第一壁壁板的超声建模技术研究

柴玉琨　李宁（等）

【摘 要】针对带间隙网格状多斜率曲面模块第一壁壁板，国内首次采用超声技术与数学建模相结合的方法，通过对曲面工件仿真测量的方法，获得了探头与工件表面距离及五维运动坐标，应用曲面反求技术重构工件的数据模型，进而建立每个被检工件的CAD模型。在获得探头与工件表面距离及五维运动坐标之后，研制专用超声检验系统，实现曲面多维扫查，通过计算机自动调整检验探头与被检表面的角度与距离，配之以相应的控制软硬件及数据采集处理系统，实现第一壁壁板超声波自动检验。

【关键词】超声；数学建模；CAD模型

0 引言

第一壁壁板属于聚变堆屏蔽包层材料，而屏蔽包层作为国际热核聚变实验堆（ITER）的关键部件之一，其主要作用是作为直接面对等离子体的部件，承载聚变反应过程中的高热及中子辐照，因此屏蔽包层技术是ITER的关键技术之一。屏蔽包层包括第一壁和屏蔽块两个部分，第一壁直接面对等离子体，屏蔽块在第一壁的后面，其主要作用是带走聚变反应过程中的核热及屏蔽中子辐照。为了使第一壁及屏蔽包层能够承载高的核热，达到聚变试验堆安全运行的目的，对聚变试验堆屏蔽包层的结合质量检测就显得尤为重要；若第一壁壁板不进行结合质量的检测，在等静压和电子束焊接的过程中，或者在材料加工过程中难免会造成一些缺陷和裂纹，而这些缺陷和裂纹对第一壁和屏蔽包层整体功能的影响很大，对于反应堆来说甚至是致命的[1]。因此，为了保证将来反应堆的安全运转，必须对第一壁壁板的结合质量进行无损检测。

2008年，中国核动力研究设计院开发的原理样机只能检测平面型屏蔽包层材料的结合质量，而第一壁壁板结构为曲面的铍瓦表面，检测难度很大。目前，国内外还没有专门系统检测这种工件，其主要难度在于超声检测曲面工件，需要确认探头和工件要始终保持垂直，以此保证探头能接收工件所反射回的超声波信号。而本文采用超声技术与数学建模技术相融合的方式，成功地研制了第一壁壁板超声自动检测系统，通过实际应用，证明该技术能够准确的检测第一壁壁板的结合质量及平面模块的结合质量，为国际热核聚变实验堆的安全运行提供技术保障。

1 检测对象

检验对象为第一壁板工件，其最大长度尺寸约为660mm，最大宽度尺寸约为200mm，最大厚度尺寸约为200mm。图1为第一壁板工件CAD图，检验面为带曲面的铍瓦表面。

图1 第一壁板CAD图

1.1 检验原理

由于检验面为曲面，为了准确跟踪工件检验界面、保持探头与检验面的垂直，检验前需对检验面进行建模，使用超声波方式测定探头与工件表面距离及五维运动坐标来进行数学建模，建立好曲面模型后，进行自动检验，在每个采集点根据曲面模型适时调整探头与工件垂直，在调整好探头的基础上，采集超声仪检验数据，并处理存储[2]。

1.2 数学建模

由于被检面为一曲面，为了使超声波探头在整个检验过程中始终保持与工件表面相垂直，需要对工件被检面进行数学建模，建模使用超声波原理，利用声束入射角与表面波时域特征值之间关系。主要步骤为：

（1）根据所提供的工件信息，初步将工件表面划分出多条扫描线；

（2）人工确定测量点之间的间距，根据此间距在扫面线上设定测量点；

（3）启动自动测量程序，移动探头到第一个测量点，调节五自由度机械手，使声束与测量点垂直，记录三维坐标值及二维转动关节变量并保存；使用同样方式记录每一个测量点的三维坐标值及二维转动关节变量；

