核燃料元件管座上格板自動(dòng)測(cè)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(biāo)測(cè)量機(jī)是隨著計(jì)算機(jī)、傳感器和機(jī)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(cè)量?jī)x器。 它采用坐標(biāo)測(cè)量的原理，在計(jì)算機(jī)軟件控制和驅(qū)動(dòng)下，完成對(duì)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(jī)電一體化的自動(dòng)測(cè)量?jī)x器。 任何形狀的工件都是由空間點(diǎn)組成，所有的幾何測(cè)量都可以歸結(jié)為空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集，因此精確進(jìn)行空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集，是評(píng)定任何幾何形狀的基礎(chǔ)。 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)原理是將被測(cè)零件放入它允許的測(cè)量空間，精確的測(cè)出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合成測(cè)量元素，如點(diǎn)、線、面、圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何測(cè)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(cè)難點(diǎn)

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

（2）孔分布復(fù)雜，如M 孔，部分M 孔分布有規(guī)律、部分M 孔分布無(wú)規(guī)律。

（3）三坐標(biāo)高級(jí)編程難度大，如：在循環(huán)語(yǔ)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(yǔ)句、跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句及各種需要的變量賦值、數(shù)據(jù)計(jì)算、子程序、函數(shù)應(yīng)用等。

（4）在測(cè)量完一個(gè)象限進(jìn)而旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，程序中被測(cè)元素的理論值和目標(biāo)值中的矢量（I，j，k）正常，但其實(shí)際值的矢量（I，j，k）數(shù)字卻自動(dòng)發(fā)生了變化，編程時(shí)不仔細(xì)觀察難以找到問題之所在， 以致于無(wú)法實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致程序無(wú)法正常運(yùn)行。

2 三坐標(biāo)的編程

2.1 三坐標(biāo)編程前的準(zhǔn)備

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

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

（3）打開三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，打開PC-DMIS 軟件，并回零。

（4）把方箱放于三坐標(biāo)平臺(tái)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(jí)編程語(yǔ)句

主要有：賦值語(yǔ)句、特征/評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的引用、條件判斷語(yǔ) 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(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句、數(shù)據(jù)計(jì)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(xì)功能可見PC-DMIS 參考手冊(cè)-下冊(cè)）

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(duì)此正六邊形六等分， 且相鄰象限間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系60°能重合。 按照技術(shù)要求，當(dāng)是首件的時(shí)候?qū)ζ淙砍叽鐪y(cè)量， 當(dāng)不是首件的時(shí)候隨機(jī)抽檢其六分之一尺寸，只需編制其中一份的程序，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，每次旋轉(zhuǎn)60°，共旋轉(zhuǎn)5 次便測(cè)完有規(guī)律分布的所有尺寸，一小部分無(wú)規(guī)律的A 孔、M 孔尺寸單獨(dú)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(jìn)行測(cè)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(diǎn)確定坐標(biāo)原點(diǎn)的方法建立坐標(biāo)系，編程模擬運(yùn)行圖如圖2（a）、圖2（b）所示。

圖2 編程模擬運(yùn)行圖

2.4 M 孔、A 孔測(cè)量流程圖

M 孔、A 孔測(cè)量流程圖見圖3。

圖3 流程圖

2.5 數(shù)據(jù)審閱

測(cè)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(bào)告， 并審閱。如果孔徑在三坐標(biāo)檢測(cè)儀檢查時(shí)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(yàn)》的相關(guān)技術(shù)要求，根據(jù)孔徑大小、公差等級(jí)查得目標(biāo)不確定度允許值u 值，M 孔為0.054mm，A 孔為0.045mm。若通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出擴(kuò)展不確定度U小于目標(biāo)不確定度允許值U 值，則滿足測(cè)量要求。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)經(jīng)過校準(zhǔn)，并證明MPE 值符合技術(shù)要求； 按B 類不確定度評(píng)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(fù)性。

按A 類不確定度評(píng)定，在同一位置，同一檢驗(yàn)員，在相同外界光照條件下， 極短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一工件連續(xù)重復(fù)測(cè)量10 次（n=10），其不確定分量按式（1）樣本平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計(jì)算。

（2）uRB——再現(xiàn)性。

按A 類不確定度評(píng)定，指測(cè)量位置變動(dòng)，不同的檢驗(yàn)員，不同的外界光照條件，不同的時(shí)間段，對(duì)同一工件分別測(cè)量10 次（n=10），其不確定分量按式（1）樣本平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計(jì)算，算得其不確定度分量uRB。

（3）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

（4）擴(kuò)展不確定度。

（5）按式（2）、（3）進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，其擴(kuò)展不確定度U 見表2。

表2 不確定度測(cè)量結(jié)果

從表2 可以看出，U＜UT，即擴(kuò)展不確定度小于0.03mm，故遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足測(cè)量要求。

4 結(jié)論

（1）三坐標(biāo)的檢測(cè)，極大提高了檢測(cè)效率。 高級(jí)編程語(yǔ)句的使用，使簡(jiǎn)短的程序完成復(fù)雜、龐大的零部件尺寸測(cè)量，且方便測(cè)量程序的調(diào)試、優(yōu)化和維護(hù)進(jìn)而提高編程效率。

（2）當(dāng)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(biāo)系的方法進(jìn)行編程，只需編寫其中一部分的程序，通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，三坐標(biāo)可自動(dòng)測(cè)出其它部分的元素，提高了編程人員編程效率。

（3）程序運(yùn)行時(shí)，針對(duì)被測(cè)元素實(shí)際值的矢量（I，j，k）數(shù)字在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，總是自動(dòng)發(fā)生變化導(dǎo)致坐標(biāo)系無(wú)法正常旋轉(zhuǎn)的問題；在此用到賦值語(yǔ)句，對(duì)矢量（I，j，k）的數(shù)字賦值，多次實(shí)踐證明，賦值處理后，程序能正常運(yùn)行。