Автоматична координатна реєстрація результатів контролю дефектоскопами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

УДК 534.86

Спеціальність 05.11.13 - Прилади і методи контролю

та визначення складу речовини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Автоматична координатна реєстрація результатів контролю дефектоскопами

Сєрий Костянтин Миколайович

Київ - 2010



Дисертація є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України на кафедрі приладів та систем неруйнівного контролю.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Маєвський Станіслав Михайлович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» м. Київ професор кафедри приладів та систем неруйнівного контролю

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Скрипник Юрій Олексійович, Київський національний університет технології та дизайну професор кафедри автоматизації та комп'ютерних систем

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Бондаренко Юрій Купріянович, завідувач відділу Науково-дослідного інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України

Захист відбудеться «_25_» травня 2010 р. 0 15 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.002.18 при національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою : 03056, м.Київ, проспект Перемоги,37,навчальний корпус № 1, аудиторія 293.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»

Автореферат розісланий «_16_» квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор Бурау Н.І.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Неруйнівний контроль, потреба якого в наш час постійно зростає, виконується в основному дефектоскопами в режимі ручного сканування. Використовуючи дефектоскоп дефектоскопіст вручну виконує сканування об'єкту контролю вимірювальним перетворювачем та опираючись на показання дефектоскопу про перевищення вихідного сигналу заданого рівня (рівня бракування), оцінює результати контролю та відображає ці результати в акті про виконаний контроль. Як бачимо подібний спосіб виконання контролю має суттєві недоліки. По-перше такий результат контролю не позбавлений суб'єктивності. По-друге існує не менш важливий недолік: відсутня «тверда» копія не тільки результатів контролю, але й зафіксованого в координатах сканування процесу контролю з фіксацією координат виявлених дефектів (величини сигналів пропорційних величині дефектів).

Проблема усунення суб'єктивності контролю вирішується сьогодні використанням спеціальних механічних контактних пристроїв, які при виконанні вручну переміщення вимірювального перетворювача відслідковують двомірні координати переміщення завдяки використанню відповідних лінійних та кутових вимірювальних перетворювачів. Подібні пристрої є додатковим механічним навантаженням для дефектоскопіста, до того ж вони обмежують зону сканування, мають недостатню точність визначення координат та і саме головне - подібні пристрої можуть використовуватися лише для сканування плоских поверхонь.

Виходячи зі сказаного вище актуальною задачею сучасного неруйнівного контролю є створення безконтактних дистанційних систем реєстрації просторових координат вимірювального перетворювача дефектоскопу в процесі сканування дефектоскопістом поверхні об'єкту контролю любої складності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Дисертаційну роботу виконано в Національному технічному університеті України “КПІ” відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки в Україні (згідно до Закону України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки» за №2623-III, від 11.07.2001р., зі змінами №3421-IV, від 09.02.2006р.) відповідно до Державної програми розвитку промисловості України до 2011 року (постанова КМ України №1174 від 28.07.2003 р.), Державних науково-технічних програм «Наукове і навчальне приладобудування» і «Ресурсозберігаючі та енергоефективні технології машинобудування» (постанова КМ України №1716 від 24.12.2001 р.). Окремі наукові результати роботи отримано при проведенні досліджень відповідно до планів науково-дослідних робіт приладобудівного факультету та кафедри приладів і систем неруйнівного контролю.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка систем дистанційного визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу відносно системи відліку, яка розташовується на поверхні об'єкту контролю чи за його межами, шляхом використання фізичних випромінювань: електромагнітного, акустичного та оптичного, реалізованих точковими джерелами, що встановлюються на осі цього перетворювача.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Провести аналіз реалізації механічних систем координатного сканування та систем з використанням направлених електромагнітних давачів швидкості руху та виконати аналіз точності вказаних систем.

2. Провести аналіз способу визначення координат з використанням високочастотних електромагнітних випромінювань малої потужності для вимірювання відстаней між збудниками електромагнітних коливань та приймачами цих коливань на кінцях бази відліку, виконати аналіз точності.

3. Розробити метод та провести аналіз точності акустичної трьох координатної системи відліку координат на основі двох збудників акустичних коливань встановлених на осі вимірювального перетворювача дефектоскопу, та трьох приймачів цих коливань розташованих на кінцях бази вимірювання.

4. Дослідити можливість використання оптико-механічних тріангуляційних систем для визначення координат у невеликому об'ємі з вимірюванням напрямів на двоє точкових джерел світла розташованих співвісно до вимірювального перетворювача дефектоскопу, провести аналіз точності систем.

5. Розробити метод та провести аналіз точності оптичних тріангуляційних систем визначення координат на основі однієї та двох оптичних камер з ПЗЗ матрицями у фокальних площинах об'єктивів для визначення кутових напрямків на двоє точкових джерел світла розміщених співвісно з вимірювальним перетворювачем дефектоскопу, виконати аналіз похибок.

6. Розробити дослідний зразок оптичної систем визначення координат вимірювального перетворювача на основі двох оптичних камер з ПЗЗ матрицями у фокальних площинах об'єктивів для визначення кутових напрямків точкових джерел світла розміщених співвісно з вимірювальним перетворювачем дефектоскопу та впровадити результати досліджень.

