UO2芯塊垂直度檢測系統及其檢測方法與流程

2023-04-25 16:27:46

本發明涉及產品檢測技術領域，尤其涉及一種柱狀結構的UO2芯塊的端面與軸心線的垂直度的檢測系統及其檢測方法。

背景技術：

在核燃料的生產加工過程中，UO2(燃料)芯塊與包殼管之間的間隙是影響核燃料芯塊溫度的重要因素。由於燃料芯塊整體呈圓柱形，其兩端具有凹槽而使兩端面呈環形，燃料芯塊端面與軸心線的垂直度直接影響著核燃料芯塊與包殼管之間的間隙測量的精確度，因此，在UO2芯塊的生產過程中，對芯塊進行垂直度精度檢測尤為重要。

傳統的檢測方法主要有：套筒法、V形支承座法、心軸法等。為實現燃料芯塊垂直度的快速、高精度自動化檢測，目前採用最多的是V形支承座法，該方法主要採用的檢測裝置包括底座、支架、旋轉臺、二維移動臺、傾斜臺、升降臺、V形定位塊、緊固螺釘以及光柵位移傳感器；測量時，先將被測核燃料芯塊置於升降臺上，利用緊固螺釘和V形定位塊將其固定，確保被測芯塊隨旋轉臺迴轉時光柵位移傳感器的測量頭始終以一定的應力接觸芯塊被測環形端面；其次，步進電機驅動旋轉臺帶動燃料芯塊迴轉，迴轉過程中，光柵位移傳感器不停地將各測點相對於基準點的位移量以電壓的形式傳入外圍轉換電路，再轉換成位移值，最大與最小位移值之差即為燃料芯塊垂直度的測量值。

但對於檢測裝置中的升降臺，其臺面本身的平整度以及核燃料芯塊與升降臺臺面相接觸的一端的端面的平整度，都會給測量帶來極大的誤差，從而造成測量精度較低；並且，在測量過程中，每次只能測量一塊核燃料芯塊，使得測量過程較慢，測量效率較低。

技術實現要素：

針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在於怎樣解決現有技術中UO2芯塊垂直度測量精確度低，測量效率低的問題，提供一種UO2芯塊垂直度檢測系統及其檢測方法，能夠快速對UO2芯塊進行檢測，並且同時對多個UO2芯塊進行檢測，從而大大提高UO2芯塊的檢測效率。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是這樣的：一種UO2芯塊垂直度檢測系統，包括上位機和檢測裝置，其特徵在於：所述檢測裝置包括長方形底座，在底座上沿其長度方向設有一導軌，在導軌上配合設有一滑臺，該滑臺的上側面為平面；在導軌的一端安裝有一步進電機，該步進電機的輸出軸與一絲杆相連，該絲杆位於導軌上方，且其長度方向與導軌的長度方向一致，所述滑臺對應該絲杆設有貫穿滑臺的螺孔，並通過該螺孔與絲杆配合在一起，通過步進電機能夠帶動滑臺沿絲杆的長度方向移動；

在滑臺上側面設有一芯塊定位裝置，該芯塊定位裝置包括支撐座和壓緊支架，所述支撐座與滑臺固定連接，其長度方向與滑臺的長度方向一致，在支撐座上沿其長度方向設置有若干個貫穿定位座兩側的V形定位槽，該定位槽的長度方向與支撐座的長度方向垂直；所述壓緊支架包括兩立柱和一壓緊杆，其中，兩立柱安裝於滑臺上，並分別位於支撐座的兩端，所述壓緊杆的一端與其中一根立柱鉸接，在另一根立柱上方設有一限位槽，當壓緊杆的自由端轉動至該立柱上方時，能夠進入該限位槽內；在限位槽一側設有一定位銷，在壓緊杆及限位槽的另一側，對應該定位銷設有定位孔，當壓緊杆進入限位槽後，能夠通過該定位銷對壓緊杆進行定位；在壓緊杆上，對應各定位槽分別設有一彈性壓緊柱，所述壓緊柱從上至下穿過壓緊杆，其上部與壓緊杆螺紋連接，下部伸入定位槽內；

