Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы автоматизации измерения параметров микроструктуры топливных таблеток при промышленном контроле качества ядерного топлива на основе диоксида урана 13
1.1. Методы определения характеристик микроструктуры топливных таблеток из диоксида урана 13
1.2. Анализ специфики объектной среды 18
1.3. Современные проблемы автоматизации измерения размера зерна топливных таблеток в атомной промышленности 24
1.4. Постановка задачи диссертации 29
Выводы 30
Глава 2. Метод автоматизированной обработки изображений шлифов топливных таблеток из диоксида урана для измерения размера зерна 32
2.1. Требования к системе автоматизированного измерения размера зерна топливных таблеток из диоксида урана 32
2.2. Модель изображения шлифа топливной таблетки 39
2.3. Критерий качества обработки изображения шлифа топливной таблетки при измерении размера зерна 43
2.4. Метод компьютерной обработки изображения шлифа топливной таблетки 44
Выводы 52
Глава 3. Модель погрешности измерения размера зерна 55
3.1. Анализ задачи разработки модели погрешности измерения размера зерна 55
3.2. Концептуальная модель погрешности измерения размера зерна з
3.3. Модель инструментальной составляющей погрешности измерения размера зерна 57
3.4. Модель методической составляющей погрешности измерения размера зерна 66
Выводы 72
Глава 4. Экспериментальное исследование характеристик погрешности измерения размера зерна 74
4.1. Методика экспериментального определения погрешности измерения размера зерна 74
4.2. Оценка инструментальной составляющей погрешности измерения размера зерна 75
4.3. Оценка погрешности измерения размера зерна с применением экспертных оценок 80
4.4. Характеристики погрешности измерения размера зерна топливных таблеток из диоксида урана 86
Выводы 87
Глава 5. Разработка методики выполнения измерений параметров микроструктуры топливных таблеток из диоксида урана 89
5.1. Анализ задачи разработки методики выполнения измерений параметров микроструктуры топливных таблеток из диоксида урана 89
5.2. Определение исходных данных для разработки МВИ... 92
5.3. Последовательность и содержание операций по подготовке и выполнению измерений 97
5.4. Особенности автоматизированного измерения параметров микроструктуры топливных таблеток из диоксида урана 100
Выводы 107
Глава 6. Внедрение результатов диссертации 109
6.1. Внедрение в промышленную эксплуатацию автоматизированной системы измерения параметров микроструктуры АТЛАНТ-ТК 109
6.2. Внедрение результатов диссертации в учебный процесс 114
6.3. Расширение сфер применения автоматизированных
систем обработки изображений АТЛАНТ 114
Выводы 115
Заключение 117
Список литературы
- Современные проблемы автоматизации измерения размера зерна топливных таблеток в атомной промышленности
- Модель изображения шлифа топливной таблетки
- Концептуальная модель погрешности измерения размера зерна
- Оценка погрешности измерения размера зерна с применением экспертных оценок
Введение к работе
Актуальность диссертации
Касаясь развития атомной энергетики, необходимо отметить два аспекта в свете темы диссертации - безопасность эксплуатации атомных станций и увеличение эффективности производства электроэнергии. Оба связаны с повышением требований к качеству ядерного топлива (ЯТ), что в свою очередь вызывает необходимость совершенствования существующих и создания новых средств контроля качества ЯТ.
Одними из важных параметров, измеряемых при контроле качества топливных таблеток из диоксида урана (ТТДУ) при их промышленном производстве, являются характеристики микроструктуры материала ТТДУ - размер зерна и пористость. В практике промышленного контроля для измерения размера зерна широко применяется метод случайных секущих. Данный метод измерения размера зерна ТТДУ характеризуется рядом недостатков: трудоемкостью процесса контроля, большим объемом ручных операций и визуального анализа, зависимостью результатов контроля от субъективного фактора. Кроме того, получаемое в результате измерения значение условного размера зерна нелинейно зависит от среднего размера зерна (коэффициент пропорциональности зависит от распределения зерен по размерам в контролируемом образце). Такое состояние качества измерений размера зерна ТТДУ не соответствует требованиям современного производства. В этой связи актуальна задача автоматизированного измерения размера зерна, свободного от перечисленных недостатков.
