第一壁壁板的超聲建模技術(shù)研究

柴玉琨　李寧（等）

【摘 要】針對(duì)帶間隙網(wǎng)格狀多斜率曲面模塊第一壁壁板，國內(nèi)首次采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的方法，通過對(duì)曲面工件仿真測(cè)量的方法，獲得了探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，應(yīng)用曲面反求技術(shù)重構(gòu)工件的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而建立每個(gè)被檢工件的CAD模型。在獲得探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)之后，研制專用超聲檢驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)曲面多維掃查，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)整檢驗(yàn)探頭與被檢表面的角度與距離，配之以相應(yīng)的控制軟硬件及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)第一壁壁板超聲波自動(dòng)檢驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】超聲；數(shù)學(xué)建模；CAD模型

0 引言

第一壁壁板屬于聚變堆屏蔽包層材料，而屏蔽包層作為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是作為直接面對(duì)等離子體的部件，承載聚變反應(yīng)過程中的高熱及中子輻照，因此屏蔽包層技術(shù)是ITER的關(guān)鍵技術(shù)之一。屏蔽包層包括第一壁和屏蔽塊兩個(gè)部分，第一壁直接面對(duì)等離子體，屏蔽塊在第一壁的后面，其主要作用是帶走聚變反應(yīng)過程中的核熱及屏蔽中子輻照。為了使第一壁及屏蔽包層能夠承載高的核熱，達(dá)到聚變?cè)囼?yàn)堆安全運(yùn)行的目的，對(duì)聚變?cè)囼?yàn)堆屏蔽包層的結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)就顯得尤為重要；若第一壁壁板不進(jìn)行結(jié)合質(zhì)量的檢測(cè)，在等靜壓和電子束焊接的過程中，或者在材料加工過程中難免會(huì)造成一些缺陷和裂紋，而這些缺陷和裂紋對(duì)第一壁和屏蔽包層整體功能的影響很大，對(duì)于反應(yīng)堆來說甚至是致命的[1]。因此，為了保證將來反應(yīng)堆的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對(duì)第一壁壁板的結(jié)合質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)。

2008年，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院開發(fā)的原理樣機(jī)只能檢測(cè)平面型屏蔽包層材料的結(jié)合質(zhì)量，而第一壁壁板結(jié)構(gòu)為曲面的鈹瓦表面，檢測(cè)難度很大。目前，國內(nèi)外還沒有專門系統(tǒng)檢測(cè)這種工件，其主要難度在于超聲檢測(cè)曲面工件，需要確認(rèn)探頭和工件要始終保持垂直，以此保證探頭能接收工件所反射回的超聲波信號(hào)。而本文采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模技術(shù)相融合的方式，成功地研制了第一壁壁板超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)際應(yīng)用，證明該技術(shù)能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)第一壁壁板的結(jié)合質(zhì)量及平面模塊的結(jié)合質(zhì)量，為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 檢測(cè)對(duì)象

檢驗(yàn)對(duì)象為第一壁板工件，其最大長(zhǎng)度尺寸約為660mm，最大寬度尺寸約為200mm，最大厚度尺寸約為200mm。圖1為第一壁板工件CAD圖，檢驗(yàn)面為帶曲面的鈹瓦表面。

圖1 第一壁板CAD圖

1.1 檢驗(yàn)原理

由于檢驗(yàn)面為曲面，為了準(zhǔn)確跟蹤工件檢驗(yàn)界面、保持探頭與檢驗(yàn)面的垂直，檢驗(yàn)前需對(duì)檢驗(yàn)面進(jìn)行建模，使用超聲波方式測(cè)定探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立好曲面模型后，進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)，在每個(gè)采集點(diǎn)根據(jù)曲面模型適時(shí)調(diào)整探頭與工件垂直，在調(diào)整好探頭的基礎(chǔ)上，采集超聲儀檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，并處理存儲(chǔ)[2]。

1.2 數(shù)學(xué)建模

由于被檢面為一曲面，為了使超聲波探頭在整個(gè)檢驗(yàn)過程中始終保持與工件表面相垂直，需要對(duì)工件被檢面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建模使用超聲波原理，利用聲束入射角與表面波時(shí)域特征值之間關(guān)系。主要步驟為：

