Устройство для обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов
DEVICE FOR DETECTING SURFACE DEFECTS OF CYLINDRICAL OBJECTS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в производстве ядерного топлива, в частности, для обнаружения дефектов внешнего вида на боковой поверхности топливных таблеток.
Известно устройство для контроля внешнего вида боковой поверхности топливных таблеток (Л.В., Финогенов, А.В. Белобородов, В.И. Ладыгин, Ю.В. Чугуй, Н.Г. Загоруйко, С.Е. Гуляевский, Ю.С. Шульман, П.И. Лавренюк, Ю.В. Пименов. Оптико-электронная система автоматического контроля внешнего вида топливных таблеток. Дефектоскопия, №10, 2007 г., с. 68-79), содержащее источник света, матовый рассеиватель, линейную ПЗС камеру, принимающую отраженный от поверхности топливной таблетки свет, и механизм вращения топливной таблетки. Развертка боковой поверхности производится посредством вращения топливной таблетки приводным валиком. Управление приводом производится от контроллера, а для обработки информации используется компьютер.
Недостатками данного устройства для контроля боковой поверхности топливных таблеток является низкая надежность, обусловленная проскальзыванием топливной таблетки и незащищенностью входной оптической поверхности камеры от пыли, а также сложная конструкция из-за наличия механизма вращения и роторного механизма подачи таблеток на контрольную позицию.
Известно также устройство, реализующее способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов (патент РФ №2604109, опубликован 10.12.2016, Бюл. №34). Устройство содержит четыре идентичных оптических канала. Каждый канал состоит из осветительной части и приемной части. Осветительная часть включает источник света, коллиматор, формирователь световой полосы на контролируемой поверхности. Объекты контроля (топливные таблетки) перемещаются по направляющей со сквозной прорезью. Приемная часть содержит фотоприемную камеру. Все фотоприемные камеры соединены с аналитическим устройством. Световые полосы лежат в одной плоскости, расположенной под углом к направлениям освещения. Оптические оси всех приемных частей лежат в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси таблеток и совпадающей с плоскостью световых полос.
Недостатком данного устройства контроля топливных таблеток является сложность конструкции, обусловленная использованием для формирования световых полос дифракционных оптических элементов, для изготовления которых требуется специальное оборудование и технология. Также для создания замкнутой световой полосы на поверхности топливной таблетки требуются специальные юстировочные приспособления. Кроме того, из-за разрыва направляющей, требуются специальные элементы конструкции для точного выставления обеих половин направляющей строго в одной плоскости.
Вторым недостатком данного устройства является его низкая надежность, обусловленная отсутствием защиты входной оптической поверхности приемных частей оптических каналов от запыленности и наличием полного разрыва направляющей, который может приводить к скоплению осколков и большого количества пыли, нарушающих нормальное движение таблеток.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство контроля боковой поверхности топливных таблеток с использованием специальных объективов (А.В. Белобородов, Е.В. Власов, П.С. Завьялов, Н.Г. Загоруйко, П.И. Лавренюк, В.И. Ладыгин, А.А. Палехин, Л.В. Финогенов, Ю.В. Чугуй. Оптико-электронный контроль внешнего вида топлива для АЭС. Юбилейный сборник избранных трудов КТИ НП СО РАН «Оптико-информационные измерительные и лазерные технологии и системы», Новосибирск, Академическое издательство «ГЕО», 2012, с. 285-299), реализованное в комплексе контроля внешнего вида таблеток, описанном в статье (Д.Г. Сырецкий, Г.А. Сырецкий, П.С. Завьялов, Л.В. Финогенов, Е.В. Власов, А.В. Белобородов, Я.В. Килин. Автоматизированный комплекс оптико-электронной разбраковки таблеток керамического ядерного топлива. Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016, XII Междунар. науч. конгр., 19-22 апреля 2016 г., Новосибирск: Междунар. науч. конф. «Сибоптика-2016»: Сб. материалов в 2 т, Т 1, Новосибирск: СГУГиТ, 2016, с. 124- 129).