Обзор работ по метрологическому обеспечению автоматизированных систем обработки изображений (АСОИЗ) свидетельствует об актуальности задачи разработки соответствующих методологических основ, отвечающих специфике обработки изображений и затрагивающих в первую очередь методы экспериментального определения метрологических характеристик АСОИЗ и формирование эталонной базы.
Цель и задачи диссертации
Целью диссертации является создание методов и средств измерения параметров микроструктуры ТТДУ для контроля качества ядерного топлива в условиях крупносерийного промышленного производства.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
исследование особенностей изображений шлифов ТТДУ, изготовленных в условиях крупносерийного промышленного производства, контроль качества которых выполняется в центральной заводской лаборатории ОАО «Машиностроительный завод»;
разработка концептуальной модели автоматизированного измерения размера зерна микроструктуры ТТДУ при промышленном контроле их качества;
разработка модели микроскопического изображения шлифа ТТДУ при оценке характеристик ее микроструктуры;
разработка метода автоматизированного измерения размера зерна микроструктуры ТТДУ;
обоснование технических требований на создание специализированных технических средств, реализующих метод автоматизированного измерения размера зерна микроструктуры ТТДУ;
создание автоматизированной системы измерения размера зерна при контроле качества ядерного топлива;
исследование метрологических характеристик автоматизированной системы измерения размера зерна при контроле качества ядерного топлива;
разработка методики выполнения измерений размера зерна с использованием автоматизированной системы обработки изображений АТЛАНТ при промышленном контроле качества ТТДУ в условиях крупносерийного производства.
Научная новизна
Предложен метод цифровой обработки изображений, который обеспечивает построение границ зерен микроструктуры ядерного топлива в условиях их частичной видимости и наличия пор. Реализация метода в системе АТЛАНТ-ТК позволила производить автоматизированные измерения размера зерна микроструктуры ТТДУ.
Разработана методика выполнения измерений размера зерна микроструктуры ТТДУ с применением автоматизированной системы обработки изображений АТЛАНТ-ТК.
Представлена модель погрешности автоматизированного измерения размера зерна топливных таблеток из диоксида урана, которая позволила выявить факторы, влияющие на погрешность измерения размера зерна микроструктуры ядерного топлива, и учесть их при разработке методов исследования метрологических характеристик системы АТЛАНТ-ТК.
Разработана методика экспериментальной оценки погрешности измерения размера зерна микроструктуры ТТДУ.
Практическая значимость
1. На основе предложенных в диссертации методов и средств обработки изображений разработана автоматизированная система АТЛАНТ-ТК для измерения параметров микроструктуры ТТДУ, которая внедрена в ОАО «Машиностроительный завод» в г. Электросталь для промышленного контроля качества ядерного топлива для атомных электростанций при крупносерийном производстве ТТДУ. ОАО "Машиностроительный завод" в г. Электросталь является крупнейшим в России изготовителем тепловыделяющих сборок (ТВС) для всех типов эксплуатирующихся в России и СНГ атомных электростанций (АЭС).