（1）根據(jù)所提供的工件信息，初步將工件表面劃分出多條掃描線；

（2）人工確定測(cè)量點(diǎn)之間的間距，根據(jù)此間距在掃面線上設(shè)定測(cè)量點(diǎn)；

（3）啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量程序，移動(dòng)探頭到第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，調(diào)節(jié)五自由度機(jī)械手，使聲束與測(cè)量點(diǎn)垂直，記錄三維坐標(biāo)值及二維轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量并保存；使用同樣方式記錄每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)值及二維轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量；

（4）根據(jù)已測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值分析曲面曲率，若曲面變化顯著則縮小測(cè)量點(diǎn)間距（具體原理詳見2.3.1～2.3.2），若曲面曲率變化不大則按原初始規(guī)劃的間距進(jìn)行測(cè)量；

（5）根據(jù)最終確定測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)量，并由反求軟件建立鈹銅工件的CAD建模。

1.2.1 測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃

測(cè)量點(diǎn)分布在各掃描線上，其影響因素主要有三點(diǎn)：（1）掃面線的走向；（2）相鄰掃面線的間距△X；（3）相鄰測(cè)量點(diǎn)的間距△Y。

測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)規(guī)劃思路如下：

（1）被檢工件檢驗(yàn)面的特點(diǎn)選定測(cè)量的初始規(guī)劃，利用聲束自動(dòng)對(duì)正的方法完成第一條掃面線上，初始規(guī)劃測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)拾??；

（2）根據(jù)已測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)分析掃描線的曲率，在曲率變化不大處按初始規(guī)劃的間距進(jìn)行測(cè)量，在曲率變化顯著處縮小測(cè)量點(diǎn)間距，實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)規(guī)劃；

（3）完成一條掃描線的測(cè)量后，同樣根據(jù)工件表面曲率變化情況調(diào)整兩條相鄰掃面線的間距。

1.2.2 曲面曲率的分析

曲面曲率是根據(jù)一條掃描線上相鄰3個(gè)測(cè)量點(diǎn)兩兩組成的線段夾角來進(jìn)行分析的。首先將相鄰的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)用線段連接起來，從而得到一系列逼近兩點(diǎn)間曲線的線段。

相鄰兩條線段之間夾角能夠反映該段掃描線的曲率變化，給定一角度誤差δ（可以人工設(shè)定），若ωi≥δ，則認(rèn)為這兩條相鄰線段所代表的掃描線之間曲面曲率變化劇烈，因此需要在這段區(qū)域內(nèi)需要所點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)間距，以增加測(cè)量點(diǎn)從而反映曲線劇烈的變化；若ωi≤δ，則說明這2條相鄰線段過渡平緩，可認(rèn)為這段掃面線曲面曲率變化平緩，不需要增加測(cè)量點(diǎn)。

2 建模實(shí)驗(yàn)

在對(duì)檢驗(yàn)面進(jìn)行曲面建模及測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)規(guī)劃后，方可實(shí)施對(duì)工件100%的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)路徑：探頭先沿工件寬度方向運(yùn)動(dòng)，到工件邊緣時(shí)，再沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直到檢驗(yàn)完整個(gè)工件。

在檢驗(yàn)過程中，根據(jù)所建立模型的數(shù)據(jù)，對(duì)探頭進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，使探頭與工件表面始終保持垂直；檢驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及處理。

檢驗(yàn)裝置在檢驗(yàn)過程中，工件固定良好；探頭的調(diào)節(jié)能滿足被檢工件的檢驗(yàn)要求，方便、精確、自鎖；檢驗(yàn)全過程中，探頭位置、運(yùn)動(dòng)速度等檢驗(yàn)條件不允許發(fā)生改變；檢驗(yàn)裝置具有自動(dòng)開始和末端停止掃描功能及相應(yīng)的安全連鎖裝置，掃描停止，探頭自動(dòng)歸零位；實(shí)現(xiàn)并完成對(duì)工件的檢驗(yàn)，可以使用控制器按扭進(jìn)行控制，也可以利用所編制的軟件，通過檢驗(yàn)參數(shù)的輸入進(jìn)行程序。

具體實(shí)施過程為：

圖2 第一壁壁板數(shù)學(xué)模型圖

（1）建立工件的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。采用超聲波技術(shù)，利用工件表面反射波幅；根據(jù)所提供的工件信息，初步確定將工件表面劃分出3條掃描線，如圖3所示，圖中虛線為掃描線。每條掃描線上的掃描點(diǎn)間距間隔10mm。以上要求可以根據(jù)工件的曲率變化進(jìn)行調(diào)整，曲率變化較大時(shí)可以適當(dāng)增加采樣點(diǎn)，即縮短掃描點(diǎn)間距。

