核燃料组件骨架全自动测量设备研制

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骨架是核燃料组件的重要组成部分，起支撑、固定整个核燃料组件的作用，骨架的最终外形尺寸是关键的检验数据，它决定核燃料组件的外形尺寸，是保证核燃料组件正常入堆并在堆内安全稳定运行的重要因素之-。我公司原来的骨架测量采用在花岗石平台上人工利用标准方箱、测长标准杆、测长标准块等对骨架进行测量，该测量方法测量时间长，测量精度不高，测量过程骨架需手动翻转三次，增加了工作中的安全风险。为了实现全自动测量，我们利用三坐标设备的测量原理，研制了核燃料组件骨架全自动测量设备，实现了燃料组件骨架的全自动测量。

1 燃料组件骨架测量技术要求分析燃料组件骨架是-个四方棱柱体焊接结构，它由下管座、格架、导向管部件、导向管套管等通过焊接、胀接、螺纹连接等方式组合在-起，其主要技术参数如下：骨架长度： 3973.3lmm格架位置偏差： ≤O.50mm导向管套管端面平面度： <0.25ram骨架Rb垂直度： ≤0.30mm每层格架对骨架轴线的垂直度：≤0.45ram收稿 日期：2012-125作者简介：汪建红，女，(1 971.1 0-)，工业自动化专业，高级工程师。从事核元件产品的组装、焊接等制造检验工艺技术管理工作 。

每层格架的跨距：见图1所示L- 图1 核燃料组件骨架结构示意图2 测量设备原型选择及技术要求根据燃料组件骨架测量技术要求，选用三坐标测量机作为骨架测量设备研制的原型基矗三坐标测量机是-种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传递讯号，三个轴的位移测量系统(如光栅尺)经数据处理器或计算机等计算出工件的各点(x，Y，z)及各项功能测量的仪器。

2.1 电气部分技术要求功能要求：设备应具有手动运行、单块运行、自动走参考点、自动校准、自动测量、误差自动补偿(如各轴的两个直线度、两个角摆误差、自转误差、位置误差，三轴之间的垂直度误差)、操作者密码登录、联锁保护、报警功能(数据超差、操作错误、测针碰撞等)、报表打影自动保存等功能。

159核燃料组件骨架全自动测量设备研制 汪建红，等2.2 机械部分技术要求测量方式：CNC方式。

单轴精度：M55L/1000um空问任意方向：M66L/lOOOum探测 误差：5urn。

3 测量原理分析3.1 建立测量基准Y2 骨架坐标示意图三坐标建立坐标系为空间x、Y、z方向确立基准点，有了基准点后在空间方向便能得到所需要的元素特征，如图2所示：首先存下管座上端面即a”平面上测量3点便可以确定-个平面，命名为平面1”，用以确定Z轴；然后在下管座底平面测量2点以确定直线，命名为直线 1”，用以确定x轴；最后在下管座侧面即b”平面上测量-点，命名为点0-1”，用以确定Y轴；根据点-线-面”法则建立空间x、Y、Z轴坐标系。

3.2 骨架套管端面平面度测量原理lC ，A 。。”.4： ≥/6· ·7 · 8 · 9 lo： / 。 14· ” ·12.11； // - - ： 。。

，15" 16：17 l8J.9。 ： 21. z2.2a .2 20图3 骨架平面度检测示意图骨架按图3要求放置于测量垫块上，下管座放置在 C方向。

格架的侧面紧靠垫块，所建坐标系如图2所示 。测量时套管端面面对操作者，按顺序在每个套管端面测量-个点，该顺序可以减短测针的行走路线，由这 24个点构成-个以x为轴线的零平面，计算机 自动计算出其平面度。

3.3 骨架Rb面垂直度测量原理Rb面是由下管座四个支腿所构成的-个平面，在Rb面四个支腿面上各取3点(该3个点旧能包括支腿面最大面积)，四个支腿 12个点中取x向距离最短的点定为零点，在调用精基准参考系下，建立-个虚拟的且垂直于轴线的零平面。在此坐标系，每个支腿面上3个点中x方向距离最小的点即为各支腿面与零平面的间隙。Rb面内四个支腿的间隙值的最大值即为Rb面相对于轴线的垂直度。

3.4 骨架的总长测量原理用测针旋转到x方向测量骨架套管的胀接平面度后，接着l60旋转-x方向的测针测量骨架下管座Rb面，骨架套管端面、下管座Rb面采点结束后，骨架程序将它们存贮在计算机 内，程序汁算两个平面的距离时自动修正测针的补偿长度并计算出这两个面的的距离。该距离即为骨架的总长。

3.5 每层格架对骨架轴线的垂直度测量原理由于骨架的生产是以图2所示的a、侧面为基准加 生产，故依据加工基准测量出骨架轴线。然后在每层格架上测取四点组成-个平面，求出其垂直度。

3.6 格架位置尺寸测量原理格架的位置尺寸由基准和理论尺寸所确定，即由下管座支腿面 12个点构成以x为轴线的零平面，在每只格架面四角处采集4个点，每只格架面4点的x向的距离及其最大与最小值之差为格架的位置尺寸。