Об'єкт дослідження - синтезовані автором електромагнітні, акустичні та оптичні системи дистанційного визначення відносних координат вимірювального перетворювача дефектоскопу в процесі виконання контролю об'єкту шляхом сканування цим перетворювачем поверхні об'єкту.

Предмет дослідження - похибки, швидкодія та оптимізація алгоритмів визначення координат розроблених автором систем.

Методи дослідження. Для вирішення поставленої задачі використані математичне моделювання з метою визначення алгоритмів розрахунків значень координат на основі вимірювання відстаней та кутових напрямків на точкові випромінювачі фізичних сигналів різної природи з урахуванням фізичних особливостей збудження, розповсюдження та вимірювальних перетворень фізичних коливань з метою визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. В дисертації вперше розроблені і обгрунтовані методи безконтактного визначення просторових координат вимірювальних перетворювачів акустичних, магнітних, вихрострумових дефектоскопів у процесі сканування поверхні з метою координатної реєстрації результатів контролю.

2. Удосконалена акустична двомірна система визначення координат шляхом введення додаткових акустичних приймачів з метою можливості визначення трьохмірних координат та виключення температурної похибки.

3. На основі використання тріангуляційного методу вперше розроблені оптико-механічні системи визначення трьохмірних координат вимірювального перетворювача за координатами двох точкових випромінювачів на осі вимірювального перетворювача дефектоскопу у процесі сканування.

4. Вперше розроблені та обгрунтовані системи визначення трьохмірних координат вимірювального перетворювача дефектоскопу на основі використання однієї та двох цифрових оптичних камер з ПЗЗ-матрицями на кінцях фіксованої бази вимірювання довжиною від 0,5 до 1 метра.

5. Виконана оптимізація взаємного кутового положення оптичних камер з ПЗЗ матрицями у фокальних площинах об'єктивів з метою наближення до бази вимірювання дозволеної зони можливого сканування поверхні об'єкту контрою, та підвищення точності визначення координат.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

Виконаний порівняльний аналіз точності, швидкодії та зручності практично усіх можливих рішень відтворення систем для безконтактного і дистанційного визначення координат просторового положення вимірювального перетворювача дефектоскопу у процесі сканування цим перетворювачем реальної поверхні об'єкту контрою, яке виконується вручну дефектоскопістом.

Використання розроблених систем дистанційного визначення і запису у пам'ять комп'ютера просторових координат вимірювального перетворювача у процесі сканування разом з перетвореним у цифровий код вихідним сигналом дефектоскопу дозволяє не тільки отримати «тверду» копію процесу контролю, об'єктивно (програмно) аналізувати результати контролю, але і використовувати отримані таким чином результати для моніторингу об'єктів контролю.

Використання системи автоматичного визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу у процесі сканування об'єкту контролю та запис координат разом з цифровим значенням вихідної напруги дозволяє виключити дефектоскоп з розряду приладів з суб'єктивним визначенням результату контролю. Таким чином велика кількість дефектоскопів (акустичних, магнітних, вихрострумових) буде збережено навіть у таких виробництвах, де дозволено використання лише автоматичних систем з реєстрацією інформації.

Розроблений та досліджений діючий зразок оптичної з ПЗЗ матрицями системи визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу у процесі сканування ним поверхні об'єктів контролю. Оптична система з ПЗЗ матрицями була експериментально апробована та впроваджена в навчальний процес на кафедрі приладів та систем неруйнівного контролю НТУУ «КПІ», та в виробничий процес - на підприємстві ТОВ «НВФ «Діагностичні прилади» м. Київ та АНТК ім. О.К. Антонова м. Київ.

Особистий внесок автора. В дисертаційній роботі наведені результати наукових досліджень автора отримані самостійно. Постановка задачі досліджень, порівняльний аналіз методів вирішення проблеми виконувалися спільно з науковим керівником. Автору належать визначені алгоритми розрахунків координат, аналіз точності кожної з запропонованих систем, розробка, аналіз та експериментальні дослідження виготовленої ним оптичної системи з використанням ПЗЗ матриць, як приймачів випромінювань точкових ненаправлених джерел світла.

Внесок у роботи, що опубліковані у співавторстві, наведено безпосередньо у переліку праць за темою дисертації в кінці автореферату.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати та положення дисертаційної роботи доповідались автором й обговорювались на науково-технічних конференціях: Приладобудування 2003: стан і перспективи (м.Київ: НТУУ «КПІ», 2003р.); Четверта національна науково-технічна конференція.- Київ: Неруйнівний контроль та технічна діагностика (м.Київ: ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України , 2003р.); Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики (м.Ялта, 20003р.); ІІІ науково-технічної конференції Приладобудування 2004: стан і перспективи (м.Київ: НТУУ «КПІ», 2004р.); VІ науково-технічної конференції Приладобудування 2007: стан і перспективи (м.Київ: НТУУ «КПІ», 2007р.); VІІ науково-технічної конференції Приладобудування 2008: стан і перспективи (м.Київ: НТУУ «КПІ», 2008р.); Шістнадцята міжнародна конференція: Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики (м.Ялта, 2008р.), VIII науково-технічної конференції Приладобудування 2009: стан і перспективи (м.Київ.НТУУ «КПІ», 2009 р.).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи викладені в 11 наукових роботах, з них 4 статті у фахових наукових журналах та 7 доповідей у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків та списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 135 сторінок машинописного тексту, у тому числі 31 рисунок та 3 додатки. Список використаних джерел містить 56 найменувань

дефектоскоп випромінювання точковий перетворювач



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, її наукову новизну та практичну доцільність. Показано важливість вирішення поставленої проблеми для сучасного неруйнівного контролю.

