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    用于多種類型骨架外形尺寸測(cè)量裝置的研制及應(yīng)用

    2023-09-12 00:50:32張小剛朱永利
    科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年21期
    關(guān)鍵詞:針式導(dǎo)向管格架

    曹 微,張小剛*,朱永利,叢 林

    (中核北方核燃料元件有限公司,內(nèi)蒙古 包頭)

    引言

    燃料組件骨架是燃料組件支撐燃料棒的重要結(jié)構(gòu)部件,它承受冷卻劑的沖刷和緊急停堆時(shí)數(shù)十公斤的控制棒突然下落產(chǎn)生的沖擊力。此外,堆內(nèi)的高溫和強(qiáng)烈的中子輻照也會(huì)使骨架的機(jī)械性能發(fā)生變化甚至發(fā)生彎曲[1]。因此骨架的結(jié)構(gòu)決定了燃料組件的剛性,它的幾何尺寸直接影響組件的整體外形。

    骨架外形尺寸測(cè)量主要有兩種方法[2-3]:一種為非標(biāo)設(shè)備,單個(gè)長(zhǎng)度測(cè)頭依靠光柵尺搭載移動(dòng)小車,人工測(cè)量,該方法測(cè)量工裝結(jié)構(gòu)固定,無法兼顧多種類型骨架;檢測(cè)過程需要人工翻轉(zhuǎn)骨架,存在安全風(fēng)險(xiǎn);檢測(cè)效率較低,測(cè)量精度和重復(fù)性不高。

    另一種,使用大型三坐標(biāo)自動(dòng)測(cè)量,將骨架放置在大理石平臺(tái)上,建立測(cè)量基準(zhǔn)后,進(jìn)行采點(diǎn)測(cè)量。測(cè)量精度通常可達(dá)到幾微米,但測(cè)量過程中需要人工干預(yù)切換不同類型的測(cè)頭;檢測(cè)時(shí)需要先采點(diǎn)建立坐標(biāo)系;針對(duì)不同產(chǎn)品,需要重新編程實(shí)現(xiàn)測(cè)量;設(shè)備占地面面積大,需要建立專用恒溫測(cè)量室;同時(shí)測(cè)量、校準(zhǔn)操作和維護(hù)需要專業(yè)知識(shí)和技術(shù)[4]。

    壓水堆產(chǎn)品種類增多,AFA3G、CF3、環(huán)形骨架結(jié)構(gòu)及尺寸差異,統(tǒng)一測(cè)量方法難度較大;檢測(cè)通量提高,已制約燃料組件整體檢測(cè)效率,需要提升檢測(cè)效率;自主研制,兼顧眾多種類骨架,為現(xiàn)階段及后續(xù)壓水堆研發(fā)提供骨架測(cè)量技術(shù)支持。

    1 測(cè)量原理

    基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)原理,依據(jù)固定基準(zhǔn)通過控制探頭在三個(gè)方向上移動(dòng)[5],以獲取被測(cè)物體各點(diǎn)的坐標(biāo)值,并利用測(cè)量原理計(jì)算出骨架外形參數(shù),在軟件上對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,以得到較高精度的測(cè)量結(jié)果。

    1.1 下管座R 面的垂直度

    檢測(cè)橋架帶動(dòng)針式測(cè)頭對(duì)下管座R 面進(jìn)行測(cè)量,下管座R 面支腿四個(gè)測(cè)量點(diǎn)的極差值作為下管座R面的垂直度。按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

    式中:R0、R1、R2、R3- 針式測(cè)頭在下管座R 面四個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值,mm;ΔR- 下管座R 面的垂直度,mm。

    管座R 面四個(gè)測(cè)量點(diǎn)見圖1。

    圖1 管座R 面四個(gè)測(cè)量點(diǎn)

    1.2 長(zhǎng)度測(cè)量

    骨架尺寸全自動(dòng)測(cè)量裝置長(zhǎng)度測(cè)量示意如圖2所示,下管座R 面到導(dǎo)向管端面的距離作為骨架的長(zhǎng)度。端部擋板緊靠導(dǎo)向管端面,以骨架下管座R 面為零面基準(zhǔn),檢測(cè)橋架帶動(dòng)針式測(cè)頭對(duì)骨架長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

    圖2 骨架長(zhǎng)度測(cè)量示意

    式中:L- 骨架長(zhǎng)度,包括四個(gè)面測(cè)量結(jié)果,mm;L0、L1、L2、L3- 針式測(cè)頭在端部擋板四個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值,mm;R0- 針式測(cè)頭在下管座R 面R0處測(cè)量值,mm。