在導軌中部的兩側的對應位置分別設有一線式雷射掃描器，所述線式雷射掃描器的雷射頭能夠與定位槽正對，其發出的雷射光束所在平面為豎直平面，並與V型定位槽的斷面垂直；

所述上位機經驅動器後與步進電機相連，兩線式雷射掃描器的數據輸出端同時與上位機相連。

進一步地，所述導軌上沿其長度方向設有貫穿其兩端的導向槽，所述滑臺的下側面，對應該導向槽設有與之配合的滑塊。

進一步地，所述壓緊柱包括套管和壓柱，所述套管的上端為封閉結構，且在套管的外壁上設有螺紋；所述壓柱的上端從套管的下端伸入套管內，在壓柱的上端與套管的上端之間設有一彈簧，該彈簧的兩端分別與套管和壓柱固定連接。

一種上述的UO2芯塊垂直度檢測系統的檢測方法，其特徵在於：包括如下步驟：

1)將數個待測UO2芯塊放置於芯塊定位裝置的支撐座上，並通過壓緊支架將待測UO2芯塊壓緊固定；

2)通過上位機控制步進電機轉動，帶動芯塊定位裝置以設定的速度從線式雷射掃描器的一側移動到另一側；在芯塊定位裝置移動過程中，兩線式雷射掃描器同步對待測UO2芯塊的端面進行掃描檢測，並將檢測到的數據傳送至上位機；

3)上位機接收到兩線式雷射掃描器採集的數據後，通過數據處理系統進行數據處理，得到待測UO2芯塊的端面與軸心線的垂直度。

進一步地，步驟3)中，數據處理過程如下：

a、數據處理系統啟動後，向數據處理系統輸入兩線式雷射掃描器採集的數據；

b、判斷輸入的數據塊是否偏置：若數據塊偏置，則對資料庫進行偏置處理，其中，所述資料庫為線式雷射掃描器採集的待測UO2芯塊的一個端面的數據集合，該數據集合為一個二維的數據矩陣；

c、對數據塊中的數據依次進行霍夫變換去除無關點處理和3δ原則去除雜散數據點處理；

d、對待測UO2芯塊的軸心線進行自適應校準；

e、對數據進行貝塞爾曲線擬合；

f、最後，根據貝塞爾曲線換算出待測UO2芯塊的端面與軸心線之間的垂直度。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

1、檢測方便、快捷，並且能夠一次性檢測多個UO2芯塊，從而大大提高檢測效率。

2、測量數據受外界影響更小，從而大大降低測量過程中帶來的測量誤差，提高測量準確度。

3、在垂直度解算過程中，對數據的處理更好，從而使得到的垂直度準確度更高。

附圖說明

圖1為本發明檢測裝置的側視圖。

圖2為本發明檢測裝置的俯視圖。

圖3為芯塊定位裝置的結構示意圖。

圖4為掃描原理圖。

圖5為數據處理系統的處理流程圖。

圖6為3δ處理原理圖。

圖7為擬合曲線圖。

圖中：1—底座，2—導軌，3—滑臺，4—步進電機，5—芯塊定位裝置，51—支撐座，52—立柱，53—壓緊杆，54—彈性壓緊柱，6—線式雷射掃描器，7—待測UO2芯塊。

具體實施方式

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。

實施例：參見圖1—圖4，一種UO2芯塊垂直度檢測系統，包括上位機和檢測裝置，所述檢測裝置包括長方形底座1，在底座1上沿其長度方向設有一導軌2，在導軌2上配合設有一滑臺3，該滑臺3的上側面為平面；具體實施時，所述導軌2上沿其長度方向設有貫穿其兩端的導向槽，所述滑臺3的下側面，對應該導向槽設有與之配合的滑塊，這樣，滑臺3的滑動距離範圍更大，受導軌2的影響更小。在導軌2的一端安裝有一步進電機4，該步進電機4的輸出軸與一絲杆相連；該絲杆位於導軌2上方，且其長度方向與導軌2的長度方向一致。所述滑臺3對應該絲杆設有貫穿滑臺3的螺孔，並通過該螺孔與絲杆配合在一起，通過步進電機4能夠帶動滑臺3沿絲杆的長度方向移動。