Работы по созданию и внедрению системы АТЛАНТ-ТК с учетом их большого объема и комплексности проводили совместно МИФИ, ОАО «ТВЭЛ», ФГУП ГНЦ «ВНИИНМ им. А. А. Бочвара», ОАО «Машиностроительный завод». МИФИ обеспечивал разработку математического, технического, программного, методического обеспечения системы АТЛАНТ-ТК, выполнял экспериментальные исследования метрологических характеристик разрабатываемой системы, осуществлял изготовление, монтаж и настройку системы АТЛАНТ-ТК в центральной заводской лаборатории ОАО «Машиностроительный завод», проводил авторский надзор за эксплуатацией системы. ОАО «ТВЭЛ» координировал общее выполнение работ. ФГУП ГНЦ «ВНИИНМ им. А. А. Бочвара» выполнял метрологическую аттестацию методики выполнения измерений параметров микроструктуры ТТДУ с применением системы АТЛАНТ-ТК, формировал экспертные заключения по положению границ зерен на изображениях шлифов ТТДУ для атласа изображений микроструктур ТТДУ, разрабатывал технологию подготовки шлифов ТТДУ для автоматизированного анализа, осуществлял оценку качества предлагаемых в процессе разработки проектных решений. ОАО «Машиностроительный завод» выполнял метрологическую аттестацию авто-
матизированной системы АТЛАНТ-ТК, осуществлял оценку качества результатов разработки, проводил опытную эксплуатацию макета системы и опытно-промышленную и промышленную эксплуатацию системы АТЛАНТ-ТК, выполнял набор экспериментальных данных для анализа объектной среды и исследования метрологических характеристик разработанной системы, реализовывал комплекс организационно-технических мер на ОАО «Машиностроительный завод» по внедрению в технологию производства ТТДУ методики выполнения измерений с применением системы АТЛАНТ-ТК. 2. Разработанная методика выполнения измерений параметров микроструктуры топливных таблеток с применением системы АТЛАНТ-ТК прошла метрологическую аттестацию, что позволило применить разработанную методику в промышленном контроле качества топливных таблеток при их крупносерийном производстве. Апробация диссертации Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на совещаниях в ОАО «ТВЭЛ», во ФГУП ГНЦ «ВНИИНМ им. А. А. Бочвара», ОАО «Машиностроительный завод» г. Электросталь, на Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем" (г. Владимир 1989г.), на VII Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий»(г.Череповец, 1997г.), на научных сессиях МИФИ-1999, 2000, 2001, 2002, 2004 г.г., на ХП, XIII, XV Научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" в 2000, 2001, 2003г.г., на Всероссийской научно-технической конференции «Методы и технические средства оперативной оценки структурно-механического состояния металла элементов конструкций и машин» МЭИ(ТУ)- 2002г.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Метод цифровой обработки изображений, обеспечивающий измерение размера зерна топливных таблеток из диоксида урана в условиях промышленного контроля качества продукции при крупносерийном производстве ядерного топлива, устойчивый к влиянию пористости материала топливной таблетки на результат измерения.
Концептуальная модель автоматизированного измерения размера зерна микроструктуры ядерного топлива, которая является основой для разработки методов и средств автоматизированного измерения размера зерна микроструктуры топливных таблеток из диоксида урана.
Методика выполнения измерений размера зерна микроструктуры топливных таблеток из диоксида урана с применением автоматизированной системы обработки изображений АТЛАНТ, которая обеспечивает возможность промышленной эксплуатации системы автоматизированного измерения размера зерна для контроля качества ядерного топлива.
Модель погрешности измерения размера зерна микроструктуры топливных таблеток на основе диоксида урана, позволившая определить факторы, влияющие на погрешность измерения, что способствовало разработке методов исследования метрологических характеристик системы АТЛАНТ-ТК.
Методика экспериментальной оценки погрешности измерения размера зерна микроструктуры топливных таблеток из диоксида урана, применение которой дало возможность выполнить оценку метрологических характеристик системы автоматизированного измерения размера зерна.
Методика расчета оценки составляющих погрешности измерения размера зерна топливных таблеток из диоксида урана. Применение методики выявило основные факторы, влияющие на погрешность измерения, и позволило разработать средства по уменьшению погрешности измерения размера зерна с применением автоматизированной системы обработки изображений.
Математическая модель микроскопического изображения шлифов топливных таблеток из диоксида урана. Предложенная модель позволила учесть специфические особенности объектной среды, выявленные в результате экспериментальных исследований промышленной продукции на ОАО «Машиностроительный завод». Учет этих особенностей позволил разработать метод обработки изображений шлифов ТТДУ для измерения размера зерна, устойчивый к влиянию факторов, искажающих картину границ зерен ТТДУ.
