（机械电子工程专业论文）核燃料组件变形尺寸测量系统设计.pdf

四川大学硕士学位论文x7 7 9 3 0 2核燃料组件变形尺寸测量系统设计机械电子工程专业研究生刘赫指导老师韩震宇核电站压水堆堆芯中的燃料组件工作在高温、高压、高辐射循环水中，由于装配应力及热应力等因素的影响，燃料棒和组件的外形会发生变化，严重时会危及反应堆的安全，因此对燃料组件的变形进行定期检测具有实际意义。本文阐述了核燃料组件变形尺寸测量原理样机的设计过程，包括机械传动装置设计、光路系统设计、硬件电路设计和变形测量软件的数据处理，通过对模拟组件的检测，验证原理样机的可行性和测量精度。核燃料组件变形尺寸测量系统利用激光扫描测量作为基本测量原理，利用了激光发散角小、强度高的特点，是一种理想的非接触测量方法，具有精度高、动态范围大、抗干扰等优点。本文介绍了通过比较测量，消除激光扫描所用的电机速度不均匀产生的误差，提高测量精度的方法。本文中的传动装置为步进龟机、蜗杆减速器和同步齿形带组成的开环伺服驱动系统，利用同步带传动比准确，传动效率高，传动功率范围大，传动平稳的特点实现对组件垂直方向准确的扫描运动。以氯丁橡胶材料制成的同步带还具有防水的性能，实现在水下直接测量。本文的硬件电路和数据采集系统采用a v r 高性能的m e g a 系列单片机和硬件计数器的结合，实现高频脉冲填充测量法对信号脉宽进行高精度的测量。数据采集系统还采用半波采样边缘法对原始信号进行处理，减小电平的波动对测量精度的影响。在最后的数据处理中提出利用b p 神经网络对测量数据的非线性误差进行补偿和修正，通过软件方法消除由于光学器件自身的加工误差影响，进一步提四川大学硕士学位论文高测量精度。关键词：核燃料组件激光扫描同步带四川大学硕士学位论文d e s i g no fn u c l e a rf u e le l e m e n t sd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e ml i uh e ( m e c h a t r o n i c s )d i r e c t e db yh a nz h e n y ua tn u c l e a rp o w e rp l a n t ，n u c l e a rf u e le l e m e n t so fp r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o r c o r ew o r ki nh i g ht e m p e r a t u r e , h i g h - p r e s s u r ea n di n t e n s er a d i a t i o nc i r c u l a t i n gw a t e r f o rs o m er e a s o ns u c ha sa s s e m b l ys t r e s sa n dt h e r m a ls t r e s s ，f u e lr o da n df u e le l e m e n t sw i l ld i s t o r t , g r a v e n e s st r a n s m o g r i f i c a t i o nw i l le n d a n g e rn u c l e a rr e a c t o ls oi ti sn e c e s s a r yt oc h e c kf u e le l e m e n t s t h ep a p e re x p a t i a t e sd e s i g no fn u d e 盯f u e le l e m e n t sd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mp r i n c i p l ep r o t o t y p e ，i n c l u d i n gm e c h a n i c a ld r i v i n ge q m p m e n t ，l a s e rs c a n n i n gs y s t e md e s i g n , c i r c u i ts y s t e md e s i g na n dd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r es y s t e m t h r o u g hd e t e c t i n gs i m u l a t i v en u c l e a rf u e le l e m e n t st op r o v et h ec o h e c t n e s so fp h i l o s o p h yo fm e a s u r e m e n ta n dc h e c kt h ea c c u r a c yi nm e a s u r e m e mo ft h es y s t e m t h es y s t e m sf u n d a m e n t a li sl a s e rs c a n n i n g l a s e rh a v ec h a r a c t e r i s t i cw i t hs m a l