    1.3 格架相對(duì)于下管座R 面位置尺寸

    格架相對(duì)于下管座R 面位置尺寸測(cè)量時(shí)以骨架下管座R 面為零面基準(zhǔn),檢測(cè)橋架帶動(dòng)針式測(cè)頭對(duì)每層格架進(jìn)行位置測(cè)量。按式(3)、(4)進(jìn)行計(jì)算。

    式中:An0、An1、An2、An3- 針式測(cè)頭在每層格架四個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值,mm;An- 每層格架位置,mm;R0- 針式測(cè)頭在下管座R 面R0處測(cè)量值,mm;ΔAn- 每層格架垂直度,mm。

    格架測(cè)量點(diǎn)示意見圖3。

    圖3 格架測(cè)量點(diǎn)示意

    骨架尺寸全自動(dòng)測(cè)量裝置每層格架位置及垂直度測(cè)量示意如圖4 所示。

    圖4 格架位置及垂直度測(cè)量示意

    1.4 導(dǎo)向管套管端面共面區(qū)平面度

    將骨架下管座R 面為零面基準(zhǔn),圓形測(cè)頭自動(dòng)采集根導(dǎo)向管套管端面相對(duì)于零面基準(zhǔn)的距離,取最大值與最小值的差值作為導(dǎo)向管套管端面共面區(qū)平面度。按式(5)進(jìn)行計(jì)算。

    式中:Z1、Z2...Zn- 圓形測(cè)頭在n 根導(dǎo)向管端面的測(cè)量值,mm;R0- 針式測(cè)頭在下管座R 面R0處測(cè)量值,mm;ΔZn- 導(dǎo)向管套管端面共面區(qū)平面度,mm。

    導(dǎo)向管端面平面度測(cè)量示意見圖5。

    圖5 導(dǎo)向管端面平面度測(cè)量示意

    1.5 導(dǎo)向管套管端面到儀表管距離

    將骨架下管座R 面為零面基準(zhǔn),圓形測(cè)頭自動(dòng)采集n 根導(dǎo)向管套管端面和儀表管相對(duì)于零面基準(zhǔn)的距離,取n 個(gè)測(cè)量值的平均值作為導(dǎo)向管套管端面擬合平面。按式(6)、(7)計(jì)算儀表管到導(dǎo)向管套管端面的距離。

    導(dǎo)向管套管端面到儀表管距離測(cè)量示意見圖6。

    圖6 導(dǎo)向管套管端面到儀表管距離測(cè)量示意

    2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2.1 測(cè)量基準(zhǔn)建立

    為兼顧AFA3G、CF3 和環(huán)形燃料骨架的外形尺寸測(cè)量,首先需要建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)。用于多種類型骨架外形尺寸測(cè)量裝置安裝了側(cè)定位軸和頭部定位塊,與大理石平臺(tái)地面垂直,保證骨架放置在大理石平臺(tái)上,中心軸線平直。定位確保骨架每次放置位置偏差盡可能的小,同時(shí),避免了定位部件對(duì)骨架測(cè)量的干涉[6]。硬件固定式基準(zhǔn)更容易保證人工放置骨架的定位精度,檢測(cè)系統(tǒng)布距如圖7 所示。

    圖7 導(dǎo)向管套管端面到儀表管距離測(cè)量示意

    2.2 專用測(cè)頭設(shè)計(jì)

    根據(jù)AFA3G、CF3 和環(huán)形燃料骨架中五種格架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及間距等客觀因素的影響,導(dǎo)向管數(shù)量、布局、尺寸存在差異,每個(gè)格架和下管座采集4 個(gè)點(diǎn),擬合成平面,測(cè)量點(diǎn)最大面積覆蓋整個(gè)格架和管座,要避開焊點(diǎn)、攪渾翼。同時(shí),下管座和第一層格架間距僅為50 mm,測(cè)量空間狹小。

    針對(duì)骨架外形尺寸測(cè)量原理,測(cè)頭外形需要盡可能的短,連接部件盡可能的少,測(cè)量面最好為平面的原則,減小測(cè)量誤差[7]。設(shè)計(jì)研發(fā)可同時(shí)兼顧三種不同類型的骨架外形尺寸測(cè)量的專用測(cè)頭。專用測(cè)頭分為針型測(cè)頭和圓型測(cè)頭兩種。針型測(cè)頭用于骨架的下管座R 面垂直度、格架位置、格架垂直度、長(zhǎng)度尺寸測(cè)量。圓型測(cè)頭用于導(dǎo)向管端面平面度以及儀表管到導(dǎo)向管端面的距離尺寸測(cè)量。