Публикации
Диссертант имеет более 80 научных работ, большая часть которых (47) отражает содержание диссертации. Из указанной части им было опубликовано без соавторов 6 печатных работ и в соавтор-
стве 34 печатные работы в ведущих отечественных журналах, научных сборниках МИФИ, трудах международных и всесоюзных научных конференций и семинаров. Частично материалы диссертации использованы в двух учебных пособиях по лабораторному практикуму «Компьютерные измерительные системы» под редакцией проф. В.Н.Михайлова и доц. В.Г.Никитаева, изданных в 1994 и 1995 годах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы (86 наименований), 1 приложения. Всего в диссертации 157 страниц.
Современные проблемы автоматизации измерения размера зерна топливных таблеток в атомной промышленности
Параметр "Величина зерна" широко используется для характеристики качества металлов и сплавов. Поэтому в науке и промышленности неоднократно предпринимались попытки в создании эффективных методов определения этого параметра. К настоящему времени наибольшее распространение получили два подхода: сравнение со шкалой зерен и "метод случайных секущих". Это связано с тем, что первый из них требует минимальных трудовых затрат и минимум технических средств. Недостатком его является существенное влияние на результат субъективного фактора и относительно большая погрешность (до 100%). Но для грубой оценки величины зерна этот метод широко применяется. Для более точных оценок используют метод случайных секущих. Его использование требует достаточно кропотливой работы по проведению секущих и подсчету пересечений с границами зерен. Но в сравнении с другими неавтоматизированными методами определения величины зерна по ГОСТ 5639-82 этот метод оказывается наименее трудоемким при обеспечении необходимой для оценки качества материала точности. Поэтому естественна попытка автоматизации этого метода. На ОАО "Машиностроительный завод" свыше 10 лет эксплуатируется автоматизированная система обработки изображений "Автомет" (разработка НПО «НИИТАвтопром», г.Москва, Россия), в которой реализован такой метод. Безусловно, с внедрением этой системы был сделан значительный шаг вперед по пути снижения трудоемкости определения величины зерна. Но, тем не менее, этой системе присущ и ряд недостатков: - пересечение секущих с границами зерен устанавливает оператор-контролер по изображению на экране компьютера, что является достаточно утомительной процедурой и при длительной работе естественно увеличение числа субъективных ошибок; - изображение, по которому оператор устанавливает точки пересечения секущих с границами зерен, представлено в псевдоцветах, что мешает оператору адекватно воспринимать картину зерен, а это в свою очередь приводит к увеличению числа ошибок; - пространственная разрешающая способность системы не позволяет отображать "тонкие" границ зерен на изображении, видимые в микроскопе; - 4-х битовое кодирование яркости изображения не позволяет выявить слабоконтрастные границы.
Все эти факторы не позволяют определить величину зерна с необходимой в современных условиях точностью и производительностью. Это вызывает необходимость создания современной системы, в которой указанные проблемы были бы решены.
Применение автоматизированных систем обработки изображений универсального типа в задаче определения величины зерна
В научных исследованиях и в промышленности при металлографическом анализе материалов применяются автоматизированные системы обработки изображений (АСОИЗ). В качестве примера можно привести такие системы : "Автомет" (разработка НПО «НИИТАвтопром», г.Москва, Россия), SIAMS (фирма «SIAMS Ltd», г. Екатиринбург, Россия), ВИДЕОЛАБ (МГУ, Россия-Англия), МИКРОСВИТ (ИКИ РАН, Россия, г.Москва), АСОИЗ фирмы «Магис» (ВНИИ телевидения, г.Санкт-Петербург, Россия), ЗЕНИТ (Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, г.Новосибирск, Россия), АСОИЗ МНПО «Спектр» (г.Москва, Россия), QUANTIMET (фирма LEICA, Германия), MAGISCAN (фирма «JOYCE-LOEBLE», Англия), PERICOLOR (фирма «NUMELEC», Франция), IBAS (фирма «OPTON», Германия), KS-KONTRON IMAGING SYSTEM (фирма «KONTRON ELECTRIC», Германия), OMNIMET (фирма «BUEHLER», США), LECO IMAGING SYSTEM (фирма «LECO», США). Анализ публикаций по АСОИЗ [21, 23, 27, 42, 43, 44, 45, 46], опыт применения практических систем, обсуждения со специалистами и имеющийся опыт разработки и внедрения такого рода систем в промышленности позволяют сформулировать основные на настоящий момент проблемы в рассматриваемой предметной области:
1. Большинство существующих АСОИЗ исследуемого класса относятся к универсальным системам с возможностью проведения различных видов анализа, включая металлографический. Однако они не учитывают условий реального промышленного контроля на конкретном предприятии и вследствие этого оказываются непригодными в качестве сертифицированного средства контроля. С этой проблемой, в частности, сталкиваются отечественные промышленные предприятия при использовании закупленных зарубежных АСОИЗ для металлографического анализа.