ld i v e r g e n c ea n g l ea n dh i g hi n t e n s i t y s ol a s e rs c a n n i n gi sak i n do fe x c e l l e n tn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tm e t h o d sw i t hh i g h - p r e c i s i o n ，w i d ed y n a m i cr a n g ea n da n t i - j a m m i n g t h et h e s i si n t r o d u c e sam e t h o do fc o m p a r a t i v em e a s u r e m e n tt od i m i n a t et h ee r r o rt h a tr e s u l t e df r o mv e l o c i t yd i s c o n t i n u i t yo fe l e c t r o m o t o ru s e di nl a s e rs c a n n i n gs e ta n di m p r o v em e a s u r ep r e c i s i o n t h ct r a n s m i s s i o ng e a ro ft h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi so p e n i o o ps e r v os y s t e mc o m p o s e do fs t e pm o t o r , w o r mr e d u c e ra n ds y n c h r o n o u sb e l t s y n c h r o n o u sb e l th a v ec h a r a c t e r i s t i cw i t ha c c u r a t et r a n s m i s s i o nr a t i o ，h i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ,h i g ht r a n s m i s s i o np o w e ra n ds y n c h r o n o u sb e l tm a d eu po fn e o p r e n ec a nw o r ki nw a t e r c i r c u i ta n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s eh i g hp e r f o r m a n c e “m e g a s e r i e ss i n g l e c h i po fa v ra n dh a r d w a r ec o u n t e rc i r c u i tt om e a s u r es i g n a lp u l s ew i d t hw i t hp u l s es t u f f i n gm e t h o d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e a l sw i t l io r i g i n a ls i g n a lw i t i lh a l f - w a v es a m p l i n ge d g es i g n a ld e t e c t i o nm e t h o dt or e d u c ei n f e c t i o no fl e v e lv a r i a t i o n a tl a s t w ep r o p o s eu s i n gb pn e u r a ln e “v o r kt oc o m p e n s a t ea n dc o r r e c tn o n l i n e a re r r o la n de l i m i n a t et h ee f f e c to fm i s m a c h i n i n gt o l e r a n c eo fo p t i c a ld e v i c e ，四川大学硕士学位论文a n di m p r o v em e a s u r i n ga c c u r a c ym o r e k e yw o r d s ：n u c l e a rf u e le l e m e n t sl a s e rs c a n n i n gs y n c h r o n o u sb e l t四川大学硕士学位论文第一章绪论1 1 核燃料组件变形尺寸测量的研究意义核电能作为一种新型的能源，具有燃料资源丰富，能量密度大，运输和储存量小等优点，并且核电厂也具有技术先进，无环境污染，运行安全，发电成本低等优势。因此核能发电受到了人们的关注，核电工业也迅速发展，为世界能源危机的缓解起了相当的作用。在我国，核工业也飞速发展，“八五”期问建成秦山核电站和大亚湾核电站，“九五”期间已经和即将建成的四座核电站对解决我国常规能源分布不均，常规能源缺口很大的问题有着积极的意义。