Устройство включает четыре идентичных оптических канала, каждый из которых состоит из источника света, полупрозрачного зеркала, конденсора, корректирующего объектива и приемника изображения. Подача контролируемых топливных таблеток производится по направляющей, состоящей из двух частей, между которыми предусмотрен щелевой промежуток для прохода световых лучей. Четыре оптических канала создают на поверхности топливной таблетки замкнутое световое освещение, и обеспечивают регистрацию изображения всей боковой поверхности топливной таблетки в процессе ее движения. Для обработки информации используется компьютер. Для уменьшения габаритов системы с целью облегчения периодической чистки оптики и зазора между частями направляющей от пыли в оптических каналах применены линзы с обрезанными краями.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, обусловленная использованием трудоемких в изготовлении обрезанных (не круглых) линз в оптических каналах, приводящих к сложной юстировке, а также использованием направляющей, состоящей из двух частей, для совмещения которых требуются специальные приспособления.
Вторым недостатком описанного устройства является его низкая надежность, обусловленная наличием зазора между двумя частями направляющей, который забивается пылью и осколками, что приводит к нарушению нормального потока таблеток и остановке конвейера. Кроме того, отсутствие защитных устройств на входе оптических каналов приводит к запылению оптических поверхностей и, как следствие, к ослаблению оптических сигналов и снижению вероятности обнаружения дефектов поверхности таблеток.
Предлагаемое устройство направлено на достижение следующего технического результата:
- упрощение конструкции;
- повышение надежности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемое устройство содержит направляющую для позиционирования контролируемых объектов (далее направляющая), аналитическое устройство и N оптических каналов (N≥3), включающих источник света, полупрозрачное зеркало, конденсор, корректирующий объектив, матричный приемник изображения, выход которого соединен с соответствующим входом аналитического устройства. На входе каждого оптического канала между объектом контроля и первой оптической поверхностью установлена камера с избыточным давлением воздуха, оптические каналы расположены последовательно по направлению движения объекта контроля, а направляющая выполнена в виде одной целой детали с локальными прорезями, расположенными напротив оптических каналов.
Существует вариант, в котором оптические каналы выполнены из полноформатных (не обрезанных) сферических линз.
Указанное выполнение заявляемого устройства позволяет, за счет разнесения каналов вдоль движения контролируемых объектов (таблеток), применить направляющую в виде одной целой детали с локальными прорезями и тем самым упростить конструкцию, так как нет необходимости в специальных механизмах и инструментах для выравнивания двух частей направляющей и регулирования величины щели.
Кроме того, в разнесенных каналах можно использовать менее трудоемкие полноформатные цилиндрические линзы, так как в данном случае доступ для чистки прорезей становится более простым, чем в замкнутой вокруг топливной таблетки конструкции.
Указанное выполнение заявляемого устройства также позволяет повысить его надежность. Направляющая в виде одной детали с прорезями обеспечивает более стабильный поток контролируемых таблеток в зоне контроля за счет цельности конструкции. Прорези меньше забиваются пылью, которая образуется на керамических топливных таблетках после операции шлифования. Дополнительное повышение надежности обеспечивается использованием на входе оптических каналов камер избыточного давления. Воздух с повышенным давлением препятствует запыленности входных оптических поверхностей, что приводит к стабильности оптического сигнала и высокой вероятности обнаружения дефектов поверхности.
На фиг. 1 изображено заявляемое устройство для обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов (фиг. 1а - вид спереди и фиг. 1б - вид сбоку).
На фиг. 2 представлен вид направляющей для перемещения контролируемых объектов через контрольные позиции с прорезями для прохода световых лучей.
