Поиск - новости науки и техники

Экстремальное измерение. Сверхточные приборы сибирского производства работают в любых условиях.

Еще Менделеев сказал: наука начинается там, где начинаются измерения. Не обойтись без измерительных систем и в любой высокотехнологичной отрасли промышленности. В этом смысле у Конструкторско-технологического института научного приборостроения Сибирского отделения РАН направление работы выбрано очень удачно. “Институт входит в число мировых и российских лидеров в областях оптики трехмерных объектов, фундаментальных основ оптических измерений, разработки уникальных опто­электронных измерительных и лазерных автоматических систем” – таково заключение Президиума СО РАН по итогам недавней комплексной проверки КТИ НП. Отличительная особенность КТИ – наличие полного цикла: от идеи до опытного образца.
– На фоне высокой степени разрушения отечественной промышленности нам все-таки удалось удержаться “на Hi-Tech плаву”, – рассказывает директор КТИ НП доктор технических наук Юрий Чугуй. – У Сибирского отделения давние связи с атомной промышленностью, Западно-Сибирской железной дорогой, а именно этим отраслям удалось сохранить свой потенциал. К тому же для них безопасность – ключевое слово, и здесь без высоких технологий и современных оптико-электронных, в том числе лазерных, приборов не обойдешься.
Необходимо серьезное измерительное оборудование и для выполнения научных исследований. Да и конкурировать на рынке могут лишь товары и изделия с высокими потребительскими свойствами, что опять же требует серьезного метрологического обеспечения. Наша рыночная ниша – разработка нестандартных технологий и систем экстрим-класса: работающих в режиме реального времени, на производственной линии в условиях высоких температур и вибраций, под открытым небом, в любых погодных условиях.
Мы имеем достаточно высокий научный, конструкторский, технологический и производственный потенциал, что позволяет нам в сотрудничестве с институтами Сибирского отделения РАН в кратчайшие сроки – от полугода до полутора лет – создавать либо конкурентоспособные, либо вообще не имеющие аналогов изделия. Мы не можем себе позволить “работать на полку”: у института лишь 15-20% бюджетных средств, остальное – договорные работы.
Основная проблема в том, что наша промышленность зачастую делает ставку не только на приобретение измерительной техники, но даже и на ее разработку за рубежом, в то время как мы имеем ряд серьезных конкурентных преимуществ. Это и уникальность разрабатываемых систем, и возможность их адаптации к производственным условиям заказчика, вплоть до встраивания в реальный технологический цикл, выгодное для российских предприятий соотношение цена/качество (без ущерба для технических характеристик приборов) и, наконец, авторское сопровождение в процессе эксплуатации.
Подтверждение словам директора – вся история сотрудничества КТИ НП с предприятиями атомной промышленности, в первую очередь с Новосибирским заводом химконцентратов. В 1980-е годы благодаря инициативе тогдашнего председателя Сибирского отделения РАН академика Гурия Марчука активизировалось сотрудничество институтов с ведущими отраслями промышленности, в том числе с заводами Минсредмаша.
Среди длинного списка задач, в решении которых была необходима помощь “большой науки”, числилась и разработка средств бесконтактного контроля геометрических параметров тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). До того времени выборочный контроль проводился вручную, поэтому созданный в Институте автоматики и электрометрии при непосредственном участии нынешнего директора КТИ НП Ю.Чугуя бесконтактный лазерный измеритель диаметров тепловыделяющих элементов произвел в 1980-е годы настоящую технологическую революцию на предприятиях Минсредмаша. Осознав все преимущества бесконтактного контроля, атомщики начали заказывать институту новые измерительные системы – комплекс аппаратуры для автоматического бесконтактного лазерного дистанционного контроля всех геометрических параметров элементов топливных сборок.
Так появилась на свет целая гамма оптико-электронных систем “Контроль” и “Размер” (руководитель коллектива разработчиков – кандидат технических наук Л.Финогенов) для измерения с микронным разрешением основных геометрических параметров ТВЭЛ с выдачей на выходе “размерного паспорта” изделия. Системы более 10 лет находятся в промышленной эксплуатации в ОАО “НЗХК”.
Затем была поставлена задача разработать и создать быстродействующую измерительную машину для бесконтактного 3D-контроля параметров дистанционирующих решеток (сотовая структура высотой 20-30 мм, в каждую из ячеек которой вставляется ТВЭЛ). Итогом работы стала не имеющая аналогов в мире лазерная измерительная машина (ЛИМ), работающая на НЗХК с 2002 года. Благодаря разработанному в институте методу структурного освещения на основе дифракционных оптических элементов ЛИМ измеряет параметры пяти дистанционирующих решеток в час, что в 300 раз превышает производительность использовавшихся для 3D-контроля координатно-измерительных машин.
Успех ЛИМ вдохновил руководство концерна “ТВЭЛ” на заказ универсальной машины для контроля геометрии не только российских решеток, но и решеток зарубежного проекта (они значительно отличаются по конфигурации). Компактная измерительная машина РЕШЕТКА-Н, запущенная в эксплуатацию в 2010 году, позволяет контролировать до 12 типов российских и западных решеток с той же производительностью, что и ЛИМ. Один из последних заказов ТК “ТВЭЛ” – создание автоматической системы обнаружения и обмера поверхностных дефектов топливных таблеток.
– По существующей технологии таблетки отбраковываются контролерами вручную, что является малодостоверным методом контроля и не позволяет повысить производительность, – рассказывает Ю.Чугуй. – Более того, такой ручной контроль недопустим при переходе на высокообогащенное топливо, который планируется в ближайшее время. Как-то один из руководителей концерна “ТВЭЛ” пошутил: “Решите задачу автоматического контроля со скоростью 1 таблетка в секунду – бюст на родине героя обеспечен”.