在人口和工业密集的东南沿海地区，煤和水力等常规能源缺乏，因此在2 0 0 0 年后，核电会成为该地区的主要能源，在2 1 世纪，我国的核电会有较大的发展1 1 j 。目前大多数商业运行的核电站是技术比较成熟、经济效益较好、安全可靠性较高的压水堆核电站，压水堆堆芯是由燃料组件、控制棒组件、其他相关组件构成的i 御。其中燃料组件是堆芯中最重要的组件，由燃料棒、下管座、上管座、控制棒导向管、定位格架几个部件组成。燃料组件工作在高温、高压、高辐射循环水中，由于装配应力及热应力等因素的影响，燃料棒会产生局部变形，整个组件的外形也会发生变化，严重时将会影响控制棒正常插入，危及反应堆安全运行。为了保证反应堆的安全运行，在一段合理的时问间隔内，必须对组件进行定期检测，主要是检测组件的整体变形( 局部的变粗、变细、弯曲以及整体的扭曲、弯曲、倾斜等等) ，提醒工作人员及时地更换燃料组件。因此有效的对燃料组件的变形情况进行检测，才能保证核反应堆的正常安全工作，保证核电厂的安全生产。1 2 国内外的现状及趋势从上面的介绍，我们可以知道对堆芯的检测的必要性。为了避免堆芯以及四川大学硕士学位论文燃料棒的表面损伤，所以不能采用常规的外形轮廓检测方法，只能采用非接触式测量方式。目前，核电站普遍采用的是水下摄像头的方式进行检测，通过在放置组件的水下环境的四周分别安装摄像装置，然后在外利用监视屏观察组件的变形情况，这样的方式只能是通过人的肉眼粗略的判断组件的变形，不能做到以模型和精确的测量数据量化地反映其变形情况，而且一般的摄像装置所用的c c d 等感光器件在反应堆高温、高压、高辐射的环境中特别容易损坏。从核电厂的反馈中得知，摄像装置的更换是很频繁的。非接触式测量具有能测工作环境特殊或表面忌伤痕的物体的优点，被广泛用于生产检测。用非接触测量测定几何量的方法可分为光学方法和非光学方法，光学方法具有高精度、快速、抗干扰强的特点，能精密测量几何量，受到重视并广泛应用于几何尺寸测量领域吼光学测量的其中一种方法是基于机器图像视觉的非接触测量方式，这种方法是水下摄像头的延伸。通过图像传感器拍摄组件的四个方向，然后通过图像的裁剪和结合得到组件的外形图，经过图像预处理和边界特征提取得到精确的数值。这种测量方法具有成本低，能进行复杂形状的测量等优点，但是它也继承了水下摄像头的缺点：在组件的工作环境中，感光器件容易损坏。另外，图像视觉的方式是平面化的，对具有空问纵深排列的物体几何量的测量会因透镜成像原理产生测量盲点和缺陷。另外一种方法就是基于激光扫描和图形处理的非接触测量方案，利用高惯性、高扫描频率的激光产生的平行光对燃料组件进行扫描投影来测量组件的物体的几何尺寸。该方法中利用了激光的准直特性，平行投影产生的图像是燃料棒的综合变形情况和组件的整体变形情况，并且避免了图像视觉方法中由于组件的空间纵深排列对测量的影响，但是它每次只能测量一个截面，具有在纵向方向上测量数值不连续的缺点。本文介绍的“核燃料组件变形尺寸测量系统”是基于激光扫描和图形处理方法的测量系统。“核燃料组件变形尺寸测量系统”就是将激光扫描检测扫描系统、组件装夹定位和垂直扫描运动系统、硬件电路和数据采集系统、组件变形测量软件系统有机结合起来，通过计算机的控制，实现对整个燃料组件的扫描测量。它是2四川大学硕士学位论文涉及光学、精密机械、电子学、自动控制和计算机的多学科现代技术，能精确的检测出组件的整体变形，并根据组件的变形情况用软件给出变形评价，提醒工作人员及时的更换变形严重的组件，对核电厂有着积极的意义，在核工业中有广阔的应用前景。1 3 课题来源我校受核动力研究院四所委托开发设计核燃料组件变形尺寸测量的原理样机。根据组件的工作环境和技术要求，检测系统应满足以下性能指标：变形测量精度为0 5 m m ；重复测量误差0 5 衄；被测组件规格为4 x 4 ，长度为5 0 0 m m ；防水、防潮、防腐蚀( 机械结构部分采用不锈钢) ； 计算组件( 包括上下管座和燃料棒在内) 的整体变形量，并利用计算机图形技术在屏幕上显示变形后组件的整体轮廓形貌：充分运用目前成熟且先进的图形图像处理技术及软件技术，使软件系统功能尽可能完善，且具有友善便利的人机接口和良好的扩展性；存储、查询、打印各种测试结果和文档。本论文主要介绍了核燃料组件变形尺寸测量的原理样机的工作原理、整体设计方案、以及各组成部分( 包括光路、电路、机械、软件) 的设计过程。四川大学硕士学位论文第二章系统设计概述2 i 测量对象介绍及其简化考虑2 1 1 核燃料组件介绍目前常见的压水堆核电站可以分为两部分：核岛( 反应堆及一回路系统)和常规岛( 二回路系统又称汽轮发电机系统) 。其中核岛是核系统和设备部分，其核心部分是产生核反应的压水堆堆芯【“。压水堆堆芯是由燃料组件、控制棒组件和堆芯相关组件等组成。我们要测量的对象就是其中的燃料组件，燃料组件是压水堆芯的主要组成部分，又分为燃料棒、下管座、上管座、控制棒导向管、定位格架几部分。如图2 1 所示：围2 1 压水堆1 7 x 1 7 燃料组件4四川大学硕士学位论文燃料棒和控制棒导向管装入的是核反应的原料，分别有u 0 2 陶瓷体的燃料芯块( 含搿u ) 和可燃毒物棒、中子源棒或阻力塞。这些组成部分都是对人体有害或者带有放射性的，所以燃料组件的储存都是在十米深的水池中，并用吊架悬挂，以防止组件放射性的影响。