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研制核燃料包壳管自动在线检测装置的必要性

2020-02-23 222 上传者：管理员

摘要：研制了一套核燃料包壳管自动在线检测装置，该检测装置可对核燃料包壳管长度、内径及圆度进行自动在线高精度测试，从包壳管上料，装夹，内径与长度检测，输出结果实现全程自动化。基于此，为了节约人力成本，提高生产效率，本文开展了机器视觉的包壳管内径检测技术的研究、基于环形四点式端面测头的包壳管长度精确测量技术的研究。

关键词：
包壳管
在线检测
机器视觉
环形四点式端面测头
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核能已成为人类使用的重要能源之一，核电是电力工业的重要组成部分。核电发展、核电走出去战略需要核燃料组件国产化，在核电设计中，核安全的首道防线就是核燃料包壳管，由它担负着防止核燃料泄漏的重要任务，要求在整个使用过程中不能发生破损，造成放射性外逸。保护燃料包壳的完整性是核电厂运行安全的主要目标。

燃料棒内应有足够的预留空间和间隙，可以容纳燃料释放出的裂变气体，允许包壳及燃料的不同热膨胀，使包壳管没有超应力的风险。间隙内填充一定压力的氦气，以改善问隙内的热传导性能。因此间隙不能太大或者太小，包壳管内径必须符合设计要求。燃料芯块与端塞之间装有压紧弹簧，以防止运输或者操作过程中芯块在保壳内窜动。为保证弹簧的杨氏模量以及燃料芯块的装填，包壳管长度不能过长或过短，必须符合设计要求。为保证核安全、提高效率，必须对核燃料包壳管尺寸进行自动在线检测。

1、包壳管自动在线检测装置

1.1 设计思路

(1) 基于机器视觉的核燃料包壳管件内径检测技术研究

研制基于机器视觉的核用空心管内径检测方法。由于需要进行在线自动测量，一般接触式测内径的方法存在测量速度慢、自动化难度高等问题，采用机器视觉法检测包壳管内径具有非接触、快速等优点，因此是本项目的技术关键之一。通过光源打光方法，机器视觉管内径拟合圆测量算法，测算出具有毛刺的包壳管内径尺寸。机器视觉管内径测量结果作为核燃料包壳管合格判定的重要依据。

(2) 基于环形四点式端面测头的核燃料包壳管长度精确测量技术研究

包壳管为空心管，壁厚很薄，包壳管在进行长度测量之前必须进行端面垂直度、平行度测量。本项目采用端面测头进行端面4点测量，从而进行端面垂直度、平行度测量。因此基于光栅尺和端面测头的核燃料包壳管长度精确测量技术是本项目的技术关键之一。研究一套集成光栅尺，运动模组，管端面测量轴的核燃料包壳管测量系统，包含光栅尺数据，管端面测量轴数据，温度修正数据的包壳管长度测算方法；针对核燃料包壳管特征，研制此类核燃料包壳管的管端面测量轴机械工装，根据多种内径的核燃料包壳管，研制可更换的管端面测头。研制标准尺寸管件，用于测量设备校准，保证测量设备精度可靠。

(3) 核燃料包壳管自动化检测系统研制

由于核燃料包壳管需要对每个产品进行测量，因此效率对于生产至关重要。研制一套核燃料包壳管自动化检测系统，从包壳管上料，装夹，内径与长度检测，输出结果实现全程自动化，节约人力成本，提高生产效率。

1.2 机器视觉设计

基于机器视觉的核燃料包壳管件内径检测包含机器视觉相机镜头，环形光源，管夹具组成，如图1所示。在进入视觉检测内径工位前，气动推杆使得管件端面与相机之间的距离保持在合适范围内，以便于图像采集可靠。由于核燃料包壳管两端都需进行内径检测，需布置两套机器视觉内径测量装置于管件两侧。管件到位后，通过环形光源均匀照射在管端面，相机采集管件端面的图像，利用拟合圆算法识别含有毛刺的最小管内径，如图2所示。为之后的样品合格判断提供依据。

图1 机器视觉内径检测装置

图2 拟合圆算法对内径4mm管样品视觉识别结果

1.3 环形四点式端面测头设计

核燃料包壳管长度精确测量模块主要固定端测量轴，移动端测量轴，光栅尺，运动模组及大理石基座组成，如图3所示。固定端测量轴固定在大理石基座上，移动端测量轴固定在移动模组上。光栅尺移动端固定在移动端测量轴上，固定部分安装在大理石基座上，样品通过内径检测工位后，利用机械装夹自动上料传输到大理石基座V型块上，样品到位后，移动端测量轴推动样品与固定端测量轴接触，通过光栅尺与两端测量轴数据测算得到测量结果。

