Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время трудно найти отрасль народного хозяйства не связанную с производством или применением микрообъектов различной физической природы с размерами от нескольких микрометров до десятков миллиметров, имеющими в общем случае неправильную форму. К таким микрообъектам относятся, например гранулы порошков и алмазов, разнообразные шарики, гранулированные медпрепарата и продукты питания, элементы ядерного топлива, капли органических и неорганических жидкостей, частицы аэрозолей и т. д. К основным характеристикам, определяющим физические и потребительские свойства микрообъектов, а также изделий, материалов и веществ на их основе, относятся геометрические характеристики. Поэтому актуальными для любых микрообъектов, независимо от их агрегатного состояния и области использования, являются вопросы контроля их геометрических размеров и формы. В последние годы с появлением новых высокопроизводительных и наукоемких технологий, требования к качеству геометрического контроля микрообъектов значительно возросли. Потребовались методы и аппаратура способные осуществлять достоверный с микронной точностью контроль и оперативное управление качеством продукции непосредственно в процессе ее производства (в режиме on-line).
Наибольшее значение решение этих вопросов имеет для отраслей, связанных с вредным, массовым производством особо важных, сложных и точных изделий, где необходимы полная автоматизация технологических процессов и автоматический неразрушающий пооперационный контроль качества готовой продукции. Например, в атомной промышленности, к подобной продукции относится гранулированное ядерное топливо высокотемпературного газоохлажда-емого реактора (ВТГР). геометрический контроль которого, с целью безопасной и экономичной работы АЭС, необходимо осущест-
- 4 -влять на всех технологических этапах производства от капель исходных растворов до шаровых твэлов.
Таким образом современный геометрический контроль микрообъектов массового производства, ввиду их сложности, различия физической природы, большого диапазона размеров, многообразия формы и специфики поверхности должен обладать качественно новой совокупностью свойств. Он должен быть автоматическим быстродействующим (20 - 100 мо/с) бесконтактным дифференциальным динамическим объемным прецизионным и достоверным (ДО 0.95). Кроме того, контроль должен быть управляющим, т.е. обеспечивать функции измерения, обработки, анализа, классификации, сортировки, счета и дозирования микрообъектов в реальном' масштабе времени с быстропротекающим динамическим процессом их транспорта на позицию контроля, при этом его результаты для каждого изделия и их партии должны быть независимыми. Такой контроль позволит не только целенаправленно управлять качеством разнообразной продукции, но и формировать ее новые заданные свойства.
Состояние проблемы. Анализ состояния в области геометрического контроля микрообьектов показывает, что традиционные и специальные методы и средства контроля не удовлетворяют в полной мере указанным требованиям, т.к. они либо не способны выполнять объемные измерения (например, микроскопический метод), либо предполагают разрушение или контакт с контролируемым изделием (металлография, ситовый и седиментационный методы), либо не позволяют контролировать движущиеся объекты и малопроизводительны (радиография, томография). При этом большинство этих методов предназначены только для контроля средних размеров микрообъектов по их выборке и не способны контролировать форму отдельных изделий (ситовый, седиментационный. кондукто-метрический. интегрально-оптический методы). Лучшими среди динамических дифференциальных методов контроля, как размеров, так и формы являются оптико-электронные теневые проекционные
методы, однако они не являются управляющими и не обладают необходимым сочетанием точности и достоверности.
Кроме того в практике отсутствуют функциональные характеристики основных проекционных методов динамического контроля микрообъектов, основанных на различных физических принципах, по быстродействию, точности и достоверности, а также методология их получения и общая база систематического сравнения их качества. Практически отсутствует также проблемно-ориентированный набор унифицированных функциональных технических и программных модулей, необходимый и достаточный для построения современных прикладных приборов и систем геометрического контроля микрообъектов методом проектной компоновки. В результате вопросы выбора и применимости методов и средств для решения конкретных практических задач контроля приходится решать или на основе интуиции, или на основе проводимых каждым пользователем специальных экспериментальных исследований, что приводит к снижению качества контроля, потере времени и дополнительным затратам. Указанные факторы сдерживают прогресс в области теории и практики гранулометрии.
