Авторефераты диссертаций >> Авторефераты по Приладобудуванни
завьялов петр сергеевич трехмерный контроль геометрических параметров дистанционирующих решеток ядерных реакторов на основе дифракционных оптических элеме
Контролируемая ДР жестко фиксируется в специальной оправе. Фотоприемная часть с объективом расположена внутри основания. Для точного определения перемещений стола по координатам Х и Y предусмотрены два датчика перемещений. Управление системой осуществляется посредством контроллера. Обработка информации производится компьютером, расположенным на рабочем столе оператора.
Для исследования метрологических характеристик системы «Решетка-Н» были разработаны 4 стандартных образца (СО) для различных типов решеток. Они представляют собой образцы дистанционирующих решеток, отобранных из стандартной продукции и выдержанных после изготовления некоторое время (около шести месяцев) для снятия напряжений в конструкции. Затем СО измерялись с помощью координатно-измерительной машины. Для измерения выбирались 4 близлежащие ячейки и одно отверстие под канал.
В результате измерений геометрических параметров СО разработанной системой установлены следующие погрешности измерений:
• погрешность измерения диаметров ячеек шестигранных ДР......….. ±5,3 мкм;
• погрешность измерения положения центров ячеек ………..……….. ±12 мкм;
• погрешность измерения расстояния между противоположными пуклевками ячеек квадратной ДР ……………………………………………..……± 8,8 мкм;
• погрешность измерения диаметра отверстия под канал шестигранной ДР …................................................................................± 16 мкм;
• погрешность измерения расстояния между противоположными стенками отверстия под канал квадратной ДР ……………………………….…± 24 мкм.
В 2008 г. в ОАО «НЗХК» проведены производственные испытания системы. Программа испытаний предусматривала измерение решеток серии ТВС-А и ТВС-2 для реакторов ВВЭР-1000 и сравнении результатов контроля системы с результатами контроля ОТК. Всего за время испытаний измерено более 100 решеток. Время измерения одной ДР составляло 11 – 15 мин. в зависимости от «дефектности» решетки. Решетки, прошедшие операцию предварительной механической обработки, как правило, контролировались быстрее (11 – 12 мин.).
В результате проведенных экспериментальных исследований и производственных испытаний разработанной системы контроля ДР «Решетка-Н» установлено, что полученные погрешности измерений не превышают допустимые. Стабильность измерений подтверждена большим объёмом проконтролированных решеток, результаты измерений системы согласуются с результатами контроля с помощью штатных контактных средств. «Решетка-Н» позволяет контролировать геометрические параметры ДР тепловыделяющих отечественных сборок ТВС-А, ТВС-2, УТВС, ТВС-440, а также зарубежных сборок PWR. Проведенные исследования и полученные результаты подтверждают правильность расчетов и теоретических оценок, приведенных в диссертации.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
В диссертации решена задача разработки и создания оптико-электронной системы контроля геометрических параметров дистанционирующих решёток ядерных реакторов широкой номенклатуры.
1. Исследован предложенный автором новый метод бесконтактного 3D контроля геометрии дистанционирующих решеток на основе дифракционных оптических элементов – мультикольцевых фокусаторов, формирующих структурное освещение в виде последовательности световых колец. Теоретически и экспериментально показано, что метод позволяет контролировать как шестигранные (российские), так и квадратные (зарубежные) дистанционирующие решетки.
2. Предложен и разработан на основе численного решения интеграла Френеля – Кирхгофа способ расчета МКФ в виде наложенных расходящихся торических полей. Показано, что такие фокусаторы с диаметром 45 мм могут генерировать до 20 узких световых колец равного диаметра с шириной 50 – 100 мкм и шагом по глубине в пределах 0,5 – 1 мм.
3. Предложен итерационный способ расчета МКФ с оптимизацией интенсивностей световых колец, обеспечивающий значительное снижение отклонения интенсивностей световых колец от заданных. Показано, что путем подбора уровней интенсивности колец эти отклонения можно уменьшить с 20 – 40 % до 1% и менее.
4. Рассчитан и изготовлен на ГУП «Новосибирский приборостроительный завод» объектив для контроля отверстий, осуществляющий геометрические преобразования протяженных по глубине структурных изображений элементов дистанционирующих решёток в их плоские проекции. Такой объектив, в отличие от известных, имеет большую кривизну поля в пространстве объектов, которая достигается за счет большого астигматизма. Показано, что благодаря увеличенным аберрациям объектив формирует плоское изображение внутренних поверхностей отверстий в широком диапазоне их диаметров D (8 - 100 мм) и длин L (1 2)D с пространственным разрешением в радиальном и сагиттальном направлениях 45 и 8 линий/мм соответственно.
5. Рассчитана зависимость интенсивности изображения кольца от его положения вдоль оптической оси, которая использовалась при расчете мультикольцевых фокусаторов. Показано, что выбором интенсивностей световых колец по определенному закону достигается значительное (на порядок) снижение неравномерности интенсивности их изображений.
6. Разработаны методы обработки изображений с учетом спекл-шумов и неоднородностей контролируемой поверхности, методы вычисления геометрических параметров элементов ДР исходя из их структурных изображений, а также методики юстировки и калибровки оптической системы. Экспериментально показано, что они позволяют определять диаметры ячеек и положение их центров с погрешностями не более 5 и 12 мкм соответственно.
7. В результате расчета МКФ для контроля существующей номенклатуры шестигранных и квадратных решеток установлено, что для решения поставленной задачи достаточно использовать 4 мультикольцевых фокусатора. Оптические характеристики МКФ, изготовленных в амплитудном бинарном исполнении, соответствуют расчетным.