（2）能對(duì)工件實(shí)施100%掃查，掃查過程如圖3中虛線所示：探頭先沿工件寬度方向運(yùn)動(dòng)，到工件邊緣時(shí)，再沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直到檢驗(yàn)完整個(gè)工件。

圖3 掃查示意圖

（3）在檢驗(yàn)實(shí)施過程中，能夠根據(jù)所建立模型的數(shù)據(jù)，對(duì)探頭進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，使探頭與工件表面始終保持垂直。

（4）對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及處理，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 檢測(cè)結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的方法，根據(jù)超聲波回波情況，獲得探頭與工件表面距離及五維坐標(biāo)，應(yīng)用曲面反求技術(shù)重構(gòu)工件的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而建立被檢工件的CAD模型。利用研制的第一壁壁板專用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)建立的CAD模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，所建立的CAD模型能與檢測(cè)系統(tǒng)相融合，檢測(cè)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]康偉山，張斧，吳繼紅，等.ITER屏蔽包層模塊的熱工水力與熱應(yīng)力分析[J].核聚變與等離子體物理，2007，27（4）：320-323.

[2]鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)[M].2版.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[責(zé)任編輯：曹明明]

【摘 要】針對(duì)帶間隙網(wǎng)格狀多斜率曲面模塊第一壁壁板，國內(nèi)首次采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的方法，通過對(duì)曲面工件仿真測(cè)量的方法，獲得了探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，應(yīng)用曲面反求技術(shù)重構(gòu)工件的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而建立每個(gè)被檢工件的CAD模型。在獲得探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)之后，研制專用超聲檢驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)曲面多維掃查，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)整檢驗(yàn)探頭與被檢表面的角度與距離，配之以相應(yīng)的控制軟硬件及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)第一壁壁板超聲波自動(dòng)檢驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】超聲；數(shù)學(xué)建模；CAD模型

0 引言

第一壁壁板屬于聚變堆屏蔽包層材料，而屏蔽包層作為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是作為直接面對(duì)等離子體的部件，承載聚變反應(yīng)過程中的高熱及中子輻照，因此屏蔽包層技術(shù)是ITER的關(guān)鍵技術(shù)之一。屏蔽包層包括第一壁和屏蔽塊兩個(gè)部分，第一壁直接面對(duì)等離子體，屏蔽塊在第一壁的后面，其主要作用是帶走聚變反應(yīng)過程中的核熱及屏蔽中子輻照。為了使第一壁及屏蔽包層能夠承載高的核熱，達(dá)到聚變?cè)囼?yàn)堆安全運(yùn)行的目的，對(duì)聚變?cè)囼?yàn)堆屏蔽包層的結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)就顯得尤為重要；若第一壁壁板不進(jìn)行結(jié)合質(zhì)量的檢測(cè)，在等靜壓和電子束焊接的過程中，或者在材料加工過程中難免會(huì)造成一些缺陷和裂紋，而這些缺陷和裂紋對(duì)第一壁和屏蔽包層整體功能的影響很大，對(duì)于反應(yīng)堆來說甚至是致命的[1]。因此，為了保證將來反應(yīng)堆的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對(duì)第一壁壁板的結(jié)合質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)。

2008年，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院開發(fā)的原理樣機(jī)只能檢測(cè)平面型屏蔽包層材料的結(jié)合質(zhì)量，而第一壁壁板結(jié)構(gòu)為曲面的鈹瓦表面，檢測(cè)難度很大。目前，國內(nèi)外還沒有專門系統(tǒng)檢測(cè)這種工件，其主要難度在于超聲檢測(cè)曲面工件，需要確認(rèn)探頭和工件要始終保持垂直，以此保證探頭能接收工件所反射回的超聲波信號(hào)。而本文采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模技術(shù)相融合的方式，成功地研制了第一壁壁板超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)際應(yīng)用，證明該技術(shù)能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)第一壁壁板的結(jié)合質(zhì)量及平面模塊的結(jié)合質(zhì)量，為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 檢測(cè)對(duì)象