每个燃料组件通常呈长方体，高约4 米，由1 7 x 1 7 的燃料棒组成，每根棒的直径是l o m m ，棒之间的间隙是3 r a m 。控制棒导向管、上、下底座和定位格架装配在一起，形成了整个燃料组件的骨架，将所有的燃料棒依次插入这个骨架中，用螺纹连接并且点焊，这样就形成了一个完整的燃料组件。2 1 2 核燃料组件的测量要求根据核动力研究院四所提出的要求，并且考虑到燃料组件的组成规格和测量环境，确定核燃料组件变形尺寸测量系统的变形测量精度应为0 5 m m 、重复测量误差o 5 m m 。测量系统应具有防水、防潮、防腐蚀的特性( 机械结构部分采用不锈钢) 。通过测量系统获取组件的几何尺寸数据，并根据测量数值计算组件的整体变形量，利用计算机图形技术在屏幕上显示组件的整体轮廓形貌，最后按照计算的结果给出组件变形的评价，判定组件是否需要更换。测量系统的软件系统尽可能完善，应具有友善便利的人机接口和良好的扩展性。2 1 3 燃料组件在原理样机中的简化考虑核动力研究院四所委托我方开发设计的是核燃料组件变形尺寸测量的原理样机。原理样机通过模拟实际要测量的燃料组件( 称为模拟燃料组件) 和实际工作的水下环境f 称为模拟水箱) ，演示出测量过程，揭示出测量原理。模拟组件放置在模拟水箱中，原理样机以模拟组件为测量对象，在模拟的水下环境中获得模拟组件的尺寸数据，并根据测量的数据计算出模拟组件的变形和绘制模拟组件的外形轮廓，并对模拟组件给予变形评价。模拟组件是按要求预制的，它上面有人为加工的模拟缺陷和模拟变形，其准确数据已知。原理样机测量出的数据和变形量与模拟组件的实际数据相比较，可以反映出原理样机是否达到测四川大学硕士学位论文量精度，从而论证该测量方法以及测量系统结构方案的可行性。通过原理样机肯定了该测量方法之后，可以根据此方法的测量原理进步将原理样机改进和升级，做成同样基于该测量原理的工程样机，真正投入核电厂的实际应用当中。由上可知，核燃料组件变形尺寸测量的原理样机应该包括核燃料组件变形尺寸测量系统、模拟燃料组件、模拟水箱三部分。从前面燃料组件的介绍中可以知道，真实的燃料组件很大，长度有四米左右，并且为了防辐射等考虑，组件一般存放在十米深韵水池中。对于原理样机来说，主要目的是演示测量方法、揭示测量原理和检验测量精度，所以模拟组件要对真实组件进行简化，模拟环境也不需要和实际环境完全相同，以减小原理样机的制造成本、制作难度和制作周期。但是简化后的模拟组件和模拟环境要基本反映实际测量对象的特性、实际测量环境的条件，例如水下测量环境，组件的组成形式等等。基于以上考虑，对原理样机中的燃料组件和水池进行如下的简化：采用4 x 4的模拟燃料棒组成模拟组件，减小模拟组件的尺寸使其高度为5 0 0 r a m ，但模拟燃料捧的直径和之间的阃腺与真实组件相同。并且使用两个模拟组件分别用于系统标定，模拟燃料棒的变形，模拟整个组件的弯曲和扭曲变形。另外实际环境中的十米水池用约一米高的模拟水箱代替，这样即能模拟实际工作环境，又便于原理样机的运输，因此采用简化后的原理样机，完全可以模拟出真实的工作状况，并且可以验证测量原理，检验原理样机的测量精度。2 2 系统测量方式比较和选择前文简单提到了两种利用光学原理的非接触式测量方法，一种方法是基于机器图像视觉，另一种采用激光扫描和图形处理方法。基于机器图像视觉的方法利用的是图像传感器( 即摄像头) ，获取组件四个方向的图像，然后对图像进行裁剪和结合，形成完整的组件外形图，并利用图像处理和对物体边缘精密提取，得到目标图像的特征数据。它具有成本低的优点，通过各种图像处理技术的结合，可以实现复杂图像的测量，在采用亚象素测量技术后，机器图像视觉方法可以得到很高的精度既它的测量结果为图像传感嚣拍出的照片，能直观的显示组件外形，并且能直接观察出组件表面的一四川大学硕士学位论文些微小瑕疵。但是它的缺点也很明显：首先它所使用的感光器件在组件工作的环境中很容易损坏。另外从透镜成像原理上来看，对于远近不同的物体，透镜的放大率不同，因此对于有纵深排列的燃料棒，很可能出现后排的棒已经变形，并且尺寸已经比前排的棒大，但是由于前排棒的放大率更大而将其遮挡，造成变形测量的盲点，正如我们平时生活中较小的物体会在眼前遮挡住后面较大的物体的概念一样，这时获得的图像就不能准确反映出组件整体交形的情况。还有，图像传感器要获得清晰的图像才能提高测量的精度，由于在水下十米深的环境中，光线很暗，因此需要大量的照明装置才能获得强度足够并且均匀的光照，否则对测量精度有严重的影响。对于核燃料组件实际存放环境来说，安置如此多的照明装置存在相当的困难。基于激光扫描和图形处理的非接触测量方案利用的是激光的准直特性，对测量对象进行扫描，由于被测物体的遮挡而产生投影，通过对投影的检测，得到物体的外形轮廓和尺寸。激光扫描测量的方法精度可以达到微米级，测量范围从零点几到l o o m m 以上1 6 】。该扫描方法利用了激光光束准直的特点，避免了机器图像视觉中由于燃料棒纵深排列引起的后排燃料棒的变形测量盲点，投影产生的图形是组件和燃料棒综合变形情况。因为激光扫描自有高亮度的激光光源，不需要外加其他照明设施。激光扫描的缺点在于，它测量的是燃料组件和燃料棒轮廓的精确值，对于组件表面的微小瑕疵无法直接的观察。另外由于激光扫描每次只能扫描一个水平截面，最终形成的组件轮廓图形是由各个水平截面拼接而成，因而造成了组件纵向方向数据的不连续性，并且纵向扫描的间隙( 即纵向方向相邻两次水平扫描的间隔1 决定了纵向测量的精度。