核燃料元件管座上格板自动测量方法

孙华露

（中核建中核燃料元件有限公司， 四川 宜宾 644000）

0 引言

三坐标测量机是随着计算机、传感器和机床技术的飞速发展而产生的一种高效、高精度、高智能的测量仪器。 它采用坐标测量的原理，在计算机软件控制和驱动下，完成对工件几何尺寸和形位公差的数据采集和处理的高度机电一体化的自动测量仪器。 任何形状的工件都是由空间点组成，所有的几何测量都可以归结为空间点坐标的采集，因此精确进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。 三坐标测量机原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些坐标数值经过计算机数据处理，拟合成测量元素，如点、线、面、圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何测量数据。

1 管座上格板

1.1 管座上格板结构图及尺寸技术要求

管座上格板结构图见图1，尺寸技术要求见表1。

表1 管座上格板尺寸技术要求（部分）

1.2 上格板的检测难点

（1）其形状结构非常复杂，需要检测的线性尺寸、形位公差等项目非常多。

（2）孔分布复杂，如M 孔，部分M 孔分布有规律、部分M 孔分布无规律。

（3）三坐标高级编程难度大，如：在循环语句的使用中，循环中套循环再套循环的三重循环，三重循环中再插入相关的条件语句、跳转语句及各种需要的变量赋值、数据计算、子程序、函数应用等。

（4）在测量完一个象限进而旋转坐标系后，程序中被测元素的理论值和目标值中的矢量（I，j，k）正常，但其实际值的矢量（I，j，k）数字却自动发生了变化，编程时不仔细观察难以找到问题之所在， 以致于无法实现坐标系旋转从而导致程序无法正常运行。

2 三坐标的编程

2.1 三坐标编程前的准备

（1）三坐标平台及相关夹具清理干净，目测上格板零部件有无毛刺、锐边、水迹等异物，保证其清洁无异物。

（2）检验室温度保持在20℃±2℃、相对湿度保持在25%～75%，使量具和被测零部件温度保持一致。

（3）打开三坐标测量机，打开PC-DMIS 软件，并回零。

（4）把方箱放于三坐标平台上，将上格板零部件按一定位置放于方箱上，并用夹具将其固定。

2.2 常用的高级编程语句

主要有：赋值语句、特征/评价数据的引用、条件判断语 句 （IF/END IF、ELSE IF/END ELSE IF、ELSE/END ELSE、WHILE/END WHILE、DO/UNTIL、SELECT/END SELECT、CESE/END CASE、DEFAULT CASE/END DEFAULT CASE）、跳转语句、循环语句、数据计算、三角函数/反三角函数、最大值/最小值函数、读/写外部文件数据、子程序、数组。 （其详细功能可见PC-DMIS 参考手册-下册）

2.3 工件总体编程思路

此零部件整体形状是正六边形，将大部分有规律分布的ϕ5.8 的A 孔和ϕ8.5 的M 孔放在一起编程，我们可以对此正六边形六等分， 且相邻象限间旋转坐标系60°能重合。 按照技术要求，当是首件的时候对其全部尺寸测量， 当不是首件的时候随机抽检其六分之一尺寸，只需编制其中一份的程序，再顺时针旋转坐标系，每次旋转60°，共旋转5 次便测完有规律分布的所有尺寸，一小部分无规律的A 孔、M 孔尺寸单独编程； 其他如、R 孔、仪表管孔、E 孔、D 孔、大、小翼板槽等，可用调用子程序或者读/写外部文件数据等进行测量程序编制。按照面确定Z 轴法线方向、线确定X 轴法线方向、点确定坐标原点的方法建立坐标系，编程模拟运行图如图2（a）、图2（b）所示。

图2 编程模拟运行图

2.4 M 孔、A 孔测量流程图

M 孔、A 孔测量流程图见图3。

图3 流程图

2.5 数据审阅

测量完毕，便在数据保存设定的位置打开上格板数据报告， 并审阅。如果孔径在三坐标检测仪检查时超出技术要求，但用光滑极限量规检查合格，则应判合格。

3 数据分析

根据GB/T 3177—2009 《产品几何技术规范（GPS）光滑工件尺寸的检验》的相关技术要求，根据孔径大小、公差等级查得目标不确定度允许值u 值，M 孔为0.054mm，A 孔为0.045mm。若通过实验数据计算出扩展不确定度U小于目标不确定度允许值U 值，则满足测量要求。

三坐标测量机经过校准，并证明MPE 值符合技术要求； 按B 类不确定度评定， 最大允许示值误差MPE 为：2.0+3.0L/1000um；选定MPE 之值为2um；因此变化限aEC为：aEC=2um

为安全起见，假定为矩形分布，即b=0.6，于是其不确定度分量为：

（1）uRA——重复性。

按A 类不确定度评定，在同一位置，同一检验员，在相同外界光照条件下， 极短时间内对同一工件连续重复测量10 次（n=10），其不确定分量按式（1）样本平均值的标准偏差公式计算。

（2）uRB——再现性。

按A 类不确定度评定，指测量位置变动，不同的检验员，不同的外界光照条件，不同的时间段，对同一工件分别测量10 次（n=10），其不确定分量按式（1）样本平均值的标准偏差公式计算，算得其不确定度分量uRB。

（3）合成标准不确定度。

（4）扩展不确定度。

（5）按式（2）、（3）进行测量和计算，其扩展不确定度U 见表2。

表2 不确定度测量结果

从表2 可以看出，U＜UT，即扩展不确定度小于0.03mm，故远远满足测量要求。

4 结论

（1）三坐标的检测，极大提高了检测效率。 高级编程语句的使用，使简短的程序完成复杂、庞大的零部件尺寸测量，且方便测量程序的调试、优化和维护进而提高编程效率。

（2）当核品零部件形状是能等分的正多边形，且相邻等分通过旋转能重合，都可以用旋转坐标系的方法进行编程，只需编写其中一部分的程序，通过旋转坐标系，三坐标可自动测出其它部分的元素，提高了编程人员编程效率。

（3）程序运行时，针对被测元素实际值的矢量（I，j，k）数字在旋转坐标系后，总是自动发生变化导致坐标系无法正常旋转的问题；在此用到赋值语句，对矢量（I，j，k）的数字赋值，多次实践证明，赋值处理后，程序能正常运行。