(píng)價(jià)程序，骨架尺寸特征與評(píng)價(jià)方法見表2[8]。

表2 骨架尺寸特征與評(píng)價(jià)方法

5 測(cè)量結(jié)果分析

為證明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，并與采用人工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

5.1 測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性分析

采用平均值和極差法分析測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性，3名檢測(cè)人員用本文所述檢測(cè)方法對(duì)5組骨架進(jìn)行檢測(cè)，每人對(duì)每組骨架測(cè)量3次。經(jīng)計(jì)算，重復(fù)性和再現(xiàn)性GRR=0.77%，測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性可接受。

5.2 人工測(cè)量比對(duì)

采用人工抽檢的方式驗(yàn)證自動(dòng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，抽檢項(xiàng)目為骨架長(zhǎng)度和格架位置，用兩種方法分別測(cè)量3次，取平均值比對(duì)。兩種方法測(cè)量結(jié)果偏差為0.015mm，測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)核燃料組件骨架自動(dòng)化檢測(cè)方法進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：

1) 本文所述的骨架自動(dòng)化檢測(cè)方法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能夠反映骨架的真實(shí)尺寸。

2) 工裝夾具設(shè)計(jì)合理，能對(duì)骨架實(shí)現(xiàn)定位，有利于自動(dòng)測(cè)量；測(cè)量程序滿足骨架的測(cè)量要求，可固化用于批量化檢測(cè)。

3) 該檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了骨架自動(dòng)化檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，避免了檢測(cè)過程中對(duì)骨架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，降低了骨架變形風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)，減少了人工測(cè)量和處理數(shù)據(jù)引入的誤差，節(jié)約了檢測(cè)時(shí)間，提高了測(cè)量精度和生產(chǎn)效率。