针对要测量的对象核燃料组件，核动力四所提出的测量要求中更关注的是组件外形轮廓以及整体变形。激光扫描法可以准确测量出组件的外形轮廓及整体变形，在水平方向有很高的精度，不会出现由于燃料棒纵深排列而引起的测量盲点，满足了核动力四所提出的测量要求。通过比较两种测量方法的优缺点，确定了以激光扫描和图像处理的非接触测量方案作为核燃料组件测量系统的测量方法。针对激光扫描法纵向数据不连续的缺点，可以通过减小纵向扫描间隔的方式提高纵向精度。四川i 大学硕士学位论文2 3 系统的组成及设计方案经过简化考虑后的原理样机可分为三部分：核燃料组件变形尺寸测量系统、模拟核燃料组件和模拟水箱。模拟核燃料组件和模拟水箱分别是实际测量对象和实际测量环境的模拟，而核燃料组件变形尺寸测量系统是整个原理样机的核心，它包括激光扫描检测扫描系统、组件装夹定位和垂直扫描运动系统、硬件电路和数据采集系统、组件变形测量软件系统四大部分，通过它们的协同工作，完成对模拟组件从上至下的扫描，得到每个截面的扫描数据，根据各截面数据和纵向扫描间隔绘制出完整的组件轮廓，最后根据数据和组件的轮廓按照对应评价标准给出组件变形情况的评价。从下面的工作原理图2 2 中，我们可以了解测量系统的大致结构，激光扫描装置和接收装置( 光电传感器) 属于激光扫描检测装置，运动扫描机构和步进电机属于组件装夹定位和垂直扫描运动系统，嵌入式微控制器系统属于硬件电路和数据采集系统，组件变形测量软件系统则安装在上位计算机中。图2 2 核燃料组件变形尺寸测量系统工作原理图四川大学硕士学位论文整个测量系统的工作流程大致如此：扫描运动机构在步进电机的控制下，带动激光扫描装置和光电传感器向上或者向下作均速直线运动，而激光扫描装置则不断对组件水平截面进行扫描，嵌入式微控制系统接收到光电传感器输出的反应水平截面尺寸的原始电信号，通过整形并且对脉宽填充计数得到每个截面几何尺寸对应的脉冲个数，嵌入式微控制器还要对步进电机进行控制，设定电机的运动速度，控制电机的起停等，然后嵌入式微控制器将所得到的每个截面的脉冲长度数据以及电机的运动参数一起通过通讯模块上传到上位计算机中，上位计算机软件按照各种算法，根据长度数据和电机的运动参数还原出整个组件的轮廓，并对局部有变形的地方以及全局的弯曲、扭曲等变形给出评价，反映给组件维护人员。下面对系统各组成部分的原理和功能进行简单介绍：2 3 1 激光扫描检测系统激光扫描测量方法是一种理想的非接触测量手段，它是1 9 7 2 年发展起来的一种技术，有人称为l a s e rs h a d o wg a u g e ，1 9 7 5 年推出了第一台仪器并申请了专利。激光扫描系统的原理主要是利用激光束的方向性和高能量密度，把扫描的时间转换成物体的尺寸。高惯性激光扫描具有良好的线形，扫描频率最高可达2 0 k h z ，扫描分辨率可达1 0 1 p r a m ，甚至更高。所以该技术广泛地用在激光扫描测径仪、激光扫描定位装置、激光打印机、图像激光显示等领域。激光测量系统的基本原理【。7 l 如图2 3 所示，光斑直径很细的激光束以速度v 在时间at 内扫过被测物体2 时，在物体后面形成阴影部分。此时，光电接收器3 的输出信号在相应的a t 时间内变小，如图2 3 ( b ) 所示。显然，被测物体直径d v 厶f ，测出时间a t ，即可求出直径d 。激光扫描方向( a ) 结构原理示意图r带四川大学硕士学位论文0t 1t 2t( b ) 光电传感器输出的信号波形图1 激光扫描部件：2 被测物体；3 一光电传感器；埔号处理系统图2 3 基于激光扫描的非接触测量原理示意圈以上只是一个截面单根棒的测量，对于燃料组件而言，由于存在多根燃料棒，如图2 4 ( a ) 所示，此时光电接收器输出信号的一个周期内则会有多处变小的部分，分别对应每根燃料棒的直径，若扫描光源和光电传感器沿着燃料棒轴向做同步扫描运动，将测得的每个截面组合起来，就能够得出组件的整体尺寸，反映出组件的整体变形，实现二维测量，形成图2 4 ( b ) 的组件轮廓。兰! ! -，( a ) 实际测量中含有多根燃料棒的截面四川大学硕士学位论文测量c o ) 组件的扫描| 墨i 像图2 4 组件扫描原理示意图另外，由于产生高惯性激光扫描的棱镜直流电机的旋转速度不可能绝对均匀，电机转速的微小变化会造成测量的不准确，所以我们通过标定激光扫描系统所固有的测量窗口的宽度，根据测量脉宽与测量尺寸成正比的关系，计算出被测物体的几何尺寸，这种方法称为比较测量，能有效的消除电机速度不均匀对测量精度的影响，在第四章光路设计和第六章数据处理会详细介绍。激光扫描装置中使用的光学器件的加工误差也会影响测量的精度，例如影响最大的扫描物镜，由于它的密度不均匀或者外轮廓的误差都会引起激光光束的发散，使扫描激光束相互之间不平行，从而造成同一被测尺寸在不同的空间位置具有不同的测量数值。这类误差属于激光扫描装置的固有属性，目前国际上普遍采用的是空间建模的方法来补偿，我们也提出利用b p 神经网络在测量空间范围内建立补偿模型消除此类误差，提高测量的精度。在第六章数据处理中，会详细介绍到。2 3 2 组件装夹定位和垂直扫描系统组件装夹定位和垂直扫描系统属于机械结构部分，它应具有两方面的功能：首先要实现对测量装置的密封和支承，对模拟组件的装夹定位，并通过结构设计和加工精度保证测量装置与模拟组件之间的位置关系。