СПОСОБ КОНТРОЛИРОВАНИЯ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО КОМПОНЕНТА, ТАКОГО КАК ЯДЕРНАЯ ТОПЛИВНАЯ ТАБЛЕТКА Российский патент 2005 года по МПК G01B11/02 G01B11/14 G01B11/26 G01B11/27 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к способу контролирования перпендикулярности плоских лицевых поверхностей цилиндрического компонента относительно оси симметрии этого компонента.

Более точно, изобретение относится к способу, обеспечивающему измерение отклонения от перпендикулярности по меньшей мере одной образующей компонента относительно одной из его лицевых поверхностей на заданной длине компонента.

Способ, согласно изобретению, можно применять во всех случаях, где требуется выполнение очень точного измерения перпендикулярности цилиндрического компонента. Предпочтительное применение относится к контролированию перпендикулярности ядерных топливных таблеток во время их изготовления.

Уровень техники

Топливные стержни, используемые в ядерных реакторах, включают в себя цилиндрические ядерные топливные таблетки, установленные конец к концу в металлической оболочке. Во время изготовления таблеток необходимо периодически контролировать их размеры и геометрическую форму, в частности их перпендикулярность, для подтверждения того, что они полностью соответствуют требуемым допускам.

В существующих производственных цехах размеры ядерных топливных таблеток измеряют с помощью механических щупов и микрометрических измерительных средств. Точность выполняемых таким образом измерений составляет порядка 20 мкм.

Кроме того, обычно контролируют перпендикулярность круговых лицевых поверхностей таблеток относительно их оси симметрии посредством зондирования. Для этого выбранную таблетку обычно устанавливают горизонтально на роликах, которые также являются горизонтальными. За счет вращения роликов или прижимного ролика вращают таблетку. Измерения проводят путем микрометрического зондирования одной из двух лицевых поверхностей таблетки. Точность выполняемых таким образом измерений сравнима с точностью измерения размеров и составляет порядка 20 мкм.

Недостатками этой обычной технологии контролирования перпендикулярности является то, что она не позволяет контролировать таблетки с уменьшенным или не существующим ободом и что она не позволяет контролировать таблетки различных диаметров без адаптации.

Сущность изобретения

Задачей данного изобретения является создание способа контролирования перпендикулярности цилиндрического компонента, такого как ядерная топливная таблетка, с получением точности измерения выше, чем в существующих способах измерения, другими словами, выше 8 мкм.

Другой задачей данного изобретения является создание способа, обеспечивающего контролирование перпендикулярности цилиндрических компонентов различного диаметра и различной длины без выполнения каких-либо изменений.

Кроме того, задачей изобретения является создание способа контролирования перпендикулярности цилиндрических компонентов, обеспечивающего получение результатов измерений, которые стабильны во времени и реализация которого совместима с выполнением операций в защитной камере с перчатками.

Согласно изобретению, предлагается способ контролирования перпендикулярности плоских лицевых поверхностей цилиндрического компонента относительно оси симметрии указанного компонента, отличающийся тем, что он содержит стадии, в которых:

устанавливают указанную лицевую поверхность компонента на фиксированную опорную плоскость так, что указанная ось симметрии проходит приблизительно через фиксированную точку отсчета указанной опорной плоскости, и

измеряют оптическим методом в по меньшей мере одной плоскости измерения, проходящей через точку отсчета и перпендикулярной опорной плоскости, отклонение от перпендикулярности по меньшей мере одной образующей компонента, находящейся в плоскости измерения, относительно указанной лицевой поверхности, при этом отклонение от перпендикулярности определяют путем оптического измерения на двух различных уровнях компонента вдоль его оси симметрии расстояния, отделяющего каждую образующую от фиксированной прямой линии отсчета, перпендикулярной опорной плоскости и находящейся в плоскости измерения, и последующего вычисления разницы между расстояниями, измеренными на каждом из двух уровней.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения любое отклонение от перпендикулярности двух образующих компонента, находящихся в плоскости измерения, определяют оптическим методом.