2. Современные АСОИЗ для металлографического анализа, обладая богатым набором инструментальных и сервисных средств, позволяют решать лишь достаточно простые задачи металлографии по определению фазового состава, характеристик пор, включений и др. В то же время проблемой является разработка методов и моделей автоматизированной обработки изображений большого класса "нетипичных" объектов (сюда относятся, например, объекты микроструктуры топливных материалов для ядерных реакторов, анизотропные структуры в сплавах циркония и др.).
3. До настоящего времени не разработана технология проектирования АСОИЗ для металлографического анализа. Особую актуальность эта проблема приобретает на этапах системного проектирования, разработки математического, метрологического, методического обеспечения.
Модель изображения шлифа топливной таблетки
Важнейшей характеристикой системы измерения параметров микроструктуры ядерного топлива, без знания которой ее нельзя применять для контроля качества продукции является погрешность измерения. Разработка модели погрешности измерения необходима на этапе проектирования для того, чтобы выбрать такие решения, которые обеспечат необходимую точность измерения (альтернативный путь - итеративные попытки создания системы, до тех пор пока присущая ей погрешность не удовлетворит точностные требования - необоснованно дорог, трудоемок и требует большого времени и ресурсов) [61, 62].
Для прямой экспериментальной оценки погрешности измерения системы необходимо иметь эталон физической величины - размера зерна топливной таблетки на основе диоксида урана. Такого эталона не существует. Этим порождена проблема оценки погрешности разрабатываемой системы [63]. Другой метод - сравнение с результатами измерения образцового средства измерения здесь также неприемлем, так как не существует такого образцового средства измерения. В этой связи необходимо разработать методы и средства оценки погрешности измерения разрабатываемой системы [64].
Проведем анализ рассматриваемой проблемы. Если бы была возможность измерить размер зерна в топливной таблетке другим средством измерения, имеющим более высокую точность, то можно было бы определить погрешность измерения системы для конкретного объекта. но реальные объекты измерения — зёрна — очень вариативны, и нельзя просто распространить оценку погрешности, полученную по контрольному измерению, на все измерения системы. Если предположить, что можно сделать набор образцов, являющихся представительной выборкой всех контролируемых образцов, то на основании сравнительных измерений этих образцов на системе и на образцовом средстве можно дать статистическую оценку погрешности системы. Но на практике невозможно поручиться, что какая бы то ни было выборка является представительной для всех образцов, которые могут быть в будущем. Кроме того, даже формирование представительной выборки из уже существующих образцов является весьма трудоёмким процессом. Поэтому для оценки погрешности системы важно определить источники возникновения погрешности и оценить их максимально возможные проявления.
Выявление существенных факторов, влияющих на погрешность, и создание математической модели, описывающей это влияние, поможет, с одной стороны, выполнить оценку погрешности, с другой стороны — определить меры по снижению погрешности измерения, с третьей стороны — разработать методику экспериментальной оценки погрешности, учитывающую все влияющие факторы с минимальными затратами на проведение эксперимента. Таким образом, разработка модели погрешности необходима на этапе разработки системы и на этапе определения её метрологических характеристик.
