UO2芯块垂直度检测系统及其检测方法与流程

本发明涉及产品检测技术领域，尤其涉及一种柱状结构的UO₂芯块的端面与轴心线的垂直度的检测系统及其检测方法。

背景技术：

在核燃料的生产加工过程中，UO₂(燃料)芯块与包壳管之间的间隙是影响核燃料芯块温度的重要因素。由于燃料芯块整体呈圆柱形，其两端具有凹槽而使两端面呈环形，燃料芯块端面与轴心线的垂直度直接影响着核燃料芯块与包壳管之间的间隙测量的精确度，因此，在UO₂芯块的生产过程中，对芯块进行垂直度精度检测尤为重要。

传统的检测方法主要有：套筒法、V形支承座法、心轴法等。为实现燃料芯块垂直度的快速、高精度自动化检测，目前采用最多的是V形支承座法，该方法主要采用的检测装置包括底座、支架、旋转台、二维移动台、倾斜台、升降台、V形定位块、紧固螺钉以及光栅位移传感器；测量时，先将被测核燃料芯块置于升降台上，利用紧固螺钉和V形定位块将其固定，确保被测芯块随旋转台回转时光栅位移传感器的测量头始终以一定的应力接触芯块被测环形端面；其次，步进电机驱动旋转台带动燃料芯块回转，回转过程中，光栅位移传感器不停地将各测点相对于基准点的位移量以电压的形式传入外围转换电路，再转换成位移值，最大与最小位移值之差即为燃料芯块垂直度的测量值。

但对于检测装置中的升降台，其台面本身的平整度以及核燃料芯块与升降台台面相接触的一端的端面的平整度，都会给测量带来极大的误差，从而造成测量精度较低；并且，在测量过程中，每次只能测量一块核燃料芯块，使得测量过程较慢，测量效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决现有技术中UO₂芯块垂直度测量精确度低，测量效率低的问题，提供一种UO₂芯块垂直度检测系统及其检测方法，能够快速对UO₂芯块进行检测，并且同时对多个UO₂芯块进行检测，从而大大提高UO₂芯块的检测效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种UO₂芯块垂直度检测系统，包括上位机和检测装置，其特征在于：所述检测装置包括长方形底座，在底座上沿其长度方向设有一导轨，在导轨上配合设有一滑台，该滑台的上侧面为平面；在导轨的一端安装有一步进电机，该步进电机的输出轴与一丝杆相连，该丝杆位于导轨上方，且其长度方向与导轨的长度方向一致，所述滑台对应该丝杆设有贯穿滑台的螺孔，并通过该螺孔与丝杆配合在一起，通过步进电机能够带动滑台沿丝杆的长度方向移动；

在滑台上侧面设有一芯块定位装置，该芯块定位装置包括支撑座和压紧支架，所述支撑座与滑台固定连接，其长度方向与滑台的长度方向一致，在支撑座上沿其长度方向设置有若干个贯穿定位座两侧的V形定位槽，该定位槽的长度方向与支撑座的长度方向垂直；所述压紧支架包括两立柱和一压紧杆，其中，两立柱安装于滑台上，并分别位于支撑座的两端，所述压紧杆的一端与其中一根立柱铰接，在另一根立柱上方设有一限位槽，当压紧杆的自由端转动至该立柱上方时，能够进入该限位槽内；在限位槽一侧设有一定位销，在压紧杆及限位槽的另一侧，对应该定位销设有定位孔，当压紧杆进入限位槽后，能够通过该定位销对压紧杆进行定位；在压紧杆上，对应各定位槽分别设有一弹性压紧柱，所述压紧柱从上至下穿过压紧杆，其上部与压紧杆螺纹连接，下部伸入定位槽内；

