close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля соосности элементов турбоагрегатов большой единичной мощности

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Анисимов Андрей Геннадьевич Шифр научной специальности: 05.11.07 - оптические и оптико-электронные приборы и комплексы Шифр диссертационного совета: Д 212.227.01 Название организации: Санкт-Петербургский государственный университет и
На правах рукописи
УКД 681.786
АНИСИМОВ Андрей Геннадьевич
Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля соосности
элементов турбоагрегатов большой единичной мощности
05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2012
Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Коротаев Валерий Викторович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Городецкий Андрей Емельянович,
заведующий лабораторией, ИПМаш РАН
кандидат технических наук Нужин Андрей Владимирович, начальник
отдела, ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова»
Ведущая организация
ОАО «ЛОМО»
Защита диссертации состоится «17» апреля 2012 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании
диссертационного
совета
Д 212.227.01
«Оптические
и
опти-
ко-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики
и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314-а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.
Автореферат разослан «16» марта 2012 г.
Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные
печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург,
Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.227.01
кандидат технических наук, доцент
В.М. Красавцев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Качество сборки турбоагрегатов АЭС и ТЭЦ определяет их производительность и эффективность эксплуатации – характеристики, формирующие
экономическую эффективность производства электроэнергии. Следовательно,
высокоточный контроль взаимного пространственного положения элементов
турбоагрегатов, особенно большой единичной мощности (500 МВт и более),
при монтаже и ремонте является необходимой и актуальной задачей. При этом
основной проблемой является уменьшение несоосности элементов турбоагрегатов (диафрагм и расточек) относительно линии вала ротора.
По сравнению с задачей контроля соосности элементов турбоагрегатов
малой и средней единичной мощности (до 500 МВт), контроль турбоагрегатов
большой мощности обладает рядом существенных отличительных особенностей:
увеличение дистанции до 10 м с одновременным уменьшением допуска на несоосность до 0,15 мм в диапазоне ±5 мм и сокращением сроков проведения контроля
в связи с широким фронтом и повышенной сложностью выполняемых работ.
Задача контроля соосности актуальна и в других областях народного
хозяйства и промышленности, например, при сопряжении и взаимном позиционировании частей крупногабаритных технологических агрегатов, в том
числе судов и самолетов.
Существующие оптические и оптико-электронные средства контроля
соосности обладают рядом недостатков: малый диапазон измерений при невысоких точностных характеристиках, низкая степень автоматизации, существенное влияние человеческого фактора. Как результат, они не способны
обеспечить эффективное решение поставленной задачи.
В данной работе предложено не только эффективное, но и комплексное
решение задачи контроля соосности турбоагрегатов, заключающееся в объединении известных преимуществ оптико-электронных систем (ОЭС), основанных
на элементах современной электронной и оптической базы (матричных фотоприемниках оптического излучения, полупроводниковых излучающих диодах
3
(ПИД), микроконтроллерах и др.), с алгоритмами обработки изображений в
цифровом виде и методиками проведения контроля. Технологические особенности задачи обуславливают необходимость разработки ОЭС, контролирующей
положение пассивного контрольного элемента (КЭ) (например, ретрорефлектора), совмещаемого с геометрическими центрами расточек турбоагрегата.
Стоит отметить, что ОЭС с пассивными КЭ являются практически единственным инструментом, обеспечивающим контроль соосности цилиндров, собранных из нескольких частей, с установленной верхней половиной цилиндра.
Это тем более актуально в связи с увеличенными габаритами турбоагрегатов
большой единичной мощности, их повышенным износом и уменьшением жесткости вследствие естественного старения эксплуатирующихся АЭС.
Подтверждением актуальности работы является согласованность тематики с интересами «Энергетической стратегии России на период до 2030 года»
в аспекте продления срока эксплуатации действующих энергоблоков путем
повышения эффективности их функционирования, сокращения ремонтных
сроков и увеличения межремонтных интервалов.
Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве
объекта исследования ОЭС контроля соосности, а в качестве предмета исследования – особенностей построения систем контроля соосности, в том числе
авторефлексионного типа, соотношений между характеристиками системы и
параметрами ее элементов, а также основных составляющих погрешности
контроля, путей их уменьшения и технологии использования подобных систем.
