含鈾芯塊自動測量垂直度裝置研制

田 力

(中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓 644000)

1 測量手段改進(jìn)需求

目前我國核電事業(yè)快速發(fā)展，核反應(yīng)堆的安全有效運行是行業(yè)發(fā)展的核心。其中含鈾芯塊是影響核反應(yīng)堆安全運行的一個重要因素。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，因此對芯塊垂直度的測量精度要求較高。

傳統(tǒng)的人工測量方法是使用萬能分度頭配合數(shù)顯千分表進(jìn)行測量，將芯塊裝夾在分度頭之卡盤上卡盤旋轉(zhuǎn)360°，人工讀出數(shù)顯千分表上所示最大偏差的絕對值相加作為芯塊被測端垂直度，兩端各測量一次。隨著公司產(chǎn)能的增加，芯塊的產(chǎn)量不斷加大，人工測量明顯不能滿足日益擴(kuò)大的芯塊檢驗數(shù)量，迫切需要研發(fā)一套自動測量垂直度裝置，實現(xiàn)自動化提高測量精度和效率，用來解決大批量檢驗的問題，所以研制了含鈾芯塊自動測量垂直度裝置。

2 含鈾芯塊垂直度測量原理

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

圖1 含鈾芯塊（示意圖）

3 測量裝置方案分析

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

（1）三坐標(biāo)測量方案，它是從三個坐標(biāo)的不同方向?qū)Ρ粶y物件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計算，這種測量方式應(yīng)用廣泛，測量精度高，穩(wěn)定。（2）激光測量方案，它是利用三角反射法測量垂直度，測量速度最快，同樣具有精度高、穩(wěn)定的優(yōu)點。這兩種方案的研發(fā)成本較高、時間長、對環(huán)境因素要求高，并且三坐標(biāo)探頭測量芯塊時容易沾污，不易清洗；激光測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量精度要求，研制成本低、時間短，能盡快用于測量，并且使用方便適合不同環(huán)境場合。

4 關(guān)鍵測量部件分析

此套垂直度測量裝置最關(guān)鍵的2個部件就是位移傳感器和定位塊，控制好這兩個部件，整個裝置的測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，適合研制要求。光柵位移傳感器使用的是絕對值光柵尺，它無需設(shè)置參考點停機(jī)或異常短電后不用回參考點，數(shù)據(jù)可靠，在自動化中廣泛使用。

光柵位移傳感器選定后，對它的重要技術(shù)指標(biāo)做出規(guī)定，設(shè)計分標(biāo)率為0.5 μm，使用彈簧壓桿式光柵位移傳感器，測量時各支撐點受力均勻、運動平穩(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??；芯塊本身體積小測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，能夠滿足測量要求。

從芯塊的形狀來看，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 形定塊對中性好，左右方向不會發(fā)生偏移，廣泛用于外圓形元件，非常適合芯塊端面跳動測量。

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，能有效保證設(shè)備測量的穩(wěn)定運作。

5 測量裝置及流程

最終研制的自動測量裝置如圖2所示，運動平臺由電機(jī)驅(qū)動帶動整個測量平臺旋轉(zhuǎn)；水平臺負(fù)責(zé)基準(zhǔn)平臺的水平調(diào)整保證測量精度；夾緊螺釘起到固定芯塊作用使其測量時不會發(fā)生偏移。

圖2 垂直度測量裝置（示意圖）

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

圖3 測量流程圖（示意圖）

6 測量系統(tǒng)簡介

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

整個測量軟件系統(tǒng)由研制單位擅長的VisualC++編寫，軟件分為控制及實時顯示、儲存數(shù)據(jù)庫、檢驗報告單4個部分。

測量操作完全可以在計算機(jī)端完成，并且有數(shù)值超差功能提示（紅字顯示）；所有測量數(shù)據(jù)方便查找和調(diào)用；檢驗報告單可以進(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微調(diào)測量平臺，極大地減小了定位誤差。

使用中運動平臺旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生軸向跳動誤差，通過制造單位的測定得出誤差Δ2=+1.9 μm。

垂直度是光柵傳感器通過測量頭在芯塊環(huán)形端面旋轉(zhuǎn)一周，測得芯塊各測量點中最小與最大位移值的差。為了提高精度減少誤差，由原來一周測量20個點提高到了50個點，將誤差控制在Δ3=+0.5 μm。

測量過程中會產(chǎn)生阿貝誤差，即測量方向與被測芯塊的軸線不平行產(chǎn)生的誤差，如圖4所示。測量裝置設(shè)計制造的不平行誤差<1'，此時阿貝誤差為：

圖4 阿貝誤差（示意圖）

式中，θ為測量軸線與芯塊軸線的夾角；D為測量點所在圓的直徑。

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)量級為10-6，溫度產(chǎn)生的誤差可忽略不計。通過各種方式方法控制測量精度，對最終整體誤差進(jìn)行分析計算，得到整個裝置的整體誤差為Δ 整=±2.8μm

8 測量裝置測試

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

表1 標(biāo)準(zhǔn)塊的測量誤差分布

從表1可以看出，自動測量裝置的檢測精度完全可以達(dá)到3.0 μm，而以前的人工測量方式精度相對較差，這是因為操作要求較高，影響因素較多，讀數(shù)及記錄時也存在人為誤差。在多次驗證中，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，從驗證結(jié)果來看此測量裝置達(dá)到了檢測使用要求。

對測量速度也進(jìn)行了比較，對80塊芯塊4個人進(jìn)行完整測量過程計時。計時結(jié)果見表2。

表2 80塊芯塊的測量時間

通過測試及對比，自動測量裝置在保證良好測量精度的同時，極大地提高了檢測效率，為大批量檢驗提供了保證。

9 結(jié)論

通過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，使研制的芯塊自動測量垂直度裝置檢測精度達(dá)到了3.0 μm，極大地提高了芯塊檢測的自動化水平，滿足了快速投入使用的需求，并具有操作簡單、測量速度快、實時顯示、超差提示等多項實用功能，能適應(yīng)多種場合使用。