Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов



Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов
Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов
Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов
Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов
Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов

 


Владельцы патента RU 2604109:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Конструкторско-технологический институт научного приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в производстве ядерного топлива, в частности, для обнаружения дефектов (контроля) внешнего вида топливных таблеток. В заявленном способе обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов контролируемый цилиндрический объект перемещают через позицию контроля, где освещают боковую поверхность объекта N пучками света, которые формируют на контролируемой поверхности N световых полос, образующих замкнутую по периметру объекта световую полосу. Световые полосы располагаются в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси объекта и лежащей под углом α к направлениям освещения. Изображения полос регистрируются N матричными фотоприемниками, оптические оси которых лежат в плоскости световых полос. В аналитическом устройстве по отклонениям положения изображений полос от номинального положения определяют наличие дефектов поверхности и принимают решение о годности объекта по критериям: глубина, длина и площадь дефектов. Технический результат - повышение производительности контроля поверхности цилиндрических объектов. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в производстве ядерного топлива, в частности, для обнаружения дефектов (контроля) внешнего вида топливных таблеток.

Известен способ контроля внешнего вида боковой поверхности топливных таблеток (А.В. Белобородов, Е.В. Власов, П.С. Завьялов, Л.В. Финогенов. Многоканальный высокопроизводительный оптико-электронный контроль качества поверхности топливных таблеток. Автометрия, т. 46, №4, 2010, стр. 121-129).

Способ основан на освещении полупроводниковыми лазерами с четырех сторон топливной таблетки в процессе ее движения вдоль оси с помощью объективов, со специально рассчитанной кривизной поля, приеме через полупрозрачные зеркала изображения боковой поверхности с помощью стандартных фотообъективов цифровыми камерами. При этом наблюдение и освещение каждой точки поверхности осуществляется по нормали к поверхности. Полученные изображения обрабатываются в компьютере по специальному алгоритму. По результатам обработки принимается решение о годности топливной таблетки. Недостатком данного способа контроля боковой поверхности топливных таблеток является низкая достоверность контроля, обусловленная тем, что в способе не определяется глубина дефектов, а решение о годности принимается на основе получения и обработки полутоновых изображений с учетом различия контрастности областей изображений.

Известен также способ автоматического контроля топливных таблеток (Патент US S 602646), включающий вращение таблетки вокруг оси, освещение цилиндрической поверхности таблетки во время вращения узкой полоской света, прием отраженного от поверхности света фотоприемником, анализ принятого сигнала с целью обнаружения дефектов поверхности таблеток, классификацию таблеток на годные и негодные.

Недостатком данного способа контроля топливных таблеток является его низкая производительность, обусловленная вращением таблетки вокруг оси для получения информации обо всей цилиндрической поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, примененный в устройстве для измерения формы объекта (патентный документ US 20140152771 А1, 05.06.2014). Способ заключается в том, что на поверхности контролируемого объекта с помощью светоизлучающих систем, расположенных симметрично относительно контролируемой поверхности, формируют световые полосы, которые регистрируются под углом к контролируемой поверхности с помощью проекционных систем матричными фотоприемниками. Изображения световых полос передаются в аналитическое устройство. Для контроля объекта в следующем сечении он перемещается на контрольной позиции. Решение о качестве изделия, с учетом калибровочных данных, принимается в аналитическом устройстве.

Недостатком данного способа является низкая производительность при контроле объектов с большой кривизной формы поверхности, например цилиндрических топливных таблеток для ядерных реакторов. В этом случае, при ограниченном числе оптических каналов, изображение световой полосы в кадрах приемных камер будет занимать много строк и считываемые кадры, следовательно, будут иметь большой объем информации, значительная часть которой, при обнаружении дефектов, будет бесполезной. Большой объем информации потребует много времени на ее передачу и обработку, что будет ограничивать производительность контроля цилиндрических объектов.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении производительности контроля поверхности цилиндрических объектов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов, включающем перемещение контролируемого объекта через позициюконтроля, освещение объекта N пучками света, которые формируют на контролируемой поверхности световые полосы, прием изображений полос матричными фотоприемниками, обработку полученных изображений в аналитическом устройстве с учетом данных, полученных при калибровке аналитического устройства, контролируемый объект освещают N пучками света таким образом, что они формируют на поверхности N световых полос, образующих замкнутую по периметру объекта световую полосу и расположенных в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси объекта и лежащей под углом α к направлениям освещения. Изображения полос регистрируются N матричными фотоприемниками, оптические оси которых лежат в плоскости световых полос. По отклонениям положения изображений полос от номинального положения в аналитическом устройстве определяются дефекты поверхности и принимается решение о годности объекта по критериям: глубина, длина, площадь дефектов.