Наведені дані про апробацію роботи та публікації автора.

В першому розділі виконаний аналіз параметрів точності розробок відомих фірм, що реалізують координатний запис процесу неруйнівного контролю, який виконується дефектоскопістом за допомогою дефектоскопу, як засобу контролю, з виконанням сканування поверхні об'єктів контролю вимірювальним перетворювачем вручну самим дефектоскопістом.

Розглянуті механічні, контактні з перетворювачем дефектоскопу, координатні вимірювальні системи, які здатні закріплюватися в певній точці на поверхні об'єкту контролю або за його межами і за рахунок обертової частини закріпленої платформи з механізмом зчитування кута повороту та зчитувачем вибігу рухомої штанги, до кінця якої прикріплюється згаданий вимірювальний перетворювач дефектоскопу, зчитувати полярні координати вимірювального перетворювача відносно точки закріплення платформи, як початку координат. Показаний їх недолік, що полягає у можливості використання таких систем лише для сканування плоских об'єктів.

Найбільш простою і в той же час ефективною визнано систему фірми «Panametrics» (тепер «Olimpics») для визначення площинних координат шляхом вимірювання довжини двох прикріплених до вимірювального перетворювача дефектоскопу стрічок, що змотуються з двох барабанів з натягом.

Як недолік відмічено ускладнення роботи дефектоскопіста тому, що він вимушений вручну пересувати не тільки вимірювальний перетворювач дефектоскопу, але й рухому частину механічної системи визначення координат.

На основі аналізу можливостей механічних координатних систем зроблений висновок про доцільність розробки систем визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу такими, щоб процес вимірювань лінійних чи кутових величин виконувався б безконтактно та дистанційно щодо вимірювального перетворювача, щоб зусилля дефектоскопіста у процесі сканування нічим не обмежувалися.

Для визначення просторових координат у відносно невеликому об'ємі, в якому виконується неруйнівний контроль конкретного об'єкту або його частини, заплановано в першу чергу проаналізувати можливості трансформації відомих навігаційних систем на основі використання фізичних випромінювань для вимірювання відстаней та кутових напрямків на вимірювальний перетворювач відносно приймачів таких випромінювань, розташованих на певній відстані, що є базою вимірювань.

Другий розділ присвячений аналізу можливостей використання надвисокочастотних електромагнітних випромінювань та функціональних електромагнітних перетворювачів напрямку руху для вирішення задачі дистанційного визначення координат перетворювача дефектоскопу у процесі сканування ним поверхні об'єкту контролю.

При аналізі методів здатних бути використаним для вирішення поставленої задачі автор не міг пройти мимо можливості використання вихрострумових перетворювачів для направленого вимірювання швидкості переміщення. Адже знаючи складові (ординату і абсцису) швидкості переміщення можемо визначити пройдений шлях і координати положення вимірювального перетворювача в любий момент часу відносно вибраного початку системи координат.

Проте аналіз точності визначення координат таким способом показав серйозні недоліки, що полягають у недостатній точності вимірювача швидкості при реальних швидкостях сканування та у можливості накопичування похибок в процесі сканування за рахунок фактичної нестаціонарності руху перетворювача.

Друга половина розділу використана для розгляду можливості побудови систем визначення координат, подібно до відомих радіонавігаційних систем, за допомогою випромінювання широкою діаграмою направленості малопотужних радіоімпульсних електромагнітних хвиль надвисокої частоти. Встановивши штирьову антену на корпусі вимірювального перетворювача випромінюємо короткі радіоімпульси сигналів частоти, наприклад 300 мГц, вимірюємо відстані до аналогічних антен приймачів, розташованих на кінцях бази вимірювання 1 м. Час проходження цими сигналами відстаней до приймачів визначаємо шляхом вимірювання внесених фазових зсувів: .

Подібна система визначення двомірних координат принципово може бути реалізована, якщо її використання обмежене закритим приміщенням так, як реалізуються сьогодні системи для передачі інформації у обмеженому просторі. Проте складність реалізації подібних високочастотних систем та обмежена точність визначення координат, виходячи з можливої точності вимірювання фазових зсувів коротких радіоімпульсних сигналів, заставила нас відмовитися від використання таких систем.

Одним з напрямків вирішення поставленої проблеми розглянута можливість побудови системи визначення координат вимірювального перетворювача з допомогою радіоімпульсних акустичних випромінювань відтворених збудником коливань, який розташовується на осі корпусу вимірювального перетворювача дефектоскопу, з прийомом цих коливань акустичними приймачами, що встановлюються на кінцях бази вимірювань довжиною, наприклад - 1 м. Подібний спосіб визначення координат шляхом вимірювання відстані розповсюдження акустичних коливань відомий, але лише для двохмірної задачі. В дисертації цей принцип розвинений для можливості визначення трьохмірних (далі - просторових) координат (рис. 1).