（4）根据已测点的坐标值分析曲面曲率，若曲面变化显著则缩小测量点间距（具体原理详见2.3.1～2.3.2），若曲面曲率变化不大则按原初始规划的间距进行测量；

（5）根据最终确定测量点的自动测量，并由反求软件建立铍铜工件的CAD建模。

1.2.1 测量点规划

测量点分布在各扫描线上，其影响因素主要有三点：（1）扫面线的走向；（2）相邻扫面线的间距△X；（3）相邻测量点的间距△Y。

测量点自动规划思路如下：

（1）被检工件检验面的特点选定测量的初始规划，利用声束自动对正的方法完成第一条扫面线上，初始规划测量点的三维坐标拾取；

（2）根据已测点的三维坐标分析扫描线的曲率，在曲率变化不大处按初始规划的间距进行测量，在曲率变化显著处缩小测量点间距，实现测量点的自动规划；

（3）完成一条扫描线的测量后，同样根据工件表面曲率变化情况调整两条相邻扫面线的间距。

1.2.2 曲面曲率的分析

曲面曲率是根据一条扫描线上相邻3个测量点两两组成的线段夹角来进行分析的。首先将相邻的两个测量点用线段连接起来，从而得到一系列逼近两点间曲线的线段。

相邻两条线段之间夹角能够反映该段扫描线的曲率变化，给定一角度误差δ（可以人工设定），若ωi≥δ，则认为这两条相邻线段所代表的扫描线之间曲面曲率变化剧烈，因此需要在这段区域内需要所点测量点间距，以增加测量点从而反映曲线剧烈的变化；若ωi≤δ，则说明这2条相邻线段过渡平缓，可认为这段扫面线曲面曲率变化平缓，不需要增加测量点。

2 建模实验

在对检验面进行曲面建模及测量点自动规划后，方可实施对工件100%的检验。检验路径：探头先沿工件宽度方向运动，到工件边缘时，再沿长度方向运动，如此反复，直到检验完整个工件。

在检验过程中，根据所建立模型的数据，对探头进行适时调整，使探头与工件表面始终保持垂直；检验数据能够进行采集、存储及处理。

检验装置在检验过程中，工件固定良好；探头的调节能满足被检工件的检验要求，方便、精确、自锁；检验全过程中，探头位置、运动速度等检验条件不允许发生改变；检验装置具有自动开始和末端停止扫描功能及相应的安全连锁装置，扫描停止，探头自动归零位；实现并完成对工件的检验，可以使用控制器按扭进行控制，也可以利用所编制的软件，通过检验参数的输入进行程序。

具体实施过程为：

图2 第一壁壁板数学模型图

（1）建立工件的数学模型，如图2所示。采用超声波技术，利用工件表面反射波幅；根据所提供的工件信息，初步确定将工件表面划分出3条扫描线，如图3所示，图中虚线为扫描线。每条扫描线上的扫描点间距间隔10mm。以上要求可以根据工件的曲率变化进行调整，曲率变化较大时可以适当增加采样点，即缩短扫描点间距。

（2）能对工件实施100%扫查，扫查过程如图3中虚线所示：探头先沿工件宽度方向运动，到工件边缘时，再沿长度方向运动，如此反复，直到检验完整个工件。

图3 扫查示意图

（3）在检验实施过程中，能够根据所建立模型的数据，对探头进行适时调整，使探头与工件表面始终保持垂直。

（4）对检验数据能够进行采集、存储及处理，检测结果如图4所示。

图4 检测结果图

3 结论

本文采用超声技术与数学建模相结合的方法，根据超声波回波情况，获得探头与工件表面距离及五维坐标，应用曲面反求技术重构工件的数据模型，进而建立被检工件的CAD模型。利用研制的第一壁壁板专用检测系统对建立的CAD模型进行了实验，实验表明，所建立的CAD模型能与检测系统相融合，检测结果达到设计要求。

【参考文献】

[1]康伟山，张斧，吴继红，等.ITER屏蔽包层模块的热工水力与热应力分析[J].核聚变与等离子体物理，2007，27（4）：320-323.

