專利名稱：一種圓柱體工件多參數(shù)同步檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工件參數(shù)檢測裝置，特別是一種可對圓柱體工件直徑、 高度、質(zhì)量和幾何密度進行高精度快速同步檢測的裝置。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外核電站廣泛采用二氧化鈾芯塊作為核燃料元件，為保證反 應(yīng)堆安全運行，對核燃料元件制定了非常嚴(yán)格的質(zhì)量指標(biāo)。在諸多質(zhì)量指標(biāo) 中，芯塊的高度、直徑、幾何密度等參數(shù)占有非常重要的地位。這是因為， 核燃料芯塊的幾何尺寸決定芯塊和包殼管的結(jié)合狀態(tài)，包殼和芯體的間隙以 及芯棒在包殼中的位置對稱性，將影響核燃料的導(dǎo)熱和徑向溫度的分布以及 輻照效應(yīng)，同時，核燃料芯塊的幾何密度是影響熱導(dǎo)率、反應(yīng)性和抗震性至 關(guān)重要的因素。所以，為了控制反應(yīng)堆的傳熱和反應(yīng)性以及便于更換元件， 核燃料芯塊的幾何尺寸和幾何密度必須控制在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。因此，建立一套 完整、可靠、高效的測量系統(tǒng)是十分重要的課題。目前，對圓柱體工件特別 是核燃料芯塊的高度、直徑和幾何密度的測量方式主要為分工位用光柵傳感 器接觸式方式進行測量幾何尺寸、用電子天平稱量。該方法主要存在以下問
題1、光柵測量頭運動速度不好控制，影響測量結(jié)果。2、側(cè)頭定標(biāo)次數(shù)較 多，測量精度不夠高。3、芯塊各個參數(shù)需分分工位開量，費時耗力。4、無 法滿足大生產(chǎn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供 一種高效、快速的圓柱體工件的直徑、高度、質(zhì)量及幾何密度的高精度快速測量裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明中采用了如下的技術(shù)方案一種圓柱體工件多參數(shù)同步檢測裝置，其特點在于，包括一個質(zhì)量測量模塊，包括一個電子天平和設(shè)置于電子天平上的工件定位模塊；
一個直徑測量模塊，包括一個LED發(fā)射器和一個CCD接收器，所述LED發(fā)射器和CCD接收器水平安裝于電子天平的兩端；
一個高度測量模塊，包括一個LED發(fā)射器和一個CCD接收器，所述LED發(fā)射器和CCD接收器豎直地水平安裝于電子天平的兩端；
一個測量平臺，用于安裝和支撐上述質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊，測量平臺下設(shè)有三個水平調(diào)節(jié)螺母，水平調(diào)節(jié)螺母用于支撐測量平臺并調(diào)節(jié)測量平臺使其水平，測量平臺上設(shè)置有水平儀和反射鏡，可由水平儀通過反射鏡觀測測量平臺是否水平；
一個顯示控制模塊，所述顯示控制模塊由顯示屏和控制模塊組成，其一端分別與質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊相連并對其進行控制，另一端可通過串口線與計算機測控裝置外接相連，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸，所述計算機測控裝置可通過控制模塊來設(shè)置質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊，并通過顯示屏進行顯示。
本裝置工作時，首先調(diào)節(jié)測量平臺下方的三個呈三角形設(shè)置的水平調(diào)節(jié)螺母，通過反射鏡觀測水平儀中的水泡是否在其圓形球面的中心來判斷測量平臺是否達(dá)到水平。然后，將待測的圓柱體工件，放置于工件定位模塊上，由計算機輸入指令，控制質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊工作，其中質(zhì)量測量模塊采用高精度的電子天平，可直接讀取工件質(zhì)量；直徑測量模塊和高度測量模塊均采用光透過式傳感器進行非接觸測量，其測量分辨率可以達(dá)到0.0001mm;兩者發(fā)射端均由高亮度的LED組成，其發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直儀投射到被測物上，通過在接收端的CCD上檢測亮區(qū)與暗區(qū)邊緣來測量物體的參數(shù)。具體測量過程為直徑測量模塊是由水平安裝的發(fā)射端發(fā)出的平行光，投射到被測物體上，接收端通過CCD檢測亮區(qū)與暗區(qū)的邊緣，通過數(shù)據(jù)處理計算出暗區(qū)的大小，從而獲得工件的直徑參數(shù)；高度測量模塊，其測量時，先使用已知高度的標(biāo)準(zhǔn)塊進行定標(biāo)，是先將標(biāo)準(zhǔn)塊安裝在工件定位模