Рис.1. Визначення координат вимірювального перетворювача (ВП) за координатами збудників ультразвукових коливань А і C : 1,2,3 - приймачі акустичних коливань; 4 - додатковий збудник акустичних коливань; А,C - збудники акустичних коливань.

Акустична система для визначення просторових координат вимірювального перетворювача відрізняється від відомих рішень співвісно розміщеними на його корпусі двома збудниками коливань на фіксованій відстані один від одного та трьома приймачами коливань, що розміщуються на кінцях бази вимірювання. Крім того додатковий випромінювач коливань використовується для вимірювання швидкості розповсюдження коливань з метою виключення похибок внаслідок температурної залежності швидкості розповсюдження ультразвукових коливань у повітрі. Приймачі коливань розміщаються на певній висоті відносно площини розміщення об'єкту контролю з метою недопущення ревербераційних завад при вимірюванні відстаней.

В роботі наведені визначені автором формули для значень просторових координат кожного з збудників коливань на основі визначення відстаней від збудника до кожного з трьох приймачів коливань, двоє з яких розміщені на кінцях бази вимірювання B на висоті H над базовою поверхнею, а третій - на висоті 2H на початку бази вимірювання. Маючи результати вимірювання відстаней від збудника коливань A на кінці видовженого корпусу вимірювального перетворювача до приймачів 1,2,3 відповідно lА1 , lА3 та lА2 можемо вирахувати координати цього збудника коливань:

( 1 )

( 2 )

( 3 )

Збудження коливань кожним з збудників можливо виконати одночасно, якщо частоти цих коливань рознесено настільки, щоб їх можливобуло виділити смуговими фільтрами.

Визначивши координати збудників акустичних коливань, що знаходяться на одній лінії з вимірювальним перетворювачем дефектоскопу, можемо за рівнянням прямої лінії визначити координати власне вимірювального перетворювача, як третьої точки на прямій віддаленої від перших двох на відому відстань.

Основна задача, яка вирішувалася в цьому розділі - це аналіз точності визначення двохмірних та трьохмірних (просторових) координат. Даний аналіз показав можливість отримання абсолютної похибки в межах до 1 мм лише в умовах усунення температурної похибки викликаної температурною залежністю швидкості ультразвуку шляхом періодичного визначення температури повітря та корекції значення швидкості розповсюдження ультразвукових (40 кГц) коливань та виключення руху повітря у зоні вимірювань, який також впливає на швидкість ультразвуку. Подібні умови реалізувати тяжко навіть у приміщенні, де існують протяги та інші причини руху повітряної маси. Наявність протягу чи вітру приводить до значних похибок визначення координат. Так при навіть короткочасний рух повітря за рахунок близького проходження людини може відтворити на невеликій ділянці контролю рух повітря зі швидкістю до 2 м/с, що приведе до похибки визначення координат до 0,5%. При відстані між збудником і приймачем коливань в 1 м похибка визначення координат досягне більш, як 5 мм.

В третьому розділі приведені розробки автора оптичних систем для визначення координат вимірювального перетворювача при контролі об'єктів з плоскою та просторово розвиненою поверхнею.

Закладений принцип визначення координат полягає у попередньому визначенні кутових напрямків на вимірювальний перетворювач і відносно напрямку на нерухоме джерело світла 3 (рис.2) шляхом розгортки зони сканування з допомогою двох нерухомих об'єктивів 5 та 6 та двох дзеркал 1 і 2, що обертаються з постійною кутовою швидкістю з допомогою електричного приводу (на рис.2 не показаний).

Рис.2. Оптична схема системи визначення відносних координат положення вимірювального перетворювача дефектоскопу в процесі контролю плоских елементів конструкцій:

1,2 - дзеркала, що обертаються (привід не показаний); 3 - опорне точкове джерело світла; 4 - вимірювальний перетворювач з точковим джерелом світла; 5,6 - об'єктиви; 7 - точкове джерело світла на вершині корпусу вимірювального перетворювача дефектоскопу.

Значення кутів і незалежно від нестабільності частоти обертання дзеркал 1,2, якщо ця нестабільність описується повільною функцією, для точкового джерела 7 визначається через часові відстані між центрами опорного і вимірюваного імпульсів на виходах фотоперетворювачів згідно рівнянням:

; (4)

де - період обертання дзеркал, який дорівнює часовій відстані між центрами двох послідовних опорних імпульсів, що виникають на любому з фотоперетворювачів.

Значення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу становлять:

(5)

При частоті обертання двохсторонніх дзеркал похибка визначення координат не перевищує 1-2 мм , що є достатнім для неруйнівного контролю.

Для визначення просторових відносних координат вимірювального перетворювача в процесі сканування ним складної поверхні об'єктів контролю автором запропонована нова конструкція розгортуючої оптичної системи з трьома циліндричними екранами з вузькими щілинами та нерухомими фотоперетворювачами, які на кронштейнах встановлюються всередині циліндричних екранів (рис.3). Така система здатна виконувати визначення координат по черзі кожного з точкових джерел світла, що встановлені на корпусі вимірювального перетворювача, для чого відбувається перемикання струму на ці джерела світла з частотою обертання дзеркал.