8. На основе предложенного метода при непосредственном участии автора разработана и создана «Универсальная оптико-электронная система для контроля геометрических параметров дистанционирующих решёток» («Решетка-Н»). В результате производственных испытаний системы установлены следующие метрологические характеристики:
• погрешность измерения диаметров ячеек шестигранных ДР............. ±5,3 мкм;
• погрешность измерения положения центров ячеек ……………….... ±12 мкм;
• погрешность измерения расстояния между противоположными пуклевками ячеек квадратной ДР ……………………………………………..……± 8,8 мкм;
• погрешность измерения диаметра отверстия под канал шестигранной ДР ……………………….……………………………...± 16 мкм;
• погрешность измерения расстояния между противоположными стенками отверстия под канал квадратной ДР ……………………………….…± 24 мкм.
• время измерения одной ДР ……………………………...………… 11 – 15 мин.
Полученные характеристики полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системе контроля геометрических параметров дистанционирующих решеток.
9. Разработанная система с января 2009 г. находится в эксплуатации в ОАО «НЗХК», г. Новосибирск. За это время системой проконтролировано несколько тысяч дистанционирующих решеток. Эксплуатация системы «Решетка-Н» позволила, используя методы статистического регулирования, стабилизировать технологический процесс изготовления ДР и уменьшить количество доработок в изделиях, и соответственно повысить рентабельность производства.
Список основных работ, опубликованных автором по теме диссертации:
1. Inspection of geometrical parameters of through holes by a diffractive focuser / P.S. Zavyalov at al.// Proceedings of the Third International Symposium on Instrumentation Science and Technology «ISIST’2004», August 18-22, 2004, Held in Xi’an, China in 3 vol. / Ed. by prof. Tan Jiu-bin, prof. Wen Xian-fang. – Harbin: Harbin Institute of Technology Press, 2004. – Vol. 2. – P. 2-1016 – 2-1021. [Контроль геометрических параметров сквозных отверстий с помощью дифракционных фокусаторов]
2. Inspection of holes parameters using a ring diffractive focuser / P. Zavyalov at al.// Photonics in Measurement: [Proc.], 23-24 June 2004, Frankfurt. – Dsselldorf: VDI Verlag GmbH, 2004. – P. 433-443. [Контроль параметров отверстий с помощью дифракционных кольцевых фокусаторов]
3. Пат. 2245516 Российская Федерация, МПК G 01 C 11/30. Устройство контроля отверстий деталей [Текст] / Ю. В. Чугуй, Л. В. Финогенов, П. С. Завьялов, В. Г. Никитин, А. Р. Саметов ; опубл. 10.10.2004, Бюл. № 3.
4. 3D laser inspection of fuel assembly grid spacers for nuclear reactors based on diffraction optical elements / L.V. Finogenov, Yu.A Lemeshko, P.S. Zav’yalov, and Yu V Chugui // Measurement science and technology. – 2007. – Vol. 18. - № 6. - P. 1779-1785. [3D контроль дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок ядерных реакторов на базе дифракционных оптических элементов]
5. Finogenov L.V. Multiple-Ring Structured Light Method for Inspection of Fuel Assembly Grid Spacers for Nuclear Reactors / L.V. Finogenov, Yu.A. Lemeshko, P.S. Zavyalov // Measurement 2007: Proceedings of the 6th International Conference on Measurement, Smolenice Castle, Slovakia, May 20-24, 2007. – P. 314-317. [Мультикольцевой метод структурного освещения для контроля дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок ядерных реакторов]
6. Трехмерный контроль дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок атомных реакторов на основе дифракционных оптических элементов [Текст] / П.С Завьялов, Ю.А. Лемешко, Л.В. Финогенов, Ю.В. Чугуй // Автометрия. – 2008. – Т.44, № 2. – С. 23-31.
7. Application of diffractive optical elements for inspection of complicated through holes / P. S. Zavyalov at al. // Proceedings of the 5th International Symposium on Instrumentation Science and Technology, Shenyang, China, Sept. 15 - 18, 2008. – P. 744-753. [Применение дифракционных оптических элементов для контроля сквозных отверстий сложной формы]
8. Пат. 2334944 Российская Федерация, МПК G01B 11/24. Устройство контроля дистанционирующих решеток / П. С. Завьялов, М. Г. Зарубин, Ю. К. Карлов, П. И. Лавренюк, В. И. Ладыгин, Ю. А. Лемешко, Л. В. Финогенов, А. В. Чиннов, Ю.В. Чугуй В. П. Юношев; опубл. 27.09.2008, Бюл. № 27.
9. Using the Diffractive Optics for 3D Inspection of Nuclear Reactor Fuel Assembly Grid Spacers / L.V. Finogenov, Yu.A. Lemeshko, P.S. Zav’yalov // Measurement Science Review. 2008. — Vol. 8. Section 3, No. 3. - P. 71-77. [Использование дифракционной оптики для 3D контроля дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок атомных реакторов]
10. 3D Inspection of Fuel Assembly Components / A.V.Beloborodov, Y.V.Chugui, A.A.Guschina, Y.A.Lemeshko, L.V.Finogenov, P.S.Zav’yalov // Key Engineering Materials: Measurement Technology and Intelligent instrument IX. – 2010. – Vol. 437. – P. 155–159. [3D контроль компонентов тепловыделяющих сборок]
3
