用于多種類型骨架外形尺寸測量裝置的研制及應(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)的高溫和強烈的中子輻照也會使骨架的機械性能發(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。

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

另一種，使用大型三坐標(biāo)自動測量，將骨架放置在大理石平臺上，建立測量基準(zhǔn)后，進行采點測量。測量精度通常可達(dá)到幾微米，但測量過程中需要人工干預(yù)切換不同類型的測頭；檢測時需要先采點建立坐標(biāo)系；針對不同產(chǎn)品，需要重新編程實現(xiàn)測量；設(shè)備占地面面積大，需要建立專用恒溫測量室；同時測量、校準(zhǔn)操作和維護需要專業(yè)知識和技術(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)一測量方法難度較大；檢測通量提高，已制約燃料組件整體檢測效率，需要提升檢測效率；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)提供骨架測量技術(shù)支持。

1 測量原理

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

1.1 下管座R 面的垂直度

檢測橋架帶動針式測頭對下管座R 面進行測量，下管座R 面支腿四個測量點的極差值作為下管座R面的垂直度。按式（1）進行計算。

式中：R0、R1、R2、R3- 針式測頭在下管座R 面四個測量點的測量值，mm；ΔR- 下管座R 面的垂直度，mm。

管座R 面四個測量點見圖1。

圖1 管座R 面四個測量點

1.2 長度測量

骨架尺寸全自動測量裝置長度測量示意如圖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)，檢測橋架帶動針式測頭對骨架長度進行測量。按式（2）進行計算。

圖2 骨架長度測量示意

式中：L- 骨架長度，包括四個面測量結(jié)果，mm；L0、L1、L2、L3- 針式測頭在端部擋板四個測量點的測量值，mm；R0- 針式測頭在下管座R 面R0處測量值，mm。

1.3 格架相對于下管座R 面位置尺寸

格架相對于下管座R 面位置尺寸測量時以骨架下管座R 面為零面基準(zhǔn)，檢測橋架帶動針式測頭對每層格架進行位置測量。按式（3）、（4）進行計算。

式中：An0、An1、An2、An3- 針式測頭在每層格架四個測量點的測量值，mm；An- 每層格架位置，mm；R0- 針式測頭在下管座R 面R0處測量值，mm；ΔAn- 每層格架垂直度，mm。

格架測量點示意見圖3。

圖3 格架測量點示意

骨架尺寸全自動測量裝置每層格架位置及垂直度測量示意如圖4 所示。

圖4 格架位置及垂直度測量示意

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)，圓形測頭自動采集根導(dǎo)向管套管端面相對于零面基準(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）進行計算。

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

導(dǎo)向管端面平面度測量示意見圖5。

圖5 導(dǎo)向管端面平面度測量示意

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)，圓形測頭自動采集n 根導(dǎo)向管套管端面和儀表管相對于零面基準(zhǔn)的距離，取n 個測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量示意見圖6。

圖6 導(dǎo)向管套管端面到儀表管距離測量示意

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測量基準(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量裝置安裝了側(cè)定位軸和頭部定位塊，與大理石平臺地面垂直，保證骨架放置在大理石平臺上，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，避免了定位部件對骨架測量的干涉[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量示意

2.2 專用測頭設(shè)計

根據(jù)AFA3G、CF3 和環(huán)形燃料骨架中五種格架結(jié)構(gòu)特點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，每個格架和下管座采集4 個點，擬合成平面，測量點最大面積覆蓋整個格架和管座，要避開焊點、攪渾翼。同時，下管座和第一層格架間距僅為50 mm，測量空間狹小。

針對骨架外形尺寸測量原理，測頭外形需要盡可能的短，連接部件盡可能的少，測量面最好為平面的原則，減小測量誤差[7]。設(shè)計研發(fā)可同時兼顧三種不同類型的骨架外形尺寸測量的專用測頭。專用測頭分為針型測頭和圓型測頭兩種。針型測頭用于骨架的下管座R 面垂直度、格架位置、格架垂直度、長度尺寸測量。圓型測頭用于導(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量。

測頭設(shè)計見圖8。

圖8 測頭設(shè)計

2.3 電氣及測量控制系統(tǒng)開發(fā)

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

設(shè)計兼顧AFA3G、CF3、環(huán)形燃料三種類型骨架的測量程序，實現(xiàn)了自動標(biāo)定、自動測量，可固化應(yīng)用到批量在線測量，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量，也可推廣到其他新型壓水堆燃料骨架形尺寸測量。

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

2.4 檢測系統(tǒng)驗證

使用激光跟蹤儀對設(shè)備長度方向上的檢測準(zhǔn)確性進行驗證，檢測精準(zhǔn)度，驗證檢測準(zhǔn)確性在長度（0～5 m）范圍優(yōu)于0.01 mm。

針對同一個AFA3G 骨架，使用人工設(shè)備和自動測量設(shè)備重復(fù)測量5 次，比對驗證各個檢測項目的準(zhǔn)確性，驗證結(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、格架相對于下管座R 面位置、格架垂直度、骨架度一組數(shù)據(jù)進行比對。在相同檢測條件下，對AFA3G 燃料骨架、CF3 燃料骨架、環(huán)形燃料骨架分別進行15 次測量，驗證設(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)測量原理，建立了用于多種類型骨架外形尺寸測量方法，研制骨架外形尺寸測量裝置，實現(xiàn)了可兼顧AFA3G、CF3、環(huán)形骨架外形尺寸的自動測量。設(shè)置多重保護措施自動測量全過程可無人職守操作。單個骨架外形尺寸測量效率達(dá)30 min/個。降低了勞動強度，提升了檢測效率。裝置研制價格為普通大型三坐標(biāo)的四分之一，檢測成本大幅度減少，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能反映骨架真實尺寸。