Цель работы
Целью работы является исследование и разработка авторефлексионных
оптико-электронных систем контроля соосности (АСКС) и прямолинейности
элементов турбоагрегатов большой единичной мощности на базе ретрорефлекторов, а также разработка опытного образца системы, стенда и методик настройки
АСКС с проведением экспериментальных исследований в цеховых условиях.
Задачи исследования
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
4
1. Анализ
и
классификация
современных
оптических
и
опти-
ко-электронных систем контроля соосности и прямолинейности.
2. Теоретические исследования принципов и особенностей построения
авторефлексионных оптико-электронных систем контроля соосности и прямолинейности на базе оптических ретрорефлекторов.
3. Разработка имитационных моделей ретрорефлекторов (тетраэдрического и зеркально-линзового) и исследование влияния погрешностей их изготовления и юстировки на суммарную погрешность АСКС.
4. Анализ и оценка влияния основных источников погрешности АСКС с
разработкой методов их уменьшения.
5. Разработка методик и стенда для настройки и испытания АСКС.
6. Проектирование и реализация опытного образца АСКС с дополнительной системой контроля положения ротора в базовой расточке (БР) и проведение
их экспериментальных исследований.
Методы исследования
В теоретической части применяются аналитические и численные методы
геометрической оптики, в том числе матричный метод расчета хода лучей, и
разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами АСКС. В экспериментальной части при исследовании параметров
системы и анализе методов обработки измерительной информации используются детерминированные имитационные модели функциональных элементов, реализованные на основе пакетов прикладного программного обеспечения
MATLAB и MathCAD, а также комплексная модель АСКС в среде Zemax.
Практическая проверка выбранных параметров АСКС осуществлена посредством экспериментальных исследований опытного образца АСКС в лабораторных, стендовых и цеховых условиях.
Научная новизна работы
Разработан способ контроля соосности элементов турбоагрегатов, основанный на использовании авторефлексионной оптико-электронной схемы с
управляемым базовым структурированным тест-объектом и ретрорефлектором
5
с цифровым анализом поля изображения, обеспечивающий заданную величину
погрешности и диапазон измерения трех линейных координат ретрорефлектора.
Основные результаты, выносимые на защиту
1. Способ контроля трех линейных координат ретрорефлектора, основанный на цифровом анализе поля изображения базового тест-объекта как
авторефлексионной марки с управляемыми параметрами и структурой.
2. Алгоритм управления параметрами активного базового структурированного тест-объекта, обеспечивающий согласование уровня сигнала изображения тест-объекта на матричном поле анализа при изменении дистанции контроля.
3. Подходы к построению имитационных компьютерных моделей ретрорефлекторов и сами модели, позволяющие оценить влияние параметров
ретрорефлекторов на суммарную погрешность АСКС и, как следствие, сформировать требования к их изготовлению и юстировке.
4. Методики определения кривой точек визирования (КТВ) оптической
системы (ОС) и оценки параметров управляемых базовых структурированных
тест-объектов АСКС, позволяющие на этапе настройки систем выявлять и
учитывать систематические составляющие основной погрешности системы.
5. Метод проведения контроля положения элементов турбоагрегатов по
отношению к базовым расточкам в реальном масштабе времени, основанный
на использовании набора активных оптически прозрачных тест-объектов, расположенных в поле зрения системы, связанных с геометрическими центрами
контролируемых объектов.
Практические результаты работы
1. Способ компенсации влияния температурного градиента воздушного
тракта при определении координат КЭ в АСКС, основанный на дисперсионном методе измерений с сопоставлением изображений тест-объекта в двух и
более узких спектральных интервалах в реальном масштабе времени на едином поле изображений.
2. Спроектирован и реализован опытный образец АСКС, прошедший
эксплуатационные испытания при ремонте турбоагрегата III-го энергоблока
6
Калининской АЭС, совместно с опытным образцом системы контроля положения ротора в базовых расточках (шифр «Ось»), прошедшим эксплуатационные испытания при ремонте турбоагрегата I-го энергоблока Ростовской АЭС.
3. Универсальный стенд для настройки и испытания систем контроля соосности и прямолинейности, основанный на сравнении результатов измерений
АСКС с рабочим эталоном на дистанциях от 1 до 6 м, позволяющий в том числе
выявлять систематическую составляющую КТВ с последующей ее компенсацией.
4. Результаты анализа основных источников погрешности в АСКС,
стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца АСКС, выявившие наибольшее влияние систематической составляющей КТВ на суммарную погрешность контроля.
