含鈾芯塊自動(dòng)測(cè)量垂直度裝置研制

田 力

(中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓 644000)

1 測(cè)量手段改進(jìn)需求

目前我國(guó)核電事業(yè)快速發(fā)展，核反應(yīng)堆的安全有效運(yùn)行是行業(yè)發(fā)展的核心。其中含鈾芯塊是影響核反應(yīng)堆安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素。含鈾芯塊能否順利裝入包殼管，不發(fā)生卡頓是由芯塊垂直度這一指標(biāo)決定的，因此對(duì)芯塊垂直度的測(cè)量精度要求較高。

傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法是使用萬(wàn)能分度頭配合數(shù)顯千分表進(jìn)行測(cè)量，將芯塊裝夾在分度頭之卡盤(pán)上卡盤(pán)旋轉(zhuǎn)360°，人工讀出數(shù)顯千分表上所示最大偏差的絕對(duì)值相加作為芯塊被測(cè)端垂直度，兩端各測(cè)量一次。隨著公司產(chǎn)能的增加，芯塊的產(chǎn)量不斷加大，人工測(cè)量明顯不能滿足日益擴(kuò)大的芯塊檢驗(yàn)數(shù)量，迫切需要研發(fā)一套自動(dòng)測(cè)量垂直度裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提高測(cè)量精度和效率，用來(lái)解決大批量檢驗(yàn)的問(wèn)題，所以研制了含鈾芯塊自動(dòng)測(cè)量垂直度裝置。

2 含鈾芯塊垂直度測(cè)量原理

垂直度公差帶是被測(cè)要素的實(shí)際方向，對(duì)于基準(zhǔn)相垂直的理想方向間允許的最大變動(dòng)量，基準(zhǔn)可以是一條線也可以是一個(gè)平面。含鈾芯塊垂直度測(cè)量就是根據(jù)位置公差檢測(cè)的測(cè)量跳動(dòng)原理。含鈾芯塊如圖1所示（尺寸非實(shí)際值），形狀近似于小圓柱體，對(duì)于小圓柱體垂直度測(cè)量經(jīng)常使用圓端面跳動(dòng)量代替測(cè)量，即平面對(duì)稱軸線的垂直度公差與端面全跳動(dòng)公差帶相同。

圖1 含鈾芯塊（示意圖）

3 測(cè)量裝置方案分析

由于此次研制的自動(dòng)測(cè)量裝置需要盡快投入生產(chǎn)中使用，所以在保證檢測(cè)精度要求的前提下盡可能控制成本，縮短研制時(shí)間，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查及討論選出如下3種方案。

（1）三坐標(biāo)測(cè)量方案，它是從三個(gè)坐標(biāo)的不同方向?qū)Ρ粶y(cè)物件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，這種測(cè)量方式應(yīng)用廣泛，測(cè)量精度高，穩(wěn)定。（2）激光測(cè)量方案，它是利用三角反射法測(cè)量垂直度，測(cè)量速度最快，同樣具有精度高、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。這兩種方案的研發(fā)成本較高、時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境因素要求高，并且三坐標(biāo)探頭測(cè)量芯塊時(shí)容易沾污，不易清洗；激光測(cè)量需要注意人體安全。

③位移傳感器加定位塊的方法，此方法能夠滿足我們要求的測(cè)量精度要求，研制成本低、時(shí)間短，能盡快用于測(cè)量，并且使用方便適合不同環(huán)境場(chǎng)合。

4 關(guān)鍵測(cè)量部件分析

此套垂直度測(cè)量裝置最關(guān)鍵的2個(gè)部件就是位移傳感器和定位塊，控制好這兩個(gè)部件，整個(gè)裝置的測(cè)量精度就得到了保證。

電阻式位移傳感器雖然成本低但是受環(huán)境影響大，零點(diǎn)容易漂移精確度差；由此選者了光柵位移傳感器，它是利用摩爾條紋原理，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換為數(shù)字方式表示位移量的高精度位移傳感器，具有技術(shù)成熟、體積小、重量輕、受外界影響小、靈敏度高、精確度好等優(yōu)點(diǎn)，適合研制要求。光柵位移傳感器使用的是絕對(duì)值光柵尺，它無(wú)需設(shè)置參考點(diǎn)停機(jī)或異常短電后不用回參考點(diǎn)，數(shù)據(jù)可靠，在自動(dòng)化中廣泛使用。

光柵位移傳感器選定后，對(duì)它的重要技術(shù)指標(biāo)做出規(guī)定，設(shè)計(jì)分標(biāo)率為0.5 μm，使用彈簧壓桿式光柵位移傳感器，測(cè)量時(shí)各支撐點(diǎn)受力均勻、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、重復(fù)性好，加之芯塊本身變形極小，它產(chǎn)生的線性誤差也很小；芯塊本身體積小測(cè)量的位移量程就很短，量程誤差也很小；最終研制的光柵位移傳感器經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定其總體誤差Δ1=±1.0 μm，能夠滿足測(cè)量要求。

從芯塊的形狀來(lái)看，可選擇的定位方式有定位套、V 形塊、半圓套等，從中選取了固定V 形定塊方式，兩斜面夾角選用90°，固定V 形定塊對(duì)中性好，左右方向不會(huì)發(fā)生偏移，廣泛用于外圓形元件，非常適合芯塊端面跳動(dòng)測(cè)量。

V 形定塊及裝置的其他金屬材料選用的是420不銹鋼，具有成本低、耐腐蝕、硬度高的特點(diǎn)，能有效保證設(shè)備測(cè)量的穩(wěn)定運(yùn)作。

