CN101660897B

CN101660897B - 一种圆柱体工件多参数同步检测装置

Info

Publication number: CN101660897B
Application number: CN2009101909010A
Authority: CN
Inventors: 高潮; 郭永彩; 廖品真; 林晓钢
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: CN101660897A

Abstract

本发明公开了一种圆柱体工件多参数同步检测装置，包括测量平台，设置于测量平台上的直径测量模块、高度测量模块、质量测量模块，以及显示控制模块，所述显示控制模块一端分别与质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块相连并对其进行控制，另一端可与计算机测控装置外接相连。本装置每分钟可以完成8-10块及以上圆柱形工件的高度、直径和质量高精度同步测量，测量数据通过RS232接口送入计算机，通过自己开发的软件自动计算几何密度和相对密度并显示，对超差数据进行报警提示。硬件结构简单，软件操作方便。

Description

一种圆柱体工件多参数同步检测装置

技术领域

本发明涉及一种工件参数检测装置，特别是一种可对圆柱体工件直径、高度、质量和几何密度进行高精度快速同步检测的装置。

背景技术

目前，国内外核电站广泛采用二氧化铀芯块作为核燃料元件，为保证反应堆安全运行，对核燃料元件制定了非常严格的质量指标。在诸多质量指标中，芯块的高度、直径、几何密度等参数占有非常重要的地位。这是因为，核燃料芯块的几何尺寸决定芯块和包壳管的结合状态，包壳和芯体的间隙以及芯棒在包壳中的位置对称性，将影响核燃料的导热和径向温度的分布以及辐照效应，同时，核燃料芯块的几何密度是影响热导率、反应性和抗震性至关重要的因素。所以，为了控制反应堆的传热和反应性以及便于更换元件，核燃料芯块的几何尺寸和几何密度必须控制在设计标准内。因此，建立一套完整、可靠、高效的测量系统是十分重要的课题。目前，对圆柱体工件特别是核燃料芯块的高度、直径和几何密度的测量方式主要为分工位用光栅传感器接触式方式进行测量几何尺寸、用电子天平称量。该方法主要存在以下问题：1、光栅测量头运动速度不好控制，影响测量结果。2、侧头定标次数较多，测量精度不够高。3、芯块各个参数需分分工位开量，费时耗力。4、无法满足大生产的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为了克服上述现有技术的不足，而提供一种高效、快速的圆柱体工件的直径、高度、质量及几何密度的高精度快速测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种圆柱体工件多参数同步检测装置，其特点在于，包括：

一个质量测量模块，包括一个电子天平和设置于电子天平上的工件定位模块；

一个直径测量模块，包括一个LED发射器和一个CCD接收器，所述LED发射器和CCD接收器水平安装于电子天平的两端；

一个高度测量模块，包括一个LED发射器和一个CCD接收器，所述LED发射器和CCD接收器竖直地水平安装于电子天平的两端；

一个测量平台，用于安装和支撑上述质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块，测量平台下设有三个水平调节螺母，水平调节螺母用于支撑测量平台并调节测量平台使其水平，测量平台上设置有水平仪和反射镜，可由水平仪通过反射镜观测测量平台是否水平；

一个显示控制模块，所述显示控制模块由显示屏和控制模块组成，其一端分别与质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块相连并对其进行控制，另一端可通过串口线与计算机测控装置外接相连，进行数据和指令的传输，所述计算机测控装置可通过控制模块来设置质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块，并通过显示屏进行显示。