В этом предпочтительном варианте выполнения любое отклонение от перпендикулярности в двух плоскостях измерения, перпендикулярных друг другу, также определяют оптическим методом.

В этом случае максимальное отклонение от перпендикулярности Х_max вычисляют предпочтительно с помощью формулы

где X1 и Х2 обозначают наибольшее отклонение от перпендикулярности двух образующих в каждой из двух плоскостей измерения соответственно.

Расстояния на каждом из двух уровней предпочтительно измеряют одновременно с помощью по меньшей мере одной пары лазерных сканирующих микрометров, снабженных излучающими щелями, параллельными плоскости измерения, причем указанные щели излучают лазерные лучи, которые пересекают ось отсчета, перпендикулярную плоскости измерения, проходя через точку отсчета каждого из двух уровней.

Если измерения проводятся в двух плоскостях измерения, перпендикулярных друг другу, то расстояния в этих двух плоскостях измеряют одновременно с помощью двух пар лазерных сканирующих микрометров.

Каждый из используемых лазерных сканирующих микрометров предпочтительно включает в себя излучатель и приемник, расположенные на одной из двух сторон компонента. Используемый излучатель снабжен излучающей щелью и должен быть расположен на расстоянии 60±2 мм от оси отсчета. Приемник расположен на одной линии с излучателем на расстоянии примерно 95 мм от этой оси.

Для того чтобы расстояние между двумя уровнями измерения было совместимо с наименьшей длиной компонентов, подлежащих измерению, несмотря на пространство, занимаемое микрометрами, два микрометра каждой пары предпочтительно расположены так, чтобы лазерные лучи, излучаемые их излучающими щелями, были параллельны опорной плоскости, соответственно наклонены относительно этой плоскости.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения на опорной плоскости для каждой пары микрометров установлен стержень отсчета, расположенный вблизи, но на расстоянии от компонента, образующая которого, обращенная в сторону компонента и расположенная в плоскости измерения, представляет прямую линию отсчета. Более точно, каждый стержень отсчета предпочтительно установлен на том же расстоянии от излучателя, что и ось отсчета.

Для обеспечения хорошей воспроизводимости результатов измерения опорная плоскость образована тремя опорными зонами, равномерно распределенными вокруг точки отсчета.

В предпочтительном применении изобретения контролируемые цилиндрические компоненты являются ядерными топливными таблетками.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения в качестве не ограничивающего изобретение примера со ссылками на чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - схема контролирования перпендикулярности ядерной топливной таблетки с помощью способа, согласно изобретению, в изометрической проекции;

фиг.2 - схема принципа измерения на виде сверху;

фиг.3 - схема измерений и вычислений, выполняемых в способе, согласно изобретению, в случае произвольно увеличенного отклонения от перпендикулярности, на виде сбоку в увеличенном масштабе;

фиг.4 - предпочтительный вариант выполнения опорной плоскости, на которой расположена подлежащая контролированию таблетка, в изометрической проекции.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения

Согласно изобретению и как показано на фиг.1-4, контролирование перпендикулярности цилиндрических компонентов, таких как ядерные топливные таблетки 10, осуществляют с помощью оптических измерений, которые обеспечивают необходимую точность.

Более точно, в показанном предпочтительном варианте выполнения изобретения измерения выполняют с помощью четырех лазерных сканирующих микрометров типа LS 3033 SO фирмы KEYENCE Company.

Каждый из микрометров включает в себя излучатель, который излучает лазерный луч через горизонтальную щель, и приемник, расположенный точно по оси соответствующего излучателя.

Кроме того, микрометры расположены по два для образования пар микрометров, расположенных в двух вертикальных плоскостях, перпендикулярных друг другу.