然后要确定合适的传动方式实现测量装置在垂直方向的运动，并且要保证运动的平稳、准确，达到要求的定位精度，这样才能准确的测量并绘制出组件的外形轮廓。四川大学硕士学位论文根据测量装置在组件轴向的垂直运动要求，传动方案可以有滚珠丝杆传动、普通带传动、同步齿形带传动、链传动、钢丝吊绳和位移传感器组成的闭环传动等几种选择。链传动虽然能实现同步传动，但是它瞬时速度变化较大，传动比不均匀，因此传动的定位精度很差。普通的带传动有弹性滑动和打滑，使效率降低并且不能保持准确的传动比，而且寿命较短i 引。钢丝吊绳和位移传感器组成的闭环传动以钢丝吊绳带动测量装置，通过位移传感器检测出测量装置所处的位置，它的定位精度较高，对传动速度没有严格的要求，但是钢丝绳的拖动不平稳，会引起扫描装置的抖动，另外位移传感器的位置检测与水平截面扫描的协调过程会使数据采集系统复杂化，位移传感器的密封防水也存在问题。滚珠丝杆是在丝杆和螺母螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠在闭合回路中循环的螺旋传动机构，它具有高效率、高精度、高刚度、高寿命的特点，定位精度通常能达到0 o l m m l o o m m ，效率能达到9 5 以上 9 - 1 2 1 。但是滚珠丝杆的价格较高，特别是在以后的工程样机中面对的是长4 m 左右的核燃料组件，需要采用大尺寸的重型滚珠丝杆，成本很高。另外对丝杆螺母的水下密封也存在困难。同步齿形带传动作为一种折中的办法，综合了带传动、齿轮传动、链传动的优点【1 3 】，具有传动比准确，传动效率高，传动功率范围大，传动平稳等特点，定位精度虽不如滚珠丝杆，但也能达到o 1 m m l o o m m ，在步进电机的精确带动下，能够满足组件的垂直方向的测量要求。它还有价格低廉的优点，特别是在以后的工程样机中测量行程长的情况下，价格优势非常明显。另外由于同步齿形带采用的材料氯丁橡胶本身具有防水的特点，因此避免了传动装置水下密封的阔题。综上所述，最终确定了以步进电机通过减速变向装置，带动同步齿形带作垂赢方向扫描运动的开环传动方案。组件装夹定位和垂直扫描系统由模拟水箱、模拟组件、步进电机、接近开关、蜗轮蜗杆减速变向齿轮箱、吊架桥板、齿形带带轮、齿形同步带、带轮支座、导向柱和底板等组成。在原理样机中，模拟水箱和模拟组件均是纯机械装置，都是由金属材料构四川大学硕士学位论文成，与组件装夹定位和垂直扫描运动系统有相同的特性，因此将它们归为装夹定位系统的组成部分。这样做有利于从整体上设计装夹系统，因为模拟水箱要作为装夹定位装置的支承，包括在顶面安装桥板放置步进电机、减速箱，在底面安放装夹系统底板，在其上固定同步齿型带带轮等。模拟水箱还要以它的顶面和底面为基准，保证装夹系统底板和桥板的平行度，保证导向柱的垂直度，保证测量装置与模拟组件的平行度等。因此，将模拟组件和模拟水箱作为组件装夹定位和垂直扫描系统的组成部分对于系统的整体设计，减小机械装置产生的误差，提高测量精度有很好的帮助。从系统结构示意图2 5 中，我们可以看到组件装夹定位和垂直扫描系统的基本组成情况：四川丈学硕士学位i e 支1 一模拟水箱；2 一步进电机：3 蜗杆蜗轮减速器；4 一齿形同步带5 一上下扫描运动板；6 模拟组件；7 密封后的激光扫描检羽装置蝴拟组件支承座；9 一一级齿形带带轮；1 0 一二级齿形带带轮；儿传动轴；1 2 底板；1 3 一导向柱：1 4 一上下限位开关；囝25 组件装夹定位和垂直扫描系统结构示童圈系统各部件都直接或者间接的支承在模拟水箱1 上。步进电机2 与蜗杆蜗轮减速箱3 相连，蜗杆蜗轮减速箱将步进电机的转动减速和变向后通过两转轴】0 输出，转轴上安装有同步带轮。由于减速箱的两输出转轴中心距太小，无法满足扫描滑板的宽度要求，所以采用了两级同步带传动，通过一级同步带传动扩宽实现扫描运动的二级同步带传动的中心距，使其满足扫描滑板的宽度要求。上下扫描运动板5 连接在齿形同步带4 上，其上安装有密封后的激光扫描装置7 。同步带轮的转动带动齿形同费带4 运动，因此实现了上下扫描滑板和激光扫描装置在组件垂直方向上的运动，从而对支承座上的模拟燃料组件进行轮廓扫描铡量，其中上、下限位开关1 4 限制扫攒扳的运动范基，导向往1 3 保证扫描板的运动轨迹，并减小上下扫描滑板在运动过程中的晃动，提高水平截面的测量精度。2 3 3 硬件电路和数据采集系统硬件电路和数据采集系统的作用是对垂直扫描系统进行运动控制，对激光扫描系统获取的信号进行处理，并且将获得的数据简单处理后传送到上位机软件中。硬件电路和数据采集系统如图2 6 所示，激光信号产生的电信号和限位开关信号都送到嵌入式控制器中进彳于处理。根搀艰位开关和上位规购逶识信号，嵌入式控制器对步进电机进行控制，并获取当前的步进电机位置，同时嵌入式控制器根据上位机的请求，将处理后的信号数据以及电机的位置数据上传到上位计算机中。1 4四川大学颈士学位论文圈2 6 硬件电路和数据采集系统示意图激光扫描检测系统( 即光电传感器) 输出的信号中包含被测物体的尺寸信息，信号经过整形处理后变成具有多个脉宽的方波信号，脉冲宽度对应着测量的尺寸，因此尺寸的测量转换为对脉冲宽度的测量。脉冲宽度实际是脉冲时间的长度，常用的方法有单片机直接对脉宽计时测量和高频脉冲填充法测量。