塊上，由豎直安裝的發(fā)射端發(fā)出平行光，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)塊，投射到豎直安裝的CCD 上，通過檢測亮區(qū)與暗區(qū)邊緣的位置，然后將此位置到CCD底部的距離標(biāo)定 為標(biāo)準(zhǔn)塊的高度。然后再取下標(biāo)準(zhǔn)塊，將待測物體安裝在工件定位模塊上， 這樣當(dāng)待測物體放置于工件定位模塊上時，通過檢測亮區(qū)與暗區(qū)的位置相對 于標(biāo)準(zhǔn)塊的位置來獲得待測物體的準(zhǔn)確高度參數(shù)。上述檢測到的參數(shù)，輸入 計算機后，計算機根據(jù)檢測到的工件直徑D，高度H，質(zhì)量M，就可以根據(jù)密 度公式，P=m/V;和圓柱體體積公式V二" "D/2) 、H來計算出所檢測工件 的幾何密度，最后可把檢測的結(jié)果與規(guī)定值比較，判斷工件各參數(shù)是否合格， 并將結(jié)果在顯示屏上顯示出來。
本技術(shù)方案中，作為優(yōu)化，所述計算機測控裝置包括計算機主機、顯示 器、音響和外配的打印機，所述計算機主機與顯示控制模塊相連，并可通過 接收到的工件直徑、高度、質(zhì)量的數(shù)據(jù)計算工件幾何密度，并將計算結(jié)果在 顯示器和顯示屏上顯示。這樣，計算機測控裝置在實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，實 時顯示、處理、遠(yuǎn)程存儲等功能時，還可以實現(xiàn)超差語音提示、查詢和報表 打印等功能?？蓪崿F(xiàn)一次定標(biāo)長期測量。
作為進一步優(yōu)化，所述工件定位模塊由設(shè)置于電子天平上方的一個底座 和套環(huán)構(gòu)成，底座上方設(shè)置有一凸起的圓柱體，所述套環(huán)可拆卸地套設(shè)在圓 柱體上。這樣，在本發(fā)明用于測量核燃料元件二氧化軸芯塊時，所述套環(huán)可 以采用與芯塊內(nèi)徑匹配的外徑，使得二氧化軸芯塊安裝和取放均極為方便。
作為再進一步的優(yōu)化，所述測量平臺上方設(shè)置有矩形外框罩，所述質(zhì)量 測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊均位于矩形外框罩內(nèi)，框罩上設(shè)置 有框門。這樣可以對上述各模塊產(chǎn)生保護作用。
綜上所述，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1、本發(fā)明同時集直徑檢測、高度檢測、質(zhì)量檢測為一體，使用時，圓柱 體工件的直徑、高度、質(zhì)量測量在一個工位上完成；并同時通過計算機快速 計算，得到工件的密度，具有檢測快速、高效的優(yōu)點，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采 集、實時顯示、處理、遠(yuǎn)程存儲、超差提示、査詢和報表打印等功能?？蓪?、 本發(fā)明特別適合于使用在核電站廣泛采用的核燃料元件二氧化鈾芯塊 的參數(shù)檢測，能完整、可靠、高效地快速判斷出所采用的二氧化鈾芯塊是否 合格，從而保證了核電廠生產(chǎn)發(fā)電的順利、安全。
3、 本發(fā)明還具有以下效果a、每分鐘可以完成8-10塊及以上圓柱形工 件的高度、直徑和質(zhì)量高精度快速測量；b、測量數(shù)據(jù)通過RS232接口送入計 算機，通過自己開發(fā)的軟件自動計算幾何密度和相對密度；c、使用計算機對 測量過程進行全程監(jiān)控；d、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、實時顯示、處理、遠(yuǎn)程存 儲、超差提示、查詢和報表打印等功能；e、實現(xiàn)系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置、用戶管理及 其權(quán)限的設(shè)置；f、實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的修改、分析和處理等；g、自動完成三類報 告單、三項頻率分布圖的存儲、輸出和打印。


圖1是本發(fā)明裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖，但圖中不包含可外接的計算機測控 裝置。