[2]郑晖，林树青.超声检测[M].2版.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[责任编辑：曹明明]

【摘 要】针对带间隙网格状多斜率曲面模块第一壁壁板，国内首次采用超声技术与数学建模相结合的方法，通过对曲面工件仿真测量的方法，获得了探头与工件表面距离及五维运动坐标，应用曲面反求技术重构工件的数据模型，进而建立每个被检工件的CAD模型。在获得探头与工件表面距离及五维运动坐标之后，研制专用超声检验系统，实现曲面多维扫查，通过计算机自动调整检验探头与被检表面的角度与距离，配之以相应的控制软硬件及数据采集处理系统，实现第一壁壁板超声波自动检验。

【关键词】超声；数学建模；CAD模型

0 引言

第一壁壁板属于聚变堆屏蔽包层材料，而屏蔽包层作为国际热核聚变实验堆（ITER）的关键部件之一，其主要作用是作为直接面对等离子体的部件，承载聚变反应过程中的高热及中子辐照，因此屏蔽包层技术是ITER的关键技术之一。屏蔽包层包括第一壁和屏蔽块两个部分，第一壁直接面对等离子体，屏蔽块在第一壁的后面，其主要作用是带走聚变反应过程中的核热及屏蔽中子辐照。为了使第一壁及屏蔽包层能够承载高的核热，达到聚变试验堆安全运行的目的，对聚变试验堆屏蔽包层的结合质量检测就显得尤为重要；若第一壁壁板不进行结合质量的检测，在等静压和电子束焊接的过程中，或者在材料加工过程中难免会造成一些缺陷和裂纹，而这些缺陷和裂纹对第一壁和屏蔽包层整体功能的影响很大，对于反应堆来说甚至是致命的[1]。因此，为了保证将来反应堆的安全运转，必须对第一壁壁板的结合质量进行无损检测。

2008年，中国核动力研究设计院开发的原理样机只能检测平面型屏蔽包层材料的结合质量，而第一壁壁板结构为曲面的铍瓦表面，检测难度很大。目前，国内外还没有专门系统检测这种工件，其主要难度在于超声检测曲面工件，需要确认探头和工件要始终保持垂直，以此保证探头能接收工件所反射回的超声波信号。而本文采用超声技术与数学建模技术相融合的方式，成功地研制了第一壁壁板超声自动检测系统，通过实际应用，证明该技术能够准确的检测第一壁壁板的结合质量及平面模块的结合质量，为国际热核聚变实验堆的安全运行提供技术保障。

1 检测对象

检验对象为第一壁板工件，其最大长度尺寸约为660mm，最大宽度尺寸约为200mm，最大厚度尺寸约为200mm。图1为第一壁板工件CAD图，检验面为带曲面的铍瓦表面。

图1 第一壁板CAD图

1.1 检验原理

由于检验面为曲面，为了准确跟踪工件检验界面、保持探头与检验面的垂直，检验前需对检验面进行建模，使用超声波方式测定探头与工件表面距离及五维运动坐标来进行数学建模，建立好曲面模型后，进行自动检验，在每个采集点根据曲面模型适时调整探头与工件垂直，在调整好探头的基础上，采集超声仪检验数据，并处理存储[2]。

1.2 数学建模

由于被检面为一曲面，为了使超声波探头在整个检验过程中始终保持与工件表面相垂直，需要对工件被检面进行数学建模，建模使用超声波原理，利用声束入射角与表面波时域特征值之间关系。主要步骤为：

（1）根据所提供的工件信息，初步将工件表面划分出多条扫描线；

（2）人工确定测量点之间的间距，根据此间距在扫面线上设定测量点；

（3）启动自动测量程序，移动探头到第一个测量点，调节五自由度机械手，使声束与测量点垂直，记录三维坐标值及二维转动关节变量并保存；使用同样方式记录每一个测量点的三维坐标值及二维转动关节变量；

