CC BY
25
УДК 621.039.542:620.16
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ГЛУБИНЫ ДЕФЕКТОВ
Леонид Валентинович Финогенов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)306-59-40, e-mail: finog@tdisie.nsc.ru
Петр Сергеевич Завьялов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, зав. лабораторией, тел. (383)306-62-24, e-mail: zavyalov@ngs.ru
Владимир Эдуардович Карлин
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, ведущий программист, тел. (383)306-59-40, e-mail: vkarlin@mail.ru
Дмитрий Радионович Хакимов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, инженер, тел. (383)306-59-40, e-mail: baita@mail.ru
Максим Сергеевич Кравченко
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, инженер, тел. (383)306-59-40, e-mail: max@tdisie.nsc.ru
Виталий Викторович Уржумов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, техник, тел. (383)306-59-40, e-mail: vitaliy010195@mail.ru
Рассмотрен оптико-электронный метод высокопроизводительного контроля боковой поверхности цилиндрических объектов. Метод основан на формировании с помощью ди-фракциионных оптических элементов замкнутой световой полосы на боковой поверхности цилиндрических объектов и считывании изображения цифровыми камерами. Представлена оптическая система экспериментальной установки и результаты исследований по определению глубины рельефа боковой поверхности цилиндров на примере имитаторов ядерного топлива.
Ключевые слова: метод, контроль, топливная таблетка, дефект, изображение, дифракционный оптический элемент, световое кольцо.
A HIGH-PERFORMANCE INSPECTION METHOD OF CYLINDRICAL OBJECT LATERAL SURFACE WITH DEFECT DEPTH DETERMINATION
Leonid V. Finogenov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., senior researcher, tel. (383)306-59-40, e-mail: fi-nog@tdisie.nsc.ru
Petr S. Zavyalov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., Head of Laboratory, tel. (383)306-62-24, e-mail: zavyalov@ngs.ru
Vladimir E. Karlin
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., leading programmer, tel. (383)306-59-40, e-mail: vkarlin@mail.ru
Dmitry R. Khakimov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., engineer, tel. (383)306-59-40, e-mail: baita@mail.ru
Maxim S. Kravchenko
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., engineer, tel. (383)306-59-40, e-mail: max@tdisie.nsc.ru
Vitaliy V. Urzhumov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., technician, tel. (383)306-59-40, e-mail: vitaliy010195@mail.ru
An optoelectronic method for high-performance inspection of the external view of cylindrical objects side surface is considered. The method is based on the formation of the closed light band using the diffractive optical elements and image reading by digital cameras. The optical system of the experimental device and the results of experiments on determination the relief depth of the cylinder side surface on the example of the fuel pellets simulators are presented.
Key words: method, inspection, fuel pellet, defect, image, diffractive optical element, light ring.
Топливные таблетки (ТТ) с диоксидом урана являются активными элементами тепловыделяющих сборок (ТВС) для атомных энергетических реакторов. Для реакторов типа ВВР они представляют собой керамический цилиндр диаметром Dc ~ 8 мм и высотой 9...12 мм. В процессе производства ТТ на их поверхности могут образовываться дефекты: сколы, трещины, непрошлифовка, поры. Для выявления дефектных ТТ при производстве осуществляется контроль продукции. До последнего времени такой контроль проводился визуально, однако, с 2011 года а ПАО «НЗХК» начали внедряться в производственный цикл автоматические оптико-электронные системы, разработанные в КТИ НП СО РАН [1]. Принцип работы таких систем основан на контрастном методе выделения дефектов по изображению ТТ [2].
В отличие от методики визуального контроля, этот метод не учитывает глубину дефектов, что приводит к ограничению достоверности контроля. Очевидно, что для надежного контроля ТТ, по большому счету, необходимо определять BD-форму дефектов. Известен метод контроля формы поверхности объектов (метод светового сечения) [3], который позволяет определять глубину дефектов. Суть метода заключается в формировании на поверхности контролируемого объекта сплошной световой полосы и регистрации ее изображения с помощью нескольких камер, расположенных под углом к поверхности кон-
троля. Недостатком данного способа является низкая производительность в случае контроля изделий с большой кривизной формы поверхности, например, цилиндров. Это обусловлено тем, что изображение световой полосы, в виде дуги, зарегистрированное с поверхности ТТ, занимает достаточно много строк. В результате чего кадры будут иметь большой объем данных, значительная часть которых оказывается неинформативной. Это потребует достаточно много времени на ее регистрацию, передачу и обработку, что приведет к значительному снижению производительности контроля.