За короткий срок в институте был разработан и создан опытный образец автомата контроля поверхностных дефектов таблеток. Каково же было наше удивление, когда разработке не дали “зелёный свет”. Как оказалось, в замешательстве были не только мы, но и наши заказчики: они не придали особого значения в техническом задании такой важнейшей характеристике автомата, как его производительность, – требовалось создание автоматов с гораздо более высокой производительностью (6-10 таблеток в секунду). Пришлось в кратчайшие сроки дорабатывать измерительную систему.
В целом за 20 лет КТИ НП, будучи фактически головной организацией ТК “ТВЭЛ” по созданию оптико-электронных средств размерного контроля, разработал для атомной промышленности десятки принципиально новых измерительных систем, которые внедрены в ОАО “НЗХК” (Новосибирск), в ОАО “Элемаш” (Электросталь), ОАО “ЧМЗ” (Глазов).
– Нам действительно повезло, что судьба нас связала с такой высокотехнологичной отраслью, как атомная, – продолжает Ю.Чугуй. – Она ставила и ставит перед нами задачи, при решении которых после фундаментальных исследований мы разрабатывали аппаратуру, представляющую интерес для многих отраслей промышленности. Вот один из примеров. Более 10 лет назад мы разработали, создали и внедрили на заводе химконцентратов три образца низкокогерентной интерферометрической системы для 3D-контроля глубины и профиля дефектов ТВЭЛ. Идея оказалась настолько плодотворной, что нам удалось буквально “ворваться” в нанообласть. В результате родился комбинированный прибор, который очень востребован в институтах СО РАН: интерференционный микроскоп-нанопрофилометр (заведующий лабораторией А.Поташников, руководитель разработки Евгений Сысоев, оба – кандидаты технических наук). Благодаря использованию в качестве опорных объектов атомно-гладких зеркал, изготовленных в Институте физики полупроводников СО РАН под руководством члена-корреспондента А.Латышева, а также оригинальных алгоритмов обработки измерительной информации нам удалось впервые в мире получить рекордное по глубине разрешение – около 50 пикометров, что позволяет различать атомные слои на поверхности полупроводниковых структур. Пилотный образец прибора применяется в институтах СО РАН при решении задач наноинженерии и, надеемся, будет востребован в промышленности для измерения микро- и нанорельефа поверхностей.
Надо сказать, что активное взаимодействие КТИ НП с другими институтами СО РАН приносит ощутимые плоды. Сегодня около десятка созданных коллективом КТИ НП систем и приборов успешно используются коллегами при проведении научных исследований. Участвовал Конструкторско-технологический институт научного приборостроения и в проектах класса mega-science: разработана технология штамповки специализированных дифракционных оптических элементов на терагерцовый диапазон и создана линейка дифракционных линз для лазера на свободных электронах, о котором “Поиск” неоднократно писал.
– Обычная оптика не выдерживает мощного терагерцового излучения, которое испускает лазер на свободных электронах (ЛСЭ), – начинает плавиться, – поясняет заместитель директора по научной работе КТИ НП кандидат физико-математических наук Михаил Ступак. – Нужно было разработать технологию создания так называемых дифракционных элементов, работающих на просвет, из подходящих материалов, чтобы они были достаточно тонкими и функционировали как линзы.
Мы выбрали наиболее подходящий для данного спектрального диапазона материал – полипропилен, отработали технологию прецизионной штамповки из полипропилена профилированных листиков тонких пластин, выполняющих миссию фокусирующих линз. Исследователи на станциях ЛСЭ новой оптикой довольны. Теперь решаем еще ряд задач в этой области – в рамках интеграционного проекта разрабатываем для станции ЛСЭ и Института ядерной физики уникальный спектрометр нарушенного полного внутреннего отражения.
Но производство не имеющих аналогов приборов невозможно без серьезных фундаментальных исследований. Для “сверки часов” при проведении этих исследований КТИ НП активно участвует в международных научных мероприятиях, например, в 2009 году институт выступил организатором 9-го Международного симпозиума по измерительным технологиям и интеллектуальному приборостроению в Санкт-Петербурге. Кроме россиян в нем приняли участие более 200 специалистов из 20 стран дальнего зарубежья. Интеграция в международное сообщество способствует и заключению контрактов. Так, лазерные круговые генераторы изображений, разработанные совместно с Институтом автоматики и электрометрии, были поставлены в научные центры Германии, Италии и КНР.
– У этой разработки давняя история, – комментирует Ю.Чугуй. – Еще в 1970-е годы один из моих учителей Вольдемар Коронкевич увидел во время поездки в США лазерную систему записи видеоинформации и, вернувшись, начал аналогичные работы в Сибирском отделении (тема “Видеодиск”). Наш генератор работает в полярной системе координат, что позволяет с высокими быстродействием и точностью синтезировать изображения в рабочем поле диаметром до 300 мм. Запись возможна на двухмерных и трехмерных поверхностях.
Отрадно, что лазерные генераторы активно используются – в академических институтах для научных исследований и в оптико-механической промышленности (ОАО “ПО “УОМЗ”, ОАО “НПП “Геофизика – Космос”). А в этом году мы с нашими коллегами из Института автоматики и электрометрии закончили разработку лазерного генератора нового поколения (руководитель проекта – замдиректора Александр Верхогляд), способного создавать дифракционные оптические элементы для облегчения оптики космических аппаратов. Первая такая установка поставлена в КНР, в Харбинский технологический институт.
В новой установке используется ультрафиолетовый полупроводниковый лазер с программным управлением для формирования “полутоновых” изображений, что принципиально важно для производства высокоэффективных оптических элементов. Интерес к приобретению новой модели проявили несколько институтов РАН и Уральский оптико-механический завод.
Работа над одним из самых известных приборов, созданных КТИ НП по заказу ОАО “РЖД”, тоже началась буквально “с колес”.