Рис. 3. Схема визначення просторових координат точкових джерел світла на вісі корпусу вимірювального перетворювача:

1,2,3 - обертові циліндричні екрани зі щілинами та нерухомим утримувачем фотоперетворювача; 4, 8, 9 - опорні джерела світла; 5,6 - точкові джерела світла на корпусі перетворювача дефектоскопу, відповідно А,С; 7 - вимірювальний перетворювач.

Значення координат точкових джерел світла становить:

(6)

.

Для координат точкового джерела світла С вирази для координат записуються аналогічно підставляючи відповідні значення кутів.

Координати третьої точки на прямій з точками А,С - власне вимірювального перетворювача дефектоскопу при цьому становлять:

(7)

Ці вирази можемо спростити, якщо врахуємо :

(8)

Точність такої системи , як і попередньої системи з обертовими дзеркалами, визначається у першу чергу точністю визначення кутів , які пропорційні відношенням різниць часу між моментами існування центрів імпульсів на виходах фотоприймачів 1,2,3 при прийомі світла опорного точкового джерела та джерел світла А і С.

Проведений аналіз похибок показав, що при відсутності значних за інтенсивністю оптичних завад спричинених сторонніми джерелами світла великої інтенсивності похибка визначення кутів , а з ними координат вимірювального перетворювача, не перевищить (1 - 2) мм.

Недоліком розглянутої системи визначення відносних координат вимірювального перетворювача дефектоскопу є її низька надійність за рахунок використання механічного обертання дзеркал.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений аналізу можливості створення систем визначення відносних координат перетворювача дефектоскопу на основі використання оптичних камер з фотоприймачем у вигляді матриці дискретних фотоперетворювачів з зарядовим зв'язком, які дістали назву приладів з зарядовим зв'язком (ПЗЗ).

Оптичні камери з матрицею ПЗЗ у фокальних площинах об'єктивів дістали у наш час широке застосування в цифрових оптичних камерах різного призначення, фотоапаратах, відеокамерах.

Найпростішими з таких оптичних камер на основі використання ПЗЗ матриць є так звані WEB-камери, які мають невеликі розміри, низьку ціну, але при цьому достатню роздільну здатність. Для прикладу - малогабаритна WEB камера модель SPC630NC/00 фірми Philips має ПЗЗ матрицю на 1,3 мегапікселя з додатковою програмою інтерполяції у міжпіксельному діапазоні. Швидкість зчитування інформації з такої камери становить 30 кадрів у секунду.

ПЗЗ матриці сучасних WEB камер мають різні лінійні розміри. При використанні подібних оптичних камер ПЗЗ матрицю можна програмно розділити на прямокутні частини для можливості зчитування інформації у вигляді проекцій записаного оптичного зображення у прямокутній системі координат з центром у середині матриці.

В роботі показана можливість визначення координат вимірювального перетворювача за допомогою всього однієї оптичної камери з ПЗЗ матрицею у фокальній площині її об'єктиву (Рис 4).

Рис.4. Визначення просторових координат вимірювального перетворювача з допомогою оптичної камери з ПЗЗ матрицею:

1 - матриця ПЗЗ; 2 - оптична проекція точкового джерела світла, яке розташоване на корпусі вимірювального перетворювача; 3 - координати центру оптичної проекції (a - вертикальна, b - горизонтальна); 4 - об'єктив; 5 - вимірювальний перетворювач дефектоскопу; Н - висота оптичної системи над поверхнею сканування.

Діаметр оптичної проекції точкового джерела світла розташованого на вершині корпусу вимірювального перетворювача дефектоскопу залежить від відстані цього джерела від оптичного об'єктиву. Знаходження цього джерела на фокусній відстані F2 приведе до максимального зменшення діаметру проекції - d0. При відстані D< F2 діаметр проекції збільшується до величини d. Тоді відстань до джерела світла на корпусі вимірювального перетворювача становить

(9)



Використовуючи відомі значення висоти розташування оптичної камери над площиною 0xy та висоту корпусу вимірювального перетворювача дефектоскопу, а також визначені програмно діаметри оптичних проекцій d0, d та вертикальної і горизонтальної координати центра проекції a, b, знаходимо координати просторового положення вимірювального перетворювача відносно положення оптичної камери використовуючи геометричну подібність цих координат відповідним координатам центра оптичної проекції на матриці ПЗЗ:

(10)

Похибка визначення координат при використанні такої схеми залежить перш за все від неточності визначення діаметрів оптичних проекцій точкового джерела світла на ПЗЗ матриці. Ця похибка визвана реальними геометричними розмірами джерел світла, які ми називаємо точковими, відхиленням проекції джерела від кола при різних просторових положенням вимірювального перетворювача.

Використання двох оптичних камер з ПЗЗ матрицями дозволило вирішити задачу визначення координат без необхідності визначення відстані до джерела світла. Були досліджені ряд конфігурацій систем з двома оптичними камерами, але оптимальною з точки зору відсутності обмежень зони сканування та кутових напрямків на два точкових джерела світла на корпусі вимірювального перетворювача стала система з розміщенням оптичних камер на кінцях бази вимірювань (B=1 м) під кутом 90(Рис.5).

Рис.5. Визначення координат точкових джерел світла на корпусі вимірювального перетворювача дефектоскопу системою оптичних камер з ПЗЗ матрицями при їх взаємному розташуванні під кутом 90:

1,2 - ПЗЗ матриці оптичних камер.