在导轨中部的两侧的对应位置分别设有一线式激光扫描器，所述线式激光扫描器的激光头能够与定位槽正对，其发出的激光光束所在平面为竖直平面，并与V型定位槽的断面垂直；

所述上位机经驱动器后与步进电机相连，两线式激光扫描器的数据输出端同时与上位机相连。

进一步地，所述导轨上沿其长度方向设有贯穿其两端的导向槽，所述滑台的下侧面，对应该导向槽设有与之配合的滑块。

进一步地，所述压紧柱包括套管和压柱，所述套管的上端为封闭结构，且在套管的外壁上设有螺纹；所述压柱的上端从套管的下端伸入套管内，在压柱的上端与套管的上端之间设有一弹簧，该弹簧的两端分别与套管和压柱固定连接。

一种上述的UO₂芯块垂直度检测系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将数个待测UO₂芯块放置于芯块定位装置的支撑座上，并通过压紧支架将待测UO₂芯块压紧固定；

2)通过上位机控制步进电机转动，带动芯块定位装置以设定的速度从线式激光扫描器的一侧移动到另一侧；在芯块定位装置移动过程中，两线式激光扫描器同步对待测UO₂芯块的端面进行扫描检测，并将检测到的数据传送至上位机；

3)上位机接收到两线式激光扫描器采集的数据后，通过数据处理系统进行数据处理，得到待测UO₂芯块的端面与轴心线的垂直度。

进一步地，步骤3)中，数据处理过程如下：

a、数据处理系统启动后，向数据处理系统输入两线式激光扫描器采集的数据；

b、判断输入的数据块是否偏置：若数据块偏置，则对数据库进行偏置处理，其中，所述数据库为线式激光扫描器采集的待测UO₂芯块的一个端面的数据集合，该数据集合为一个二维的数据矩阵；

c、对数据块中的数据依次进行霍夫变换去除无关点处理和3δ原则去除杂散数据点处理；

d、对待测UO₂芯块的轴心线进行自适应校准；

e、对数据进行贝塞尔曲线拟合；

f、最后，根据贝塞尔曲线换算出待测UO2芯块的端面与轴心线之间的垂直度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、检测方便、快捷，并且能够一次性检测多个UO2芯块，从而大大提高检测效率。

2、测量数据受外界影响更小，从而大大降低测量过程中带来的测量误差，提高测量准确度。

3、在垂直度解算过程中，对数据的处理更好，从而使得到的垂直度准确度更高。

附图说明

图1为本发明检测装置的侧视图。

图2为本发明检测装置的俯视图。

图3为芯块定位装置的结构示意图。

图4为扫描原理图。

图5为数据处理系统的处理流程图。

图6为3δ处理原理图。

图7为拟合曲线图。

图中：1—底座，2—导轨，3—滑台，4—步进电机，5—芯块定位装置，51—支撑座，52—立柱，53—压紧杆，54—弹性压紧柱，6—线式激光扫描器，7—待测UO₂芯块。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1—图4，一种UO₂芯块垂直度检测系统，包括上位机和检测装置，所述检测装置包括长方形底座1，在底座1上沿其长度方向设有一导轨2，在导轨2上配合设有一滑台3，该滑台3的上侧面为平面；具体实施时，所述导轨2上沿其长度方向设有贯穿其两端的导向槽，所述滑台3的下侧面，对应该导向槽设有与之配合的滑块，这样，滑台3的滑动距离范围更大，受导轨2的影响更小。在导轨2的一端安装有一步进电机4，该步进电机4的输出轴与一丝杆相连；该丝杆位于导轨2上方，且其长度方向与导轨2的长度方向一致。所述滑台3对应该丝杆设有贯穿滑台3的螺孔，并通过该螺孔与丝杆配合在一起，通过步进电机4能够带动滑台3沿丝杆的长度方向移动。