Более точно и как показано схематично на фиг.1, первая пара микрометров включает в себя первый микрометр А1 с горизонтальной осью ОА1 и второй микрометр А2 с наклонной осью ОА2. Первый микрометр А1 образован излучателем ЕА1 и приемником RA1. Второй микрометр А2 образован излучателем ЕА2 и приемником RA2. Соответствующие оси ОА1 и ОА2 этих микрометров А1 и А2 находятся в первой вертикальной плоскости Р. На фиг.1 позициями FA1 и FA2 обозначены соответствующие излучающие щели излучателей ЕА1 и ЕА2, через которые выходят плоские лазерные лучи микрометров А1 и А2. Лазерный луч NA1, излучаемый щелью FA1 излучателя ЕА1, показан на фиг.2.

Вторая пара микрометров включает в себя первый микрометр В1 с горизонтальной осью ОВ1 и второй микрометр В2 с наклонной осью ОВ2. Первый микрометр В1 образован излучателем ЕВ1 и приемником RB1. Второй микрометр В2 образован излучателем ЕВ2 и приемником RB2. Соответствующие оси ОВ1 и ОВ2 находятся во второй вертикальной плоскости Р'. На фиг.1 позициями FB1 и FB2 обозначены соответствующие излучающие щели излучателей ЕВ1 и ЕВ2, через которые выходят плоские лазерные лучи микрометров В1 и В2. Лазерный луч NB1, излучаемый щелью FBI излучателя ЕВ1, показан на фиг.2.

Как также показано на фиг.1, плоскости Р и Р', в которых расположены каждая из пар микрометров A1, A2 и B1, B2, пересекаются по вертикальной оси XX' отсчета. Микрометры и, следовательно, ось XX' отсчета занимают фиксированные положения.

Кроме того, оси ОА1 и ОВ1 микрометров А1 и B1 расположены на одном уровне и пересекаются в фиксированной нижней точке РВ на оси XX' отсчета.

Аналогичным образом, наклонные оси ОА2 и ОВ2 микрометров A2 и B2 расположены так, что они пересекаются в фиксированной верхней точке РН оси XX' отсчета.

Расстояние, разделяющее точки РВ и РН, выбрано так, что оно заметно меньше, чем длина наиболее короткой цилиндрической таблетки 10, подлежащей контролированию.

Как также показано на фиг.1, контрольное устройство включает в себя дополнительно неподвижную опору S, расположенную вдоль вертикальной оси XX' отсчета под нижней точкой РВ. На своем верхнем конце опора S образует горизонтальную опорную плоскость PS, расположенную на небольшом расстоянии ниже нижней точки РВ пересечения осей ОА1 и ОВ1. Опорная плоскость PS предусмотрена для размещения таблетки 10, подлежащей контролированию. Точнее, таблетку 10 устанавливают на опорную плоскость PS одной из ее круговых лицевых поверхностей так, что ее ось YY' симметрии (фиг.3) приблизительно совпадает с вертикальной осью XX' отсчета. Точку пересечения опорной плоскости PS с осью XX' называется "точкой отсчета" и она обозначена на фиг.3 позицией PR.

Как показано на фиг.4, опорная плоскость PS неподвижной опоры S может быть образована тремя опорными зонами ZA, равномерно распределенными вокруг точки PR отсчета. Эти опорные зоны ZA могут быть получены, в частности, путем машинной обработки верхней лицевой поверхности неподвижной опоры S, например, посредством образования на этой поверхности центральной выемки и трех периферийных выемок.

Как показано, в частности, на фиг.1 и 2, устройство включает в себя также два установленных на опоре S цилиндрических и вертикальных стержня Т и Т' отсчета, оси которых расположены соответственно в плоскостях Р' и Р. Два стержня Т и Т' отсчета расположены на одинаковом расстоянии от вертикальной оси XX' отсчета. Это расстояние больше, чем радиус таблетки 10, подлежащей контролированию, так что таблетка 10 не находится в контакте со стержнями. С другой стороны, расстояние, отделяющее стержни Т и Т' отсчета от оси XX' отсчета, меньше половины ширины лазерных лучей каждого микрометра, так что стержень Т отсчета находится на траектории лазерных лучей, излучаемых излучателями ЕА1 и ЕА2, а стержень Т' отсчета находится на траектории лазерных лучей, излучаемых излучателями ЕВ1 и ЕВ2.