圖2是圖1中去掉矩形外框罩后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明裝置中工件定位模塊結(jié)構(gòu)示意圖，為清楚顯示結(jié)構(gòu)，圖中 套環(huán)為取下狀態(tài)。
圖4是圖2中單獨測量平臺部分結(jié)構(gòu)且去掉反射鏡后的俯視圖。 圖5是本發(fā)明裝置中計算機軟件流程圖。
圖中，l為電子天平，2為工件定位模塊，3為底座，4為套環(huán)，5為圓柱 體，6為直徑測量模塊中的LED發(fā)射器，7為直徑測量模塊中的CCD接收器， 8為高度測量模塊中的LED發(fā)射器，9為高度檢測模塊中的CCD接收器，10 為測量平臺，11為水平調(diào)節(jié)螺母，12為水平儀，13為反射鏡，14為矩形外 框罩，15為框門，16為顯示控制模塊，17為電子天平自帶的顯示器。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施方式
、附圖和具體實驗分析對本發(fā)明的過程、原理、 效果作進一步的詳細(xì)說明。
具體實施時，如圖1至圖4所示， 一種圓柱體工件多參數(shù)同步檢測裝置，包括 一個質(zhì)量測量模塊，包括一個自帶顯示器17的電子天平1和設(shè)置于電子天平1上的工件定位模塊2;所述工件定位模塊2如圖3所示，由設(shè)置于電
子天平1上方的一個底座3和套環(huán)4構(gòu)成，底座3上方設(shè)置有一凸起的圓柱體5，所述套環(huán)4可拆卸地套設(shè)在圓柱體5上； 一個直徑測量模塊，包括一個LED發(fā)射器6和一個CCD接收器7，所述LED發(fā)射器6和CCD接收器7水平安裝于電子天平l的兩端； 一個高度測量模塊，包括一個LED發(fā)射器8和一個CCD接收器9，所述LED發(fā)射器8和CCD接收器9豎直地水平安裝于電子天平1的兩端； 一個測量平臺10，用于安裝和支撐上述質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊，測量平臺lO下設(shè)有三個水平調(diào)節(jié)螺母ll，水平調(diào)節(jié)螺母11用于支撐測量平臺10并調(diào)節(jié)測量平臺10使其水平，測量平臺10上設(shè)置有水平儀12和反射鏡13，可通過反射鏡13觀察水平儀12判斷測量平臺10是否水平，所述測量平臺10上方還設(shè)置有矩形外框罩14，所述質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊均位于矩形外框罩14內(nèi)，框罩上設(shè)置有框門15; —個顯示控制模塊16，所述顯示控制模塊16主要由顯示屏和控制模塊組成，控制模塊一端分別與質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊相連，另一端通過串口線與計算機測控裝置外接相連，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸，所述計算機測控裝置可通過控制模塊來設(shè)置質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊，并通過顯示屏進行顯示。其中所述計算機測控裝置包括計算機主機、顯示器、音響和外配的打印機，所述計算機主機與顯示控制模塊16外接相連，并可通過接收到的工件直徑、高度、質(zhì)量的數(shù)據(jù)計算工件幾何密度，并將計算結(jié)果在顯示器和顯示屏上顯示。
下面，以檢測核燃料元件二氧化鈾芯塊參數(shù)為實例，對上述實施方式進行進一步更加詳細(xì)的說明。
如圖l、圖2所示，本測量裝置，包括直徑測量模塊、高度測量模塊、質(zhì)量測量模塊、顯示控制模塊、測量平臺和計算機測控裝置。其中
1、直徑測量模塊
測量范圍0-25.000mm
分度值O.OOlmm
示tt誤差0.002mm示值重復(fù)性0.00lmm
2、 高度測量模塊 測量范圍0-20.000mm 分度值O.OOlmm 示值誤差0.004mm 示值重復(fù)性0.002mm
3、 質(zhì)量測量模塊 測量范圍0-120.0000g 感量O.OOlg 線性誤差《士0.0002g 示值重復(fù)性《士0.0001g
4、 顯示控制模塊
顯示控制模塊由顯示和控制組成。顯示又可分為高度直徑顯示和質(zhì)量顯
示；控制也可分為高度直徑測量控制和質(zhì)量測量控制兩個部分。
測量平臺10用于固定直徑測量模塊、高度測量模塊、質(zhì)量測量模塊，可 以通過三個呈三角形設(shè)置的水平調(diào)節(jié)螺母11調(diào)節(jié)水平，由水平儀12通過反 射鏡13觀測是否水平。
6、計算機測控裝置
計算機測控裝置由計算機主機、顯示器、音響和外配的打印機組成。