在滑臺3上側面設有一芯塊定位裝置5，該芯塊定位裝置5包括支撐座51和壓緊支架。所述支撐座51與滑臺3固定連接，其長度方向與滑臺3的長度方向一致，在支撐座51上沿其長度方向設置有若干個貫穿定位座兩側的V形定位槽，該定位槽的長度方向與支撐座51的長度方向垂直。所述壓緊支架包括兩立柱52和一壓緊杆53，其中，兩立柱52安裝於滑臺3上，並分別位於支撐座51的兩端；所述壓緊杆53的一端與其中一根立柱52鉸接，在另一根立柱52上方設有一限位槽，當壓緊杆53的自由端轉動至該立柱52上方時，能夠進入該限位槽內；在限位槽一側設有一定位銷，在壓緊杆53及限位槽的另一側，對應該定位銷設有定位孔，當壓緊杆53進入限位槽後，能夠通過該定位銷對壓緊杆53進行定位。在壓緊杆53上，對應各定位槽分別設有一彈性壓緊柱54，所述壓緊柱從上至下穿過壓緊杆53，其上部與壓緊杆53螺紋連接，下部伸入定位槽內；其中，所述壓緊柱包括套管和壓柱，所述套管的上端為封閉結構，且在套管的外壁上設有螺紋；所述壓柱的上端從套管的下端伸入套管內，在壓柱的上端與套管的上端之間設有一彈簧，該彈簧的兩端分別與套管和壓柱固定連接。

在導軌2中部的兩側的對應位置分別設有一線式雷射掃描器6，所述線式雷射掃描器6的雷射頭能夠與定位槽正對，其發出的雷射光束所在平面為豎直平面，並與V型定位槽的斷面垂直。

所述上位機經驅動器後與步進電機4相連，兩線式雷射掃描器6的數據輸出端同時與上位機相連。

參見圖5，一種基於上述UO2芯塊垂直度檢測系統的檢測方法，包括如下步驟：

1)將數個待測UO2芯塊7放置於芯塊定位裝置5的支撐座51上，並通過壓緊支架將待測UO2芯塊7壓緊固定。

2)通過上位機控制步進電機4轉動，帶動芯塊定位裝置5以設定的速度從線式雷射掃描器6的一側移動到另一側；在芯塊定位裝置5移動過程中，兩線式雷射掃描器6同步對待測UO2芯塊7的端面進行掃描檢測，並將檢測到的數據傳送至上位機。

3)上位機接收到兩線式雷射掃描器採集的數據後，通過數據處理系統進行數據處理，得到待測UO2芯塊7的端面與軸心線的垂直度。

步驟3)中，數據處理過程如下：

a、數據處理系統啟動後，向數據處理系統輸入兩線式雷射掃描器採集的數據。

b、判斷輸入的數據塊是否偏置：若數據塊偏置，則對數據塊進行偏置處理，其中，所述資料庫為線式雷射掃描器採集的待測UO2芯塊的一個端面的數據集合，該數據集合為一個二維的數據矩陣(橫縱坐標分別為UO2芯塊端面數據在X方向和Y方向對應的索引值)。

在偏置處理過程中，因為端面數據(有用數據，稱之為數據塊)處於整個數據(包括有用數據和無用數據)範圍內，所以首先求取端面數據(數據塊)的平均縱向索引然後確定在整個縱向索引範圍(Ymin,Ymax)所在位置，根據二者之間的關係即能判斷數據塊的偏置情況。即，如果則數據塊下偏(數據塊處於所有數據區域的下方)；若數據塊上偏(數據塊處於所有數據區域的上方)；根據上述偏置情況，對數據塊進行偏置處理，最終保證

c、對數據塊中的數據依次進行霍夫變換去除無關點處理和3δ原則去除雜散數據點處理。

霍夫變換去除無關點過程中：

在x-y空間，對於點(x0,y0),經過這個點的直線必定滿足y0＝k*x0+b,其中k是直線的斜率，b是直線的截距；

上式可以化成b＝y0-k*x0,看作是以-x0為斜率，以y0為截距，在k-b空間上的一個直線方程(k,b為變量)。

可見，k-b空間上的一條直線，代表了x-y空間經過特定點的所有直線，而x-y空間上的特定直線則被k-b空間上的特定點表示。

對數據塊中的每一個數據點，在k-b空間中畫出一條直線；在各直線的交點，我們採取「投票」(vote)的方法，即累加；換言之，如果n條直線交於一點，則該點的值為n；遍歷k-b空間，尋找出現局部最大值(極值)的點(也就是局部最大n值)，這些點的坐標(k,b)就是數據塊中可能出現的直線的斜率和截距；根據霍夫變換，可以求得三個局部最大n值，每一個n值對應一條直線。