4 主机系统设计4.I 主机结构 图设计依据骨架测量原理，以桥式三坐标测量机为基带行研制，主体结构如图4所示：工 -I冉 -I图4 测餐设备主机结构网4.2 控制 系统设计控制系统是测量机的控制中枢，包括控制和驱动测量机，要求三轴同步、速度、加速度控制。

①操纵盒或计算机指令通过系统控制单元，按照设置好的速度、加速度，驱动。三轴直流伺服电机转动，并通过光栅和电机的反馈电路对运行速度和电机的转速进行控制，使三轴同步。

②在有触发信号时采集数据，对光栅读数进行处理；当通过操纵盒或计算机指令控制运动的测量机测头传感器与被测零件接触时，测头传感器就会发出玻触发的信号。信号传送到控制单元后，立即令测量机停止运动(测头保护功能)，同时锁存此刻的三轴光栅读数 。这就是测量机测量的 -个点的坐标。

③采集温度数据，进行温度补偿：有温度补偿功能的测量机，可以根据设定的方式自动采取各轴光栅和被测零件的温度，对测量机和零件温度 由f偏离20C带来的长度误差进行补偿，以保持高精度。

④对测量机工作状态进行监测(行程控制、气压、速度 、读数、测头等)，采取保护措施；控制系统有故障诊断功能，对测量机正常工作及安全有影响的部位进行检测，当发现这些异常现象时，系统就会采取保护措施(停机，断驱动电源)，同时发出信息通知操作人员。

《自动化与仪器仪表2013年第 1期(总第 165期)⑤实现数据存储、查询功能和检验报告单的打印功能。

4.3 测头测座 系统设计43.1全 自动测座选择PH10T全自动测座属于通用的自动旋转测头分度式测座 优点为：①增加测量的灵活性，方便测量工件的任意部位和测头在任意方向的重复定位；②可减少测针的交换；③增加测针刚性，得到最佳测量效果；④编程简单。

4-3.2传感器选择TP20传感器是-种紧凑型6向(±x、±Y、±z)机械定位触发式测头。双部件设计，由测头体和可分离测针拈组成，使用高重复性磁接头连接。因此具备了手动或自动更换测针配置的功能，无需重新标定测针端部，大大节省了检测循环的时间〃立基准所用测针为红宝石球测针，型号为TIP4BY20MM。红宝石是-种极为坚硬的陶瓷材料，因此测球的磨损甚微。它还具有较低密度，使测尖的质量最小，从而避免了因设备运行或振动而引起测头的误触发，测量误差≤0.001mm相对于骨架的测量要高- 个数量级，此测针主要用于测量下管座Rb垂直度、建立坐标系及骨架每层格架侧面采点所用。在测量薄壁端面时，由于骨架长度的影响，红宝石测针不能精确地在球面上的最高点采集数据，所以采用碳化钨圆柱形测针TIP3BY13MM-PLN，测针位置安装在TP20传感器上，球形测针与圆柱形测针呈 180o安装。如图5所示 ：图5 测针的安装位置示意图化钨嘲柱形测针4.4 测量程序设计4.4.1测量程序流程设计测量程序流程如图6所示。

4.4.2计算机和测量软件设计计算机和测量软件是数据处理中心，根据分析决定选用测量软件为PC-DMIS软件，它功能丰富、是拈化的软件集合。主要功能有：对控制系统进行参数设置、进行测头定义和测头校正，以及测针补偿 、建立零件坐标系(零件找正)；对测量数据进行计算和统计、处理；编程并将运动位置和触测控制通知控制系统；输出测量报告；传输测量数据到指定网路或计算机等。这个软件除在 内核部分划分为PRO、CAD、CAD三个功能拈外，还有多种扩展功能拈，使其可以用于各种计量器具、加工机床现踌测、脱机编程、网络信息流等方面∩以广泛应用于现代企业的计量管理。

4.43测量数据的输出测量原始数据以pdf格式文件 自动保存 ，除了以pdf格式文件输出外，还通过编写小程序直接将测量数据以单位报表格式，用excel生成骨架检验报告单，打哟可。

图6 骨测量程序流程图5 测量结果分析通过对 10个骨架同时采用手工测量和所研制的燃料组件骨架全自动测量设备自动测量结果进行重复性、再现性等对比分析，两种方法测量结果具有较好的-致性，全 自动检测设备减少了许多人为因素的影响，结果更加接近于真实值。

6 结论核燃料组件骨架全自动测量设备到目前为止己完成近 1000个骨架的自动测量，测量结果表明：①燃料组件骨架全自动测量设备测量数据准确可靠，能够如实反映燃料组件骨架的外形尺寸数据；②该设备能迅速、直观地测量骨架各项外形尺寸，保证检验骨架的精度，并能及时发现超差，保证骨架检测数据的及时性和准确性。

③该设备实现了自动测量，减少人工搬运次数和时间，减少了骨架变形风险，提高生产效率。

④该设备测量数据的自动生成，消除了人工处理数据带来的误差。