Координати X, Y кожного з двох кольорових точкових джерел світла на осі вимірювального перетворювача дефектоскопу визначаються через кутові напрямки на ці джерела в площині 0xy. Нехай визначені горизонтальні координати центрів проекцій світла джерела А та С становлять відповідно для першої і другої оптичних камер наступні значення: b1A , b2A та b1C , b2C. Тоді для кожного з джерел світла можемо написати рівняння:

(11)

З перших двох рівнянь маємо:

(12)

З другої пари рівнянь аналогічно визначаємо координати точкового джерела С, яке встановлено на осі вимірювального перетворювача дефектоскопу на відстані lв від точкового червоного джерела світла А. Рівняння для визначення координат XC , YC відрізняються від рівнянь для XA , YA значеннями b1C , b2C як координат центру проекції джерела С на ПЗЗ матрицях .

Для визначення координат ZA , ZC точкових джерел світла відповідно A та C розглянемо рис. 6. Відповідно до отриманих перетворень координата ZA становить:

, (13)

де Н - висота встановлення оптичних камер з ПЗЗ матрицями на площиною 0xy.

Просторові координат власне вимірювального перетворювача згідно (10) становлять:

(14)

(15)

(16)

Отримані таким чином координати XP , YP , ZP - є просторовими координатами вимірювального перетворювача дефектоскопу, тобто координата місця контакту власне вимірювального перетворювача з поверхнею об'єкта контролю.

Для підтвердження висновків дисертаційної роботи була розроблена діюча модель системи визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу. Всі математичні обчислення виконуються за розробленим автором алгоритмом за допомогою програми з використанням мови програмування С# («Сі шарп»). Для збільшення швидкодії програми розрахунків використана методика трансформації кольору зображення з метою оптимізації процесу обчислення. Для експериментальної перевірки теоретичних висновків автором розроблений макет діючої оптичної систем з ПЗЗ матрицями у фокальних площинах об'єктивів, представлений на рис. 7. В цьомумакеті використані оптичні системи з ПЗЗ матрицями С328-7221 виробництва фірми Comedia Ltd. (Гонконг). Розмір пікселей матриці такої камери становить 0,01 мм.

Рис.7. Загальний вигляд дослідного стенду визначення просторових координат перетворювача дефектоскопу.

Макет системи змонтований на плоскому столику з алюмінієвого листа з базою вимірювання рівною 0,5 м. В макеті передбачені регулювання висоти встановлення оптичних камер та напрямку їх осей. Для передачі зчитаної з ПЗЗ матриць інформації в портативний комп'ютер використані стандартні USB порти.

У додатках наведено акти впровадження результатів науково-дослідної роботи в навчальний та виробничий процеси, фотографії та діаграми експериментальних досліджень, програмне забезпечення для отримання та обробки відеоінформації.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача дистанційного автоматичного запису інформації про виконаний контроль в просторових координатах сканування, вимірювальним перетворювачем, поверхні об'єкту контролю незалежно від моделі акустичного, вихрострумового чи магнітного дефектоскопу.

1. В дисертаційні роботі виконаний аналіз точності та швидкодії контактних механічних систем, що реалізують визначення координат положення вимірювального перетворювача дефектоскопу при скануванні плоских поверхонь. Як недолік таких систем показана їх недостатня точність та можливість використання лише для плоских поверхонь об'єктів контролю.

2. Виконаний аналіз можливості використання електромагнітних вихрострумових направлених давачів швидкості руху та побудови системи визначення координат з використанням надвисокочастотних радіовипромінювань. Виконаний аналіз похибок таких систем показав їх недостатню точність при значній апаратурній складності їх реалізації.

3. Проведений аналіз точності відомої акустичної системи безконтактного визначення координат вимірювального перетворювача при скануванні плоскої поверхні. Розроблено структуру системи акустичного визначення координат.

4. Автором розроблена трьохмірна акустична система визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу. Показана можливість автоматичної корекції похибки визначення координат за рахунок температурної залежності швидкості розповсюдження ультразвукових коливань 40 кГц. Як недолік такої системи вказано на похибку визначення координат за рахунок впливу руху повітряної маси в зоні контролю.

5. Автором розроблено ряд оптичних розгортуючих систем для визначення двохмірних і трьохмірних координат положення перетворювача дефектоскопу у процесі його сканування поверхні об'єкта контролю. Просторові координати вимірювального перетворювача, з довільним кутовим розташуванням осі цього перетворювача до поверхні об'єкту контролю, визначаються на основі координат двох точок на осі перетворювача, які задаються точковими джерелами світла розташованими на заданій відстані одне від одного та від власне вимірювального перетворювача. Недоліком явилось те, що розроблена системи вимагають почергового визначення координат точкових джерел світла.

6. Автором розроблена оптична система одночасного визначення координат двох точкових джерел світла (наприклад - різного кольору червоного і зеленого) на основі використання двох простих оптичних камер з ПЗЗ матрицями у фокальних площинах об'єктивів з можливістю подальшого програмного визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу.

