本實用新型涉及產(chǎn)品檢測技術領域，尤其涉及一種柱狀結構的UO₂芯塊的端面與軸心線的垂直度的檢測系統(tǒng)。

背景技術：

在核燃料的生產(chǎn)加工過程中，UO₂(燃料)芯塊與包殼管之間的間隙是影響核燃料芯塊溫度的重要因素。由于燃料芯塊整體呈圓柱形，其兩端具有凹槽而使兩端面呈環(huán)形，燃料芯塊端面與軸心線的垂直度直接影響著核燃料芯塊與包殼管之間的間隙測量的精確度，因此，在UO₂芯塊的生產(chǎn)過程中，對芯塊進行垂直度精度檢測尤為重要。

傳統(tǒng)的檢測方法主要有：套筒法、V形支承座法、心軸法等。為實現(xiàn)燃料芯塊垂直度的快速、高精度自動化檢測，目前采用最多的是V形支承座法，該方法主要采用的檢測裝置包括底座、支架、旋轉臺、二維移動臺、傾斜臺、升降臺、V形定位塊、緊固螺釘以及光柵位移傳感器；測量時，先將被測核燃料芯塊置于升降臺上，利用緊固螺釘和V形定位塊將其固定，確保被測芯塊隨旋轉臺回轉時光柵位移傳感器的測量頭始終以一定的應力接觸芯塊被測環(huán)形端面；其次，步進電機驅動旋轉臺帶動燃料芯塊回轉，回轉過程中，光柵位移傳感器不停地將各測點相對于基準點的位移量以電壓的形式傳入外圍轉換電路，再轉換成位移值，最大與最小位移值之差即為燃料芯塊垂直度的測量值。

但對于檢測裝置中的升降臺，其臺面本身的平整度以及核燃料芯塊與升降臺臺面相接觸的一端的端面的平整度，都會給測量帶來極大的誤差，從而造成測量精度較低；并且，在測量過程中，每次只能測量一塊核燃料芯塊，使得測量過程較慢，測量效率較低。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本實用新型的目的在于怎樣解決現(xiàn)有技術中UO₂芯塊垂直度測量精確度低，測量效率低的問題，提供一種UO₂芯塊垂直度檢測系統(tǒng)，能夠快速對UO₂芯塊進行檢測，并且同時對多個UO₂芯塊進行檢測，從而大大提高UO₂芯塊的檢測效率。

為了解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是這樣的：一種UO₂芯塊垂直度檢測系統(tǒng)，包括上位機和檢測裝置，其特征在于：所述檢測裝置包括長方形底座，在底座上沿其長度方向設有一導軌，在導軌上配合設有一滑臺，該滑臺的上側面為平面；在導軌的一端安裝有一步進電機，該步進電機的輸出軸與一絲桿相連，該絲桿位于導軌上方，且其長度方向與導軌的長度方向一致，所述滑臺對應該絲桿設有貫穿滑臺的螺孔，并通過該螺孔與絲桿配合在一起，通過步進電機能夠帶動滑臺沿絲桿的長度方向移動；

在滑臺上側面設有一芯塊定位裝置，該芯塊定位裝置包括支撐座和壓緊支架，所述支撐座與滑臺固定連接，其長度方向與滑臺的長度方向一致，在支撐座上沿其長度方向設置有若干個貫穿定位座兩側的V形定位槽，該定位槽的長度方向與支撐座的長度方向垂直；所述壓緊支架包括兩立柱和一壓緊桿，其中，兩立柱安裝于滑臺上，并分別位于支撐座的兩端，所述壓緊桿的一端與其中一根立柱鉸接，在另一根立柱上方設有一限位槽，當壓緊桿的自由端轉動至該立柱上方時，能夠進入該限位槽內；在限位槽一側設有一定位銷，在壓緊桿及限位槽的另一側，對應該定位銷設有定位孔，當壓緊桿進入限位槽后，能夠通過該定位銷對壓緊桿進行定位；在壓緊桿上，對應各定位槽分別設有一彈性壓緊柱，所述壓緊柱從上至下穿過壓緊桿，其上部與壓緊桿螺紋連接，下部伸入定位槽內；