(1) 具備以上測量模塊所需數(shù)據(jù)通信接口 ；
(2) 具備三類報告單、三項頻率分布圖的存儲、輸出和打印的功能；
(3) 具備數(shù)據(jù)自動采集、實時顯示、遠(yuǎn)程存儲、超差提示、網(wǎng)絡(luò)判斷功能;
(4) 具備用戶管理、權(quán)限設(shè)置和系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置功能；
(5) 具備標(biāo)準(zhǔn)塊標(biāo)定、閾值設(shè)置等相關(guān)參數(shù)的修改、分析和處理功能。 其中，直徑和高度測量模塊都是由發(fā)射端和接收端組成，其中直徑測量
的發(fā)射器和接收器水平安裝，高度測量的發(fā)射器和接收器豎直安裝，采用光 透過式傳感器進行非接觸測量，其測量分辨率可以達(dá)到0.0001mm;發(fā)射端由 高亮度的LED組成，其發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直儀投射到被測物上，通過在接收端的CCD上檢測亮區(qū)與暗區(qū)邊緣來測量物體的參數(shù)。質(zhì)量測量模塊采用分析天平進行接觸測量，其測量分辨率可以達(dá)到0.0001g。直徑測量模塊、高度測量模塊和質(zhì)量測量模塊分別與控制顯示模塊相連，控制顯示模塊通過串口線與計算機測控模塊相連。
控制顯示模塊對直徑測量模塊、高度測量模塊和質(zhì)量測量模塊測量得到的信號進行處理和顯示，對計算機發(fā)出的指令進行處理和執(zhí)行。RS232將控制顯示模塊處理以后得到的數(shù)據(jù)上傳到計算機，同時也將計算機發(fā)出的指令傳輸給控制顯示模塊。這樣，計算機就可以很容易獲取所需的測量數(shù)據(jù)，并傳輸指令對測量硬件進行控制。
直徑測量模塊和高度測量模塊分別測量磨削以后的芯塊的直徑D(mm)和高度H(mm),質(zhì)量測量模塊測量芯塊的質(zhì)量m(g)，這樣就可以計算得到芯塊的幾何密度。
1、 直徑測量先使用標(biāo)準(zhǔn)芯塊通過軟件對其進行建標(biāo)，消除儀器本身測量誤差。將芯塊放置在底座的基準(zhǔn)平臺上，對其進行絕對式非接觸測量。
2、 高度測量先使用標(biāo)準(zhǔn)芯塊通過軟件對其進行建標(biāo)，消除儀器本身測量誤差。將芯塊放置在底座的基準(zhǔn)平臺上，對其進行相對式非接觸測量。
3、 質(zhì)量測量在放入芯塊之前，通過軟件對電子天平進行清零操作然后
將芯塊放置在底座的基準(zhǔn)平臺上，對其進行接觸式測量。
4、 密度測量通過前面三個數(shù)據(jù)的測量并傳輸?shù)接嬎銠C，由軟件進行自
動計算得到。
同時，由于二氧化鈾芯塊自身內(nèi)部還具有一個圓柱形空腔，故其密度計
算公式推導(dǎo)為芯塊的高度為H(mm)、直徑D (mm)、質(zhì)量m(g)、空腔體積Vc(cm 由另一個系統(tǒng)測量得到并預(yù)輸入計算機內(nèi))和幾何密度P (g/cm3)。
幾何密度P-m/V，而V=3.1416HD2/4-Vc。
所以P =m/V=m/(3.1416HD2/4-Vc)。
圖5反應(yīng)了本發(fā)明中計算機測控裝置的軟件工作流程圖，如其所示，本發(fā)明在使用時，其軟件操作流程為，首先要登錄系統(tǒng)，在登錄的時候系統(tǒng)根據(jù)用戶名所設(shè)置的權(quán)限來限制用戶的操作范圍。登錄以后進入軟件的主界面，包括測量界面、査詢界面、報表中心、用戶設(shè)置及系統(tǒng)設(shè)置。進入測量界面，先進行高度、直徑和幾何密度閾值設(shè)置，以及使用標(biāo)準(zhǔn)塊定標(biāo)。如果要導(dǎo)入 上次測量的數(shù)據(jù)，可以點擊"參數(shù)導(dǎo)入"按鈕，就可以將上次退出時最后一
塊芯塊的參數(shù)導(dǎo)入，進行繼續(xù)測量；也可以直接輸入批號，進行新的一批芯 塊的測量。所有參數(shù)設(shè)置完成之后，將待測芯塊放置于工件定位模塊上，按 空格鍵進行數(shù)據(jù)采集和處理。如果數(shù)據(jù)不超差，就繼續(xù)測量，并提示正常采 集音；如果數(shù)據(jù)有超差，提示超差報警音，并以對超差數(shù)據(jù)以不同的顏色進 行標(biāo)識。此時可以雙擊有問題的數(shù)據(jù)項，進行重新采集當(dāng)前數(shù)據(jù)項。完成以 后點"恢復(fù)采集"之后進入正常采集。采集以后得到的數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)絡(luò)通暢 則上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫上，否則就暫時保存于本地數(shù)據(jù)庫， 一旦網(wǎng)絡(luò)通 暢則將存儲于本地的數(shù)據(jù)上傳。