    測(cè)頭設(shè)計(jì)見圖8。

    圖8 測(cè)頭設(shè)計(jì)

    2.3 電氣及測(cè)量控制系統(tǒng)開發(fā)

    光柵尺和齒輪齒條直線導(dǎo)軌,安裝于5 米大理石平臺(tái)側(cè)面,2 個(gè)接觸式傳感器測(cè)頭安裝在橋架上,由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),橋架在X 軸方向運(yùn)動(dòng);滾珠絲桿直線導(dǎo)軌安裝在橋架上,由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 接觸式傳感器測(cè)頭在Y 軸和Z 軸方向的運(yùn)動(dòng);氣缸驅(qū)動(dòng)擋板靠近骨架尾端;控制及數(shù)據(jù)采集器選用固高GTS 系列6 軸控制器。測(cè)量軟件采用開發(fā)使用C#編程語言。

    設(shè)計(jì)兼顧AFA3G、CF3、環(huán)形燃料三種類型骨架的測(cè)量程序,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)測(cè)量,可固化應(yīng)用到批量在線測(cè)量,具有靈活性和兼容性,可推廣應(yīng)用到AP1000、AP1400 燃料骨架外形尺寸測(cè)量,也可推廣到其他新型壓水堆燃料骨架形尺寸測(cè)量。

    工藝流程如下:系統(tǒng)接通電源—啟動(dòng)控制系統(tǒng)打開計(jì)算機(jī)—將骨架放置在大理石平臺(tái)上下管座R 面緊靠定位塊—打開檢測(cè)軟件—系統(tǒng)找零位—傳感器測(cè)量方箱系統(tǒng)標(biāo)定—選定自動(dòng)檢測(cè)程序—?dú)飧昨?qū)動(dòng)擋板靠近骨架尾端—測(cè)量橋架動(dòng)作—傳感器在下管座R 面進(jìn)行4 次接觸測(cè)量—傳感器在每層格架進(jìn)行4 次接觸測(cè)量—傳感器在擋板進(jìn)行4 次接觸測(cè)量—圓形測(cè)頭在n 根導(dǎo)向管端面測(cè)量—測(cè)量橋架動(dòng)作回初始位—不合格尺寸復(fù)測(cè)—采集數(shù)據(jù)算法處理和報(bào)表打印—自動(dòng)測(cè)量結(jié)束。

    2.4 檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

    使用激光跟蹤儀對(duì)設(shè)備長(zhǎng)度方向上的檢測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,檢測(cè)精準(zhǔn)度,驗(yàn)證檢測(cè)準(zhǔn)確性在長(zhǎng)度(0~5 m)范圍優(yōu)于0.01 mm。

    針對(duì)同一個(gè)AFA3G 骨架,使用人工設(shè)備和自動(dòng)測(cè)量設(shè)備重復(fù)測(cè)量5 次,比對(duì)驗(yàn)證各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的準(zhǔn)確性,驗(yàn)證結(jié)果表明符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

    骨架外形尺寸見表1。

    表1 骨架外形尺寸

    各選取骨架下管座R 面垂直度、格架相對(duì)于下管座R 面位置、格架垂直度、骨架度一組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。在相同檢測(cè)條件下,對(duì)AFA3G 燃料骨架、CF3 燃料骨架、環(huán)形燃料骨架分別進(jìn)行15 次測(cè)量,驗(yàn)證設(shè)備重復(fù)性,重復(fù)性優(yōu)于0.02 mm。

    3 結(jié)論

    基于三坐標(biāo)測(cè)量原理,建立了用于多種類型骨架外形尺寸測(cè)量方法,研制骨架外形尺寸測(cè)量裝置,實(shí)現(xiàn)了可兼顧AFA3G、CF3、環(huán)形骨架外形尺寸的自動(dòng)測(cè)量。設(shè)置多重保護(hù)措施自動(dòng)測(cè)量全過程可無人職守操作。單個(gè)骨架外形尺寸測(cè)量效率達(dá)30 min/個(gè)。降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提升了檢測(cè)效率。裝置研制價(jià)格為普通大型三坐標(biāo)的四分之一,檢測(cè)成本大幅度減少,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠,能反映骨架真實(shí)尺寸。

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