Кроме того, как показано, в частности, на фиг.2, диаметры стержней Т и Т' отсчета являются достаточно большими, для того чтобы стержень Т слегка перекрывал лазерные лучи, излучаемые излучателями ЕА1 и ЕА2, а стержень Т' слегка перекрывал лазерные лучи, излучаемые излучателями ЕВ1 и ЕВ2. Может быть предусмотрено перекрытие около 1 мм каждым из стержней Т и Т' отсчета относительно соответствующих лазерных лучей. Это перекрытие позволяет максимально снизить краевые эффекты.

Для обеспечения оптимальной точности измерений каждый из излучателей ЕА1 и ЕВ1 расположен на расстоянии 60±2 мм от нижней точки РВ пересечения их соответствующих осей ОА1, ОВ1 с вертикальной осью XX' отсчета. Аналогичным образом, каждый из излучателей ЕА2 и ЕВ2 расположен на расстоянии 60±2 мм от верхней точки РН пересечения их соответствующих осей ОА2, ОВ2 с вертикальной осью XX' отсчета.

Кроме того, каждый из приемников RA1 и RB1 расположен на расстоянии около 95 мм от нижней точки РВ, а каждый из приемников RA2 и RB2 расположен на расстоянии около 95 мм от верхней точки РН.

Расположение стержня Т отсчета в плоскости Р' позволяет располагать этот стержень приблизительно на том же расстоянии от излучателей ЕА1 и ЕА2, что и контролируемую таблетку 10, при одновременном предотвращении помех для измерений, проводимым с помощью второй пары микрометров В1 и В2.

Аналогичным образом расположение стержня Т' отсчета в плоскости Р позволяет располагать этот стержень Т' приблизительно на том же расстоянии от излучателей ЕВ1 и ЕВ2, что и контролируемую таблетку 10, при одновременном предотвращении помех для измерений, проводимым с помощью первой пары микрометров А1 и А2.

При расположении, описанном выше и которое будет подробно пояснено ниже, плоскость Р' образует измерительную плоскость для микрометров А1 и А2, а плоскость Р образует измерительную плоскость для микрометров В1 и В2. Щели FA1 и FA2 излучения лазерных лучей первой пары микрометров А1 и А2 параллельны измерительной плоскости Р'. Аналогичным образом излучающие щели FB1 и FB2, из которых выходят лазерные лучи второй пары микрометров В1 и В2, параллельны измерительной плоскости Р.

Ниже приводится описание способа контролирования, в котором используется это устройство и который представляет собой предпочтительный вариант выполнения изобретения.

Если необходимо проконтролировать перпендикулярность цилиндрического компонента, такого как ядерная топливная таблетка 10, то круговую плоскую лицевую поверхность этой таблетки 10 помещают на опорную плоскость PS так, чтобы ось YY' симметрии таблетки приблизительно совпадала с вертикальной осью XX' отсчета. В этом случае ось симметрии таблетки 10 проходит приблизительно через точку PR отсчета опорной плоскости PS, как это показано на фиг.3. Следует отметить, что повторяемость расположения таблетки 10 на опорной плоскости PS обеспечивается особенно хорошо, если этой опорной плоскости придана геометрическая форма, показанная на фиг.4.

Если устройство размещено в защитной камере с перчатками, что необходимо при контролировании ядерных топливных таблеток, то установка таблетки 10 на опорной плоскости PS может выполняться с помощью захвата робота. Такая установка не вызывает особых проблем, поскольку контролирование осуществляется путем оптических измерений, что позволяет держать пространство над опорной плоскостью PS полностью свободным.

После установки таблетки 10 на опорную плоскость PS одновременно задействуют четыре микрометра А1, А2, В1 и В2 для выполнения измерений, описание которых приводится ниже со ссылками на фиг.2 и 3.

Как показано на фиг.2, на которой показаны только микрометры А1 и В1, лазерные лучи NA1, NB1, созданные излучателем каждого микрометра, проецируют на свои приемники тени в натуральную величину, другими словами, в масштабе 1:1 таблетки 10 и стержней Т и Т' отсчета, расположенных в измерительной плоскости соответствующего микрометра.