Заявляемое устройство (фиг. 1) содержит четыре идентичных оптических канала I-IV (в общем случае может быть другое количество оптических каналов). Каждый оптический канал включает источник света 1, полупрозрачное зеркало 2, конденсор 3, контролируемый объект (топливная таблетка) 4, направляющую 5, освещенный сектор 6, корректирующий объектив 7, матричный приемник изображения 8. Между контролируемой топливной таблеткой 4 и входной линзой конденсора 3 установлена камера избыточного давления 9, в которую подается сжатый воздух. Все матричные приемники изображения 8 соединены с аналитическим устройством 10. Направляющая 5 (фиг. 2) имеет прорези 11 и 12 для прохода световых лучей соответствующих оптических каналов (11 для канала III, 12 для канала II).
Заявляемое устройство в четырехканальном варианте (фиг. 1) работает следующим образом. Контролируемые топливные таблетки 4 перемещаются через позиции контроля по направляющей 5. На первой позиции контроля располагаются оптические каналы I и III, на второй - каналы II и IV. В каждом оптическом канале I+IV световые лучи от источника света 1, отражаясь от полупрозрачного зеркала 2, посредством конденсора 3 освещают сектор 6 цилиндрической поверхности топливной таблетки 4. Конденсор 3 представляет собой часть оптического канала со специально рассчитанной кривизной поля. При этом освещение и наблюдение каждой точки поверхности производится по нормали к поверхности, что обеспечивает высокий контраст дефектов. Регистрация изображения поверхности производится с помощью корректирующего объектива 7 и матричного приемника изображения 8, выполненного на многоэлементном фотоприемнике. Развертка изображения по одной координате осуществляется за счет перемещения топливных таблеток 4 по направляющей 5, а по второй координате с помощью электронного сканирования в матричном приемнике изображения 8. Осмотр полной поверхности производится посредством использования четырех оптических каналов I-IV. Для осмотра топливных таблеток 4 снизу в направляющей 5 предусмотрены прорези 11, 12 (фиг. 2). Топливные таблетки 4 изготавливаются методом спекания, и, по сути, являются керамическими изделиями. Так как контроль внешнего вида производится после операции шлифования, то перемещение топливных таблеток 4 сопровождается образованием пыли, которая в случае отсутствия защиты постепенно покрывает оптические поверхности на входе конденсоров 3. Для устранения этого эффекта на входе оптических каналов установлены камеры 9 с избыточным давлением воздуха. Сигналы с матричных приемников изображения 8 поступают на соответствующие входы а÷d аналитического устройства 10, где производится их обработка по алгоритмам обработки изображений с целью обнаружения и измерения дефектов внешнего вида (пор, трещин, сколов, непрошлифовки и т.п.). По результатам измерения принимается решение о годности топливной таблетки.
Возможны исполнения устройства с большим количеством оптических каналов. При этом количество прорезей на направляющей должно быть увеличено.
В предлагаемом устройстве в качестве источника света 1 может использоваться светодиод.
В качестве матричного приемника изображения 8 может быть использована камера на КМОП матричном фотоприемнике, например 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 качестве конденсора 3, и корректирующего объектива 7 можно использовать узлы специализированной оптической системы, обеспечивающие освещение и наблюдение поверхности цилиндра по нормали к любой точке его поверхности (П.С. Завьялов, Л.В. Финогенов, Е.В. Власов. Специализированная оптическая система для контроля качества цилиндрических поверхностей. Дефектоскопия, №7, 2016, с. 66).
Камера избыточного давления 9 должна быть открыта со стороны контролируемой топливной таблетки 4, чтобы не создавать препятствия для ее осмотра. Дном камеры является оптическая поверхность конденсора 3. Для подачи воздуха в камере может быть несколько отверстий.
Ширина прорезей 11, 12 в направляющей 5 должна обеспечивать надежный оптический сигнал на входе матричного приемника изображения 8.
Для уменьшения взаимного влияния противоположные оптические каналы (I, Ill и II, IV) могут быть смещены в пределах прорезей относительно друг друга в направлении движения контролируемого объекта.
В качестве аналитического устройства 10 может быть использован компьютер. Его соединение с оптическими каналами производится через порты USB.