При разработке модели должны быть учтены все факторы, которые могут влиять на погрешность измерения, — объектная среда, инструментальные средства, программная обработка, методика измерения, возможные изменения внешних условий [65].
В ходе разработки модели должны быть выделены существенные факторы и отброшены малозначимые. Модель должна быть представлена в виде, позволяющем произвести оценку погрешности измерения и выявить вклад подсистем с тем, чтобы на этапе проектирования системы можно было разработать меры по компенсации, уменьшению или устранению факторов, вызывающих погрешность с тем, чтобы довести результирующую погрешность до уровня меньшего установленного требованиями к системе.
Модель погрешности разрабатывается в условиях, когда известна структурная схема системы, свойства её основных составляющих, применяемые алгоритмы обработки и методика выполнения измерений, а также свойства объектной среды [66].
Концептуальная модель погрешности измерения величины зерна представляет обобщенную математическую модель, отражающую основные источники погрешности измерения величины зерна, и служит основой для построения математических моделей составляющих погрешности измерения и для разработки методов экспериментальной оценки погрешности измерения величины зерна [67]: Mz = {Ми, Мпос, млз, Мнз., Мрасч}, где Mz— модель погрешности измерения величины зерна; Ми — модель погрешности, обусловленной искажениями аппаратуры; Мпос — модель погрешности, обусловленной неточностью построения линии границы;
Млз— модель погрешности, обусловленной построением ложных границ зёрен; Мнз — модель погрешности, обусловленной недостройкой границ зёрен; Мрасч — модель расчёта результирующей погрешности, учитывающей вышеуказанные составляющие полной погрешности.
Концептуальная модель погрешности измерения размера зерна
В результате обработки экспериментальных данных получено, что максимальная составляющая погрешности измерения линейного размера, обусловленная координатными искажениями в системе, с микроскопом, использующим объектив с 50 кратным увеличением не превосходит 1,5% .
Следует отметить, что полученные экспериментальные данные согласуются с расчетной моделью искажений, представленной в главе 3. На этом основании для сокращения объема эксперимента можно рекомендовать для оценки максимальных искажений использовать упрощенную методику -проводить измерения эталонного размера в 5-ти зонах: в углах изображения по соответствующим диагональным направлениям и в центре по вертикали и диагонали.
Полная инструментальная погрешность измерения линейных размеров системы может быть представлена как сумма мультипликативной и аддитивной составляющих. Мультипликативная составляющая погрешности обусловлена искажениями в оптической части системы, аддитивная составляющая обусловлена дискретизацией видеосигнала и равна размеру квадрата со стороной в один дискретный элемент (пиксел) изображения. Полная инструментальная погрешность системы для различных диапазонов измеряемых размеров приведена в табл. 4.3. 4
Для измерения полной погрешности системы необходимо использовать образцовое средство измерения, воспроизводящее эталонный размер зерна. В настоящее время отсутствуют образцовые меры размера зерна топливных таблеток из диоксида урана. Для разрешения проблемы оценки погрешности измерения размера зерна предложено в качестве образцовой меры использовать реальные образцы топливных таблеток, а значение эталонного размера определять с помощью экспертов. Для этого перед экспертами была поставлена задача провести на изображении шлифа образца топливной таблетки линии границ зерен. По нарисованной экспертом картине производится расчет размера зерна, который устанавливается в качестве эталонного значения размера зерна.
В течение года макет системы применялся при контроле качества топливных таблеток в промышленном производстве. В ходе этого контроля производилась запись изображений шлифов с сохранением файлов на электронном носителе. Полученная совокупность изображений анализировалась с целью формирования представительной выборки образцов для экспертной оценки. В итоге было выбрано 18 файлов, представляющих типичные изображения шлифов топливных таблеток при промышленном контроле их качества.
Группа экспертов для установления границ зерен на полученных изображениях была сформирована из представителей ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, ОАО «Машиностроительный завод», МИФИ.