在導軌中部的兩側的對應位置分別設有一線式激光掃描器，所述線式激光掃描器的激光頭能夠與定位槽正對，其發(fā)出的激光光束所在平面為豎直平面，并與V型定位槽的斷面垂直；

所述上位機經(jīng)驅動器后與步進電機相連，兩線式激光掃描器的數(shù)據(jù)輸出端同時與上位機相連。

進一步地，所述導軌上沿其長度方向設有貫穿其兩端的導向槽，所述滑臺的下側面，對應該導向槽設有與之配合的滑塊。

進一步地，所述壓緊柱包括套管和壓柱，所述套管的上端為封閉結構，且在套管的外壁上設有螺紋；所述壓柱的上端從套管的下端伸入套管內，在壓柱的上端與套管的上端之間設有一彈簧，該彈簧的兩端分別與套管和壓柱固定連接。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點：

1、檢測方便、快捷，并且能夠一次性檢測多個UO2芯塊，從而大大提高檢測效率。

2、測量數(shù)據(jù)受外界影響更小，從而大大降低測量過程中帶來的測量誤差，提高測量準確度。

3、在垂直度解算過程中，對數(shù)據(jù)的處理更好，從而使得到的垂直度準確度更高。

附圖說明

圖1為本實用新型檢測裝置的側視圖。

圖2為本實用新型檢測裝置的俯視圖。

圖3為芯塊定位裝置的結構示意圖。

圖4為掃描原理圖。

圖5為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理流程圖。

圖6為3δ處理原理圖。

圖7為擬合曲線圖。

圖中：1—底座，2—導軌，3—滑臺，4—步進電機，5—芯塊定位裝置，51—支撐座，52—立柱，53—壓緊桿，54—彈性壓緊柱，6—線式激光掃描器，7—待測UO₂芯塊。

具體實施方式

下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明。

實施例：參見圖1—圖4，一種UO₂芯塊垂直度檢測系統(tǒng)，包括上位機和檢測裝置，所述檢測裝置包括長方形底座1，在底座1上沿其長度方向設有一導軌2，在導軌2上配合設有一滑臺3，該滑臺3的上側面為平面；具體實施時，所述導軌2上沿其長度方向設有貫穿其兩端的導向槽，所述滑臺3的下側面，對應該導向槽設有與之配合的滑塊，這樣，滑臺3的滑動距離范圍更大，受導軌2的影響更小。在導軌2的一端安裝有一步進電機4，該步進電機4的輸出軸與一絲桿相連；該絲桿位于導軌2上方，且其長度方向與導軌2的長度方向一致。所述滑臺3對應該絲桿設有貫穿滑臺3的螺孔，并通過該螺孔與絲桿配合在一起，通過步進電機4能夠帶動滑臺3沿絲桿的長度方向移動。

在滑臺3上側面設有一芯塊定位裝置5，該芯塊定位裝置5包括支撐座51和壓緊支架。所述支撐座51與滑臺3固定連接，其長度方向與滑臺3的長度方向一致，在支撐座51上沿其長度方向設置有若干個貫穿定位座兩側的V形定位槽，該定位槽的長度方向與支撐座51的長度方向垂直。所述壓緊支架包括兩立柱52和一壓緊桿53，其中，兩立柱52安裝于滑臺3上，并分別位于支撐座51的兩端；所述壓緊桿53的一端與其中一根立柱52鉸接，在另一根立柱52上方設有一限位槽，當壓緊桿53的自由端轉動至該立柱52上方時，能夠進入該限位槽內；在限位槽一側設有一定位銷，在壓緊桿53及限位槽的另一側，對應該定位銷設有定位孔，當壓緊桿53進入限位槽后，能夠通過該定位銷對壓緊桿53進行定位。在壓緊桿53上，對應各定位槽分別設有一彈性壓緊柱54，所述壓緊柱從上至下穿過壓緊桿53，其上部與壓緊桿53螺紋連接，下部伸入定位槽內；其中，所述壓緊柱包括套管和壓柱，所述套管的上端為封閉結構，且在套管的外壁上設有螺紋；所述壓柱的上端從套管的下端伸入套管內，在壓柱的上端與套管的上端之間設有一彈簧，該彈簧的兩端分別與套管和壓柱固定連接。