5. Методика автоматического преобразования приборной системы координат АСКС к линии ротора, исключающая предварительное трудоемкое
«провешивание» визирной линии системы через координаты ротора в БР, тем
самым значительно упрощающая процесс контроля с уменьшением результирующей погрешности.
6. Рекомендации к технологическому процессу контроля соосности элементов турбоагрегатов большой единичной мощности по применению комплекса систем «Ось» и АСКС.
Реализация результатов работы подтверждена шестью актами использования методик испытания ОЭС и опытного образца системы «Ось» в работе
ОАО «Атомэнергоремонт» и ОАО «НПО «Карат», в учебном процессе кафедры
оптико-электронных приборов и систем НИУ ИТМО, а также решением о выдаче
патента на изобретение (заявка RU 2010119119 от 15.12.2011 г.), отражена в 7
контрактах
на
выполнение
НИР,
проводимых
коллективом
Науч-
но-образовательного центра оптико-электронного приборостроения НИУ ИТМО.
Развитие исследований в рамках диссертационной работы поддержано
двумя премиями SPIE Scholarship 2010 и 2011, пятью грантами правительства
г. Санкт-Петербурга. Представление результатов исследования на международных конференциях поддержано двумя грантами РФФИ «моб_з».
7
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 23 конференциях, 15 из которых международные: XXXIV, …, XLI
научные конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2005, …,
2012 г.); IV и V Международные конференции молодых ученых и специалистов «Оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2005, 2007 г.); VII, VIII, IX Международные конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2006,
2008, 2010 г.); IV, V, VIII Всероссийские межвузовские конференции молодых
учёных (Санкт-Петербург, Россия, 2007, 2008, 2011 г.); 5th International Symposium on Instrumentation Science and Technology (Shenyang, China, 2008 г.);
SPIE Optics+Photonics (San Diego, USA, 2010, 2011 г.); 7th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication (Yokohama, Japan, 2010 г.);
SPIE Optical Metrology (Munich, Germany, 2011 г.); OSA Frontiers in Optics (San
Jose, USA, 2011 г.); IONS NA-3 (Stanford University, USA, 2011 г.).
Опытный образец АСКС представлялся на международной выставке
«Фотоника» (Москва, Россия, 2011 г.) и международном промышленном форуме «Российский промышленник» (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, из них 1 патент
на изобретение, 7 статей в изданиях из перечня ВАК (из них 4 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,
библиографического списка из 99 наименований, содержит 172 страницы основного текста, 72 рисунка, 26 таблиц и 4 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и
задачи, новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ современных оптических и опти8
ко-электронных систем контроля соосности и прямолинейности, показавший,
что на данный момент системы с позиционированием относительно лазерного
луча и системы телевизионного типа лишь частично обеспечивают выполнение требований поставленной задачи.
Классификация систем по принципу действия, построению оптического
канала и снятию отсчетов показала, что объединение преимуществ визирных
систем совместно с матричными фотоприемниками (МФП), обладающими
жесткой геометрической привязкой фоточувствительных элементов растра к
приборной системе координат, с алгоритмами обработки изображений в
цифровом виде является перспективным решением поставленной задачи.
Сравнение распространенных КЭ и тест-объектов показало, что использование пассивного ретрорефлектора, совмещаемого с геометрическими центрами
расточек, является рациональным подходом, упрощающим технологию контроля.
Результаты анализа и сравнения схем построения систем контроля соосности определили направление исследований в области оптико-электронных
систем, основанных на использовании авторефлексионной схемы с управляемым базовым структурированным тест-объектом, ретрорефлектором и
цифровым анализом поля изображений.
Во второй главе рассмотрены теоретические основы построения АСКС с
управляемыми базовыми структурированными тест-объектами, а также представлен подход к построению имитационных моделей ретрорефлекторов.
Сформирована обобщенная схема построения АСКС, выполненная в
виде совокупности элементов базирования и наведения, позиционирующих
систему на турбоагрегате, фотоприемного блока (ФПБ), центроискателя с
ретрорефлектором и блока обработки и управления; все блоки находятся в
физической среде под воздействием специфических помех. В предложенной
схеме ФПБ содержит измерительную базу (визирную линию) и анализирует
информационную картину, создаваемую управляемым тест-объектом.