Цель и основные задачи исследований. Цель настоящей работы заключается в развитии перспективного направления гранулометрии путем решения комплексной проблемы по созданию и применению принципиально новых методов и аппаратуры динамического реконструктивного управляющего контроля размеров и формы микрообъектов массового производства.
Решение этой проблемы осуществляется на основе системного подхода путем разработки принципов, теоретических и методических положений, создания ряда базовых методических, технических и программных средств, а также разработки автоматической аппаратуры для решения практических задач геометрического контроля микрообъектов.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих основных задач:
выбор оптимальных геометрических характеристик, описывающих размеры и форму микрообъектов;
разработка принципов и теоретических положений статистической реконструкции размеров и формы выпуклых объектов по контурам теневых проекций;
разработка методов динамического управляющего оптико-электронного контроля геометрических характеристик микрообъектов с реконструкцией по контурам изображений теневых проекций:
разработка математических моделей операций, методов и характеристик проекционного динамического контроля микрообъектов, а также методик и технических средств для их статистических исследований;
определение принципов сравнения и получение функциональных характеристик качества различных методов проекционного динамического контроля размеров и формы микрообъектов по быстродействию, точности и достоверности;
разработка и исследование базового набора унифицированных технических средств для построения приборов и систем телевизионного управляющего контроля, транспорта, сортировки и дозирования микрообъектов по размерам и форме;
создание автоматической аппаратуры для динамического управляющего контроля геометрических характеристик различных микрообъектов массового производства.
Поставленные задачи решались путем сочетания аналитических и экспериментальных исследований на основе стереологии. аналитической геометрии, теории исследования операций, математической статистики, прикладной математики, теории информации и измерений, а также системотехники, схемотехники, оптики, точной механики, полупроводниковой электроники, автоматики и вычислительной техники.
Диссертация является итогом ряда научно-исследовательских работ, проведенных под руководством и при непосредственном участии автора за период с 1981 по 1994 гг.
- 7 -Научная новизна работы. Осуществлена теоретическая разработка, обобщение и решение научной проблемы - создание методов и аппаратуры динамического реконструктивного управляющего контроля геометрических характеристик микрообьектов массового производства, в рамках которой:
-
Предложена идея, а также разработаны принципы и теоретические положения статистической реконструкции размеров и формы микрообъектов по контурам изображений триады взаимно-ортогональных теневых проекций, в том числе: определены оптимальные характеристики и математические модели, описывающие геометрические размеры и форму микрообъектов; определены оптимальный вид первичной информации о размерах и форме микрообъектов, ее базовые элементы, способы их получения и анализа; разработан метод параллельных касательных для автоматического измерения габаритных размеров контуров изображений проекций; получены аналитические зависимости размеров базовых элементов теневых проекций от линейных размеров и пространственной ориентировки математических моделей, аппроксимирующих размеры и форму микрообъектов; получены аналитические зависимости статистической реконструкции размеров и формы выпуклых объектов, основанные на различных аппроксимациях и различных базовых элементах взаимно-ортогональных теневых проекций.
-
Разработаны принципиально новые методы динамического телевизионного реконструктивного управляющего контроля размеров и формы микрообъектов, в том числе - метод площадей, метод одномерных проекций, статистический метод, метод площадей и проекций, минимаксный метод и метод обобщенной аппроксимации.
-
Разработаны математические и физические модели, методики и принципы построения автоматизированной системы для статистических исследований операций, методов и характеристик дифференциального динамического контроля размеров и формы микрообъектов.
-
Предложен информационный подход для систематического
- 8 -сравнения характеристик качества методов геометрического контроля микрообъектов, основанных на различных физических принципах. Определены численные значения информативности шести основных видов первичной проекционной информации, получены соответствующие экспериментальные распределения и определены виды аппроксимирующих их известных распределений.
-
Получены функциональные зависимости погрешностей и быстродействия метода параллельных касательных от углового шага и размера области анализа вогнутости контура изображения. Определены оптимальные значения этих параметров.
-
Впервые получены сравнительные функциональные зависимости погрешностей, доверительных вероятностей и быстродействия ряда объемных методов динамического контроля среднего эквивалентного диаметра и коэффициента несферичности микрообъектов от их размеров и формы.