Существует вариант, в котором световые полосы на поверхности контролируемого объект формируют с помощью дифракции когерентного света на амплитудных транспарантах.

Существует также вариант, в котором световые полосы на поверхности контролируемого объекта формируют с помощью дифракции когерентного света на фазовых транспарантах.

Существует также вариант, в котором световые полосы на поверхности контролируемого объекта формируют с помощью дифракции когерентного света на амплитудно-фазовых транспарантах.

На фиг. 1 изображено в общем виде (вид сбоку и вид спереди) устройство для реализации предложенного способа обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов.

На фиг. 2 представлен ход световых лучей и вид изображения световой полосы 4 для одного оптического канала в кадре матричного фотоприемника 10 при отсутствии дефекта на поверхности топливной таблетки 5.

На фиг. 3 представлен ход световых лучей и вид изображения световой полосы 4 для одного оптического канала в кадре матричного фотоприемника 10 при наличии дефекта на поверхности топливной таблетки 5.

На фиг. 4 приведен вид восстановленной в аналитическом устройстве 3-D развертки боковой поверхности топливной таблетки с дефектом.

На фиг. 5 представлен вид максимального по площади сечения дефекта с обозначением размеров для вычисления площади дефекта.

На фиг. 6 приведено изображение сечения дефекта в виде трещины с обозначением длины дефекта.

На фиг. 7 приведен вид калибра для калибровки устройства на измерение глубины дефектов.

Устройство содержит четыре идентичных оптических канала I-IV (фиг. 1). Каждый оптический канал состоит из осветительной части и приемной части. Осветительная часть включает источник света 1, коллиматор 2, формирователь 3 световой полосы 4 на поверхности контролируемой топливной таблетки 5. Топливные таблетки 5 перемещаются по направляющей 6 с прорезью 7. Приемный канал содержит фотоприемную камеру 8, включающую объектив 9 и матричный фотоприемник 10. Все фотоприемные камеры 8 соединены с аналитическим устройством 11. Световые полосы 4 лежат в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси таблетки 5 и расположенной под углом α к направлениям освещения. Оптические оси всех приемных частей лежат в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси таблеток 5 и совпадающей с плоскостью световых полос 4.

Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов реализуется следующим образом.

Контролируемые топливные таблетки 5 (фиг. 1) перемещаются, например, с помощью толкателя с постоянной скоростью по направляющей 6 через позицию контроля, на которой направляющая 6 имеет разрыв 7, для прохода освещающих лучей света. На позиции контроля на цилиндрической поверхности топливной таблетки 5 с помощью четырех осветительных частей оптических каналов I-IV формируются световые полосы 4, которые образуют замкнутую световую полосу по всему периметру топливной таблетки 5. В каждой осветительной части свет от источника света 1 проходит через коллиматор 2 и формирователь 3 световой полосы, который формирует из света на поверхности топливной таблетки 5 световую полосу 4. Коллиматор 2 образует пучок света с плоским волновым фронтом, освещающий всю рабочую поверхность формирователя 3 световой полосы 4. Все световые полосы 4 создаются формирователями 3 всех четырех осветительных частей оптических каналов I-IV в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси топливной таблетки 5 и расположенной под углом α к оптическим осям осветительных частей. Изображения световых полос 4 регистрируются фотоприемными камерами 8 с объективами 9 и матричными фотоприемниками 10. При этом оптические оси всех четырех приемных частей оптических каналов и световые полосы 4 лежат в одной плоскости Р. Кроме того, направление строчной развертки в кадре матричных фотоприемников 10 всех фотоприемных камер 8 параллельны плоскости Ρ световой полосы. 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 матричного фотоприемника 10, ограничивается изображением максимально допустимого дефекта топливной таблетки 5 по глубине. Ход пучка световых лучей от формирователя световой полосы 3 и изображение световой полосы для одного сектора топливной таблетки 5 в кадре матричного фотоприемника 10 в случае отсутствия дефекта приведен на фиг. 2, а в случае наличия дефекта - на фиг. 3. Информация с фотоприемных камер 8 поступает в аналитическое устройство 11. В аналитическом устройстве 11 по результатам сканирования всей топливной таблетки 5 восстанавливается 3-D изображение полной боковой поверхности топливной таблетки 5 (фиг. 4). Из 3-D изображения определяется глубина дефекта h в пикселях как расстояние между плоскостью изображения бездефектной поверхности и вершиной изображения дефекта. Далее вычисляется глубина дефекта H непосредственно на поверхности таблетки 5 по формуле