В данной работе рассмотрен высокопроизводительный оптико-электронный метод контроля внешнего вида ТТ с определением глубины дефектов. Приведены структурная схема устройства, реализующего предлагаемый метод контроля, расчеты элементов оптической системы и результаты экспериментальных исследований. Намечены пути дальнейших исследований и перспективы внедрения результатов.
На рис. 1 представлена структурная схема одного канала устройства, реализующего предлагаемый метод контроля ТТ с определением глубины дефектов. Устройство содержит четыре идентичных канала. Осветительная часть включает источник 1 света (полупроводниковый лазер), коллиматор 2, формирователь 3 световой полосы 4 на поверхности контролируемой ТТ 5. Таблетки перемещаются по направляющей 6 с прорезью 7. Приемный канал содержит фотоприемную камеру 8, включающую объектив 9 и матричный фотоприемник 10.
\
1 6
Рис. 1. Структурная схема устройства контроля ТТ
При контроле ТТ перемещаются с постоянной скоростью. Разрыв направляющей служит для прохода освещающих лучей света. На позиции контроля на цилиндрической поверхности ТТ формируются световые полосы 4, которые образуют световое кольцо по периметру ТТ в плоскости, расположенной перпендикулярно продольной оси ТТ и под углом а к оптическим осям осветительных частей.
В качестве формирователей 3 световых полос используются дифракционные оптические элементы (ДОЭ). Направление строчной развертки в кадре камеры 8 параллельно плоскости светового кольца. Для минимизации количества регистрируемой информации размер кадра фотоприемных камер 8 в направлении строчной развертки ограничен длиной изображения световой полосы 4, а размер кадра в направлении, перпендикулярном строкам матрицы, ограничивается изображением максимально допустимого дефекта ТТ по глубине. Современные матричные фотоприемники позволяют выполнить необходимое ограничение считываемой области кадра с помощью параметра ROI (Region of Interest), при этом частота получения кадров увеличивается. Информация с фотоприемных камер 8 поступает в аналитическое устройство, где определяется смещение световой полосы АХ в пикселях. Далее вычисляется глубина дефекта H непосредственно на поверхности таблетки по формуле:
H = кЛХ,
где к - коэффициент пропорциональности, определяемый при калибровке устройства.
В процессе сканирования всей боковой поверхности накапливаются данные с многих сечений, в результате чего реконструируется BD-форма контролируемой поверхности. При наличии дефектов производится вычисление их геометрических размеров (длина, ширина, глубина, объем и др.).
Важнейшим элементом устройства, реализующего предложенный метод контроля, является ДОЭ. Для измерения глубины дефектов необходимо, чтобы ДОЭ формировал на цилиндрической поверхности световую дугу — фрагмент окружности (рис. 2), диаметр которой равен диаметру контролируемого цилиндра Dc. При использовании трех (четырех) оптических каналов угловой размер дуги должен быть 90° (120°).
Рис. 2. Расчет ДОЭ на основе преобразования Френеля - Кирхгофа
Среди известных методов аналитического расчета фазовой функции ДОЭ [4, 5], нами выбран более простой и универсальный метод на основе численного решения интеграла Френеля - Кирхгофа. Данный метод подразумевает дискретизацию формируемой световой картины. Формируемое поле задается в виде набора из N точечных источников (5-функций), лежащих на дуге окружности с некоторым шагом А друг относительно друга.
При этом, как известно, комплексная амплитуда поля, создаваемого точечным источником 5(х^ у^ zi), описывается импульсным откликом свободного пространства:
hi (х, у) =
вМ Яп
где г =у!(х - х)2 + (у - у )2 + гг2 ; x,y — координаты точки в плоскости ДОЭ; х^ уi, zi - координаты точек, лежащих на дуге; 1 < i < N; к = 2п/Х — волновое число; X - длина волны света.