本装置工作时，首先调节测量平台下方的三个呈三角形设置的水平调节螺母，通过反射镜观测水平仪中的水泡是否在其圆形球面的中心来判断测量平台是否达到水平。然后，将待测的圆柱体工件，放置于工件定位模块上，由计算机输入指令，控制质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块工作，其中质量测量模块采用高精度的电子天平，可直接读取工件质量；直径测量模块和高度测量模块均采用光透过式传感器进行非接触测量，其测量分辨率可以达到0.0001mm；两者发射端均由高亮度的LED组成，其发出的光经过准直仪投射到被测物上，通过在接收端的CCD上检测亮区与暗区边缘来测量物体的参数。具体测量过程为：直径测量模块是由水平安装的发射端发出的平行光，投射到被测物体上，接收端通过CCD检测亮区与暗区的边缘，通过数据处理计算出暗区的大小，从而获得工件的直径参数；高度测量模块，其测量时，先使用已知高度的标准块进行定标，是先将标准块安装在工件定位模块上，由竖直安装的发射端发出平行光，经过标准块，投射到竖直安装的CCD上，通过检测亮区与暗区边缘的位置，然后将此位置到CCD底部的距离标定为标准块的高度。然后再取下标准块，将待测物体安装在工件定位模块上，这样当待测物体放置于工件定位模块上时，通过检测亮区与暗区的位置相对于标准块的位置来获得待测物体的准确高度参数。上述检测到的参数，输入计算机后，计算机根据检测到的工件直径D，高度H，质量M，就可以根据密度公式，ρ＝m/V；和圆柱体体积公式V＝π·(D/2)²·H来计算出所检测工件的几何密度，最后可把检测的结果与规定值比较，判断工件各参数是否合格，并将结果在显示屏上显示出来。

本技术方案中，作为优化，所述计算机测控装置包括计算机主机、显示器、音响和外配的打印机，所述计算机主机与显示控制模块相连，并可通过接收到的工件直径、高度、质量的数据计算工件几何密度，并将计算结果在显示器和显示屏上显示。这样，计算机测控装置在实现数据的自动采集，实时显示、处理、远程存储等功能时，还可以实现超差语音提示、查询和报表打印等功能。可实现一次定标长期测量。

作为进一步优化，所述工件定位模块由设置于电子天平上方的一个底座和套环构成，底座上方设置有一凸起的圆柱体，所述套环可拆卸地套设在圆柱体上。这样，在本发明用于测量核燃料元件二氧化轴芯块时，所述套环可以采用与芯块内径匹配的外径，使得二氧化轴芯块安装和取放均极为方便。

作为再进一步的优化，所述测量平台上方设置有矩形外框罩，所述质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块均位于矩形外框罩内，框罩上设置有框门。这样可以对上述各模块产生保护作用。

综上所述，相比于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明同时集直径检测、高度检测、质量检测为一体，使用时，圆柱体工件的直径、高度、质量测量在一个工位上完成；并同时通过计算机快速计算，得到工件的密度，具有检测快速、高效的优点，能实现数据的自动采集、实时显示、处理、远程存储、超差提示、查询和报表打印等功能。可实现一次定标长期测量。

2、本发明特别适合于使用在核电站广泛采用的核燃料元件二氧化铀芯块的参数检测，能完整、可靠、高效地快速判断出所采用的二氧化铀芯块是否合格，从而保证了核电厂生产发电的顺利、安全。

3、本发明还具有以下效果：a、每分钟可以完成8-10块及以上圆柱形工件的高度、直径和质量高精度快速测量；b、测量数据通过RS232接口送入计算机，通过自己开发的软件自动计算几何密度和相对密度；c、使用计算机对测量过程进行全程监控；d、实现数据的自动采集、实时显示、处理、远程存储、超差提示、查询和报表打印等功能；e、实现系统环境设置、用户管理及其权限的设置；f、实现相关参数的修改、分析和处理等；g、自动完成三类报告单、三项频率分布图的存储、输出和打印。

附图说明

图1是本发明装置整体结构示意图，但图中不包含可外接的计算机测控装置。

图2是图1中去掉矩形外框罩后的结构示意图。

图3是本发明装置中工件定位模块结构示意图，为清楚显示结构，图中套环为取下状态。

图4是图2中单独测量平台部分结构且去掉反射镜后的俯视图。

图5是本发明装置中计算机软件流程图。

图中，1为电子天平，2为工件定位模块，3为底座，4为套环，5为圆柱体，6为直径测量模块中的LED发射器，7为直径测量模块中的CCD接收器，8为高度测量模块中的LED发射器，9为高度检测模块中的CCD接收器，10为测量平台，11为水平调节螺母，12为水平仪，13为反射镜，14为矩形外框罩，15为框门，16为显示控制模块，17为电子天平自带的显示器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式、附图和具体实验分析对本发明的过程、原理、效果作进一步的详细说明。