（4）根据已测点的坐标值分析曲面曲率，若曲面变化显著则缩小测量点间距（具体原理详见2.3.1～2.3.2），若曲面曲率变化不大则按原初始规划的间距进行测量；

（5）根据最终确定测量点的自动测量，并由反求软件建立铍铜工件的CAD建模。

1.2.1 测量点规划

测量点分布在各扫描线上，其影响因素主要有三点：（1）扫面线的走向；（2）相邻扫面线的间距△X；（3）相邻测量点的间距△Y。

测量点自动规划思路如下：

（1）被检工件检验面的特点选定测量的初始规划，利用声束自动对正的方法完成第一条扫面线上，初始规划测量点的三维坐标拾取；

（2）根据已测点的三维坐标分析扫描线的曲率，在曲率变化不大处按初始规划的间距进行测量，在曲率变化显著处缩小测量点间距，实现测量点的自动规划；

（3）完成一条扫描线的测量后，同样根据工件表面曲率变化情况调整两条相邻扫面线的间距。

1.2.2 曲面曲率的分析

曲面曲率是根据一条扫描线上相邻3个测量点两两组成的线段夹角来进行分析的。首先将相邻的两个测量点用线段连接起来，从而得到一系列逼近两点间曲线的线段。

相邻两条线段之间夹角能够反映该段扫描线的曲率变化，给定一角度误差δ（可以人工设定），若ωi≥δ，则认为这两条相邻线段所代表的扫描线之间曲面曲率变化剧烈，因此需要在这段区域内需要所点测量点间距，以增加测量点从而反映曲线剧烈的变化；若ωi≤δ，则说明这2条相邻线段过渡平缓，可认为这段扫面线曲面曲率变化平缓，不需要增加测量点。

2 建模实验

在对检验面进行曲面建模及测量点自动规划后，方可实施对工件100%的检验。检验路径：探头先沿工件宽度方向运动，到工件边缘时，再沿长度方向运动，如此反复，直到检验完整个工件。

在检验过程中，根据所建立模型的数据，对探头进行适时调整，使探头与工件表面始终保持垂直；检验数据能够进行采集、存储及处理。

检验装置在检验过程中，工件固定良好；探头的调节能满足被检工件的检验要求，方便、精确、自锁；检验全过程中，探头位置、运动速度等检验条件不允许发生改变；检验装置具有自动开始和末端停止扫描功能及相应的安全连锁装置，扫描停止，探头自动归零位；实现并完成对工件的检验，可以使用控制器按扭进行控制，也可以利用所编制的软件，通过检验参数的输入进行程序。

具体实施过程为：

图2 第一壁壁板数学模型图

（1）建立工件的数学模型，如图2所示。采用超声波技术，利用工件表面反射波幅；根据所提供的工件信息，初步确定将工件表面划分出3条扫描线，如图3所示，图中虚线为扫描线。每条扫描线上的扫描点间距间隔10mm。以上要求可以根据工件的曲率变化进行调整，曲率变化较大时可以适当增加采样点，即缩短扫描点间距。

（2）能对工件实施100%扫查，扫查过程如图3中虚线所示：探头先沿工件宽度方向运动，到工件边缘时，再沿长度方向运动，如此反复，直到检验完整个工件。

图3 扫查示意图

（3）在检验实施过程中，能够根据所建立模型的数据，对探头进行适时调整，使探头与工件表面始终保持垂直。

（4）对检验数据能够进行采集、存储及处理，检测结果如图4所示。

图4 检测结果图

3 结论

本文采用超声技术与数学建模相结合的方法，根据超声波回波情况，获得探头与工件表面距离及五维坐标，应用曲面反求技术重构工件的数据模型，进而建立被检工件的CAD模型。利用研制的第一壁壁板专用检测系统对建立的CAD模型进行了实验，实验表明，所建立的CAD模型能与检测系统相融合，检测结果达到设计要求。

【参考文献】

[1]康伟山，张斧，吴继红，等.ITER屏蔽包层模块的热工水力与热应力分析[J].核聚变与等离子体物理，2007，27（4）：320-323.