Предложена авторефлексионная схема контроля (рисунок 1). Положение
КЭ Y определяется как Y = y′М , где M = s f ′ − 1 2 – масштабный коэффи9
циент, требующий определения. Для этого предлагается введение внутрибазной схемы определения масштабного коэффициента M , основанной на сопоставлении задаваемых параметров структуры (габаритные размеры)
тест-объекта и их отображения в поле анализа изображения ФПБ.
Рисунок 1 – К геометрической трактовке авторефлексионной схемы
Развитие предложенной авторефлексионной схемы путем введения в
поле зрения ФПБ набора активных оптически прозрачных тест-объектов, совмещенных с контролируемыми точками турбоагрегата, позволило обеспечить
работу АСКС в реальном масштабе времени. При этом отличительной особенностью является возможность использования идентичных тест-объектов,
стандартных модулей ФПБ и типовых ретрорефлекторов, что позволяет реализовывать различные комбинированные схемы контроля деформаций, в том
числе и соосности, на основе универсальных модулей.
Предложен подход к объединению одноканальных ОЭС (в т.ч. АСКС) в
более сложные, распределенные структуры, который позволил сформировать
блочно-модульный принцип построения распределенных ОЭС. Особенностью
таких систем является возможность их распределения в пространстве, во времени, по спектральному диапазону используемого излучения, что позволяет
реализовывать ОЭС для комплексного многопараметрического контроля деформаций крупногабаритных инженерных сооружений.
Для предложенной структуры АСКС показано, что облученность
E ( x, y ) в плоскости входного зрачка ФПБ, формируемая пучком, отраженным
от смещенного с оси тетраэдрического отражателя может быть выражена как
10
свертка функции яркости излучающей площадки (тест-объекта) L (ξ , η ) и
функции действия отражателя T ( x, y ) (в собственной системе координат)
E ( x, y ) =
s ( 2 − sΨ )
2
⎛ x − ξ − sϕ xj y − η − sϕ yj
,
,
L
ξ
η
T
(
)
⎜
∫−∞ −∞∫
−
Ψ
2
2 − sΨ
s
⎝
+∞ +∞
1
2
⎞
⎟ dξ dη ,
⎠
(1)
где s – дистанция от АСКС до отражателя, ( x, y ) – смещение отражателя, ϕ xj ,
ϕ yj – отклонение отраженного пучка лучей от первоначального направления,
Ψ – оптическая сила отражателя. Полученная зависимость в численном виде
может быть использована для оценки облученности от авторефлексионного
тест-объекта произвольной формы и яркости, путем задания функции L (ξ , η ) .
Формируемый подход к построению имитационной модели тетраэдрического отражателя основан на анализе переотражения совокупности входящих лучей Q в матричном виде Q{ } = A ikl Q , где A ikl = A l A k A i (i, k , l = 1, 2, 3)
m
(в системе координат отражателя), с учетом погрешностей исполнения двугранных углов δ12, 23, 31 в матрицах действия отражающих элементов A . Подход позволяет оценить смещение энергетического центра тяжести пучка и, как
следствие, вызываемую погрешность АСКС.
Формируемый подход к построению имитационной модели зеркально-линзового отражателя (ЗЛО) основан на анализе матрицы действия отражателя M при использовании аппарата матричного описания разъюстированных
ОС, с учетом наклона α и линейного смещения d f α зеркала относительно оптической оси и фокальной плоскости объектива отражателя соответственно:
⎡1
M = M f ⎢⎢ 0
⎢⎣ 0
f ′ − d fα
1
0
0 ⎤ ⎡1 0
0 ⎤ ⎡1
⎥
⎢
0 ⎥ ⎢ 0 1 −2α ⎥⎥ ⎢⎢ 0
1 ⎥⎦ ⎢⎣ 0 0
1 ⎥⎦ ⎢⎣ 0
f ′ − d fα
1
0
⎡ 1
0 0⎤
0⎤
⎢
⎥
0 ⎥⎥ M f , M f = ⎢ −1 ′ 1 0 ⎥ .
⎢ f
⎥
1 ⎥⎦
⎢⎣ 0
0 1 ⎥⎦
(2)
Анализ модели показал, что в случае α ≠ 0 при неколлимированном
входящем пучке лучей, величина смещения зеркала d f α зависит от высоты и
наклона входящего луча, что формирует особые требования к юстировке ЗЛО
при работе в параллельных и расходящихся пучках. Кроме того, рациональным с
11
точки зрения уменьшения возникающей погрешности и оптимизации энергетических соотношений является выбор относительного отверстия объектива
ЗЛО в диапазоне 1 10…1 3 .
