高明月，盛國福，段德龍，馮亮，陳兵兵

(中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 陽江 529500)

0 引言

三坐標(biāo)測量機作為一種精密測量儀器，具有通用性強、測量范圍廣、測量效率高、測量精度高等優(yōu)點。近30年來，三坐標(biāo)測量技術(shù)已發(fā)展成為獲得零部件尺寸和相互位置數(shù)據(jù)最有效的測量方法之一，在機械、汽車、儀表、電子及航空航天等行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。

長期以來，國內(nèi)核燃料組件企業(yè)主要通過花崗巖平臺、標(biāo)準(zhǔn)方箱、測長標(biāo)準(zhǔn)器等人工完成骨架檢測。這種測量方法受人工因素影響大，在測量過程中需要對骨架進(jìn)行3次手動翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致安全風(fēng)險增加。本文基于三坐標(biāo)測量機開展研究，實現(xiàn)了骨架自動化檢測，提高了生產(chǎn)效率和安全性。

1 骨架檢測技術(shù)要求

典型的壓水堆核燃料組件骨架呈方形，由1個下管座部件、24根導(dǎo)向管部件、1根儀表管、11層格架、24個套管、24個軸肩螺釘組成[2]。構(gòu)成骨架的導(dǎo)向管(或儀表管)與格架之間采用壓力電阻點焊連接，導(dǎo)向管上端與螺紋套管脹接，導(dǎo)向管下端與帶螺紋孔的下端塞焊接后通過軸肩螺釘與下管座連接[3]。

根據(jù)骨架技術(shù)條件，需要檢測的尺寸包括總長度、Rb面垂直度、套管端面平面度、每層格架位置和相對于骨架軸線的垂直度，主要技術(shù)參數(shù)見表1，骨架結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

表1 骨架主要技術(shù)參數(shù)

圖1 骨架結(jié)構(gòu)示意圖

2 測針配置

配置三坐標(biāo)測針時，在不影響采集特征的前提下，應(yīng)以測針盡可能短、連接盡可能少、球半徑盡可能大為原則，以減小測量誤差[4]?？紤]骨架整體尺寸及薄壁特征的測量要求，測針配置方案為：短測針、長測桿，同時配備球形測針(3號針)與柱形測針(2號針)以及水平測針和豎直測針(1號針)，詳見圖2。

圖2 骨架三坐標(biāo)測量機測針配置

3 工裝夾具設(shè)計

工裝夾具需確保骨架每次放置的位置偏差盡可能小[5]，避免與測量系統(tǒng)干涉，盡量保證柱形針與三坐標(biāo)測量機軸平行(盡可能在同一斷面內(nèi)進(jìn)行測量)[6]。綜合考慮以上因素，骨架三坐標(biāo)測量機工裝夾具設(shè)計見圖3-圖4。

圖3 支撐定位板

圖4 定位銷

整套工裝夾具由10只支撐定位板和2只定位銷組成。2只定位銷與下管座裙邊按圖4方式靠緊，起縱向定位作用。底部支撐板對骨架提供支撐，使骨架與大理石平臺之間保持一定間距。第1塊和第10塊側(cè)板是側(cè)面定位板，與三坐標(biāo)測量機機器坐標(biāo)系的y軸平行，使骨架長度方向與機器坐標(biāo)系的y軸平行，提高柱形針測量精度。

4 測量程序設(shè)計

4.1 建立工裝坐標(biāo)系

工裝坐標(biāo)系使三坐標(biāo)測量機粗略確定骨架所在位置，在批量化檢測時避免了手動采點，提高了檢測效率[7]。工裝坐標(biāo)系編程思路：在底部支撐板上表面采點構(gòu)造平面1，設(shè)置為z軸0點，其法線方向為z軸正方向。在第10塊和第1塊側(cè)板上依次各采1點，構(gòu)造直線1，將直線1圍繞z軸正旋轉(zhuǎn)至y軸正方向。在定位銷上各采4點，構(gòu)造成2個圓，用2個圓的圓心連線的中點作為x軸、y軸原點。切換成自動模式精建工裝坐標(biāo)系：在10塊底板上各取4點，構(gòu)造平面2，設(shè)置為z軸0點，其法線方向設(shè)置為z軸正方向。其他與粗建工裝坐標(biāo)系方法一致。將以上程序保存成坐標(biāo)系文件，命名為“工裝坐標(biāo)系”，在主程序中回調(diào)。