7. Оптимізація розроблених автором схем розташування оптичних камер з ПЗЗ матрицями на краях бази вимірювання параметрів координат привів до схеми з взаємним розташуванням оптичних камер під кутом 90, що забезпечило виконання вимірювань без «мертвих» зон сканування починаючи від бази вимірювань.

8. Результати роботи впроваджені в практику контролю на підприємстві ТОВ «НВФ «Діагностичні прилади» м. Київ та АНТК ім. О.К. Антонова м. Київ та використовуються в навчальному процесі кафедри приладів та систем неруйнівного контролю Національного технічного університету України «КПІ».



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Маєвський С.М. Автоматизація визначення координат для документування результатів неруйнівного контролю при ручному скануванні / С.М. Маєвський, К.М. Сєрий // Методи та прилади контролю якості. - Івано-Франківськ, 2002. - №9. - С. 18-20.

Автору належить розробка алгоритмів розрахунків координат просторового положення вимірювального перетворювача при використанні акустичної і оптично-механічної систем.

2. Маєвський С.М. Системи дистанційного визначення просторового положення вимірювального перетворювача дефектоскопу в процесі контролю / С.М. Маєвський, К.М. Сєрий // Приладобудування. - Київ, 2003. - Вип.25.- С. 58-63.

Автору належить методика розрахунку похибки вимірювання координат просторового положення вимірювального перетворювача при використанні акустичної системи.

3. Сєрий К.М. Визначення просторових координат перетворювача дефектоскопу у процесі контролю / К.М. Сєрий // Методи та прилади контролю якості. - Івано-Франківськ, 2009. - №22. - С. 14-16.

4. Маєвський С.М. Безконтактне визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу у процесі контролю/ С.М. Маєвський, К.М. Сєрий // Прилади та методи неруйнівного контролю. - Харків, 2009. - №14. - С. 3-10.

Автору належить оптимізація методики визначення координат перетворювача та аналіз точності вимірювань.

5. Маєвський С.М. Автоматизація визначення координат для документування результатів контролю при ручному скануванні / С.М. Маєвський, К.М. Сєрий // Приладобудування 2003: стан і перспективи: наук.-техн. конф., 22-23 квіт. 2003 р.: тези допов. - К., 2003. - С. 22-24.

Автору належить розробка методик і алгоритмів розрахунків.

6. Маєвський С.М. Автоматична реєстрація результатів неруйнівного контролю при ручному скануванні / С.М. Маєвський, К.М. Сєрий // Неруйнівний контроль та технічна діагностика - 2003: наук.-техн. конф., 19-23 трав. 2003 р.: тези допов. - К.: 2003. - С. 17-19.

Автору належить розробка методик та алгоритмів розрахунків.

7. Маєвський С.М. Оптична система автоматичної реєстрації результатів неруйнівного контролю / С.М. Маєвський, К.М. Сєрий, Н.Г. Онгірська // Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: наук.-техн. конф., 6-10 жовт. 2003 р.: тези допов. - Ялта, 2003. - С. 54-56.

Автору належить розробка схем вимірювань та аналіз точності.

8. Сєрий К.М. Метод визначення просторових координат дефектів при неруйнівному контролі з використанням цифрових приладів на базі ПЗЗ-матриць / К.М. Сєрий, Р.М. Галаган // Приладобудування 2004: стан і перспективи: наук.-техн. конф., 20-21 квіт. 2004 р.: тези допов. - К., 2004. - С. 31-33.

Автору належить розробка методу вимірювання та алгоритми розрахунків координат.

9. Сєрий К.М. Шляхи уникнення суб'єктивності результатів контролю традиційними дефектоскопами / К.М. Сєрий, О.П. Мисюра // Приладобудування 2007: стан і перспективи: наук.-техн. конф., 24-25 квіт. 2007 р.: тези допов. - К., 2007. - С. 257.

Автору належить обґрунтування методик вимірювання та алгоритми розрахунків.

10. Маєвський С.М. Система автоматичного координатного запису інформації для дефектоскопів/ С.М. Маєвський, К.М. Сєрий // Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: наук.-техн. конф., 1-5 жовт. 2008 р.: тези допов. - Ялта, 2008. - С. 44-46.

Автору належить розробка методик та аналіз точності вимірювань.

11. Сєрий К.М. Дистанційне автоматичне визначення просторових координат вимірювального перетворювача дефектоскопу / К.М. Сєрий // Приладобудування 2009: стан і перспективи: наук.-техн. конф., 28-29 квіт. 2009 р.: тези допов. - К., 2009. - С. 197-199.



АНОТАЦІЯ

Cєрий К.М. Автоматична координатна реєстрація результатів контролю дефектоскопами.-Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого звання кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет України, «Київський політехнічний інститут» кафедра приладів і систем неруйнівного контролю, м. Київ, 2010.

Дисертація присвячена вирішенню задачі документування всього процесу неруйнівного контролю матеріалів і об'єктів виконаного за допомогою традиційних дефектоскопів керованих людиною, яка вручну виконує сканування вимірювальним перетворювачем поверхні об'єктів контролю.