Приведенные подходы использованы для построения имитационных
моделей ретрорефлекторов, в том числе на базе тетраэдрического отражателя
(рисунок 2). Входящий пучок лучей предлагается задавать его сечением
(изображение размером m × n элементов) и параметрами расходимости. Пучок
распространяется до ретрорефлектора, где каждый луч подвергается последовательному отражению с формированием шести независимых пучков лучей.
Анализ сечения пучка на пятом этапе моделирования позволяет оценить изменение распределения потока в отраженном пучке лучей.
Рисунок 2 – Иллюстрация пространственно-энергетического подхода моделирования
Результаты второй главы позволили сформировать структуру АСКС и
подходы к построению имитационных моделей ретрорефлекторов, исследование которых завершено в экспериментальной части.
В третьей главе осуществлен выбор элементов АСКС совместно с анализом методов извлечения координат изображений тест-объектов на МФП с
восстановлением пространственных координат КЭ.
Показано, что авторефлексионная схема на базе объективов ФПБ с
внутренней фокусировкой менее чувствительна к децентрировкам фокусирующего элемента в сравнении с внешней фокусировкой (при условии равной
линейной децентрировки фокусирующего элемента).
По результатам сравнения фотоприемных матричных структур на дан12
ном уровне развития технологий для АСКС рекомендовано использование
КМОП-приемников, ввиду возможности произвольной выборки сигналов с
отдельных элементов МФП и высокой разрешающей способностью с цифровым выходным сигналом, что позволяет повысить точность позиционирования
изображений тест-объектов при сохранении быстродействия известных алгоритмов обработки изображений.
Предложена рациональная структура тест-объекта в виде набора точечных источников излучения с известными расстояниями между ними Lбаз ,
что
позволило
в
явном
виде
выразить
координаты
( x, y ) = ( px xМФП M , p y yМФП M ) с масштабом преобразования
М=
Lбаз
2 p ( x1МФП − x2 МФП ) + p
2
x
2
2
y
( y1МФП − y2 МФП )
2
,
КЭ
M
(3)
где ( x jМФП , y jМФП ) – координаты изображений ПИД на МФП с размерами элемента px , y , ( xМФП , yМФП ) – середина базового расстояния Lбаз на изображении.
Полученная зависимость позволяет отказаться от измерения дистанции до КЭ и
за счет этого снизить погрешность, а также автоматизировать процесс контроля.
Для согласования уровня сигнала изображения тест-объекта на МФП в
предложенном интервале (0,7 – 0,9 от сигнала насыщения) на различных дистанциях разработан алгоритм управления параметрами активного тест-объекта.
Алгоритм заключается в управлении структурой тест-объекта (активация ПИД
с различными размерами эффективной излучающей площадки) совместно с
управлением их яркостью в широком диапазоне.
Проведен анализ алгоритмов определения координат изображений точечных тест-объектов на МФП с субпиксельной точностью. Подтвердилась эффективность использования метода средневзвешенного суммирования с последующим уточнением положения изображения с помощью метода восстановления эллиптического контура. Результаты подтверждены исследованиями на
реализованной математической модели.
Предложенная методика адаптации АСКС к технологическому процессу
13
центровки турбоагрегатов заключается в автоматическом преобразовании
приборной системы координат (визирной линии АСКС) к линии ротора (рисунок 3), задаваемой в передней и задней БР. Преобразование систем координат
осуществляется посредством автоматического определения дистанции до КЭ в
предложенной внутрибазной схеме.
Рисунок 3 – Взаимное расположение измерительных баз турбоагрегата
Методика реализует переход к внешней измерительной базе (линии ротора), тем самым значительно упрощает юстировку АСКС и обеспечивает
инвариантность результатов измерений к изменению собственных отсчетных
параметров: снимаются жесткие ограничения на совмещение оптической оси
объектива с отсчетным элементом МФП и децентрировку тест-объектов.
Предложен способ компенсации влияния температурного градиента
воздушного тракта в АСКС, основанный на дисперсионном методе измерений
положения КЭ. Для чего разработан алгоритм оценки хроматической разности
положения изображения активного тест-объекта в двух и более узких спектральных интервалах на едином поле изображений в реальном масштабе
времени. Спектральное разделение предложено осуществлять непосредственно на мозаичном МФП, например, с фильтром Байера.