Опыт применения такого подхода показал, что получение экспертных оценок для образцовой меры размера зерна топливных таблеток из диоксида урана является сложной проблемой. Это связано с субъективизмом достроения невидимых границ. Предварительные оценки показали значительное расхождение результатов (см. табл. 4.4). Частично такое расхождение, вероятно, обусловлено тем, что задача достроения контуров границ зерен решалась экспертами в такой постановке впервые. В этой связи, представляется целесообразным выработать единый подход к решению задачи построения невидимых границ и провести обучение экспертов. Для решения этой задачи было предложено создать атлас типовых изображений шлифов топливных таблеток из диоксида урана на которых нанесена картина границ зерен, согласованная с ведущими экспертами -технологами по производству ядерного топлива.
В итоге был создан атлас изображений шлифов топливных таблеток из диоксида урана с экспертными заключениями о положении границ зерен. Эти изображения использовались как мера размера зерна при оценке погрешности измерения размера зерна с применением автоматизированной системы обработки изображений АТЛАНТ-ТК.
Для оценки относительного качества результатов измерения размеров зерна с применением разрабатываемой системы была поставлена задача оценки результатов измерения размера зерна образцов топливных таблеток, выполненных с применением макета системы АТЛАНТ-Т в сравнении с системой зарубежного производства LECO, используемой для материаловедческих исследований на ОАО «Машиностроительный завод».
Изображения шлифов топливных таблеток с травлением на зерно вводились на макете системы "АТЛАНТ-Т", установленном в центральной заводской лаборатории ОАО "Машиностроительный завод". Всего было введено 295 изображений шлифов с травлением на зерно (всего из 32 партий).
Для экспертной оценки размеров зерна среди проконтролированных шлифов были отобраны 35 образцов; при этом экспертная оценка осуществлялась по 37 полям (2 образца имели существенно неравномерный по полю размер зерна, и по этим образцам выполнялась экспертная оценка поля с минимальным и поля с максимальным размером зерна). Экспертная оценка осуществлялась по методу случайных секущих [74] на макете системы АТЛАНТ-Т путём подсчёта числа пересечений пяти произвольно проведенных линий, параллельных стороне кадра, с границами зёрен. По результатам калибровки макета размер стороны кадра составляет 142 мкм. Экспертная оценка проводилась в режиме вывода на монитор живого видео с перефокусировкой в процессе подсчёта числа пересечений. Перефокусировка производилась для выявления всех границ, пересекаемых линией сечения. В табл. 4.6 приведено ранжирование результатов по диапазонам отклонений.
На рис. 4.3 приведены гистограммы распределения доли отклонений, превышающих заданный предел погрешности, для систем АТЛАНТ-Т и LECO. Следует особо отметить, что часть отклонений результатов измерений, выполненных на системе LECO, от результатов экспертной оценки (20 % всех измеренных значений) выходят за пределы 50-процентного значения, допускаемого ГОСТ 5639-82 для различных измерений на одном и том же шлифе.
Оценка погрешности измерения размера зерна с применением экспертных оценок
Методы и средства обработки изображений, представленные в диссертации были реализованы в программном и методическом обеспечении автоматизированной системы АТЛАНТ-ТК, предназначенной для контроля качества топливных таблеток на основе диоксида урана в условиях крупносерийного промышленного производства на ОАО «Машиностроительный завод» г. Электросталь. Внедрение в промышленную эксплуатацию созданной системы выполнялось поэтапно (четыре этапа). Первый этап. Задачами этого этапа являлись: экспериментальное исследование объектной среды с целью анализа специфики изображений микроструктуры топливных таблеток, отработка методов обработки изображений и формирование требований к системе автоматизированного измерения параметров микроструктуры топливных таблеток.
Для решения этих задач сначала было проведено исследование по оценке возможностей применявшейся ранее на ОАО «Машиностроительный завод» технологии измерения параметров микроструктуры, основанной на визуальном анализе микроскопических изображений с применением отечественной системы АВТОМЕТ (разработка НИИАвтопрома г.Москва).