Как показано, в частности, на фиг.3, это позволяет измерять на уровнях нижней точки РВ и верхней точки РН горизонтальные расстояния между двумя образующими таблетки 10, расположенными в измерительной плоскости, и обращенной в сторону этой таблетки

образующей стержня Т, Т' отсчета, расположенной в измерительной плоскости. Эта последняя образующую обозначена позицией G для стержня Т и позицией G' для стержня Т'. Она создает прямую линию отсчета в измерительных плоскостях Р и Р'.

Таким образом, микрометр А1 обеспечивает измерение в измерительной плоскости Р' расстояние ХВ1, отделяющее прямую линию G отсчета от образующей G1 таблетки 10, расположенной наиболее близко к стержню Т. Микрометр А1 также измеряет в той же измерительной плоскости Р' расстояние Х'В1, отделяющее прямую линию G отсчета от образующей G'1 таблетки 10, расположенной наиболее удаленно от стержня Т. Расстояния ХВ1 и Х'В1 измеряют на уровне нижней точки РВ.

В той же самой измерительной плоскости Р', которая соответствует плоскости фиг.3, микрометр А2 измеряет на уровне верхней точки РН расстояние ХН1, отделяющее прямую линию G отсчета от образующей G'1 таблетки 10.

В вертикальной измерительной плоскости Р, перпендикулярной измерительной плоскости Р', микрометры В1 и В2 выполняют аналогичные измерения на уровне нижней точки РВ и соответственно на уровне верхней точки РН. Точнее, микрометр В1 измеряет на уровне нижней точки РВ расстояния ХВ2 и Х'В2, отделяющие прямую линию G' отсчета от образующей G2, соответственно, G'2 таблетки 10, расположенных в плоскости Р. Аналогичным образом микрометр В2 измеряет на уровне верхней точки РН расстояния ХН2 и Х'Н2, отделяющие прямую линию G' отсчета от образующей G2, соответственно, G'2 таблетки 10.

Как показано на фиг.3 в увеличенном масштабе, отклонение от перпендикулярности таблетки 10 выражается в разнице между сравнимыми расстояниями, измеренными на уровне нижней точки РВ и на уровне верхней точки РН.

Таким образом, отклонение от перпендикулярности таблетки 10 в измерительной плоскости Р' выражается разницей х1 между расстояниями ХВ1 и ХН1, измеренными микрометрами А1, соответственно, А2. То же отклонение от перпендикулярности также выражается разницей х'1 между расстояниями Х'В1 и Х'Н1, измеренными теми же микрометрами.

В измерительной плоскости Р, перпендикулярной предыдущей плоскости, отклонение от перпендикулярности таблетки 10 выражается разницей х2 между расстояниями ХВ2 и ХН2, измеренными микрометрами В1, соответственно, В2, а также разницей х'2 между расстояниями Х'В2 и Х'Н2, измеренными теми же микрометрами.

Величины этих четырех разниц х1, х'1, х2 и х'2 вычисляют из расстояний, одновременно измеряемых четырьмя микрометрами. Это вычисление может осуществляться, в частности, вычислительным устройством (не изображено), соединенным с описанным выше устройством. Максимальное теоретическое отклонение от перпендикулярности Х_mах вычисляют с помощью формулы

где X1 обозначает наибольшую из вычисленных разниц x1 и x’1, и Х2 обозначает наибольшую из вычисленных разниц х2 и х'2.

Можно показать, что приведенная выше формула справедлива для любых измерительных плоскостей Р и Р', если максимальное значение Х_mах остается очень малым по сравнению с диаметром таблетки 10. Это условие всегда выполняется, поскольку максимальное отклонение от перпендикулярности таблеток 10 не должно превышать 150 мкм, в то время как диаметр таблеток составляет от 8 до 10 мм.

Способ, согласно изобретению, предпочтительный вариант выполнения которого описан выше, обеспечивает точность измерений свыше 8 мкм, другими словами, заметно большую, чем существующие способы.