在滑台3上侧面设有一芯块定位装置5，该芯块定位装置5包括支撑座51和压紧支架。所述支撑座51与滑台3固定连接，其长度方向与滑台3的长度方向一致，在支撑座51上沿其长度方向设置有若干个贯穿定位座两侧的V形定位槽，该定位槽的长度方向与支撑座51的长度方向垂直。所述压紧支架包括两立柱52和一压紧杆53，其中，两立柱52安装于滑台3上，并分别位于支撑座51的两端；所述压紧杆53的一端与其中一根立柱52铰接，在另一根立柱52上方设有一限位槽，当压紧杆53的自由端转动至该立柱52上方时，能够进入该限位槽内；在限位槽一侧设有一定位销，在压紧杆53及限位槽的另一侧，对应该定位销设有定位孔，当压紧杆53进入限位槽后，能够通过该定位销对压紧杆53进行定位。在压紧杆53上，对应各定位槽分别设有一弹性压紧柱54，所述压紧柱从上至下穿过压紧杆53，其上部与压紧杆53螺纹连接，下部伸入定位槽内；其中，所述压紧柱包括套管和压柱，所述套管的上端为封闭结构，且在套管的外壁上设有螺纹；所述压柱的上端从套管的下端伸入套管内，在压柱的上端与套管的上端之间设有一弹簧，该弹簧的两端分别与套管和压柱固定连接。

在导轨2中部的两侧的对应位置分别设有一线式激光扫描器6，所述线式激光扫描器6的激光头能够与定位槽正对，其发出的激光光束所在平面为竖直平面，并与V型定位槽的断面垂直。

所述上位机经驱动器后与步进电机4相连，两线式激光扫描器6的数据输出端同时与上位机相连。

参见图5，一种基于上述UO₂芯块垂直度检测系统的检测方法，包括如下步骤：

1)将数个待测UO₂芯块7放置于芯块定位装置5的支撑座51上，并通过压紧支架将待测UO₂芯块7压紧固定。

2)通过上位机控制步进电机4转动，带动芯块定位装置5以设定的速度从线式激光扫描器6的一侧移动到另一侧；在芯块定位装置5移动过程中，两线式激光扫描器6同步对待测UO₂芯块7的端面进行扫描检测，并将检测到的数据传送至上位机。

3)上位机接收到两线式激光扫描器采集的数据后，通过数据处理系统进行数据处理，得到待测UO₂芯块7的端面与轴心线的垂直度。

步骤3)中，数据处理过程如下：

a、数据处理系统启动后，向数据处理系统输入两线式激光扫描器采集的数据。

b、判断输入的数据块是否偏置：若数据块偏置，则对数据块进行偏置处理，其中，所述数据库为线式激光扫描器采集的待测UO₂芯块的一个端面的数据集合，该数据集合为一个二维的数据矩阵(横纵坐标分别为UO₂芯块端面数据在X方向和Y方向对应的索引值)。

在偏置处理过程中，因为端面数据(有用数据，称之为数据块)处于整个数据(包括有用数据和无用数据)范围内，所以首先求取端面数据(数据块)的平均纵向索引然后确定在整个纵向索引范围(Y_min,Y_max)所在位置，根据二者之间的关系即能判断数据块的偏置情况。即，如果则数据块下偏(数据块处于所有数据区域的下方)；若数据块上偏(数据块处于所有数据区域的上方)；根据上述偏置情况，对数据块进行偏置处理，最终保证

c、对数据块中的数据依次进行霍夫变换去除无关点处理和3δ原则去除杂散数据点处理。

霍夫变换去除无关点过程中：

在x-y空间，对于点(x₀,y₀),经过这个点的直线必定满足y₀＝k*x₀+b,其中k是直线的斜率，b是直线的截距；

上式可以化成b＝y₀-k*x₀,看作是以-x₀为斜率，以y₀为截距，在k-b空间上的一个直线方程(k,b为变量)。

可见，k-b空间上的一条直线，代表了x-y空间经过特定点的所有直线，而x-y空间上的特定直线则被k-b空间上的特定点表示。

对数据块中的每一个数据点，在k-b空间中画出一条直线；在各直线的交点，我们采取“投票”(vote)的方法，即累加；换言之，如果n条直线交于一点，则该点的值为n；遍历k-b空间，寻找出现局部最大值(极值)的点(也就是局部最大n值)，这些点的坐标(k,b)就是数据块中可能出现的直线的斜率和截距；根据霍夫变换，可以求得三个局部最大n值，每一个n值对应一条直线。