Поле в каждой точке ДОЭ описывается суперпозицией N импульсных откликов:
N
Е (х, у) = • h (х, у), (1)
i=1
где Ii - относительные интенсивности точек.
Функция пропускания ДОЭ рассчитывается с некоторым шагом (около 1 мкм) в круге диаметром D0. При этом из результирующего поля (1) выделяется его фазовая составляющая:
T(х, у) = arg {Е(х,у)} , T(х, у) е [-я; я]. (2)
При изготовлении ДОЭ функция пропускания (2) бинаризуется:
Tb (х, у) = F(ху) * 0;
b |0,T(х,у) <0.
Из полученного массива чисел с помощью математической среды MATLAB (Matrix Laboratory) рассчитывалось изображение, которое имело формат BMP (Bitmap Picture), микроструктуры ДОЭ. Они были изготовлены на круговом лазерном фотоплоттере CLWS-300/C-M [6]. Шаг дискретизации ДОЭ составлял 1 мкм, рабочая длина волны X = 405 нм, диаметр ДОЭ D0 = 10 мм, фокусное расстояние f0 = 260 мм, угол падения лучей на ТТ а = 15°.
Следует учитывать, что ширина проецируемой световой полосы налагает определенные ограничения на минимальный размер измеряемых дефектов. Очевидно, что дефекты с размером меньше ширины полосы будут измеряться с
большой погрешностью. Полученная на данном этапе ширина полосы 50...65 мкм удовлетворяет требованиям контроля ТТ, где минимальный размер дефекта составляет Rnm = 0,1...0,2 мм. Для формирования более узких световых полос необходимо увеличивать апертуру ДОЭ (отношение D0/f0). Также стоит отметить, что максимальная измеряемая глубина узких дефектов будет ограничена углом освещения а, так как полоса в узких и глубоких дефектах будет формироваться не на дне дефекта, а на его боковой поверхности.
Для экспериментов по измерению глубины дефектов была собрана система контроля ТТ (рис. 3, а). В системе имеется два оптических канала, состоящих из полупроводниковых лазеров SLD3237vf мощностью 150 мВт с X = 405 нм 1 и фотоприемных камер с КМОП-матрицей MT9V034C12STM ON Semiconductor 2 с разрешением 752 х 480 пикселей и размером пикселя 6 x 6 мкм. Калибровка системы проводилась с помощью калибра, представляющего собой ступенчатый валик, величина ступеньки которого соответствует максимальной допустимой глубине дефекта.
Для экспериментальных исследований был изготовлен имитатор ТТ 3 диаметром Dc = 7,5 мм с дефектом на боковой поверхности типа «пора» диаметром 2,5 мм и глубиной 0,4 мм. Так же создан опытный образец системы для контроля ТТ (рис. 3, а), на котором производилось сканирование поверхности имитатора ТТ (рис. 3, б). Абсолютная погрешность определения глубины выемки не превысила 40 мкм при вероятности обнаружения 95%, в том числе при контроле на конвейере в темпе 6 шт./с. Таким образом, видно, что метод позволяет определять 3D-форму дефектов.
а)
б)
Рис. 3. Опытный образец системы для контроля боковой поверхности ТТ (а) и результат сканирования поверхности имитатора ТТ с дефектом типа «пора» (б)
Также были проведены эксперименты по контролю боковой поверхности тепловыделяющих элементов, диаметр которых 9,1 мм (ТВЭЛ). На рис. 4 представлен внешний вид экспериментального стенда для контроля оболочек ТВЭЛ (1 - лазер SLD3237vf мощностью 150 мВт с А = 405 нм, 2 - ДОЭ, 3 - объект, 4 -устройство перемещения объекта, 5 - объектив, 6 - КМОП-матрицей
MT9V034C12STM ON Semiconductor 2 с разрешением 752 х 480 пикселей и размером пикселя 6 x 6 мкм.), а также результат сканирования поверхности имитатора ТВЭЛ с дефектом типа «пора».