在導軌2中部的兩側的對應位置分別設有一線式激光掃描器6，所述線式激光掃描器6的激光頭能夠與定位槽正對，其發(fā)出的激光光束所在平面為豎直平面，并與V型定位槽的斷面垂直。

所述上位機經(jīng)驅動器后與步進電機4相連，兩線式激光掃描器6的數(shù)據(jù)輸出端同時與上位機相連。

參見圖5，一種基于上述UO₂芯塊垂直度檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括如下步驟：

1)將數(shù)個待測UO₂芯塊7放置于芯塊定位裝置5的支撐座51上，并通過壓緊支架將待測UO₂芯塊7壓緊固定。

2)通過上位機控制步進電機4轉動，帶動芯塊定位裝置5以設定的速度從線式激光掃描器6的一側移動到另一側；在芯塊定位裝置5移動過程中，兩線式激光掃描器6同步對待測UO₂芯塊7的端面進行掃描檢測，并將檢測到的數(shù)據(jù)傳送至上位機。

3)上位機接收到兩線式激光掃描器采集的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，得到待測UO₂芯塊7的端面與軸心線的垂直度。

步驟3)中，數(shù)據(jù)處理過程如下：

a、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)啟動后，向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸入兩線式激光掃描器采集的數(shù)據(jù)。

b、判斷輸入的數(shù)據(jù)塊是否偏置：若數(shù)據(jù)塊偏置，則對數(shù)據(jù)塊進行偏置處理，其中，所述數(shù)據(jù)庫為線式激光掃描器采集的待測UO₂芯塊的一個端面的數(shù)據(jù)集合，該數(shù)據(jù)集合為一個二維的數(shù)據(jù)矩陣(橫縱坐標分別為UO₂芯塊端面數(shù)據(jù)在X方向和Y方向對應的索引值)。

在偏置處理過程中，因為端面數(shù)據(jù)(有用數(shù)據(jù)，稱之為數(shù)據(jù)塊)處于整個數(shù)據(jù)(包括有用數(shù)據(jù)和無用數(shù)據(jù))范圍內，所以首先求取端面數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)塊)的平均縱向索引然后確定在整個縱向索引范圍(Y_min,Y_max)所在位置，根據(jù)二者之間的關系即能判斷數(shù)據(jù)塊的偏置情況。即，如果則數(shù)據(jù)塊下偏(數(shù)據(jù)塊處于所有數(shù)據(jù)區(qū)域的下方)；若數(shù)據(jù)塊上偏(數(shù)據(jù)塊處于所有數(shù)據(jù)區(qū)域的上方)；根據(jù)上述偏置情況，對數(shù)據(jù)塊進行偏置處理，最終保證

c、對數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)依次進行霍夫變換去除無關點處理和3δ原則去除雜散數(shù)據(jù)點處理。

霍夫變換去除無關點過程中：

在x-y空間，對于點(x₀,y₀),經(jīng)過這個點的直線必定滿足y₀＝k*x₀+b,其中k是直線的斜率，b是直線的截距；

上式可以化成b＝y(tǒng)₀-k*x₀,看作是以-x₀為斜率，以y₀為截距，在k-b空間上的一個直線方程(k,b為變量)。

可見，k-b空間上的一條直線，代表了x-y空間經(jīng)過特定點的所有直線，而x-y空間上的特定直線則被k-b空間上的特定點表示。

對數(shù)據(jù)塊中的每一個數(shù)據(jù)點，在k-b空間中畫出一條直線；在各直線的交點，我們采取“投票”(vote)的方法，即累加；換言之，如果n條直線交于一點，則該點的值為n；遍歷k-b空間，尋找出現(xiàn)局部最大值(極值)的點(也就是局部最大n值)，這些點的坐標(k,b)就是數(shù)據(jù)塊中可能出現(xiàn)的直線的斜率和截距；根據(jù)霍夫變換，可以求得三個局部最大n值，每一個n值對應一條直線。