進入査詢界面，可以對芯塊的高度直徑和幾 何密度進行査詢。進入報表中心，可以對芯塊的數(shù)據(jù)形成報表并進行打印， 同時可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)頻率分布圖的顯示和打印。用戶設(shè)置主要實現(xiàn)的是對用戶 的權(quán)限和用戶的添加刪除進行管理。系統(tǒng)設(shè)置實現(xiàn)服務(wù)器IP及數(shù)據(jù)庫名設(shè)置 和正常采集音和超差提示音進行設(shè)置。值得指出的是，實現(xiàn)上述這些操作功 能的軟件程序，在計算機領(lǐng)域均屬于成熟的現(xiàn)有技術(shù)，程序方法自身不屬于 申請人:對現(xiàn)有技術(shù)作出貢獻(xiàn)的地方，申請人對于現(xiàn)有技術(shù)作出貢獻(xiàn)的地方在 于將這些現(xiàn)有的軟件程序組合起來并用于了這種申請人自主設(shè)計的檢測裝置 中，從而實現(xiàn)和完善了其檢測功能。
權(quán)利要求
1、一種圓柱體工件多參數(shù)同步檢測裝置，其特征在于，包括一個質(zhì)量測量模塊，包括一個電子天平和設(shè)置于電子天平上的工件定位模塊；一個直徑測量模塊，包括一個LED發(fā)射器和一個CCD接收器，所述LED發(fā)射器和CCD接收器水平安裝于電子天平的兩端；一個高度測量模塊，包括一個LED發(fā)射器和一個CCD接收器，所述LED發(fā)射器和CCD接收器豎直地水平安裝于電子天平的兩端；一個測量平臺，用于安裝和支撐上述質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊，測量平臺下設(shè)有三個水平調(diào)節(jié)螺母，水平調(diào)節(jié)螺母用于支撐測量平臺并調(diào)節(jié)測量平臺使其水平，測量平臺上設(shè)置有水平儀和反射鏡，可由水平儀通過反射鏡觀測測量平臺是否水平；一個顯示控制模塊，所述顯示控制模塊由顯示屏和控制模塊組成，其一端分別與質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊相連，另一端可與計算機測控裝置外接相連，所述計算機測控裝置可通過控制模塊來設(shè)置質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊，并通過顯示屏進行顯示。
2、 如權(quán)利要求l所述的圓柱體工件多參數(shù)同步檢測裝置，其特征在于， 所述計算機測控裝置包括計算機主機、顯示器、音響和外配的打印機，所述 計算機主機與顯示控制模塊相連，并可通過接收到的工件直徑、高度、質(zhì)量 的數(shù)據(jù)計算工件幾何密度，并將計算結(jié)果在顯示器和顯示屏上顯示。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的圓柱體工件多參數(shù)同步檢測裝置，其特征在 于，所述工件定位模塊由設(shè)置于電子天平上方的一個底座和套環(huán)構(gòu)成，底座 上方設(shè)置有一凸起的圓柱體，所述套環(huán)可拆卸地套設(shè)在圓柱體上。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的圓柱體工件多參數(shù)同步檢測裝置，其特征在 于，所述測量平臺上方設(shè)置有矩形外框罩，所述質(zhì)量測量模塊、直徑測量模 塊、高度測量模塊均位于矩形外框罩內(nèi)，框罩上設(shè)置有框門。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圓柱體工件多參數(shù)同步檢測裝置，包括測量平臺，設(shè)置于測量平臺上的直徑測量模塊、高度測量模塊、質(zhì)量測量模塊，以及顯示控制模塊，所述顯示控制模塊一端分別與質(zhì)量測量模塊、直徑測量模塊、高度測量模塊相連并對其進行控制，另一端可與計算機測控裝置外接相連。本裝置每分鐘可以完成8-10塊及以上圓柱形工件的高度、直徑和質(zhì)量高精度同步測量，測量數(shù)據(jù)通過RS232接口送入計算機，通過自己開發(fā)的軟件自動計算幾何密度和相對密度并顯示，對超差數(shù)據(jù)進行報警提示。硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件操作方便。
文檔編號G01B11/08GK101660897SQ20091019090
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者廖品真, 林曉鋼, 郭永彩, 潮 高 申請人:重慶大學(xué)