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        用于多種類型骨架外形尺寸測量裝置的研制及應(yīng)用

        2023-09-12 00:50:32張小剛朱永利
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年21期
        關(guān)鍵詞:針式導(dǎo)向管格架

        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(shí)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(qiáng)烈的中子輻照也會(huì)使骨架的機(jī)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(gè)長度測頭依靠光柵尺搭載移動(dòng)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(xiǎn);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(dòng)測量,將骨架放置在大理石平臺(tái)上,建立測量基準(zhǔn)后,進(jìn)行采點(diǎn)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(shí)需要先采點(diǎn)建立坐標(biāo)系;針對不同產(chǎn)品,需要重新編程實(shí)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(shí)測量、校準(zhǔn)操作和維護(hù)需要專業(yè)知識(shí)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(jī)原理,依據(jù)固定基準(zhǔn)通過控制探頭在三個(gè)方向上移動(dòng)[5],以獲取被測物體各點(diǎn)的坐標(biāo)值,并利用測量原理計(jì)算出骨架外形參數(shù),在軟件上對測量數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)針式測頭對下管座R 面進(jìn)行測量,下管座R 面支腿四個(gè)測量點(diǎn)的極差值作為下管座R面的垂直度。按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

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

        管座R 面四個(gè)測量點(diǎn)見圖1。

        圖1 管座R 面四個(gè)測量點(diǎn)

        1.2 長度測量

        骨架尺寸全自動(dòng)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(dòng)針式測頭對骨架長度進(jìn)行測量。按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

        圖2 骨架長度測量示意

        式中:L- 骨架長度,包括四個(gè)面測量結(jié)果,mm;L0、L1、L2、L3- 針式測頭在端部擋板四個(gè)測量點(diǎn)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(shí)以骨架下管座R 面為零面基準(zhǔn),檢測橋架帶動(dòng)針式測頭對每層格架進(jìn)行位置測量。按式(3)、(4)進(jìn)行計(jì)算。

        式中:An0、An1、An2、An3- 針式測頭在每層格架四個(gè)測量點(diǎn)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(diǎn)示意見圖3。

        圖3 格架測量點(diǎn)示意

        骨架尺寸全自動(dòng)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(dòng)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(jìn)行計(jì)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(dòng)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(gè)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(jì)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(jì)

        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(tái)地面垂直,保證骨架放置在大理石平臺(tái)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(shí),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(jì)

        根據(jù)AFA3G、CF3 和環(huán)形燃料骨架中五種格架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)格架和下管座采集4 個(gè)點(diǎn),擬合成平面,測量點(diǎn)最大面積覆蓋整個(gè)格架和管座,要避開焊點(diǎn)、攪渾翼。同時(shí),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(jì)研發(fā)可同時(shí)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(jì)見圖8。

        圖8 測頭設(shè)計(jì)

        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(tái)側(cè)面,2 個(gè)接觸式傳感器測頭安裝在橋架上,由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),橋架在X 軸方向運(yùn)動(dòng);滾珠絲桿直線導(dǎo)軌安裝在橋架上,由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 接觸式傳感器測頭在Y 軸和Z 軸方向的運(yùn)動(dòng);氣缸驅(qū)動(dòng)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(jì)兼顧AFA3G、CF3、環(huán)形燃料三種類型骨架的測量程序,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)打開計(jì)算機(jī)—將骨架放置在大理石平臺(tái)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(dòng)檢測程序—?dú)飧昨?qū)動(dòng)擋板靠近骨架尾端—測量橋架動(dòng)作—傳感器在下管座R 面進(jìn)行4 次接觸測量—傳感器在每層格架進(jìn)行4 次接觸測量—傳感器在擋板進(jìn)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(dòng)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(bào)表打印—自動(dòng)測量結(jié)束。

        2.4 檢測系統(tǒng)驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)證,檢測精準(zhǔn)度,驗(yàn)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(gè)AFA3G 骨架,使用人工設(shè)備和自動(dòng)測量設(shè)備重復(fù)測量5 次,比對驗(yàn)證各個(gè)檢測項(xiàng)目的準(zhǔn)確性,驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行15 次測量,驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了可兼顧AFA3G、CF3、環(huán)形骨架外形尺寸的自動(dòng)測量。設(shè)置多重保護(hù)措施自動(dòng)測量全過程可無人職守操作。單個(gè)骨架外形尺寸測量效率達(dá)30 min/個(gè)。降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提升了檢測效率。裝置研制價(jià)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(shí)尺寸。

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