核燃料元件管座上格板自動測量方法

孫華露

（中核建中核燃料元件有限公司， 四川 宜賓 644000）

0 引言

三坐標測量機是隨著計算機、傳感器和機床技術(shù)的飛速發(fā)展而產(chǎn)生的一種高效、高精度、高智能的測量儀器。 它采用坐標測量的原理，在計算機軟件控制和驅(qū)動下，完成對工件幾何尺寸和形位公差的數(shù)據(jù)采集和處理的高度機電一體化的自動測量儀器。 任何形狀的工件都是由空間點組成，所有的幾何測量都可以歸結(jié)為空間點坐標的采集，因此精確進行空間點坐標的采集，是評定任何幾何形狀的基礎(chǔ)。 三坐標測量機原理是將被測零件放入它允許的測量空間，精確的測出被測零件表面的點在空間三個坐標位置的數(shù)值，將這些坐標數(shù)值經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理，擬合成測量元素，如點、線、面、圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學計算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何測量數(shù)據(jù)。

1 管座上格板

1.1 管座上格板結(jié)構(gòu)圖及尺寸技術(shù)要求

管座上格板結(jié)構(gòu)圖見圖1，尺寸技術(shù)要求見表1。

表1 管座上格板尺寸技術(shù)要求（部分）

1.2 上格板的檢測難點

（1）其形狀結(jié)構(gòu)非常復雜，需要檢測的線性尺寸、形位公差等項目非常多。

（2）孔分布復雜，如M 孔，部分M 孔分布有規(guī)律、部分M 孔分布無規(guī)律。

（3）三坐標高級編程難度大，如：在循環(huán)語句的使用中，循環(huán)中套循環(huán)再套循環(huán)的三重循環(huán)，三重循環(huán)中再插入相關(guān)的條件語句、跳轉(zhuǎn)語句及各種需要的變量賦值、數(shù)據(jù)計算、子程序、函數(shù)應(yīng)用等。

（4）在測量完一個象限進而旋轉(zhuǎn)坐標系后，程序中被測元素的理論值和目標值中的矢量（I，j，k）正常，但其實際值的矢量（I，j，k）數(shù)字卻自動發(fā)生了變化，編程時不仔細觀察難以找到問題之所在， 以致于無法實現(xiàn)坐標系旋轉(zhuǎn)從而導致程序無法正常運行。

2 三坐標的編程

2.1 三坐標編程前的準備

（1）三坐標平臺及相關(guān)夾具清理干凈，目測上格板零部件有無毛刺、銳邊、水跡等異物，保證其清潔無異物。

（2）檢驗室溫度保持在20℃±2℃、相對濕度保持在25%～75%，使量具和被測零部件溫度保持一致。

（3）打開三坐標測量機，打開PC-DMIS 軟件，并回零。

（4）把方箱放于三坐標平臺上，將上格板零部件按一定位置放于方箱上，并用夾具將其固定。

2.2 常用的高級編程語句

主要有：賦值語句、特征/評價數(shù)據(jù)的引用、條件判斷語 句 （IF/END IF、ELSE IF/END ELSE IF、ELSE/END ELSE、WHILE/END WHILE、DO/UNTIL、SELECT/END SELECT、CESE/END CASE、DEFAULT CASE/END DEFAULT CASE）、跳轉(zhuǎn)語句、循環(huán)語句、數(shù)據(jù)計算、三角函數(shù)/反三角函數(shù)、最大值/最小值函數(shù)、讀/寫外部文件數(shù)據(jù)、子程序、數(shù)組。 （其詳細功能可見PC-DMIS 參考手冊-下冊）