H=k×h,

где k - коэффициент пропорциональности, определяемый при калибровке устройства.

Площадь дефекта на топливной таблетке 5 определяется через площадь фигуры, которая образуется в сечении изображения дефекта (фиг. 4) по пороговому уровню, превышающему уровень шума в изображении (уровень, близкий к поверхности бездефектной части поверхности топливной таблетки 5). В случае значительного шума в изображении поверхности может быть проведена его низкочастотная фильтрация или другая обработка известными методами, повышающими отношение сигнал/шум. Вычисление площади S дефекта на поверхности топливной таблетки производится по правилам, принятым для приемки топливных таблеток при их контроле, например, по формуле

S=k12×a×b/2,

где k1 - коэффициент пропорциональности, учитывающий размерность и масштаб изображения и определяемый при калибровке устройства;

a, b - размеры фигуры сечения (фиг. 5) в пикселях фотоприемной матрицы 10.

Для узких и длинных дефектов (типа трещина) определяется длина L, например, по правилу, принятому в производстве, в соответствии с фиг. 6, по формуле

L=k1×l,

где l - длина трещины по изображению с фотоприемной матрицы 10 в пикселях.

После определения величин H, S, L их значения сравниваются с предельными значениями, которые хранятся в памяти аналитического устройства. В случае превышения одной из величин допустимых значений, топливная таблетка 5 бракуется.

При калибровке устройства на измерение глубины дефектов может использоваться калибр в виде ступенчатого цилиндра (фиг. 7). В этом случае калибровочный коэффициент k определяется по формуле

k=ΔR/Δr,

где ΔR - изменение радиуса на ступеньке калибра;

Δr - соответствующее изменение положения изображения световой полосы 4 в кадре фотоприемной матрицы 10.

Для калибровки устройства на измерение площади и длины дефектов может использоваться калибр в виде имитатора топливной таблетки с нанесенной, например, методом лазерной гравировки контрастной линией длиной Lк. В этом случае в результате сканирования калибра на восстановленном изображении развертки боковой поверхности получится контрастное изображение линии длиной lк (пикселов). Тогда калибровочный коэффициент k1 определяется по формуле

k1=Lк/lк.

В качестве источника излучения 1 в устройстве, реализующем заявляемый способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов, может быть использован полупроводниковый лазер.

В качестве фотоприемной камеры 8 может быть использована камера с КМОП матричным фотоприемником, например, камеры КЦ - 360 или КЦ - 1310 (А.В. Белобородов, Д.А. Малофеев, Л.В. Финогенов. Цифровые КМОП камеры для промышленного применения. Датчики и Системы, №8, 2011, с. 49.). В этих камерах можно программно изменять частоту кадров за счет изменения количества строк, что позволяет уменьшить объем лишней информации и увеличить быстродействие устройства.

В качестве объектива 9 для камеры 8 можно использовать комбинацию объектива со специально рассчитанной кривизной поля и стандартного объектива (А.В. Белобородов, Е.В. Власов, П.С. Завьялов, Л.В. Финогенов. Многоканальный высокопроизводительный оптико-электронный контроль качества поверхности топливных таблеток. Автометрия, т. 46, №4, 2010, стр. 121-129).

В качестве формирователя 3 световой полосы 4 может использоваться амплитудный, фазовый или амплитудно-фазовый транспарант (Методы компьютерной оптики. Под ред. В.А. Сойфера. М. Физматлит, 2000, стр. 11-26).