檢驗(yàn)對(duì)象為第一壁板工件，其最大長(zhǎng)度尺寸約為660mm，最大寬度尺寸約為200mm，最大厚度尺寸約為200mm。圖1為第一壁板工件CAD圖，檢驗(yàn)面為帶曲面的鈹瓦表面。

圖1 第一壁板CAD圖

1.1 檢驗(yàn)原理

由于檢驗(yàn)面為曲面，為了準(zhǔn)確跟蹤工件檢驗(yàn)界面、保持探頭與檢驗(yàn)面的垂直，檢驗(yàn)前需對(duì)檢驗(yàn)面進(jìn)行建模，使用超聲波方式測(cè)定探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立好曲面模型后，進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)，在每個(gè)采集點(diǎn)根據(jù)曲面模型適時(shí)調(diào)整探頭與工件垂直，在調(diào)整好探頭的基礎(chǔ)上，采集超聲儀檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，并處理存儲(chǔ)[2]。

1.2 數(shù)學(xué)建模

由于被檢面為一曲面，為了使超聲波探頭在整個(gè)檢驗(yàn)過程中始終保持與工件表面相垂直，需要對(duì)工件被檢面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建模使用超聲波原理，利用聲束入射角與表面波時(shí)域特征值之間關(guān)系。主要步驟為：

（1）根據(jù)所提供的工件信息，初步將工件表面劃分出多條掃描線；

（2）人工確定測(cè)量點(diǎn)之間的間距，根據(jù)此間距在掃面線上設(shè)定測(cè)量點(diǎn)；

（3）啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量程序，移動(dòng)探頭到第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，調(diào)節(jié)五自由度機(jī)械手，使聲束與測(cè)量點(diǎn)垂直，記錄三維坐標(biāo)值及二維轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量并保存；使用同樣方式記錄每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)值及二維轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量；

（4）根據(jù)已測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值分析曲面曲率，若曲面變化顯著則縮小測(cè)量點(diǎn)間距（具體原理詳見2.3.1～2.3.2），若曲面曲率變化不大則按原初始規(guī)劃的間距進(jìn)行測(cè)量；

（5）根據(jù)最終確定測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)量，并由反求軟件建立鈹銅工件的CAD建模。

1.2.1 測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃

測(cè)量點(diǎn)分布在各掃描線上，其影響因素主要有三點(diǎn)：（1）掃面線的走向；（2）相鄰掃面線的間距△X；（3）相鄰測(cè)量點(diǎn)的間距△Y。

測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)規(guī)劃思路如下：

（1）被檢工件檢驗(yàn)面的特點(diǎn)選定測(cè)量的初始規(guī)劃，利用聲束自動(dòng)對(duì)正的方法完成第一條掃面線上，初始規(guī)劃測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)拾取；

（2）根據(jù)已測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)分析掃描線的曲率，在曲率變化不大處按初始規(guī)劃的間距進(jìn)行測(cè)量，在曲率變化顯著處縮小測(cè)量點(diǎn)間距，實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)規(guī)劃；

（3）完成一條掃描線的測(cè)量后，同樣根據(jù)工件表面曲率變化情況調(diào)整兩條相鄰掃面線的間距。

1.2.2 曲面曲率的分析

曲面曲率是根據(jù)一條掃描線上相鄰3個(gè)測(cè)量點(diǎn)兩兩組成的線段夾角來進(jìn)行分析的。首先將相鄰的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)用線段連接起來，從而得到一系列逼近兩點(diǎn)間曲線的線段。

相鄰兩條線段之間夾角能夠反映該段掃描線的曲率變化，給定一角度誤差δ（可以人工設(shè)定），若ωi≥δ，則認(rèn)為這兩條相鄰線段所代表的掃描線之間曲面曲率變化劇烈，因此需要在這段區(qū)域內(nèi)需要所點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)間距，以增加測(cè)量點(diǎn)從而反映曲線劇烈的變化；若ωi≤δ，則說明這2條相鄰線段過渡平緩，可認(rèn)為這段掃面線曲面曲率變化平緩，不需要增加測(cè)量點(diǎn)。

2 建模實(shí)驗(yàn)

在對(duì)檢驗(yàn)面進(jìn)行曲面建模及測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)規(guī)劃后，方可實(shí)施對(duì)工件100%的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)路徑：探頭先沿工件寬度方向運(yùn)動(dòng)，到工件邊緣時(shí)，再沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直到檢驗(yàn)完整個(gè)工件。