2.3 工件總體編程思路

此零部件整體形狀是正六邊形，將大部分有規(guī)律分布的?5.8 的A 孔和?8.5 的M 孔放在一起編程，我們可以對此正六邊形六等分， 且相鄰象限間旋轉(zhuǎn)坐標系60°能重合。 按照技術(shù)要求，當是首件的時候?qū)ζ淙砍叽鐪y量， 當不是首件的時候隨機抽檢其六分之一尺寸，只需編制其中一份的程序，再順時針旋轉(zhuǎn)坐標系，每次旋轉(zhuǎn)60°，共旋轉(zhuǎn)5 次便測完有規(guī)律分布的所有尺寸，一小部分無規(guī)律的A 孔、M 孔尺寸單獨編程； 其他如、R 孔、儀表管孔、E 孔、D 孔、大、小翼板槽等，可用調(diào)用子程序或者讀/寫外部文件數(shù)據(jù)等進行測量程序編制。按照面確定Z 軸法線方向、線確定X 軸法線方向、點確定坐標原點的方法建立坐標系，編程模擬運行圖如圖2（a）、圖2（b）所示。

圖2 編程模擬運行圖

2.4 M 孔、A 孔測量流程圖

M 孔、A 孔測量流程圖見圖3。

圖3 流程圖

2.5 數(shù)據(jù)審閱

測量完畢，便在數(shù)據(jù)保存設(shè)定的位置打開上格板數(shù)據(jù)報告， 并審閱。如果孔徑在三坐標檢測儀檢查時超出技術(shù)要求，但用光滑極限量規(guī)檢查合格，則應(yīng)判合格。

3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)GB/T 3177—2009 《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）光滑工件尺寸的檢驗》的相關(guān)技術(shù)要求，根據(jù)孔徑大小、公差等級查得目標不確定度允許值u 值，M 孔為0.054mm，A 孔為0.045mm。若通過實驗數(shù)據(jù)計算出擴展不確定度U小于目標不確定度允許值U 值，則滿足測量要求。

三坐標測量機經(jīng)過校準，并證明MPE 值符合技術(shù)要求； 按B 類不確定度評定， 最大允許示值誤差MPE 為：2.0+3.0L/1000um；選定MPE 之值為2um；因此變化限aEC為：aEC=2um

為安全起見，假定為矩形分布，即b=0.6，于是其不確定度分量為：

（1）uRA——重復性。

按A 類不確定度評定，在同一位置，同一檢驗員，在相同外界光照條件下， 極短時間內(nèi)對同一工件連續(xù)重復測量10 次（n=10），其不確定分量按式（1）樣本平均值的標準偏差公式計算。

（2）uRB——再現(xiàn)性。

按A 類不確定度評定，指測量位置變動，不同的檢驗員，不同的外界光照條件，不同的時間段，對同一工件分別測量10 次（n=10），其不確定分量按式（1）樣本平均值的標準偏差公式計算，算得其不確定度分量uRB。

（3）合成標準不確定度。

（4）擴展不確定度。

（5）按式（2）、（3）進行測量和計算，其擴展不確定度U 見表2。

表2 不確定度測量結(jié)果

從表2 可以看出，U＜UT，即擴展不確定度小于0.03mm，故遠遠滿足測量要求。

4 結(jié)論

（1）三坐標的檢測，極大提高了檢測效率。 高級編程語句的使用，使簡短的程序完成復雜、龐大的零部件尺寸測量，且方便測量程序的調(diào)試、優(yōu)化和維護進而提高編程效率。

（2）當核品零部件形狀是能等分的正多邊形，且相鄰等分通過旋轉(zhuǎn)能重合，都可以用旋轉(zhuǎn)坐標系的方法進行編程，只需編寫其中一部分的程序，通過旋轉(zhuǎn)坐標系，三坐標可自動測出其它部分的元素，提高了編程人員編程效率。

（3）程序運行時，針對被測元素實際值的矢量（I，j，k）數(shù)字在旋轉(zhuǎn)坐標系后，總是自動發(fā)生變化導致坐標系無法正常旋轉(zhuǎn)的問題；在此用到賦值語句，對矢量（I，j，k）的數(shù)字賦值，多次實踐證明，賦值處理后，程序能正常運行。