[2]郑晖，林树青.超声检测[M].2版.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[责任编辑：曹明明]

【摘 要】针对带间隙网格状多斜率曲面模块第一壁壁板，国内首次采用超声技术与数学建模相结合的方法，通过对曲面工件仿真测量的方法，获得了探头与工件表面距离及五维运动坐标，应用曲面反求技术重构工件的数据模型，进而建立每个被检工件的CAD模型。在获得探头与工件表面距离及五维运动坐标之后，研制专用超声检验系统，实现曲面多维扫查，通过计算机自动调整检验探头与被检表面的角度与距离，配之以相应的控制软硬件及数据采集处理系统，实现第一壁壁板超声波自动检验。

【关键词】超声；数学建模；CAD模型

0 引言

第一壁壁板属于聚变堆屏蔽包层材料，而屏蔽包层作为国际热核聚变实验堆（ITER）的关键部件之一，其主要作用是作为直接面对等离子体的部件，承载聚变反应过程中的高热及中子辐照，因此屏蔽包层技术是ITER的关键技术之一。屏蔽包层包括第一壁和屏蔽块两个部分，第一壁直接面对等离子体，屏蔽块在第一壁的后面，其主要作用是带走聚变反应过程中的核热及屏蔽中子辐照。为了使第一壁及屏蔽包层能够承载高的核热，达到聚变试验堆安全运行的目的，对聚变试验堆屏蔽包层的结合质量检测就显得尤为重要；若第一壁壁板不进行结合质量的检测，在等静压和电子束焊接的过程中，或者在材料加工过程中难免会造成一些缺陷和裂纹，而这些缺陷和裂纹对第一壁和屏蔽包层整体功能的影响很大，对于反应堆来说甚至是致命的[1]。因此，为了保证将来反应堆的安全运转，必须对第一壁壁板的结合质量进行无损检测。

2008年，中国核动力研究设计院开发的原理样机只能检测平面型屏蔽包层材料的结合质量，而第一壁壁板结构为曲面的铍瓦表面，检测难度很大。目前，国内外还没有专门系统检测这种工件，其主要难度在于超声检测曲面工件，需要确认探头和工件要始终保持垂直，以此保证探头能接收工件所反射回的超声波信号。而本文采用超声技术与数学建模技术相融合的方式，成功地研制了第一壁壁板超声自动检测系统，通过实际应用，证明该技术能够准确的检测第一壁壁板的结合质量及平面模块的结合质量，为国际热核聚变实验堆的安全运行提供技术保障。

1 检测对象

检验对象为第一壁板工件，其最大长度尺寸约为660mm，最大宽度尺寸约为200mm，最大厚度尺寸约为200mm。图1为第一壁板工件CAD图，检验面为带曲面的铍瓦表面。

图1 第一壁板CAD图

1.1 检验原理

由于检验面为曲面，为了准确跟踪工件检验界面、保持探头与检验面的垂直，检验前需对检验面进行建模，使用超声波方式测定探头与工件表面距离及五维运动坐标来进行数学建模，建立好曲面模型后，进行自动检验，在每个采集点根据曲面模型适时调整探头与工件垂直，在调整好探头的基础上，采集超声仪检验数据，并处理存储[2]。

1.2 数学建模

由于被检面为一曲面，为了使超声波探头在整个检验过程中始终保持与工件表面相垂直，需要对工件被检面进行数学建模，建模使用超声波原理，利用声束入射角与表面波时域特征值之间关系。主要步骤为：

（1）根据所提供的工件信息，初步将工件表面划分出多条扫描线；

（2）人工确定测量点之间的间距，根据此间距在扫面线上设定测量点；

（3）启动自动测量程序，移动探头到第一个测量点，调节五自由度机械手，使声束与测量点垂直，记录三维坐标值及二维转动关节变量并保存；使用同样方式记录每一个测量点的三维坐标值及二维转动关节变量；