4.2 測量A基準(zhǔn)和B基準(zhǔn)

骨架放置在工裝夾具上如圖5所示，A、B面是骨架生產(chǎn)的加工基準(zhǔn)，用于模擬骨架軸線。

圖5 骨架放置在工裝夾具上

用1號針在格架B基準(zhǔn)面上采點，擬合成平面B。注意采點位置盡量平整，不要在焊縫、凹坑位置采點。將平面B設(shè)置為z軸原點，其法線方向設(shè)置為z軸正方向。用3號針在格架A基準(zhǔn)面上采點構(gòu)造平面A，將平面A設(shè)置為x軸原點，法線設(shè)置為x軸負(fù)方向。

4.3 測量Rb面

Rb面是下管座支腿構(gòu)成的平面。在每個支腿上采4個點，盡量覆蓋支腿的最大面積，擬合成Rb面，將Rb面設(shè)置成y軸0點。至此，建立了以下管座Y角為0點、以A基準(zhǔn)法線為x軸負(fù)方向，以B基準(zhǔn)法線為z軸正方向，以Rb面法線為y軸正方向的零件坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系下，格架的y坐標(biāo)即是格架位置，測量結(jié)果更為直觀。

4.4 采集格架位置

選用柱形針在每層格架內(nèi)條帶上采集4個點，擬合成平面。平面的y坐標(biāo)為格架位置，相對于A、B基準(zhǔn)的垂直度為該層格架相對于骨架軸線的垂直度。為了提高測量精度，在靠近格架4個角的內(nèi)條帶上采點(最大程度覆蓋整個格架)，要避開焊點、剛凸和彈簧，注意探針不要與導(dǎo)向翼、導(dǎo)向管或工裝夾具發(fā)生干涉。

4.5 采集套管平面

共有24根套管，每根套管上取4點，擬合成套管平面。下面以1根套管為例，闡述采點方法。先用3號針在套管外壁上采集4點，構(gòu)造出套管端面圓，將零件坐標(biāo)系的x軸0點和z軸0點平移到該套管端面圓圓心處，切換2號針在套管端面采點。為了確保2號針在同一斷面內(nèi)進(jìn)行測量，將套管端面上點的x、z坐標(biāo)修改成理論值(圖6)，該理論值的絕對值與套管外徑相等，為7.6mm。第1根套管端面采點完成后，通過坐標(biāo)運算和陣列完成其他23根套管采點程序編制。

圖6 套管端面上點的x、z坐標(biāo)

4.6 評價

特征測量完畢后，編輯尺寸評價程序，骨架尺寸特征與評價方法見表2[8]。

表2 骨架尺寸特征與評價方法

5 測量結(jié)果分析

為證明測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對測量系統(tǒng)進(jìn)行了重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，并與采用人工測量結(jié)果進(jìn)行對比。

5.1 測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性分析

采用平均值和極差法分析測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性，3名檢測人員用本文所述檢測方法對5組骨架進(jìn)行檢測，每人對每組骨架測量3次。經(jīng)計算，重復(fù)性和再現(xiàn)性GRR=0.77%，測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性可接受。

5.2 人工測量比對

采用人工抽檢的方式驗證自動測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，抽檢項目為骨架長度和格架位置，用兩種方法分別測量3次，取平均值比對。兩種方法測量結(jié)果偏差為0.015mm，測量結(jié)果具有較好的一致性。

6 結(jié)語

對核燃料組件骨架自動化檢測方法進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：

1) 本文所述的骨架自動化檢測方法測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能夠反映骨架的真實尺寸。

2) 工裝夾具設(shè)計合理，能對骨架實現(xiàn)定位，有利于自動測量；測量程序滿足骨架的測量要求，可固化用于批量化檢測。

3) 該檢測方法實現(xiàn)了骨架自動化檢測和數(shù)據(jù)處理，避免了檢測過程中對骨架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，降低了骨架變形風(fēng)險和安全風(fēng)險，減少了人工測量和處理數(shù)據(jù)引入的誤差，節(jié)約了檢測時間，提高了測量精度和生產(chǎn)效率。