根据求出的三条直线(左倒角直线、端面直线以及右倒角直线)进一步缩小端面数据范围(x_left,x_right)，从而找出环形端面的数据。

3δ原则去除杂散数据点过程中：

参见图6，对确定的范围(x_left,x_right)内的数据点，用数理统计的方法，进行端面杂点的剔除。3δ原则，即3个标准差原则，对(x_left,x_right)范围对应的数据点进行正态分布统计，并计算其标准差及平均值，去除(u-3δ,u+3δ)(其中u为平均值)以外的数据杂点，进一步保证数据的可靠性。

d、对待测UO₂芯块的轴心线进行自适应校正：

虽然检测系统初步保证了待测UO₂芯块放置后的轴心线“垂直”于两传感器的激光头；但没有绝对的垂直存在，即待测UO₂芯块的轴心线与激光头的夹角略大于90度(或略小于90度)，该角度偏差会叠加到最后的垂直度上。

上述角度偏差由V型槽的加工精度和传感器的装配精度叠加造成，该角度偏差带来的影响能够从传感器输出的数据反应出来，这也给我们提供了一种寻找中轴线倾斜的思路：由传感器数据反推。

因此，我们在已经缩小了的待测UO₂芯块的端面数据z(x,y)中，分别取x,z和y,z组成两个二维矩阵(x,z)和(y,z)，分别利用最小二乘法，正对(x,z)和(y,z)计算中轴线左右、上下倾斜程度；其中，z为传感器数据，x,y为其二维索引；利用得到的倾斜程度反过来对芯块端面数据进行补偿(结合每个数据的二维索引完成)。

e、对数据进行贝塞尔曲线拟合；

由于UO₂芯块的端面呈环形，因此，经上述步骤处理后的数据在一个近似的圆环面上，在贝塞尔曲线拟合过程中，用一个圆去近似圆环面，将圆分成4个四分之一圆弧，对每个四分之一圆弧用三阶贝塞尔曲线拟合去逼近。

首先求解第一象限的四分之一圆弧：

P(t)＝A*(60-t)*3+B*3(60-t)*2t+C*3(60-t)*2t+D*3t，(t属于[0，60])；其中A,B,C以及D为四个控制点，分别为A(0,60)，B(h,60)，C(60,h)和D(60,0)；(60为圆半径，为一种具体实施方式)

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

代入四个控制点A(0,60)，B(h,60)，C(60,h)和D(60,0)，可以求解P(30)的坐标点：

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

求解h：h＝-79.99947622；最终得到：

从此完成第一象限的四分之一圆弧；同理求解第二象限、第三象限和第四象限的四分之一圆弧。

将四个象限的圆弧拼接在一起便成了一个完整的圆，用以近似圆环面。如前所述，环形端面数据为数据块，进行贝塞尔曲线拟合而形成的圆形对应的z值即为计算垂直度所用。

f、最后，根据贝塞尔曲线换算出待测UO₂芯块的端面与轴心线之间的垂直度。

参见图7，在误差理论里，垂直度可以用两虚线之间的范围(大小)来表示，意味着两虚线之间的距离越小，垂直度越好，图中实竖线为中轴线，下方虚线为传感器的测量端面，上方虚线为与传感器测量面相平行的面(为芯块端面波动的上限)，实线为芯块端面的波动曲线。

所以端面相对于中轴线的垂直度可以换算为端面的平面度，也就是利用三阶赛贝尔曲线拟合完成的曲线(拟合的是z值的两个方向的索引值x和y)在Z轴上的最大差值(max(z)-min(z))，换言之垂直度等于三阶赛贝尔曲线拟合完成的曲线在Z轴上的最大差值。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。