图3 核燃料包壳管长度测量模块

固定端测量轴与移动端测量轴各由4个位移传感器，可更换多触点测头及外壳支架，如图4所示。测量轴内部高精度位移放大片一端与被测管件端面接触，另一端与4个高精度位移传感器接触，位移量由高精度位移放大片传递给位移传感器，4个测点在圆周上均匀分布，测量轴与管件接触的测头，可根据管件直径与壁厚变化，更换测头，使得端面接触稳定可靠。

图4 固定端测量轴与移动端测量轴装置

光栅尺移动端固定于移动端测量轴上；光栅尺上的实时读数为A；长管到位后，移动端测量轴推动空心管与固定端测量轴多触点测头接触，并使固定测量轴有读数；此时，移动端测量轴位移值为r；固定测量轴位移值为￡；长度温度系数补偿量K，得此空心管样品的长度：L=A+r+￡+K。

管件长度测量装置，长期使用会有磨损，配合失效等情况，使得测量精度下降，因此需要对测量装置进行校准。研制标准管件用于设备测量精度校准，标准管件根据被测管件尺寸生产多个尺寸，标准管件由两端高精度套筒和标准管组成，如图5所示。

图5 标准冒件

1.4 核燃料包壳管自动化检测系统

自动检测系统通过机械手与运动模组将检测管件从送料架传输到内径检测，长度测量工位。主要包括支架，控制器，运输模块，机械手，长度测量与视觉内径测量模块等组成，如图6所示。管件从上料架，经过气动调整装置，到达内径检测位置，机器视觉内径检测完成，机械手与运动模组将管件装夹，提起，平移运输，稳定放置于长度检测的V形块上，利用移动端测量轴运动，使得两端测量轴与管件稳定接触，并产生位移数据，从而计算得到管件的长度。

图6 核燃料包壳冒自动化检测系统

自动检测控制系统如图7所示，以PLC为控制核心，接收机器视觉内径测量判断结果，整合固定端测量轴，移动端测量轴与光栅尺数据，计算出管件长度；驱动运动模组与机械手运动传输管件，并控制电磁阀气缸运动调整管件轴向位置。最终通过机器视觉内径判断与管件长度精确测量判断管件是否合格。

图7 核燃料包壳管自动化检测控制系统

1.5 软件设计

软件设计采用QT作为开发平台，用CCD光电图像传感器模块测量包壳管直径、圆度等；由PLC数字处理控制系统根据LVDT差动传感器测量到实时包壳管长度示值变化引入的位移量，PLC数字处理控制系统集成高位计数脉冲端口以及Rs232、RS485通讯协议端口，实现中央处理器的功能。

设计的zIM Tube Online软件程序界面如图8所示，实现测量数据的监控，实现对测量参数进行设置、储存等功能，操作方便、安全直观。避免了人工测量计算的烦琐和误差，可以对测量数据的自动采集、计算和保存，帮助使用者实现长时间的数据连续监控测量，完成数据分析、研究的辅助工作。

图8 ZIM软件程序界面图

2、试验及结果

目前，包壳管自动在线检测装置已经研制完成，装置实物如图9所示。本装置制作完成后，由专业验收机构对该装置进行校准，并出具校准证书，校准结果表明：该装置在(0～1000)mm的测量范围内，长度测量示值误差：±0．05mm；在内径测量范围：(4～8)mm的测量范围内，内径测量示值误差：±0．03mm；测量效率：5根／分钟。技术指标完全达到项目计划任务书要求。

图9 装置买物图

3、结论

包壳管自动在线检测装置的研究成果，可以推广到计量检测机构提升检测服务效率，可以推广到核工业包壳管制造厂家利用自动化测量技术完成核工业包壳管的自动化内径测量与长度测量，取代人工内径与长度测量，降低人工检测过程中检测误检率，同时节约成本。研发装置及其共性技术可应用于计量检测技术机构，推进“智慧检测”建设，推动检验检测行业“机器换人”。

参考文献：

[1]陈欢.基于LVDT的数显针规测量装置的研制[J].工业计量,2016(26):20~22.

[2]国家核电中长期发展规划[z].国家发展改革委(2005~2020年),2007.

陈欢,郭钢祥,郭斌,等.核燃料包壳管自动在线检测装置的研制[J].计量与测试技术,2019,46(6):12-14.