在檢驗(yàn)過程中，根據(jù)所建立模型的數(shù)據(jù)，對(duì)探頭進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，使探頭與工件表面始終保持垂直；檢驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及處理。

檢驗(yàn)裝置在檢驗(yàn)過程中，工件固定良好；探頭的調(diào)節(jié)能滿足被檢工件的檢驗(yàn)要求，方便、精確、自鎖；檢驗(yàn)全過程中，探頭位置、運(yùn)動(dòng)速度等檢驗(yàn)條件不允許發(fā)生改變；檢驗(yàn)裝置具有自動(dòng)開始和末端停止掃描功能及相應(yīng)的安全連鎖裝置，掃描停止，探頭自動(dòng)歸零位；實(shí)現(xiàn)并完成對(duì)工件的檢驗(yàn)，可以使用控制器按扭進(jìn)行控制，也可以利用所編制的軟件，通過檢驗(yàn)參數(shù)的輸入進(jìn)行程序。

具體實(shí)施過程為：

圖2 第一壁壁板數(shù)學(xué)模型圖

（1）建立工件的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。采用超聲波技術(shù)，利用工件表面反射波幅；根據(jù)所提供的工件信息，初步確定將工件表面劃分出3條掃描線，如圖3所示，圖中虛線為掃描線。每條掃描線上的掃描點(diǎn)間距間隔10mm。以上要求可以根據(jù)工件的曲率變化進(jìn)行調(diào)整，曲率變化較大時(shí)可以適當(dāng)增加采樣點(diǎn)，即縮短掃描點(diǎn)間距。

（2）能對(duì)工件實(shí)施100%掃查，掃查過程如圖3中虛線所示：探頭先沿工件寬度方向運(yùn)動(dòng)，到工件邊緣時(shí)，再沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直到檢驗(yàn)完整個(gè)工件。

圖3 掃查示意圖

（3）在檢驗(yàn)實(shí)施過程中，能夠根據(jù)所建立模型的數(shù)據(jù)，對(duì)探頭進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，使探頭與工件表面始終保持垂直。

（4）對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及處理，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 檢測(cè)結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的方法，根據(jù)超聲波回波情況，獲得探頭與工件表面距離及五維坐標(biāo)，應(yīng)用曲面反求技術(shù)重構(gòu)工件的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而建立被檢工件的CAD模型。利用研制的第一壁壁板專用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)建立的CAD模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，所建立的CAD模型能與檢測(cè)系統(tǒng)相融合，檢測(cè)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]康偉山，張斧，吳繼紅，等.ITER屏蔽包層模塊的熱工水力與熱應(yīng)力分析[J].核聚變與等離子體物理，2007，27（4）：320-323.

[2]鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)[M].2版.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[責(zé)任編輯：曹明明]

【摘 要】針對(duì)帶間隙網(wǎng)格狀多斜率曲面模塊第一壁壁板，國內(nèi)首次采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的方法，通過對(duì)曲面工件仿真測(cè)量的方法，獲得了探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，應(yīng)用曲面反求技術(shù)重構(gòu)工件的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而建立每個(gè)被檢工件的CAD模型。在獲得探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)之后，研制專用超聲檢驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)曲面多維掃查，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)整檢驗(yàn)探頭與被檢表面的角度與距離，配之以相應(yīng)的控制軟硬件及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)第一壁壁板超聲波自動(dòng)檢驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】超聲；數(shù)學(xué)建模；CAD模型

0 引言

第一壁壁板屬于聚變堆屏蔽包層材料，而屏蔽包層作為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是作為直接面對(duì)等離子體的部件，承載聚變反應(yīng)過程中的高熱及中子輻照，因此屏蔽包層技術(shù)是ITER的關(guān)鍵技術(shù)之一。屏蔽包層包括第一壁和屏蔽塊兩個(gè)部分，第一壁直接面對(duì)等離子體，屏蔽塊在第一壁的后面，其主要作用是帶走聚變反應(yīng)過程中的核熱及屏蔽中子輻照。為了使第一壁及屏蔽包層能夠承載高的核熱，達(dá)到聚變?cè)囼?yàn)堆安全運(yùn)行的目的，對(duì)聚變?cè)囼?yàn)堆屏蔽包層的結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)就顯得尤為重要；若第一壁壁板不進(jìn)行結(jié)合質(zhì)量的檢測(cè)，在等靜壓和電子束焊接的過程中，或者在材料加工過程中難免會(huì)造成一些缺陷和裂紋，而這些缺陷和裂紋對(duì)第一壁和屏蔽包層整體功能的影響很大，對(duì)于反應(yīng)堆來說甚至是致命的[1]。因此，為了保證將來反應(yīng)堆的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對(duì)第一壁壁板的結(jié)合質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)。