В качестве аналитического устройства может быть использован промышленный компьютер.

Угол α между направлением освещения и плоскостью световых полос определяется исходя из требуемой погрешности измерений геометрических параметров дефектов.

1. Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов, заключающийся в том, что контролируемый объект перемещают через позицию контроля поверхности, на позиции контроля освещают N пучками света, которые формируют на контролируемой поверхности N световых полос, образующих замкнутую по периметру объекта световую полосу, расположенную в плоскости, перпендикулярной продольной оси объекта, принимают изображение полос матричными фотоприемниками, полученные с фотоприемников изображения подвергают обработке в аналитическом устройстве с учетом данных, полученных при калибровке, отличающийся тем, что освещение контролируемого объекта производят под углом α к плоскости световых полос, а оптические оси N матричных фотоприемников лежат в плоскости световых полос; по отклонениям положения изображений полос от номинального положения в аналитическом устройстве определяют дефекты поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что световые полосы на поверхности контролируемого объекта формируют с помощью дифракции когерентного света на амплитудных транспарантах.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что световые полосы на поверхности контролируемого объекта формируют с помощью дифракции когерентного света на фазовых транспарантах.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что световые полосы на поверхности контролируемого объекта формируют с помощью дифракции когерентного света на амплитудно-фазовых транспарантах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ядерной энергетики, к радиационному анализу материалов. Установка для определения выхода летучих веществ из жидкометаллического теплоносителя в газовую среду содержит петлю циркуляции газа, включающую емкость с нагревательными элементами, в нижней части которой расположен теплоноситель, а в верхней - патрубки подвода и отвода газа, холодильник, расходомер и компрессор для прокачки газа.

Изобретение относится к области методов и средств обеспечения радиационной, химической и взрывопожарной безопасности подводных лодок. Способ предаварийного, аварийного и поставарийного контроля источников опасности в герметичных обитаемых объектах заключается в том, что предварительно выполняют описание объекта контроля.

Изобретение относится к диагностике технического состояния систем контроля технологических процессов. Предложен способ проверки работоспособности системы контроля течи трубопровода, который включает воспроизведение системой параметров эталонного имитатора измеряемых системой физических величин, сравнение воспроизведенных параметров с заданными параметрами эталонного имитатора и выработку заключения о работоспособности системы.

Изобретение относится к области обеспечения надежности и безопасности атомных электростанций. Технический результат - возможность осуществления текущей диагностики технического состояния объекта контроля в части оценки целостности металла.

Изобретение относится к области измерения температуры и может быть использовано при контроле качества монтажа термоэлектрических преобразователей на выходе из тепловыделяющих сборок водо-водяных энергетических реакторов.
Изобретение относится к области реакторных измерений и может быть использовано в системах контроля и управления ядерных реакторов. Способ включает размещение детектора, подключенного к счетному каналу реактиметра, в зоне радиоактивного излучения и определение и регулировку показаний проверяемого счетного канала.

Изобретение относится к ядерным реакторам на бегущей волне. Способ определения материалов активной зоны включает определение средней скорости изменения количества материала и потока в ячейке, определение обновленного количества материала в ячейке на основании средней скорости изменения и корректировку обновленного количества материала в ячейке не некое количество.

Изобретение относится к ядерным реакторам деления. Система вентилируемого тепловыделяющего модуля ядерного деления содержит тепловыделяющий элемент ядерного деления, соединенный с ним корпус клапана для помещения газообразных продуктов деления и клапан, предназначенный для управляемой вентиляции газообразных продуктов деления из объема корпуса.

Изобретение относится к устройству контроля ядерных реакторов, которые осуществляют преобразование плотности потока тепловых нейтронов (ППТН) и потока гамма-квантов в выходные электрические сигналы на всех режимах работы реакторной установки.

Изобретение относится к методам испытаний конструкционных материалов при прогнозировании и оценке работоспособности облучаемых корпусов реакторов ВВЭР-1000. В способе прогнозирования ресурсоспособности сталей корпусов реакторов образцы из стали корпуса облучают потоком быстрых нейтронов с высокой плотностью до дозы облучения, соответствующей дозе облучения реального корпуса реактора за отдаленное время, превышающее проектный срок службы.
Наверх