5 測(cè)量裝置及流程

最終研制的自動(dòng)測(cè)量裝置如圖2所示，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)測(cè)量平臺(tái)旋轉(zhuǎn)；水平臺(tái)負(fù)責(zé)基準(zhǔn)平臺(tái)的水平調(diào)整保證測(cè)量精度；夾緊螺釘起到固定芯塊作用使其測(cè)量時(shí)不會(huì)發(fā)生偏移。

圖2 垂直度測(cè)量裝置（示意圖）

測(cè)量流程（圖3）如下：自動(dòng)測(cè)量裝置電源開(kāi)啟運(yùn)行測(cè)量程序，電機(jī)、串口進(jìn)行初始化，完成參數(shù)設(shè)置；將測(cè)量芯塊放于基準(zhǔn)平臺(tái)上，貼近V 形定位塊擰緊夾緊螺釘，確認(rèn)固定后點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)芯塊旋轉(zhuǎn)，傳感器開(kāi)始測(cè)量，結(jié)束后計(jì)算機(jī)端顯示結(jié)果，判斷垂直度是否需要重新測(cè)量后保存數(shù)據(jù)，測(cè)量芯塊垂直度結(jié)束。

圖3 測(cè)量流程圖（示意圖）

6 測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

測(cè)量系統(tǒng)由硬件及軟件組成。硬件包括：垂直度測(cè)量裝置、計(jì)算機(jī)、數(shù)顯箱。

整個(gè)測(cè)量軟件系統(tǒng)由研制單位擅長(zhǎng)的VisualC++編寫(xiě)，軟件分為控制及實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)、檢驗(yàn)報(bào)告單4個(gè)部分。

測(cè)量操作完全可以在計(jì)算機(jī)端完成，并且有數(shù)值超差功能提示（紅字顯示）；所有測(cè)量數(shù)據(jù)方便查找和調(diào)用；檢驗(yàn)報(bào)告單可以進(jìn)行編輯，適應(yīng)不同用戶需求。

7 安裝使用誤差

安裝中盡量使用高精度手段輔助安裝設(shè)備減小系統(tǒng)誤差，盡量使用一體成型部件及420不銹鋼控制彈性變形，安裝完成后還可以用裝置中的水平臺(tái)微調(diào)測(cè)量平臺(tái)，極大地減小了定位誤差。

使用中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生軸向跳動(dòng)誤差，通過(guò)制造單位的測(cè)定得出誤差Δ2=+1.9 μm。

垂直度是光柵傳感器通過(guò)測(cè)量頭在芯塊環(huán)形端面旋轉(zhuǎn)一周，測(cè)得芯塊各測(cè)量點(diǎn)中最小與最大位移值的差。為了提高精度減少誤差，由原來(lái)一周測(cè)量20個(gè)點(diǎn)提高到了50個(gè)點(diǎn)，將誤差控制在Δ3=+0.5 μm。

測(cè)量過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生阿貝誤差，即測(cè)量方向與被測(cè)芯塊的軸線不平行產(chǎn)生的誤差，如圖4所示。測(cè)量裝置設(shè)計(jì)制造的不平行誤差<1'，此時(shí)阿貝誤差為：

圖4 阿貝誤差（示意圖）

式中，θ為測(cè)量軸線與芯塊軸線的夾角；D為測(cè)量點(diǎn)所在圓的直徑。

使用環(huán)境較好，環(huán)境誤差主要考慮溫度的影響。由于使用的材料與鈾芯塊膨脹系數(shù)都很小，數(shù)量級(jí)為10-6，溫度產(chǎn)生的誤差可忽略不計(jì)。通過(guò)各種方式方法控制測(cè)量精度，對(duì)最終整體誤差進(jìn)行分析計(jì)算，得到整個(gè)裝置的整體誤差為Δ 整=±2.8μm

8 測(cè)量裝置測(cè)試

為保證裝置的測(cè)量精度，測(cè)量裝置制造完成后，對(duì)其進(jìn)行了多次驗(yàn)證。以其中的一次驗(yàn)證為例：使用標(biāo)準(zhǔn)塊（經(jīng)鑒定垂直度為3.0 μm）進(jìn)行重復(fù)測(cè)量240次。同樣的標(biāo)準(zhǔn)塊用人工方式進(jìn)行測(cè)量240次。測(cè)量分辨率定為0.5 μm，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)塊的測(cè)量誤差分布

從表1可以看出，自動(dòng)測(cè)量裝置的檢測(cè)精度完全可以達(dá)到3.0 μm，而以前的人工測(cè)量方式精度相對(duì)較差，這是因?yàn)椴僮饕筝^高，影響因素較多，讀數(shù)及記錄時(shí)也存在人為誤差。在多次驗(yàn)證中，最大一次標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.92 mm，最小一次標(biāo)準(zhǔn)偏差才0.99 mm，從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看此測(cè)量裝置達(dá)到了檢測(cè)使用要求。

對(duì)測(cè)量速度也進(jìn)行了比較，對(duì)80塊芯塊4個(gè)人進(jìn)行完整測(cè)量過(guò)程計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 80塊芯塊的測(cè)量時(shí)間

通過(guò)測(cè)試及對(duì)比，自動(dòng)測(cè)量裝置在保證良好測(cè)量精度的同時(shí)，極大地提高了檢測(cè)效率，為大批量檢驗(yàn)提供了保證。

9 結(jié)論

通過(guò)前期方案的選擇分析，重要部件的控制，從各方面減少裝置的誤差，使研制的芯塊自動(dòng)測(cè)量垂直度裝置檢測(cè)精度達(dá)到了3.0 μm，極大地提高了芯塊檢測(cè)的自動(dòng)化水平，滿足了快速投入使用的需求，并具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快、實(shí)時(shí)顯示、超差提示等多項(xiàng)實(shí)用功能，能適應(yīng)多種場(chǎng)合使用。