2008年，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院開發(fā)的原理樣機(jī)只能檢測(cè)平面型屏蔽包層材料的結(jié)合質(zhì)量，而第一壁壁板結(jié)構(gòu)為曲面的鈹瓦表面，檢測(cè)難度很大。目前，國內(nèi)外還沒有專門系統(tǒng)檢測(cè)這種工件，其主要難度在于超聲檢測(cè)曲面工件，需要確認(rèn)探頭和工件要始終保持垂直，以此保證探頭能接收工件所反射回的超聲波信號(hào)。而本文采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模技術(shù)相融合的方式，成功地研制了第一壁壁板超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)際應(yīng)用，證明該技術(shù)能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)第一壁壁板的結(jié)合質(zhì)量及平面模塊的結(jié)合質(zhì)量，為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 檢測(cè)對(duì)象

檢驗(yàn)對(duì)象為第一壁板工件，其最大長(zhǎng)度尺寸約為660mm，最大寬度尺寸約為200mm，最大厚度尺寸約為200mm。圖1為第一壁板工件CAD圖，檢驗(yàn)面為帶曲面的鈹瓦表面。

圖1 第一壁板CAD圖

1.1 檢驗(yàn)原理

由于檢驗(yàn)面為曲面，為了準(zhǔn)確跟蹤工件檢驗(yàn)界面、保持探頭與檢驗(yàn)面的垂直，檢驗(yàn)前需對(duì)檢驗(yàn)面進(jìn)行建模，使用超聲波方式測(cè)定探頭與工件表面距離及五維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立好曲面模型后，進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)，在每個(gè)采集點(diǎn)根據(jù)曲面模型適時(shí)調(diào)整探頭與工件垂直，在調(diào)整好探頭的基礎(chǔ)上，采集超聲儀檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，并處理存儲(chǔ)[2]。

1.2 數(shù)學(xué)建模

由于被檢面為一曲面，為了使超聲波探頭在整個(gè)檢驗(yàn)過程中始終保持與工件表面相垂直，需要對(duì)工件被檢面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建模使用超聲波原理，利用聲束入射角與表面波時(shí)域特征值之間關(guān)系。主要步驟為：

（1）根據(jù)所提供的工件信息，初步將工件表面劃分出多條掃描線；

（2）人工確定測(cè)量點(diǎn)之間的間距，根據(jù)此間距在掃面線上設(shè)定測(cè)量點(diǎn)；

（3）啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量程序，移動(dòng)探頭到第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，調(diào)節(jié)五自由度機(jī)械手，使聲束與測(cè)量點(diǎn)垂直，記錄三維坐標(biāo)值及二維轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量并保存；使用同樣方式記錄每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)值及二維轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量；

（4）根據(jù)已測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值分析曲面曲率，若曲面變化顯著則縮小測(cè)量點(diǎn)間距（具體原理詳見2.3.1～2.3.2），若曲面曲率變化不大則按原初始規(guī)劃的間距進(jìn)行測(cè)量；

（5）根據(jù)最終確定測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)量，并由反求軟件建立鈹銅工件的CAD建模。

1.2.1 測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃

測(cè)量點(diǎn)分布在各掃描線上，其影響因素主要有三點(diǎn)：（1）掃面線的走向；（2）相鄰掃面線的間距△X；（3）相鄰測(cè)量點(diǎn)的間距△Y。

測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)規(guī)劃思路如下：

（1）被檢工件檢驗(yàn)面的特點(diǎn)選定測(cè)量的初始規(guī)劃，利用聲束自動(dòng)對(duì)正的方法完成第一條掃面線上，初始規(guī)劃測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)拾取；

（2）根據(jù)已測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)分析掃描線的曲率，在曲率變化不大處按初始規(guī)劃的間距進(jìn)行測(cè)量，在曲率變化顯著處縮小測(cè)量點(diǎn)間距，實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)規(guī)劃；