Анализ результатов исследований показал, что применявшиеся средства имеют недостаточные для современных требований к контролю качества топливных таблеток характеристики. В том числе отмечено то, что процедура контроля при использовании системы АВТОМЕТ основана на визуальной оценке изображения и ручном маркировании границ зерен на изображении, это обусловливает большую трудоемкость процедуры контроля и субъективность оценки. В конечном итоге это приводит к повышенной погрешности измерений параметров микроструктуры и значительных трудозатратах на выполнение этих измерений.
С целью разработки новой более совершенной системы было проведено исследование возможностей автоматизированной обработки изображений микроструктуры топливных таблеток. Предварительная оценка и анализ методов обработки изображений проводился на экспериментальной базе МИФИ с использованием фотографий микроструктур. Для этого был создан макет автоматизированной системы обработки изображений АТЛАНТ. Это позволило отработать методы обработки изображений, обеспечивающие автоматизацию проведения измерений параметров микроструктуры, и разработать предварительные требования к техническим средствам автоматизированной системы контроля.
Для экспериментальной проверки на реальных образцах разрабатываемых методов и средств автоматизированного измерения параметров микроструктуры был создан макет системы, в состав которого входили телекамера, микроскоп с модулем сопряжения с телекамерой, плата ввода изображений в компьютер, компьютер, принтер. Макет был установлен в Центральной заводской лаборатории ОАО «Машиностроительный завод», что позволило проводить исследования в реальных производственных условиях на образцах промышленно выпускаемой продукции. В ходе исследований были определены параметры системы необходимые для обеспечения решения задачи автоматизации контроля параметров микроструктуры.
Одна из важнейших задач, которая была решена с применением разработанного макета - создание представительной выборки цифровых изображений микроструктуры. Ввод изображений выполнялся для образцов таблеток, проходивших штатный контроль качества продукции. Эта процедура выполнялась на протяжении года, так чтобы сформированная выборка полноценно отражала конкретные условия производства и возможные отклонения в изображениях микроструктуры топливных таблеток. На этом этапе проводилось исследование особенностей изображений микроструктуры, возможности по улучшению качества подготовки щлифов и определение требований по подготовке шлифов для автоматизированного контроля. На полученной выборке изображений проверялась эффективность предложенных методов, производилась оптимизация параметров автоматизированной обработки изображений.
Второй этап - создание системы в соответствии с требованиями сформированными на первом этапе и запуск системы в опытную эксплуатацию. На этом этапе был окончательно определен состав комплектующих системы, произведено их испытание, выполнен монтаж и настройка системы. Монтаж системы произведен в Центральной заводской лаборатории ОАО «Машиностроительный завод». После проведения приемо-сдаточных испытаний, указанная система заменила ранее использовавшийся макет, созданный на первом этапе внедрения системы в промышленную эксплуатацию. Дальнейшее создание архива цифровых изображений для формирования представительной выборки изображений микроструктуры выполнялся уже с помощью этой системы.
Прежде чем использовать систему в промышленном контроле, необходимо было произвести метрологические исследования. Эта работа выполнялась совместно с метрологической службой ОАО «Машиностроительный завод». В итоге Лаборатория линейно-угловых измерений ЦЛИТ ОАО «Машиностроительный завод» произвела метрологическую аттестацию системы для контроля микроструктуры топливных таблеток АТЛАНТ-ТК (Свидетельство о метрологической аттестации №07/02 от 10.06.2002г.). Метрологические характеристики системы приведены в табл. 6.1.
Для применения системы в промышленном контроле была разработана методика автоматизированного контроля параметров микроструктуры с применением системы. Для отработки разработанной методики и оценки эффективности системы был произведен запуск системы в опытно-промышленную эксплуатацию (Акт о приеме в опытно-промышленную эксплуатацию системы контроля микроструктуры топливных таблеток АТЛАНТ-Т от 18.06.2002г.).