单片机直接脉宽计时测量方法中，脉宽的起始位置分别是电平由低到高和由高到低的两次跳变，单片机通过中断或者巡检的方式判断脉冲的电平跳变，并利用内部的定时器测量出两次电平跳变的时间，即是脉宽时间。这种方法是脉宽的软件测量方法，简单易行，不需要额外的硬件，直接利用单片机的内部资源就可以实现。单片机判断脉冲的电平跳变是通过比较自身的相邻两个工作周期内被钡4 脉冲电平高低是否相同，因此在测量脉宽的过程中会产生1 个工作周期的误差。高频脉冲填充法测量属于脉宽的硬件测量方法，需要添加额外的硬件。它采用的方法是将稳定的高频脉冲填充到被测脉宽中，使被测脉宽被高频脉冲所代替，通过计数器对填充后的脉冲迸行计数。由于高频脉冲的频率己知，这样四川大学硕士学位论文就可以计算出被测脉宽的时间。同样，在填充过程中，被铡脉宽的边缘会产生1 个周期的误差。将两种测量方法进行比较，虽然它们都会在被测脉冲边缘产生1 个周期的误差，但是由于单片机的工作频率较低，而且很多单片机的工作周期由几个时钟周期组成，所以与高频脉冲填充法相比产生的误差相对要大的多，高频脉冲填充法所采用的脉冲频率为4 0 m h z 时，。比m c s 5 1 采用1 2 m h z 的晶振产生的误差要小约2 0 倍。另外由于高频脉冲法属于硬件测量，可以减轻单片机的负担，因此在数据采集系统中，确定以高频脉冲填充法进行钡量，这样可以有效提高系统的测量精度。2 3 4 组件变形测量软件系统组件变形测量软件系统安装在上位计算机中，它最基本的功能是接收硬件电路和数据采集系统获得的测量数据，根据扫描测量的参数算出模拟组件的几何尺寸，并在计算上显示出模拟组件的外形轮廓。软件系统应采用模块化的结构，以满足将来可能发生的功能需求上的变化与扩充，因此组件变形测量软件系统分为以下几部分：1 ) 系统初始化模块，完成嵌入式微控制器的初始化，运动系统的复位，系统标定以及初始化参数的保存，2 ) 过程及结果显示模块，通过与下位机的通讯对扫描运动系统进行运动控制，并从下位机获得测量数据，跟踪测量过程并显示测量进度，将获得的测量数据交予图形处理及分析计算模块后，得到组件最终的测量结果和变形评价，在计算机屏幕上显示组件的外形轮廓图像，并根据组件的变形情况提出组件维护的指导意见。3 ) 图形处理及分析计算模块，按照比较测量的方法将测量数据还原成几何尺寸，通过b p 神经网络模型对测量结果进行补偿和修正，根据几何尺寸绘制出组件的外形轮廓图像，并对组件的变形情况进行评价。4 ) 数据管理和报表打印模块，实现测量数据的存储和管理，历史测量数据的查询和显示，报表的显示和打印。四川大学硕士学位论文本系统要求有模块化、人性化、可视化、功能多样化的特点，详细的编程维护文挡，具有现代大型软件的风格。2 4 项目进展情况本论文主要叙述了核燃料组件变形尺寸测量系统原理样机的系统设计，介绍了测量方法的选择，系统各组成部分的工作原理和各部分的工作参数选择，以及为了提高测量的精度采取的各种措施和方法。由于时间的关系，核燃料组件变形尺寸测量系统原理样机在本论文定稿之时还没有全部完成。目前系统的机械装置所有的装配图和零件图已经绘制完成，并正在委托工厂加工。硬件电路和数据采集系统、激光测量系统已经加工完成，组件变形测量软件系统也已经完成了大致轮廓，机械部分加工完成以后就可以总体装配和调试。整个系统虽然没有全部完成，但系统的设计始终围绕着测量精度和测量要求来考虑，并且在系统以后的装配和调试中同样以测量精度为核心，对可能影响测量精度的情况充分考虑，消除或者减小它的影响，这样就能保证最终系统满足测量的要求。2 5 本章小结本章介绍了测量对象燃料组件的组成和特性，并且叙述了燃料组件的在原理样机中的简化考虑，也就是模拟组件和模拟水箱。通过分析测量要求，确定了基于激光扫描和图形处理的非接触测量方案，并简单介绍了系统的组成和各部分的概况。最后介绍了整个项目目前的实施状况。四川大学硕士学位论文第三章系统的机械结构及传动设计3 1 机械置设计( 包括模拟水箱) 的设计在图2 j ，可看出整个系统的机械结构组成情况，机械设备由传动装置、工作部分、色位系统和箱体支承四大部分组成。3 趋1 工作；( 扫描滑板与密封罩)整个设所以它要有妥有共同的过精加工的定位基准，核心测量部分就是激光扫描装置，由于工作部分是完全在水下，时结构。激光扫描装置的发送和接收两部分是分离的，所以它们承结构保证激光的对准，因此我们将激光扫描装置放置在表面经滑乎板上( 称为扫描滑板) ，并以加工面作为接收发射装置的垂直证激光发送和接收在同水平面上。1 一t滑板；2 激光发射装置密封罩：3 激光接收装置密封罩：4 激光透射窗；5 密封撩胶环；6 一同步齿形带；7 马描滑板加强筋；8 导流孔图3 1 扫描滑板组成结构四川大学硕士学位论文如图3 1 中，扫描滑板1 的上表面即是经过精加工的表面，它是调整激光发射和接收在同一平面的基准面，此外扫描滑板在水平方向上还有四个定位平键，保证激光光束的水平对准。这样用光滑的基准面做垂直基准，平键定位做水平基准，就保证了激光束发射和接收的对准。扫描滑板中间开有能让被测模拟燃料组件通过的方型孔。此外扫描滑板上安装的4 个导向衬套是根据4 根导向柱位置固定的。为了减小水流对扫描滑板运动的阻力，使水流运动平稳，以减轻扫描滑板运动时造成的水扰动( 水扰动可能会影响激光光线的直线传播，引入测量误差) ，因此在扫描滑板的四周开了许多通孔，称为导流孔。