（3）完成一條掃描線的測(cè)量后，同樣根據(jù)工件表面曲率變化情況調(diào)整兩條相鄰掃面線的間距。

1.2.2 曲面曲率的分析

曲面曲率是根據(jù)一條掃描線上相鄰3個(gè)測(cè)量點(diǎn)兩兩組成的線段夾角來進(jìn)行分析的。首先將相鄰的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)用線段連接起來，從而得到一系列逼近兩點(diǎn)間曲線的線段。

相鄰兩條線段之間夾角能夠反映該段掃描線的曲率變化，給定一角度誤差δ（可以人工設(shè)定），若ωi≥δ，則認(rèn)為這兩條相鄰線段所代表的掃描線之間曲面曲率變化劇烈，因此需要在這段區(qū)域內(nèi)需要所點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)間距，以增加測(cè)量點(diǎn)從而反映曲線劇烈的變化；若ωi≤δ，則說明這2條相鄰線段過渡平緩，可認(rèn)為這段掃面線曲面曲率變化平緩，不需要增加測(cè)量點(diǎn)。

2 建模實(shí)驗(yàn)

在對(duì)檢驗(yàn)面進(jìn)行曲面建模及測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)規(guī)劃后，方可實(shí)施對(duì)工件100%的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)路徑：探頭先沿工件寬度方向運(yùn)動(dòng)，到工件邊緣時(shí)，再沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直到檢驗(yàn)完整個(gè)工件。

在檢驗(yàn)過程中，根據(jù)所建立模型的數(shù)據(jù)，對(duì)探頭進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，使探頭與工件表面始終保持垂直；檢驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及處理。

檢驗(yàn)裝置在檢驗(yàn)過程中，工件固定良好；探頭的調(diào)節(jié)能滿足被檢工件的檢驗(yàn)要求，方便、精確、自鎖；檢驗(yàn)全過程中，探頭位置、運(yùn)動(dòng)速度等檢驗(yàn)條件不允許發(fā)生改變；檢驗(yàn)裝置具有自動(dòng)開始和末端停止掃描功能及相應(yīng)的安全連鎖裝置，掃描停止，探頭自動(dòng)歸零位；實(shí)現(xiàn)并完成對(duì)工件的檢驗(yàn)，可以使用控制器按扭進(jìn)行控制，也可以利用所編制的軟件，通過檢驗(yàn)參數(shù)的輸入進(jìn)行程序。

具體實(shí)施過程為：

圖2 第一壁壁板數(shù)學(xué)模型圖

（1）建立工件的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。采用超聲波技術(shù)，利用工件表面反射波幅；根據(jù)所提供的工件信息，初步確定將工件表面劃分出3條掃描線，如圖3所示，圖中虛線為掃描線。每條掃描線上的掃描點(diǎn)間距間隔10mm。以上要求可以根據(jù)工件的曲率變化進(jìn)行調(diào)整，曲率變化較大時(shí)可以適當(dāng)增加采樣點(diǎn)，即縮短掃描點(diǎn)間距。

（2）能對(duì)工件實(shí)施100%掃查，掃查過程如圖3中虛線所示：探頭先沿工件寬度方向運(yùn)動(dòng)，到工件邊緣時(shí)，再沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直到檢驗(yàn)完整個(gè)工件。

圖3 掃查示意圖

（3）在檢驗(yàn)實(shí)施過程中，能夠根據(jù)所建立模型的數(shù)據(jù)，對(duì)探頭進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，使探頭與工件表面始終保持垂直。

（4）對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及處理，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 檢測(cè)結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文采用超聲技術(shù)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合的方法，根據(jù)超聲波回波情況，獲得探頭與工件表面距離及五維坐標(biāo)，應(yīng)用曲面反求技術(shù)重構(gòu)工件的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而建立被檢工件的CAD模型。利用研制的第一壁壁板專用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)建立的CAD模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，所建立的CAD模型能與檢測(cè)系統(tǒng)相融合，檢測(cè)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]康偉山，張斧，吳繼紅，等.ITER屏蔽包層模塊的熱工水力與熱應(yīng)力分析[J].核聚變與等離子體物理，2007，27（4）：320-323.

[2]鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)[M].2版.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[責(zé)任編輯：曹明明]