В дисертації виконаний аналіз точності та швидкодії усіх методів можливого використання для вирішення поставленої задачі. Виконаний аналіз контактних, з вимірювальним перетворювачем, механічних систем координатного сканування. Показано їх нездатність забезпечити потребу визначення координат при скануванні складних трьохмірних поверхонь об'єктів. Розроблено схему акустичного визначення просторових координат вимірювального перетворювача, але недостатня точність спричинена впливом руху повітря у зоні контролю вимагала пошуку нових методів визначення координат перетворювача. Тому розглядалися можливості розгортуючих оптичних систем, які поряд з достатньою точністю стримували їх подальше використання внаслідок складності побудови системи та низької її надійності. На сам кінець, розроблена автором оптична система на основі використання двох оптичних систем з ПЗЗ матрицями у фокальних площинах об'єктивів (WEB-камер) з оптимальним 90-ним їх розташуванням на кінцях бази вимірювань 1 м, що забезпечила високу точність визначення координат перетворювача дефектоскопу при довільному просторовому положенні його вісі відносно бази вимірювання.

Ключові слова: дефектоскоп, вихрострумовий контроль, вимірювальний перетворювач, ультразвук, оптичні випромінювання, просторові координати, ПЗЗ матриця.



АННОТАЦИЯ

Серый К. Н. Автоматическая координатная регистрация результатов контроля дефектоскопами. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определения состава веществ. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» кафедра приборов и систем неразрушающего контроля г.Киев, 2010.

Диссертация посвящена решению задачи координатного документирования всего процесса неразрушающего контроля материалов и объектов, выполняемого с помощью традиционных дефектоскопов. Сканирование поверхности объектов контроля измерительным преобразователем производится дефектоскопистом вручную. При ручном сканировании нет возможности точно определить координаты места выявленного дефекта. Таким образом, результаты контроля можно считать субъективными, а самое главное отсутствует карта записи выполненного контроля в пространственных координатах объекта контроля. Для устранения субъективности контроля и проведения объективного мониторинга полученных результатов контроля была поставлена задача бесконтактного, дистанционного определения координат измерительных преобразователей дефектоскопов. В диссертации произведен анализ точности и быстродействия всех методов, которые могут быть использованы для решения поставленной задачи (механический, электромагнитный, вихретоковый, акустический, оптико-механический, оптический). Выполнен анализ механических систем, которые, находясь в контакте с измерительным преобразователем могут определять координаты преобразователя в процессе контроля. В работе, автором, показана практическая невозможность применения существующих подобных систем для выполнения задачи определения координат при сканировании трехмерных поверхностей. Данные механические системы реализуемы для проведения контроля плоских объектов и получения координатной информации лишь двумерного пространства. Разработана система акустического определения пространственных координат преобразователя дефектоскопа. Данная система представляет собой усовершенствованную двумерную систему, путем использования дополнительных приемников акустических колебаний и усовершенствованного алгоритма обработки полученной информации. В диссертации отмечено, что температурные колебания, а также возможное движение воздуха, в зоне контроля, вызывает недопустимые погрешности, которые на практике очень ограничивают использование акустических систем. Для уменьшения влияния температурной погрешности автором предложена система, которая дополняется ультразвуковым преобразователем (приемником колебаний), для измерения фактической скорости распространения акустических колебаний. Уменьшение влияния перемещения воздуха на результаты определения пространственных координат происходит путем применения оградительной защиты (перегородок) зоны контроля. Автором разработаны ряд оптико-механических систем с развёрткой пространства зоны контроля с помощью вращающихся зеркал или щелевых цилиндрических экранов. Несмотря на достаточно высокую точность определения пространственных координат автор считает, что применение подобных систем является мало эффективным вследствие сложности конструкции и низкой надежности систем. Конечными разработками автора являются оптические системы с применением двух камер с ПЗС матрицами в фокальных плоскостях объективов. Подобная система на основе применения двух цифровых оптических WEB-камер с их 90-ным расположением на концах базы измерений 1 м обеспечивает высокую точность при произвольном угловом положении оси преобразователя. Ключевые слова: дефектоскоп, вихретоковый контроль, измерительный преобразователь, ультразвук, оптические излучения, пространственные координаты, ПЗС матрица.

ABSTRACT

Syeryy K.M. Automatic coordinate registration of testing result for flaw detectors.-

The thesis for technical science candidate's degree on specialty 05.11.13 - Devices and methods of testing and evaluation of a substances composition. National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”, Nondestructive Testing Department, Kiev, 2010.

This thesis is devoted to the problem of coordinate documentation of nondestructive testing process which is realized by traditional flaw detectors where scanning of the object surface is accomplished manually. The thesis contains precision and processing speed analysis of all methods used for such problem solution. There were analyzed mechanical systems of coordinate scanning which contacts with transducer but such systems can't provide coordinate definition of a complicated scanning surface of the object. It is proposed the three-dimensional acoustical system for definition of a flaw detector's transducer dimensional coordinates, but this system has unallowable errors when air movement is happened in an inspection zone. The author has developed some optical scan systems with revolving mirrors. In spite of the fact that coordinate definition has high accuracy, the author considers them to be ineffective because of complicated design and low reliability. The final author's developments are two-camera optical systems with CCD matrixes in focal planes of the lens. The base of these systems is two WEB cameras placed on the ends of 1m measuring base under the angle equal 90є. Such systems provide high accuracy at random angular position of the transducer axis.

Keywords: flaw detector, measuring transducer, ultrasound, optical radiation, CCD matrix.

Размещено на Allbest.ru

...