а) б)
Рис. 4. Экспериментальный стенд для контроля оболочек ТВЭЛ (а) и результат сканирования поверхности имитатора ТВЭЛ с дефектом типа «пора» (б)
В данной схеме калибровка осуществлялась аналогичным образом - с использованием ступенчатого валика. Для контроля ТВЭЛ был изготовлен отдельный калибровочный элемент, так как диаметр ТВЭЛ отличен от диаметра ТТ. Кроме этого, в схеме для контроля оболочек ТВЭЛ увеличен угол проекции дуги на поверхность объекта измерения (с 15° до 45°), что позволило увеличить чувствительность метода. Благодаря этому, удалось зарегистрировать дефекты с глубинами 20, 35 мкм. Для проверки полученных данных, те же образцы измерены на интерференционном микроскоп-нанопрофилометре [7], где глубины дефектов составила 24, 38 мкм соответственно.
Предложенный оптико-электронный метод контроля внешнего вида топливных ТТ в сравнении с традиционными методами обладает большей производительностью и, в отличие от используемых в производстве систем, основанных на контрастном методе выделения дефектов по изображению, позволяет определять глубину поверхностных дефектов. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили реализуемость предложенного метода контроля. Полученные результаты по точности определения глубины дефектов на имитаторах ТТ отвечают требованиям автоматического контроля. Результаты проведения экспериментальных исследований по определению глубины дефектов на боковой поверхности ТВЭЛ также подтверждают применимость описанного метода и для контроля этих изделий. Проведение исследований служит основой
для создания промышленного варианта системы контроля внешнего вида ТТ и ТВЭЛ с определением глубины дефектов, которая позволит улучшить качество продукции для энергетических атомных реакторов.
Проведение дальнейших исследований метода необходимо в направлении повышения его чувствительности и точности, что связано с созданием новых ДОЭ, позволяющих формировать узкую световую полосу с минимальным уровнем шума (шириной порядка 15...20 мкм), и оптимизацией угла освещения а.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Оптико-электронный контроль внешнего вида топлива для АЭС / А. В. Белобородов, E. В. Власов, П. С. Завьялов и др. // Юбилейный сборник избранных трудов КТИ НП СО РАН «Оптико-инфомационные измерительные и лазерные технологии и системы». - Новосибирск : ГЕО, 2012. - С. 285. [Beloborodov А. V., Vlasov Е. V., Zavyalov P. S. et. al. Optoelectronic inspection of the External View of Fuel for Atomic Stations / Jubilee collection of selected works of TDI SIE "Optical measuring information and laser technologies and systems". - Novosibirsk : GEO, 2012. - P. 285. (In Russian)].
2. Оптико-электронная система автоматического контроля внешнего вида топливных таблеток / Л. В. Финогенов, А. В. Белобородов, В. И. Ладыгин и др. // Дефектоскопия. -2007. - № 10. - С. 68-79. [Finogenov L. V., Beloborodov А. V., Ladygin V. I. et. al. Optoelectronic system of automatic control of the appearance of the fuel pellets // Defectoscopy. -2007. - № 10. - P. 68-79. (In Russian)].
3. Патент RU 2 604 109 C2.
4. Дифракционная компьютерная оптика / под ред. В. А. Сойфера. — М. : Физматлит, 2007. - С. 93-115. [The diffractive optical computer / Soifer V. A. (Ed). (Moscow : Fizmatlit, 2007. - P. 93-115. (In Russian)]
5. Golub M. A., Kazanskiy N. L., Soifer V. A. et al. // Proceedings SPIE. - 1991. - Vol. 1500. -P.194-206.
6. Laser writing system CLWS-300/C-M for microstructure synthesis on the axisymmetric 3-D surfaces / V. M. Gurenko, L. В. Kastorsky, V. P. Kiryanov et al. // Proc. SPIE 4900-2002. -P.320-325.
7. Патент RU 2245515.
© Л. В. Финогенов, П. С. Завьялов, В. Э. Карлин, Д. Р. Хакимов, М. С. Кравченко, В. В. Уржумов, 2017