-
Определены закономерности влияния топологии взаимной ориентировки теневых проекций на точность и достоверность контроля размеров и формы микрообъектов. Установлено, что оптимальной топологией ориентировки плоскостей проекций является их взаимная ортогональность.
-
Разработаны и исследованы принципы построения комплекса базовых технических модулей и специального сервисного оборудования для реализации основного набора операций новых методов контроля микрообъектов - получения импульсных оптико-электронных изображений теневых проекций, обработки и анализа видеоинформации, а также дозирования, транспорта и сортировки микрообъектов по размерам и форме в реальном масштабе времени.
-
Разработана концепция построения комплекса автоматических установок для управляющего контроля и сортировки по размерам и форме микрообъектов массового производства различного назначения, на примере элементов гранулированного ядерного топлива ВТГР. как наиболее сложных по совокупности геомет-
- 9 -рических и физических характеристик.
Практическая ценность и использование. 1. Впервые создан ряд методов, позволяющих осуществить в совокупности высокопроизводительный автоматический бесконтактный динамический дифференциальный многомерный прецизионный достоверный контроль и сортировку микрообьектов массового производства по среднему эквивалентному диаметру и коэффициенту несферичносте в реальном масштабе времени. Обладая различными возможностями по диапазону измерений, быстродействию, точности и достоверности эти методы позволяют оптимально решать широкий круг ранее недоступных практических задач гранулометрии. По характеристикам качества они в 10 - 20 раз превосходят традиционные и защищены двумя авторскими свидетельствовами на изобретения. Предложенные, методы успешно использованы в ВНИИТФА, НПО "Луч". ВНИИНМ. Институте механики МГУ, НИИ "Полюс", МИФИ и Московском заводе полиметаллов для управляющего контроля, классификации и сортировки по размерам и форме микрообъектов различной физической природы, агрегатного состояния и назначения.
-
Математические и физические модели, методики и.алгоритмы статистического проекционного анализа внедрены и использованы во ВНИИТФА и Институте механики МГУ для создания и применения автоматизированной программно-аппаратной системы научных исследований (АСНИ) "Алгоритмы и комплекс программ исследования методов и средств контроля геометрических характеристик сферического топлива". Эта система использована в ряде НИР по разработке и исследованию различных методов и аппаратуры контроля топливных элементов ВТГР, что позволило существенно повысить качество и оптимизировать структуру разработок, а также сократить их сроки и стоимость. Расчетный годовой экономический эффект от использования системы только в двух НИР, в ценах 1987г.. составил около 200 тыс.руб.
-
Впервые с помощью АСНИ получены сравнительные функциональные характеристики качества различных (традиционных и но-
- 10 -вых) методов проекционного контроля размеров и формы микрообъектов по быстродействию, точности и достоверности. Благодаря этому в практике гранулометрии появилась возможность количественно обоснованного выбора эффективных методов и средств динамического контроля микрообъектов.
-
Создан комплекс базовых унифицированных технических модулей для применения в качестве основных структурно-функциональных компонентов при построении методом проектной компоновки приборов, установок и систем оптико-электронного телевизионного проекционного контроля, транспорта, сортировки, счета и дозирования микрообъектов по размерам и форме. Он включает в себя: лазерно-оптическую импульсную осветительную систему; универсальный электронный блок управления импульсными источниками света; оптическую систему формирования изображений с блоком автоматического изменения масштаба изображения; микротелевизионную матричную ПЗС-камеру; кварцевый генератор телевизионных синхросерий; цифровой автомат обработки и анализа кадра изображения; универсальный адаптер сопряжения оптико-электронных датчиков с 16 разрядной ЭВМ; специализированный многоканальный адаптер сопряжения многомашинной вычислительной системы с различными объектами; устройство разделения, дозирования и транспорта гранул; устройство сортировки гранул. По совокупности характеристик технические средства комплекса превосходят отечественные и зарубежные аналоги и близки к пределам современных технических и метрологических возможностей. Они защищены пятью авторскими свидетельствами на изобретения. Результаты исследований и разработок данного комплекса внедрены и использованы во ВНШТФА, НТЦ "Микролазер" НИИ "Полюс", МИФИ и Московском заводе полиметаллов. Технические средства комплекса могут быть также использованы при управлении производственными процессами, в системах технического зрения и анализа изображений, телевидении и вычислительной технике.