Результаты третьей главы определили использование в АСКС активного
тест-объекта, координаты изображения которого восстанавливаются на МФП
с КМОП-приемником с последующим расчетом координат КЭ, что позволило
14
реализовать и исследовать опытный образец АСКС.
В четвертой главе проведено исследование компьютерных моделей
элементов АСКС и экспериментальное исследование опытного образца АСКС,
результаты которых подтвердили соответствие точностных характеристик
АСКС требованиям задачи контроля соосности элементов турбоагрегатов.
Экспериментальные исследования имитационной компьютерной модели
тетраэдрического отражателя и комплексной модели АСКС в среде Zemax
(рисунок 4) показали, что погрешность изготовления двугранных углов не
более 2 угл. сек. вызывает погрешность измерений менее 0,03 мм (при смещении КЭ с оси на 5 мм), что удовлетворяет требованиям задачи.
Рисунок 4 – К оценке влияния свойств тетраэдрический отражателей
Экспериментальные исследования имитационной модели ЗЛО в АСКС
выявили требования к линейному смещению зеркала – менее 0,02% от фокусного расстояния объектива при наклоне – менее 20 угл. сек. Показано, что в
случае использования ЗЛО в АСКС при контроле смещений КЭ более 5 мм
особые требования предъявляются к юстировке линейного положения зеркала,
в обратном случае – углового. При этом, как и ожидалось, удвоенные значения
сферохроматической аберрации, астигматизма и кривизны поля зрения объектива ограничивают использование ЗЛО, отдавая предпочтение тетраэдрическим отражателям.
Предложенная методика теоретического расчета погрешности АСКС,
произведенного на базе карты погрешностей (основные из которых: систематические – систематическая составляющая КТВ, децентрировка ПИД
15
тест-объекта; случайные – случайная составляющая КТВ; технологические –
погрешность установки центроискателя; внешние – рефракция воздушного
тракта), позволила оценить, что СКО случайной составляющей основной погрешности не превосходит 0,05 мм, что удовлетворяет требованиям задачи.
Оценка влияния параметров ОС (децентрировок элементов) на прямолинейность точек визирования показала необходимость компенсации систематической составляющей КТВ по дистанции в АСКС, что предопределило
разработку соответствующего стенда и методик испытаний.
Основными практическими результатами работы являются разработанный опытный образец АСКС и универсальный стенд (рисунок 5) для настройки и испытания систем контроля соосности и прямолинейности. Разработанная методика оценки параметров тест-объекта АСКС, заключающаяся в
анализе изображения тест-объекта в дополнительной системе, принцип действия которой аналогичен АСКС, позволила оценить фактическое положение
ПИД тест-объекта с погрешностью менее 0,01 мм.
Рисунок 5 – Универсальный стенд с
Рисунок 6 – Специализированный
опытным образцом АСКС
стенд для контроля соосности
Лабораторные исследования АСКС на разработанном стенде (рисунок 5)
выявили наибольшее влияние систематической составляющей КТВ, компенсация которой осуществлена в соответствии с разработанной методикой на дистанции от 1 до 6 м до величин менее 0,02 мм. Методика определения КТВ, заключается в сравнении результатов показаний АСКС с рабочим эталоном (ла16
зерным интерферометром) на стенде. Помимо этого выявлена систематическая
составляющая погрешности системы (с последовавшей ее компенсацией) и СКО
случайной составляющей основной погрешности менее 0,02 мм (рисунок 7).
Рисунок 7 – Составляющие погрешности АСКС на дистанции 6 м
Испытания
АСКС
на
стенде
ИТЦ
ОАО
«Атомэнергоремонт»
(г. Курчатов) (рисунок 6) заключались в сравнении показаний АСКС с рабочим эталоном (борштангой). Оценка разности показаний АСКС и эталона по
горизонтальной составляющей составила (0,06±0,04) мм, по вертикальной
(0,02±0,02) мм при доверительной вероятности α = 0,95 .
Эксплуатационные испытания АСКС, проведенные при ремонте III-го
энергоблока Калининской АЭС (г. Удомля) путем сравнения показаний АСКС
с ППС-11, выявили разность показаний в размере (0,02±0,02) мм по обеим
координатам ( α = 0,95 ). Результаты испытаний доказали практическую возможность использования АСКС для контроля соосности элементов турбоагрегатов большой единичной мощности.