根據(jù)求出的三條直線(左倒角直線、端面直線以及右倒角直線)進一步縮小端面數(shù)據(jù)范圍(x_left,x_right)，從而找出環(huán)形端面的數(shù)據(jù)。

3δ原則去除雜散數(shù)據(jù)點過程中：

參見圖6，對確定的范圍(x_left,x_right)內的數(shù)據(jù)點，用數(shù)理統(tǒng)計的方法，進行端面雜點的剔除。3δ原則，即3個標準差原則，對(x_left,x_right)范圍對應的數(shù)據(jù)點進行正態(tài)分布統(tǒng)計，并計算其標準差及平均值，去除(u-3δ,u+3δ)(其中u為平均值)以外的數(shù)據(jù)雜點，進一步保證數(shù)據(jù)的可靠性。

d、對待測UO₂芯塊的軸心線進行自適應校正：

雖然檢測系統(tǒng)初步保證了待測UO₂芯塊放置后的軸心線“垂直”于兩傳感器的激光頭；但沒有絕對的垂直存在，即待測UO₂芯塊的軸心線與激光頭的夾角略大于90度(或略小于90度)，該角度偏差會疊加到最后的垂直度上。

上述角度偏差由V型槽的加工精度和傳感器的裝配精度疊加造成，該角度偏差帶來的影響能夠從傳感器輸出的數(shù)據(jù)反應出來，這也給我們提供了一種尋找中軸線傾斜的思路：由傳感器數(shù)據(jù)反推。

因此，我們在已經(jīng)縮小了的待測UO₂芯塊的端面數(shù)據(jù)z(x,y)中，分別取x,z和y,z組成兩個二維矩陣(x,z)和(y,z)，分別利用最小二乘法，正對(x,z)和(y,z)計算中軸線左右、上下傾斜程度；其中，z為傳感器數(shù)據(jù)，x,y為其二維索引；利用得到的傾斜程度反過來對芯塊端面數(shù)據(jù)進行補償(結合每個數(shù)據(jù)的二維索引完成)。

e、對數(shù)據(jù)進行貝塞爾曲線擬合；

由于UO₂芯塊的端面呈環(huán)形，因此，經(jīng)上述步驟處理后的數(shù)據(jù)在一個近似的圓環(huán)面上，在貝塞爾曲線擬合過程中，用一個圓去近似圓環(huán)面，將圓分成4個四分之一圓弧，對每個四分之一圓弧用三階貝塞爾曲線擬合去逼近。

首先求解第一象限的四分之一圓?。?/p>

P(t)＝A*(60-t)*3+B*3(60-t)*2t+C*3(60-t)*2t+D*3t，(t屬于[0，60])；其中A,B,C以及D為四個控制點，分別為A(0,60)，B(h,60)，C(60,h)和D(60,0)；(60為圓半徑，為一種具體實施方式)

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

代入四個控制點A(0,60)，B(h,60)，C(60,h)和D(60,0)，可以求解P(30)的坐標點：

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

求解h：h＝-79.99947622；最終得到：

從此完成第一象限的四分之一圓??；同理求解第二象限、第三象限和第四象限的四分之一圓弧。

將四個象限的圓弧拼接在一起便成了一個完整的圓，用以近似圓環(huán)面。如前所述，環(huán)形端面數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)塊，進行貝塞爾曲線擬合而形成的圓形對應的z值即為計算垂直度所用。

f、最后，根據(jù)貝塞爾曲線換算出待測UO₂芯塊的端面與軸心線之間的垂直度。

參見圖7，在誤差理論里，垂直度可以用兩虛線之間的范圍(大小)來表示，意味著兩虛線之間的距離越小，垂直度越好，圖中實豎線為中軸線，下方虛線為傳感器的測量端面，上方虛線為與傳感器測量面相平行的面(為芯塊端面波動的上限)，實線為芯塊端面的波動曲線。

所以端面相對于中軸線的垂直度可以換算為端面的平面度，也就是利用三階賽貝爾曲線擬合完成的曲線(擬合的是z值的兩個方向的索引值x和y)在Z軸上的最大差值(max(z)-min(z))，換言之垂直度等于三階賽貝爾曲線擬合完成的曲線在Z軸上的最大差值。

最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。