用于多種類型骨架外形尺寸測(cè)量裝置的研制及應(yīng)用

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。