-
Создан комплект стендового наладочного оборудования
- n -(СНО) для статической и динамической, в режиме реального времени, проверки работоспособности технических средств комплекса на этапах их создания и эксплуатации. Технические решения, лежащие в основе СНО защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретения. Комплект СНО использован в ВНИИТФА и НПО "Луч", при этом расчетный годовой экономический эффект, в ценах 1988г.. составил 150 тыс. руб.
6. Примером реализации содержащихся в диссертации новых принципов, теоретических положений, методов, технических и программных средств является создание в атомной промышленности оригинального комплекса автоматических установок (постов) для динамического пооперационного контроля и сортировки топливных элементов ВТГР по геометрическим размерам и форме в процессе их производства от капель исходных растворов до шаровых твэ-лов. Комплекс включает в себя:
пост неразрушающего контроля диаметра капель ПНК-ДК, который по своим характеристикам превосходит_ отечественные и зарубежные аналоги и защищен пятью авторским свидетельствами на изобретения. ПНК-ДК апробирован при отработке золь-гель процесса каплеобразования ВНИИНМ и может быть применен для контроля капель другой физической природы;
комплексный пост контроля и сортировки гранул по размерам, форме и плотности КПНК "Комби", осуществляющий комплексный контроль качества в общей сложности по 35 параметрам. По своим характеристикам он превосходит отечественные и зарубежные аналоги и защищен 8-ю авторскими свительствами на изобретения. КПНК "Комби" использован ВНИИТФА. НПО "Луч" и ВНИИНМ для контроля ряда изготовленных по различным технологиям опытных партий гранулированного микротоплива ВТГР, а также грану-лоподобных объектов другой физической природы, в том числе: кернов, кернов с двумя-четырьмя покрытиями. микротвэлов, стальных шариков различной несферичности, пластмассовых гранул наполнителей, гранул для шариковых катализаторов и сорбентов.
- 12 -Расчетный годовой экономический эффект от использования КПНК для контроля ядерного микротоплива ВТГР с проектной производительностью, в ценах 1986г.. составил более 3 млн.руб.;
- пост контроля и сортировки шаровых элементов по внешним
размерам ПНК ВРШЭ-1М. Технические решения, лежащие в его осно
ве защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретения.
Пост использован НПО "Луч" для контроля опытных партий шаровых
твэлов и может быть применен для контроля шаровых элементов
другой физической природы. Расчетный годовой экономический эф
фект от использования поста с проектной производительностью, в
ценах 1986г, составил 65,0 тыс.руб.
Апробация работы. Основные материалы, представленные в диссертации, были обсуждены и одобрены:
на Межотраслевой научно-технической конференции "Методы и средства неразрушающего контроля при производстве твэл, твс и пэл для ядерных энергетических реакторов", Москва, 1984г.;
на Научно-технической конференции "Результаты научно-исследовательских работ в области технологии, материаловедения, испытаний и контроля качества микротвзлов и твэлов на их основе", Москва, 1985г.;
на Межотраслевом семинаре "Проблемы отработки твэлов на основе микротвзлов", Гос.НИИ НПО "Луч", Подольск, 1988г.;
на IX и X научно-технических конференциях ученых и специалистов ВНИИРТ, Москва, 1983. 1985гг. ;
на научно-технических семинарах тематического отдела и секции АСНКТ НТС ВНИИТФА, Москва. 1988-1994ГГ.;
на научно-техническом семинаре Отдела оптоэлектроники ФИАН, Москва, 1994г.;
на научно-технических семинарах Гос.НИИ НПО "Луч", Подольск. 1990-1996гг.;
на научно-техническом семинаре ВНИИОФИ, Москва, 1996г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 научные работы, в том числе 26 печатных работ, получено 9 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 123 наименований. 73 рисунков, 29 таблиц, изложенных на 313 страницах и Приложения на 14 листах.