根據求出的三條直線(左倒角直線、端面直線以及右倒角直線)進一步縮小端面數據範圍(x_left,x_right)，從而找出環形端面的數據。

3δ原則去除雜散數據點過程中：

參見圖6，對確定的範圍(x_left,x_right)內的數據點，用數理統計的方法，進行端面雜點的剔除。3δ原則，即3個標準差原則，對(x_left,x_right)範圍對應的數據點進行正態分布統計，並計算其標準差及平均值，去除(u-3δ,u+3δ)(其中u為平均值)以外的數據雜點，進一步保證數據的可靠性。

d、對待測UO2芯塊的軸心線進行自適應校正：

雖然檢測系統初步保證了待測UO2芯塊放置後的軸心線「垂直」於兩傳感器的雷射頭；但沒有絕對的垂直存在，即待測UO2芯塊的軸心線與雷射頭的夾角略大於90度(或略小於90度)，該角度偏差會疊加到最後的垂直度上。

上述角度偏差由V型槽的加工精度和傳感器的裝配精度疊加造成，該角度偏差帶來的影響能夠從傳感器輸出的數據反應出來，這也給我們提供了一種尋找中軸線傾斜的思路：由傳感器數據反推。

因此，我們在已經縮小了的待測UO2芯塊的端面數據z(x,y)中，分別取x,z和y,z組成兩個二維矩陣(x,z)和(y,z)，分別利用最小二乘法，正對(x,z)和(y,z)計算中軸線左右、上下傾斜程度；其中，z為傳感器數據，x,y為其二維索引；利用得到的傾斜程度反過來對芯塊端面數據進行補償(結合每個數據的二維索引完成)。

e、對數據進行貝塞爾曲線擬合；

由於UO2芯塊的端面呈環形，因此，經上述步驟處理後的數據在一個近似的圓環面上，在貝塞爾曲線擬合過程中，用一個圓去近似圓環面，將圓分成4個四分之一圓弧，對每個四分之一圓弧用三階貝塞爾曲線擬合去逼近。

首先求解第一象限的四分之一圓弧：

P(t)＝A*(60-t)*3+B*3(60-t)*2t+C*3(60-t)*2t+D*3t，(t屬於[0，60])；其中A,B,C以及D為四個控制點，分別為A(0,60)，B(h,60)，C(60,h)和D(60,0)；(60為圓半徑，為一種具體實施方式)

P(30)＝A*27000+B*81000+C*81000+D*27000 (P(30)表示t取30時的值)；

代入四個控制點A(0,60)，B(h,60)，C(60,h)和D(60,0)，可以求解P(30)的坐標點：

x2+y2＝(6480000+81000h)2+(6480000+81000h)2＝602；

求解h：h＝-79.99947622；最終得到：

從此完成第一象限的四分之一圓弧；同理求解第二象限、第三象限和第四象限的四分之一圓弧。

將四個象限的圓弧拼接在一起便成了一個完整的圓，用以近似圓環面。如前所述，環形端面數據為數據塊，進行貝塞爾曲線擬合而形成的圓形對應的z值即為計算垂直度所用。

f、最後，根據貝塞爾曲線換算出待測UO2芯塊的端面與軸心線之間的垂直度。

參見圖7，在誤差理論裡，垂直度可以用兩虛線之間的範圍(大小)來表示，意味著兩虛線之間的距離越小，垂直度越好，圖中實豎線為中軸線，下方虛線為傳感器的測量端面，上方虛線為與傳感器測量面相平行的面(為芯塊端面波動的上限)，實線為芯塊端面的波動曲線。

所以端面相對於中軸線的垂直度可以換算為端面的平面度，也就是利用三階賽貝爾曲線擬合完成的曲線(擬合的是z值的兩個方向的索引值x和y)在Z軸上的最大差值(max(z)-min(z))，換言之垂直度等於三階賽貝爾曲線擬合完成的曲線在Z軸上的最大差值。

最後需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。