（4）根据已测点的坐标值分析曲面曲率，若曲面变化显著则缩小测量点间距（具体原理详见2.3.1～2.3.2），若曲面曲率变化不大则按原初始规划的间距进行测量；

（5）根据最终确定测量点的自动测量，并由反求软件建立铍铜工件的CAD建模。

1.2.1 测量点规划

测量点分布在各扫描线上，其影响因素主要有三点：（1）扫面线的走向；（2）相邻扫面线的间距△X；（3）相邻测量点的间距△Y。

测量点自动规划思路如下：

（1）被检工件检验面的特点选定测量的初始规划，利用声束自动对正的方法完成第一条扫面线上，初始规划测量点的三维坐标拾取；

（2）根据已测点的三维坐标分析扫描线的曲率，在曲率变化不大处按初始规划的间距进行测量，在曲率变化显著处缩小测量点间距，实现测量点的自动规划；

（3）完成一条扫描线的测量后，同样根据工件表面曲率变化情况调整两条相邻扫面线的间距。

1.2.2 曲面曲率的分析

曲面曲率是根据一条扫描线上相邻3个测量点两两组成的线段夹角来进行分析的。首先将相邻的两个测量点用线段连接起来，从而得到一系列逼近两点间曲线的线段。

相邻两条线段之间夹角能够反映该段扫描线的曲率变化，给定一角度误差δ（可以人工设定），若ωi≥δ，则认为这两条相邻线段所代表的扫描线之间曲面曲率变化剧烈，因此需要在这段区域内需要所点测量点间距，以增加测量点从而反映曲线剧烈的变化；若ωi≤δ，则说明这2条相邻线段过渡平缓，可认为这段扫面线曲面曲率变化平缓，不需要增加测量点。

2 建模实验

在对检验面进行曲面建模及测量点自动规划后，方可实施对工件100%的检验。检验路径：探头先沿工件宽度方向运动，到工件边缘时，再沿长度方向运动，如此反复，直到检验完整个工件。

在检验过程中，根据所建立模型的数据，对探头进行适时调整，使探头与工件表面始终保持垂直；检验数据能够进行采集、存储及处理。

检验装置在检验过程中，工件固定良好；探头的调节能满足被检工件的检验要求，方便、精确、自锁；检验全过程中，探头位置、运动速度等检验条件不允许发生改变；检验装置具有自动开始和末端停止扫描功能及相应的安全连锁装置，扫描停止，探头自动归零位；实现并完成对工件的检验，可以使用控制器按扭进行控制，也可以利用所编制的软件，通过检验参数的输入进行程序。

具体实施过程为：

图2 第一壁壁板数学模型图

（1）建立工件的数学模型，如图2所示。采用超声波技术，利用工件表面反射波幅；根据所提供的工件信息，初步确定将工件表面划分出3条扫描线，如图3所示，图中虚线为扫描线。每条扫描线上的扫描点间距间隔10mm。以上要求可以根据工件的曲率变化进行调整，曲率变化较大时可以适当增加采样点，即缩短扫描点间距。

（2）能对工件实施100%扫查，扫查过程如图3中虚线所示：探头先沿工件宽度方向运动，到工件边缘时，再沿长度方向运动，如此反复，直到检验完整个工件。

图3 扫查示意图

（3）在检验实施过程中，能够根据所建立模型的数据，对探头进行适时调整，使探头与工件表面始终保持垂直。

（4）对检验数据能够进行采集、存储及处理，检测结果如图4所示。

图4 检测结果图

3 结论

本文采用超声技术与数学建模相结合的方法，根据超声波回波情况，获得探头与工件表面距离及五维坐标，应用曲面反求技术重构工件的数据模型，进而建立被检工件的CAD模型。利用研制的第一壁壁板专用检测系统对建立的CAD模型进行了实验，实验表明，所建立的CAD模型能与检测系统相融合，检测结果达到设计要求。

【参考文献】

[1]康伟山，张斧，吴继红，等.ITER屏蔽包层模块的热工水力与热应力分析[J].核聚变与等离子体物理，2007，27（4）：320-323.

[2]郑晖，林树青.超声检测[M].2版.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[责任编辑：曹明明]