导流孔在减小运动中水的阻力的同时，还可以减轻整个工作部分的重量。导流孔的加入有许多好处，但是它会降低扫描滑板的抗变形能力，并且为了减轻扫描工作部分的重量，扫描滑板本身就做的比较薄。因此为了改善扫描滑板的强度，防止扫描滑板在水压，悬吊过程中变形，我们在扫描滑板底面和侧面增加了八条加强筋7 ，其中四条分别安装在扫描滑板的四个侧面，另外四条以“井”字形安装在扫描滑板的底面，这样扫描滑板抗变形能力得到很大的提高。激光扫描装置的发送接收两部分均是由电路和光路组成的，硬件电路和数据采集系统为了减小信号的干扰也要安装在它们的旁边，以上的部分都不能浸入水中，因此需要将它们用不锈钢密封罩( 图中2 和3 ) 密封。密封罩与底板通过橡胶环5 实现连接。不锈钢密封罩的底部有一圈安装台，橡胶环的尺寸与安装台基本一致，其空心部分要能让激光扫描装置安装在扫描板上。通过螺钉将密封罩的安装台与橡胶环一起压紧连接在底板上，螺钉要紧凑的布满安装台的一周，并且螺钉与密封罩安装台的连接处用橡胶垫圈结合。这样通过橡胶环和橡胶垫圈的压紧实现了密封罩与底板的防水连接。此外还要用光学玻璃做成镜框，嵌到密封罩开的口上，并且用防水的胶粘牢固，作为透射激光的窗口。此外密封罩顶部还要伸出一塑料管，将电源线和与上位机的通讯线路以螺旋线的方式引出。通过上面的防水措施，保证了激光扫描装置能在水下完成测量工作。同步齿形带6 带动扫描滑板上下运动是通过一个紧固齿条实现的。在我们的设计中，由于同步齿形带的齿面背向扫描板，因此外加紧固齿条将同步齿形1 9四川大学硕士学位论文带嵌入扫描滑板，并且用螺钉连接将紧固齿条固定在扫描板的侧面，紧固条内侧有和齿形带同规格的传动齿，这样它们的齿互相啮合，在齿形带受到传动力时，带动扫描滑板一起运动。3 1 2 导向定位系统为了保证扫描装置上下移动的平稳以及水平位置不发生偏移，我们引入了导向定位系统。导向定位系统主要由四根导向柱，以及它们的安装支座，导向衬套等几部分组成，从图3 2 中可以看出导向柱的组成结构，导向柱通过上项面和下底面的安装支座固定在模拟水箱上，导向衬套与扫描滑板相连，通过它在导向柱上的滑动保证扫描滑板上下运动的平稳。1 导向柱；2 i 导向柱上支座；3 导向衬套：4 导向柱下支座围3 2 导向柱组成结构四川大学硕士学位论文扫描滑板是通过导向衬套而沿着导向柱上下运动的，所以导向柱的表面和导向衬套的内壁表面是要求较高的接触面，要求其表面通过精绞、磨削等工艺使粗糙度达到r a l 6 以上。由于导向衬套与导向柱之间不希望自由转动，但可自由移动和滑动并精密定位，所以它们之间的配合采取基孔制h 7 9 6 的间隙配合，公差等级为1 t 6 。它属于优先选用的配合，最适合不回转的精密滑动。这样的小间隙即保证了导向柱和衬套之间的相对滑动平稳，又避免了间隙过大造成激光扫描装置的水平晃动而引起误差1 1 。导向柱的目的是保证垂直方向的扫描运动，所以其圆柱度以及轴线的垂直度都有较高的要求。四根导向柱和模拟组件通过与底板基准面的垂直来保证彼此之间互相平行，这样扫描滑板上的激光发射装置的激光出射方向在扫描过程中与组件保持垂直。3 1 3 箱体支承结构设计箱体用来模拟实际的水下环境并且支承整个测量系统以及模拟组件，称为模拟水箱。模拟水箱做成圆桶形状，侧面与底面可以分离，它们之间以法兰的方式用螺钉连接紧固，并且加入橡胶环垫片防止漏水。这样做有两个好处：其一避免水箱侧壁与底板的焊接结构过多，造成底板的严重变形，其二水箱箱体易于拆卸，便于箱内设备的安装、调试、维护和维修。模拟组件的支承座和导向柱的下支承座都在模拟水箱的底面，通过保证它们之间的平行度，并且保证模拟组件和导向拄与它们的支承座的垂直度，可以使沿导向柱上下滑动的扫描滑板与模拟组件的轴线平行，从而使扫描激光束与模拟组件垂直。模拟水箱采用不封顶的结构，用槽钢作为桥板，架在水箱顶面。桥板上安放有变速箱、步进电机、同步带带轮等传动机构，整个传动装置只有部分同步带和两个带轮工作在水中，避免了对传动装置大规模的密封。桥板上还有四个导向柱上支座对导向柱进行固定。模拟水箱箱体底部四角有四个可调减振支承座用于支承整个水箱，并且能隔振和调整系统水平的功能，可减小对测试精度的影响。水箱底部还安装有出水管以及水龙头，可以方便的将箱内的水排出。四川大学硕士学位论文3 1 4 传动装置设计及参数选择传动装置是完成对组件垂直方向扫描的传动机构，是测量系统重要的组成部分，前面已经介绍了选定的传动方案是以步进电机通过减速变向装置，带动同步齿形带作垂直方向扫描运动的开环传动，它包括了蜗轮蜗杆减速变向齿轮箱、步进电机、同步齿形带、同步带传动齿轮、带轮支架等。这里主要介绍传动结构的设计参数选择。组件测量系统的传动主要是实现扫描滑板的上升和下降，在考虑到传动距离长以及有一定的定位精度和防水要求，确定了同步齿形带的传动方式。在传动装置中，步进电机、减速箱以及两个同步带轮和带轮支架都是在水箱顶面固定，减速箱除了将步进电机的提供的转速减小外，还要通过两个变向齿轮分成两个轴上的旋转运动，并且旋转方向相反，这两个轴分别再带动两个同步带轮转动，从而实现了同步带的运动。由于带轮的运动方向是相反的，因此两边同步带的相向边就共同向上或者向下运动，固定在同步带上的扫描滑板也就实现了垂直方向的运动，并且在四根光滑导向柱的约束下平稳的运动。蜗轮蜗杆减速变向齿轮箱设计参数选择蜗轮蜗杆减速变向齿轮箱内部分为两级传