具体实施时，如图1至图4所示，一种圆柱体工件多参数同步检测装置，包括：一个质量测量模块，包括一个自带显示器17的电子天平1和设置于电子天平1上的工件定位模块2；所述工件定位模块2如图3所示，由设置于电子天平1上方的一个底座3和套环4构成，底座3上方设置有一凸起的圆柱体5，所述套环4可拆卸地套设在圆柱体5上；一个直径测量模块，包括一个LED发射器6和一个CCD接收器7，所述LED发射器6和CCD接收器7水平安装于电子天平1的两端；一个高度测量模块，包括一个LED发射器8和一个CCD接收器9，所述LED发射器8和CCD接收器9竖直地水平安装于电子天平1的两端；一个测量平台10，用于安装和支撑上述质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块，测量平台10下设有三个水平调节螺母11，水平调节螺母11用于支撑测量平台10并调节测量平台10使其水平，测量平台10上设置有水平仪12和反射镜13，可通过反射镜13观察水平仪12判断测量平台10是否水平，所述测量平台10上方还设置有矩形外框罩14，所述质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块均位于矩形外框罩14内，框罩上设置有框门15；一个显示控制模块16，所述显示控制模块16主要由显示屏和控制模块组成，控制模块一端分别与质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块相连，另一端通过串口线与计算机测控装置外接相连，进行数据和指令的传输，所述计算机测控装置可通过控制模块来设置质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块，并通过显示屏进行显示。其中所述计算机测控装置包括计算机主机、显示器、音响和外配的打印机，所述计算机主机与显示控制模块16外接相连，并可通过接收到的工件直径、高度、质量的数据计算工件几何密度，并将计算结果在显示器和显示屏上显示。

下面，以检测核燃料元件二氧化铀芯块参数为实例，对上述实施方式进行进一步更加详细的说明。

如图1、图2所示，本测量装置，包括：直径测量模块、高度测量模块、质量测量模块、显示控制模块、测量平台和计算机测控装置。其中：

1、直径测量模块

测量范围：0-25.000mm

分度值：0.001mm

示值误差：0.002mm

示值重复性：0.001mm

2、高度测量模块

测量范围：0-20.000mm

分度值：0.001mm

示值误差：0.004mm

示值重复性：0.002mm

3、质量测量模块

测量范围：0-120.0000g

感量：0.001g

线性误差：≤±0.0002g

示值重复性：≤±0.0001g

4、显示控制模块

显示控制模块由显示和控制组成。显示又可分为高度直径显示和质量显示；控制也可分为高度直径测量控制和质量测量控制两个部分。

5、测量平台

测量平台10用于固定直径测量模块、高度测量模块、质量测量模块，可以通过三个呈三角形设置的水平调节螺母11调节水平，由水平仪12通过反射镜13观测是否水平。

6、计算机测控装置

计算机测控装置由计算机主机、显示器、音响和外配的打印机组成。

(1)具备以上测量模块所需数据通信接口；

(2)具备三类报告单、三项频率分布图的存储、输出和打印的功能；

(3)具备数据自动采集、实时显示、远程存储、超差提示、网络判断功能；

(4)具备用户管理、权限设置和系统环境设置功能；

(5)具备标准块标定、阈值设置等相关参数的修改、分析和处理功能。

其中，直径和高度测量模块都是由发射端和接收端组成，其中直径测量的发射器和接收器水平安装，高度测量的发射器和接收器竖直安装，采用光透过式传感器进行非接触测量，其测量分辨率可以达到0.0001mm；发射端由高亮度的LED组成，其发出的光经过准直仪投射到被测物上，通过在接收端的CCD上检测亮区与暗区边缘来测量物体的参数。质量测量模块采用分析天平进行接触测量，其测量分辨率可以达到0.0001g。直径测量模块、高度测量模块和质量测量模块分别与控制显示模块相连，控制显示模块通过串口线与计算机测控模块相连。

控制显示模块对直径测量模块、高度测量模块和质量测量模块测量得到的信号进行处理和显示，对计算机发出的指令进行处理和执行。RS232将控制显示模块处理以后得到的数据上传到计算机，同时也将计算机发出的指令传输给控制显示模块。这样，计算机就可以很容易获取所需的测量数据，并传输指令对测量硬件进行控制。