Кроме того, предложенная технология измерений обеспечивает без какой-либо адоптации контролирование цилиндрических компонентов различной длины, поскольку верхняя точка РН, на которой производят измерения, задана заранее так, что она находится внутри наиболее короткого компонента, подлежащего контролированию.

Аналогичным образом, можно контролировать без адаптации компоненты различного диаметра, такие как таблетки, диаметр которых изменяется от 8,05 до 10,35 мм.

Кроме того, способ, согласно изобретению, обеспечивает гарантированную стабильность измерений во времени, включая изменения в освещенности, запыленности и яркости. Наличие стержней отсчета, в частности, обеспечивает гарантированную стабильность измерений.

Наконец, предложенное оборудование можно легко использовать внутри защитной камеры с перчатками, что позволяет применять его без проблем для контролирования ядерных топливных таблеток.

Следует отметить, что способ согласно изобретению можно упростить по сравнению с предпочтительным вариантом выполнения, описанным выше. Это означает, что вместо выполнения двух измерений на противоположных образующих компонента в каждой измерительной плоскости можно выполнять только одно измерение на уровне верхней и нижней точек между прямой линией отсчета и одной из образующих компонента. Аналогичным образом вместо выполнения измерений в двух плоскостях отсчета, перпендикулярных друг другу, можно ограничиться измерениями только в одной из этих плоскостей, что приводит к отказу от одной из пар микрометров и от соответствующего стержня отсчета. Кроме того, каждая прямая линия отсчета, используемая для измерения, может быть образована не образующей G или G' стержня Т или Т' отсчета, а любым другим образом без отклонения от идеи изобретения. Наконец, следует отметить, что указанная горизонтальная ориентация опорной плоскости PS не является обязательной, если обеспечивается плотный контакт между круговой лицевой поверхностью компонента и этой опорной плоскостью с помощью механических, пневматических или других средств. В результате изменяется ориентация лазерных микрометров.

Для контролирования перпендикулярности компонента (10), такого как ядерная топливная таблетка, этот компонент устанавливают на опорную плоскость и с помощью двух пар лазерных микрометров (A1, A2, B1, B2) производят измерения расстояний, отделяющих диаметрально противоположные образующие компонента от стержня (Т, Т') отсчета, на двух различных уровнях и в двух измерительных плоскостях (Р, Р'), перпендикулярных друг другу. Из них вычисляют максимальное отклонение от перпендикулярности контролируемого компонента. Технический результат - повышение точности, контролирование перпендикулярности компонентов различного диаметра и различной длины, получение стабильных во времени результатов измерений. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контролирования перпендикулярности плоских лицевых поверхностей цилиндрического компонента (10) относительно оси (YY') симметрии указанного компонента, отличающийся тем, что он содержит стадии, в которых:

- устанавливают указанную лицевую поверхность компонента (10) на неподвижную опорную плоскость (PS) так, что указанная ось (YY') симметрии проходит через фиксированную точку (PR) отсчета указанной опорной плоскости, и

- измеряют оптическим методом в по меньшей мере одной плоскости (Р, Р') измерения, проходящей через точку отсчета (PR) и перпендикулярной опорной плоскости (PS), отклонение (х1, х'1; х2, х'2) от перпендикулярности по меньшей мере одной образующей (Gl, G'l; G2, G'2) компонента, находящейся в плоскости измерения, относительно указанной лицевой поверхности, посредством измерения оптическим методом на двух различных уровнях компонента (10) вдоль его оси (YY') симметрии расстояния, отделяющего каждую образующую (G1, G'1; G2, G'2) от фиксированной прямой линии (G; G') отсчета, перпендикулярной опорной плоскости (PS) и находящейся в плоскости (Р', Р) измерения, и последующего вычисления разницы (х1, х'1; х2, х'2) между расстояниями, измеренными на каждом из двух уровней.

где X1 и Х2 обозначают наибольшее отклонение (х1, х'1; х2, х'2) от перпендикулярности двух образующих в каждой из двух плоскостей (Р', Р) измерения соответственно.