Полноценное решение практической задачи достигнуто благодаря разработке опытного образца системы контроля положения ротора в БР «Ось»,
образующего совместно с АСКС универсальный комплекс с интеграцией в
едином программном обеспечении. В процессе контроля соосности турбоагрегатов (например, типа К-1000-60/1500-1 (2), 1100 МВт) положение ротора
17
относительно БР определяется с помощью системы «Ось»; результаты являются исходными данными для пересчета результатов измерений АСКС (рисунок 3). Использование комплекса позволяет сократить время технологических операций контроля соосности турбоагрегата на 40%.
Заключение
Получены следующие основные результаты исследований:
1. Классификационный
анализ
современных
оптических
и
опти-
ко-электронных систем и методов, реализующих контроль соосности турбоагрегатов большой единичной мощности, показал возможность решения поставленной задачи оптико-электронными системами авторефлексионного типа.
2. Разработан способ контроля трех линейных координат ретрорефлектора с управляемым базовым структурированным тест-объектом, позволяющий определять координаты КЭ без дополнительного определения дистанции.
3. Предложены энергетические соотношения для расчета облученности
в плоскости входного зрачка авторефлексионной системы с тест-объектом
сложной структуры с оценкой перераспределения энергии в отраженном пучке
лучей, учитывающие погрешности исполнения двугранных углов и оптическую силу тетраэдрического отражателя.
4. На основе базового математического аппарата (в приближении геометрической оптики) разработаны подходы к построению имитационных компьютерных моделей ретрорефлекторов и сами модели, позволившие оценить
влияние параметров ретрорефлекторов на суммарную погрешность АСКС и,
как следствие, сформировать требования к их изготовлению и юстировке.
5. Разработана методика автоматического преобразования приборной
системы координат АСКС к линии ротора, исключающая предварительное
трудоемкое «провешивание» визирной линии системы через координаты ротора в БР, тем самым значительно упрощающая процесс контроля с уменьшением результирующей погрешности.
6. Разработан способ компенсации влияния температурного градиента
воздушного тракта при определении координат КЭ в АСКС, основанный на
18
дисперсионном
методе
измерений
с
сопоставлением
изображений
тест-объекта в двух и более узких спектральных интервалах в реальном масштабе времени на едином поле изображений.
7. Разработан универсальный комплекс, состоящий из опытных образцов
АСКС и системы контроля положения оси ротора в БР (шифр «Ось»), обеспечивающий высокоточный автоматизированный контроль соосности элементов
турбоагрегатов большой единичной мощности.
8. Разработан универсальный стенд для настройки и испытания систем
контроля соосности и прямолинейности, основанный на сравнении результатов измерений АСКС с рабочим эталоном на дистанциях от 1 до 6 м, позволяющий, в том числе, выявлять систематическую составляющую КТВ.
9. Проведены лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания
АСКС, показано, что предел допускаемого СКО случайной составляющей
основной погрешности составляет менее 0,05 мм на дистанции до 10 м, что
удовлетворяет требованиям задачи контроля соосности и позволяет внедрить
АСКС в промышленность.
Результаты диссертации отражены в следующих публикациях:
1. Способ измерения линейного смещения и устройство для его осуществления
[Текст]: заявка 2010119119(027144) Рос.Федерация: МПК G01B 11/02, G01S 11/12/
заявитель и патентообладатель НИУ ИТМО. Анисимов А.Г., Горбачёв А.А., Краснящих А.В., Коротаев В.В., Пантюшин А.В., Серикова М.Г., Тимофеев А.Н., заявл.
12.05.2010, решение о выдаче патента от 15.12.2011.
2. Анисимов А.Г., Горбачёв А.А., Краснящих А. В., Пантюшин А. В. Оптико-электронная система контроля соосности элементов турбоагрегатов / Изв. вузов.
Приборостроение. 2008. Т.51, №9. С. 22 – 26.
3. A.G. Anisimov, A.A. Gorbachyov, A.V. Krasnyashchikh, A.N. Pantushin and
A.N. Timofeev, "Design and test of optoelectronic system of alignment control based on CCD
camera", Proc. SPIE 7133, 71333S (2008).
4. Анисимов А.Г., Алеев А.М., Пантюштин А.В., Тимофеев А.Н. Основные погрешности контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной
системы / Оптический журнал, т. 76, №1, 2009. –С. 3-8.