直径测量模块和高度测量模块分别测量磨削以后的芯块的直径D(mm)和高度H(mm)，质量测量模块测量芯块的质量m(g)，这样就可以计算得到芯块的几何密度。

1、直径测量：先使用标准芯块通过软件对其进行建标，消除仪器本身测量误差。将芯块放置在底座的基准平台上，对其进行绝对式非接触测量。

2、高度测量：先使用标准芯块通过软件对其进行建标，消除仪器本身测量误差。将芯块放置在底座的基准平台上，对其进行相对式非接触测量。

3、质量测量：在放入芯块之前，通过软件对电子天平进行清零操作然后将芯块放置在底座的基准平台上，对其进行接触式测量。

4、密度测量：通过前面三个数据的测量并传输到计算机，由软件进行自动计算得到。

同时，由于二氧化铀芯块自身内部还具有一个圆柱形空腔，故其密度计算公式推导为：芯块的高度为H(mm)、直径D(mm)、质量m(g)、空腔体积Vc(cm³，由另一个系统测量得到并预输入计算机内)和几何密度ρ(g/cm³)。

几何密度ρ＝m/V，而V＝3.1416HD²/4-Vc。

所以ρ＝m/V＝m/(3.1416HD²/4-Vc)。

图5反应了本发明中计算机测控装置的软件工作流程图，如其所示，本发明在使用时，其软件操作流程为，首先要登录系统，在登录的时候系统根据用户名所设置的权限来限制用户的操作范围。登录以后进入软件的主界面，包括测量界面、查询界面、报表中心、用户设置及系统设置。进入测量界面，先进行高度、直径和几何密度阈值设置，以及使用标准块定标。如果要导入上次测量的数据，可以点击“参数导入”按钮，就可以将上次退出时最后一块芯块的参数导入，进行继续测量；也可以直接输入批号，进行新的一批芯块的测量。所有参数设置完成之后，将待测芯块放置于工件定位模块上，按空格键进行数据采集和处理。如果数据不超差，就继续测量，并提示正常采集音；如果数据有超差，提示超差报警音，并以对超差数据以不同的颜色进行标识。此时可以双击有问题的数据项，进行重新采集当前数据项。完成以后点“恢复采集”之后进入正常采集。采集以后得到的数据，如果网络通畅则上传到远程服务器数据库上，否则就暂时保存于本地数据库，一旦网络通畅则将存储于本地的数据上传。进入查询界面，可以对芯块的高度直径和几何密度进行查询。进入报表中心，可以对芯块的数据形成报表并进行打印，同时可以实现数据频率分布图的显示和打印。用户设置主要实现的是对用户的权限和用户的添加删除进行管理。系统设置实现服务器IP及数据库名设置和正常采集音和超差提示音进行设置。值得指出的是，实现上述这些操作功能的软件程序，在计算机领域均属于成熟的现有技术，程序方法自身不属于申请人对现有技术作出贡献的地方，申请人对于现有技术作出贡献的地方在于将这些现有的软件程序组合起来并用于了这种申请人自主设计的检测装置中，从而实现和完善了其检测功能。

Claims

1.一种圆柱体工件多参数同步检测装置，其特征在于，包括：

一个直径测量模块，包括一个第一LED发射器和一个第一CCD接收器，所述第一LED发射器和第一CCD接收器水平安装于电子天平的两端；

一个高度测量模块，包括一个第二LED发射器和一个第二CCD接收器，所述第二LED发射器和第二CCD接收器竖直地沿同一水平面安装于电子天平的两端；

一个显示控制模块，所述显示控制模块由显示屏和控制模块组成，其一端分别与质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块相连，另一端可与计算机测控装置外接相连，所述计算机测控装置可通过控制模块来设置质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块，并通过显示屏进行显示。

2.如权利要求1所述的圆柱体工件多参数同步检测装置，其特征在于，所述计算机测控装置包括计算机主机、显示器、音响和外配的打印机，所述计算机主机与显示控制模块相连，并可通过接收到的工件直径、高度、质量的数据计算工件几何密度，并将计算结果在显示器和显示屏上显示。

3.如权利要求1或2所述的圆柱体工件多参数同步检测装置，其特征在于，所述工件定位模块由设置于电子天平上方的一个底座和套环构成，底座上方设置有一凸起的圆柱体，所述套环可拆卸地套设在圆柱体上。

4.如权利要求1或2所述的圆柱体工件多参数同步检测装置，其特征在于，所述测量平台上方设置有矩形外框罩，所述质量测量模块、直径测量模块、高度测量模块均位于矩形外框罩内，框罩上设置有框门。