– На Объединенном ученом совете Сибирского университета путей сообщения, Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД) и СО РАН один из руководителей спросил, возможно ли лазером уловить нарушения геометрии колеса на скорости поезда 60 км/ч, поскольку такой дефект колесной пары может привести к аварии, – вспоминает Ю.Чугуй. – Уже через неделю мы предложили идею измерения геометрии колеса (триангуляционный метод со скоростью считывания 10⁵ измерений в секунду) и начали ее интенсивно разрабатывать.
В результате благодаря всесторонней поддержке этих работ со стороны начальника ЗСЖД А.Целько была создана автоматическая лазерная система контроля геометрических параметров колесных пар вагонов “Комплекс”. Для ее тиражирования и обслуживания несколько лет назад мы организовали с Западно-Сибирской железной дорогой совместное предприятие (гендиректор кандидат технических наук С.Плотников).
Сегодня около 60 таких систем эксплуатируются при температурном режиме от -50 до +50 градусов на 14 железных дорогах страны – от Смоленска до Находки. А совсем недавно мы разработали для ОАО “РЖД” опытный образец новой скоростной бесконтактной системы измерения – на сей раз передвижная лаборатория на ходу контролирует износ и дефекты контактного провода.
В пределах одной газетной статьи обо всех разработках КТИ НП не расскажешь, хотя очень хочется: как не упомянуть не имеющую мировых аналогов оптико-электронную систему измерения смещений и деформаций элементов механических и инженерных конструкций (платформ и мостов), установленную на нефтяной платформе на шельфе Сахалина, или датчики для контроля крупногабаритных изделий, сделанные по заказу ОАО “ИСС им. академика М.Ф.Решетнева”.
Космическая тема традиционно близка сотрудникам института. В лаборатории технического зрения под руководством доктора технических наук Аристарха Ковалева, бывшего в свое время одним из ведущих разработчиков Сибирского отделения РАН по теме “Аксай” (создание первого тренажера для космонавтов), ведутся работы в области когнитивного зрения.
Дело в том, что восприятия человеком окружающего мира невооруженным глазом и с помощью оптических приборов существенно отличаются, так как в первом случае данные, полученные зрением, обрабатывает мозг с учетом предыдущего опыта, и в результате человек воспринимает окружающее пространство чуть-чуть по-другому. Это “чуть-чуть” может привести к катастрофе, например, при дозаправке самолета или космического аппарата в воздухе в ночных условиях, когда пилот руководствуется приборами ночного видения и… ошибается.
Кстати, каждый из нас мог убедиться в разности восприятия на сеансах 3D-фильмов – вспомните дискомфорт, ощущаемый при просмотре. Ковалеву удалось этот дискомфорт полностью устранить и сделать макет стереоскопической бинокулярной системы, полностью аналогичной системе человеческого восприятия, с эффектом реального взгляда на ближние и дальние объекты. Таким образом, становится возможным создание интеллектуального тренажера нового поколения для летчиков и космонавтов, после которого не придется переучиваться на реальной технике. И это будет не первой технологической революцией, совершенной при участии Конструкторско-технологического института научного приборостроения.

Подготовила Ольга КОЛЕСОВА
Фото из архива КТИ НП СО РАН

Нет комментариев