5. Andrey G. Anisimov, Andrey V. Krasnyashchikh, Alexander N. Timofeev and Valery V. Korotaev, "Accuracy characteristics of the shift control optical-electronic measurement
system", Proc. SPIE 7427, 74270L (2009).
6. Анисимов А.Г., Коротаев В.В., Кулешова Е.Н. О возможности адаптации теории распределенных измерительных систем к оптико-электронным системам. Изв. вузов.
Приборостроение. 2010. №7. С. 86-87.
7. Andrey G. Anisimov, Elena A. Tsyganok, and Igor A. Konyakhin, "Study of the influence of the tetrahedral reflectors properties on autocollimating systems characteristics,"
19
Proc. SPIE, Vol. 7786, 77860V (2010).
8. Andrey G. Anisimov, Alexandr N. Timofeev and Valery V. Korotaev, "Choice of the
reflector for the autocollimating alignment telescope", Proc. SPIE 8082, 80823E (2011).
9. Анисимов А.Г. Исследование влияния погрешности при фокусировке на точность измерения оптико-электронной системы контроля соосности // Труды четвертой
международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2005»/ Под ред.
проф. В. Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. 113-114 с.
10. Анисимов А.Г., Коротаев В.В., Краснящих А.В. Методы построения адаптивной распределенной оптико-электронной системы неразрушающего контроля деформации крупногабаритных сооружений // Научно-технический вестник СПбГУ
ИТМО. Выпуск 34. Современная оптика /Главный редактор д.т.н., проф. В.Н. Васильев.
- СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. - с. 219-224.
11. Анисимов А.Г., Горбачев А.А., Краснящих А.В. Исследование влияния
блюминга на погрешность оптико-электронной системы контроля соосности // Сборник
трудов. Т.1. Оптическое приборостроение. СПб.: Труды оптического общества им. Д.С.
Рождественского, 2006. - с. 24-28.
12. Анисимов А.Г., Араканцев К.Г., Горбачев А.А. Исследование погрешности
контроля дистанции в симметричном внутрибазовом канале двухкоординатной оптико-электронной системы контроля смещений // Научно-технический вестник СПбГУ
ИТМО. Выпуск 34. Современная оптика /Главный редактор д.т.н., проф. В.Н. Васильев.
- СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. - с. 213-218.
13. Анисимов А.Г., Горбачев А.А., Краснящих А.В. Результаты исследования точностных характеристик оптико-электронной системы контроля соосности на стенде. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 49. Оптотехника, оптические материалы
/ Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - c. 110 – 114.
14. Анисимов А.Г., Краснящих А.В. Пути повышения точностных характеристик
оптико-электронных систем контроля соосности / Труды оптического общества им. Д.С.
Рождественского том 1, Оптическое приборостроение. VIII Международнвая конференция
«Прикладная оптика-2008». Санкт-Петербург, 20-24 октября, СПбГУ ИТМО, 2008., с 10-14.
15. Andrey G. Anisimov, Valery V. Korotaev, and Andrey V. Krasnyashchikh. Alignment
Control Optical-Electronic System. Technical Digest of 7th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication. 20PSp-69. Optical Society of Japan (OSJ) (2010).
16. Анисимов А.Г., Клещенок М.А., Тимофеев А.Н.. Исследование схемы внешнебазного оптико-электронного канала для контроля соосности. / 9 Международная
конференция «Прикладная оптика - 2010» / Сборник трудов (том 1, ч. 2) СПб: ГОИ им.
С.И. Вавилова, 18-22 октября 2010. – С. 243-246.
17. Коротаев В.В., Анисимов А.Г., Горбачев А.В., Краснящих А.В., Тимофеев
А.Н. Оптико-электронная система контроля соосности и прямолинейности. // Инновационные разработки СПбГУ ИТМО / Под ред. д.т.н., проф. В.Н.Васильева – СПб:
СПбГУ ИТМО, 2010. с.56-58
18. Andrey G. Anisimov, Oleg U. Lashmanov, Sergey N. Yarishev, Alexander N. Timofeev, and Valery V. Korotaev, “Multispectral Method for Air Tract Influence Attenuation,” in
Frontiers in Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2011), paper JWA24.
__________________________________________________________________
Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении
«Университетские телекоммуникации»
197101, г. Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14.
Тел (812) 233-46-69, объем 1,0 п.л.
Тираж 100 экз.
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
59
Размер файла
850 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа