DE2801732A1 - Fernbedienter ultraschall-pruefkopf fuer die zerstoerungsfreie werkstoffpruefung mit ultraschall - Google Patents

Fernbedienter ultraschall-pruefkopf fuer die zerstoerungsfreie werkstoffpruefung mit ultraschall

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DE2801732A1 DE19782801732 DE2801732A DE2801732A1 DE 2801732 A1 DE2801732 A1 DE 2801732A1 DE 19782801732 DE19782801732 DE 19782801732 DE 2801732 A DE2801732 A DE 2801732A DE 2801732 A1 DE2801732 A1 DE 2801732A1
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Description

9. Januar 1978
IG/ge
K 105
Krautkrämer GmbH
5000 Köln 41, Luxemburger Str. 449
FERNBEDIENTER ULTRASCHALLi-PRÜFKOPP FÜR DIE ZERSTÖRUNGSFRSIE WERKSTOFFPRÜFUNG MIT ULTRASCHALL
Die Erfindung betrifft einen fernbedienten Ultraschallprüfkopf für eine automatisierte Prüfung von z.B. dickwandigen Bauteilen, wie Druckbehälterböden in Kernkraftwerken odgl. mit Ultraschallimpulsen an weniger zugänglichen Stellen, wobei rechnergesteuert die Abstrahlcharakteristik des Prüfkopfes verändert wird und die Veränderungen dem Rechner zurückgemeldet werden.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall-Impulsen von Prüfstücken mit komplizierter Geometrie an schwer zugänglichen Stellen einer größeren Anlage (z.B. in einem Kernkraftwerk und zur Analyse von Ultraschallreflektoren), müssen möglichst universell arbeitende Prüfköpfe eingesetzt werden, da es im Prüfbetrieb äußerst hinderlich ist, die fernbedienten und an einem Manipulator angebrachten Prüfköpfe zur Anpassung an die sich örtlich ständig ändernden Prüfbedingungen auszuwechseln. So ist es not-
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wendig, während der Prüfung die Schallstrahlrichtung "bezüglich des Lotes zur Prüfstückoberfläche (Einstrahlwinkel), bezüglich der Oberflächenkoordinaten des Prüfstückes (Schielwinkel) und die Schallstrahlbündelung (Divergenz des Schallbündels) kontrolliert zu verändern.
Es ist bekannt, für die unterschiedlichen Einstrahlwinkel verschiedene Prüfköpfe zu benutzen, die dann dem Prüfprogramm entsprechend ein- oder abgeschaltet werden. Bas bedingt, daß an dem Manipulator sehr große Prüfkopfanordnungen, bestehend aus vielen einzelnen Prüfköpfen, angebaut sein müssen. Die stark eingeschränkte Zugänglichkeit der Prüfstellen verbietet aber die beliebige Vergrößerung solcher Prüfkopfanordnungen. Ferner muß für die Veränderung des Schielwinkels in dieser Technik der Manipulator entsprechend gedreht werden. Die Prüfung mit derartigen Prüfkopfanordnungen ist zeitraubend und oft nicht an allen Stellen des Prüfstückes möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ultraschallprüfkopf auch den Einstrahlwinkel, den Schielwinkel und die Divergenz des Schallbündels rechnergesteuert und kontrolliert zu verstellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein innerhalb des Vorlaufkörpers um die y-Achse zwecks Änderung des Einstrahlwinkels drehbar gelagerter, den Piezoschwinger tragender Zylinder odgl. mit einem an einen Stellmotor gekoppelten
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Schnecken-öder Zahnradtrieb in Eingriff steht, so daß der Zylinder verstellbar ist, dessen eifi Abtriebsglied, z.B. ein Kegel- oder Stirnrad an einen Impuls- oder Drehwinkelgeber gekoppelt ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Eeebners in Verbindung steht, während eine, über ein Gestänge und ein seitlich vorstehendes Gabelglied mit dem Prüfkopfgehäuse odgl. verbundene, um eine z-Achse zweks Veränderung des Schielwinkels drehbar gelagerte Stellachse mit einem Stellmotor über einen anderen Schnecken- oder Zahnradtrieb in Verbindung steht, dessen eines Abtriebsglied über einen Impuls- oder Drehwinkelgeber mit einem Eingang des Rechners in Verbindung steht und ferner der Schwinger eine Mehrzahl über Schaltteile zu oder abschaltbare einzelne Elektronenflächen hat.
Eine Ausführungsform der Erfindung schlägt vor, daß der Stellmotor ein Schrittmotor ist, der direkt über einen Impulsgeber die ausgeführten Drehschritte an den Rechner meldet. Er kann, im Einzelfall, in vorteilhafter Weise ein kontinuierlich drehender Servomo-tor sein. Eine Vervollständigung der Erfindung sieht vor, daß das Verbindungsgestänge ein kardanisches Gelenk ist, welches mit mindestens einer, an einem Lagerglied abgestützten Feder versehen ist. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, den kammerförmigen Ankoppelbereich mit mindestens einem, dort einmündenden Kanal zu versehen imrf diesen über eine vorzugsweise rohrformige Verbindungsleitung aus flexiblem Material mit dem Reservebehälter für das Ankoppelmedium zu verbinden und ferner die Koppelflüssigkeit über mindestens eine weitere rohrformige Leitung gegebenenfalls wieder zu entnehmen.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht der auf ein Prüfstück aufgesetzten
Prüfkopfvorrichtung
Pig. 2 einen teilweisen Schnitt durch den Grundkörper des Prüfkopfes
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Fig. 3 eine Elektrodenanordnung für die piezoelektrischen Schwinger.
In der Fig. 1 ist der auf ein Prüfstück 1 aufgesetzte universalprüfkopf dargestellt, der gewählte und eingestellte Einstrahlwinkel ^ ist durch einen den Winkelschenkel bildenden Pfeil 2 angedeutet, die kardanische halterung 3 bis b hat einen Höhenausgleich durch Bauteile 6; 7; ü und im Prüfkopfgehäuse 9 befindet sich der piezoelektrische Schwinger einschließlich seiner Verstellelemente.
Die Pig. 2 zeigt einen zylinderförmigen Schwingerträger mit einem Schwinger 11, einem Stellmotor 12 für die Einstellung des Einstrahlwinkels und einen Impulsgeber 13 zur ftückmeldung der ausgeführten Drehschritte an den Rechner.
Der Aufbau dieses Prüfkopfes ist folgender: Der Verstellkörper 14 ist an einem nicht detailliert gezeichneten Manipulatoi^befestigt; dieser Manipulator führt · entweder manuell oder von einem Rechner gesteuert den gesaraten Prüfkopf über das Prüfstück, wobei sich der Prüfkopf durch die kardanische Aufhängung der Prüfstückoberfläche . federnd anpassen kann. Da die Ankoppelfläche des Vorlaufkörpers 15 und/oder der Rahmen 16 aus verschleißfestem Material zweckmäßigerweise dieselbe Oberflächenkontur aufweist wie das Prüfstück , gleicht die kardanische Aufhängung kleine Fehlwinkel aus. Die eine horizontal liegende
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ORIGINAL INSPECTED
körperliche Achse 3» die in Y-Richtung verläuft (das Achsenkreuz ist zur Orientierung in die Fig. 1 eingetragen) verbindet das Prüfkopfgehäuse 9 mit einer gabelförmigen Lasche odgl. 4; die andere, ebenfalls horizontal liegende körperliche Drehachse 5, die in X-Richtung verläuft, also senkrecht zur Richtung der Achse 3, kann als Bolzen oder dgl. ausgebildet sein und verbindet die gabelförmige Lasche 4 mit dem Tele3kopelement 7. Eine Feder 6 zwischen dem Teleskopelement 7 und einem Teleskopelement 8 bewirkt, daß das Prüfkopfgehäuse ständig gegen die Oberfläche des Prüfstückes 1 gedrückt wird. Die Teleskopelemente 7 und δ sind durch eine Achse 7a, die in einem der Teleskopelemente verankert und im anderen in der Höhe gleitbar gelagert ist, verbunden. Eine ansich bekannte Arretierung, z.B. Arretierstifte, die in eine in Bewegungsrichtung verlaufende Längsnut hineinragen, verhindert ein Öffnen der Teleskopbauteile beim Abheben des Prüfkopfes \om Prüfstück und ein ungewolltes Verstellen um die Z-Achse (Hochachse). Die Ankoppelfläche des Vorlaufkörpers 15, Fig. 2, ist von einem Rahmen 16 aus verschleißfestem Material, z.B. einer Aluminiumlegierung mit im Flammspritzverfahr'en aufgetragenen Molybdänverschleiß schicht, eingefaßt, der etwas übersteht und damit mit der Ankoppelfläche des Vorlaufkörpers and der Prüfstückoberfläche eine spaltförmige Kammer bildet, die mit dem Ankoppelmedium gefüllt ist. Der Rahmen 16 kann ausgewechselt werden , z.B. zur Anpassung an die Oberflächenkrümmung des Prüfstück.
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Ein Piezoschwinger 11 mit seinen umschaltbaren Elektroden 17 nach Fig. 3 ist in einem zylindrischen Schwingerträger 10 eingekittet. Dieser Schwingerträger ist in der zylindrischen Bohrung des Vorlaufkörpers 15 eingepaßt, und durch eine Flüssigkeit , vorzugsweise Glycerin, akustisch mit diesem gekoppelt. Die akustische Ankopplung des Prüfkopfes an das Prüfstück erfolgt durch eine Koppelflüssigkeit, die über eine nicht gezeichnete flexible Verbindungsleitung aus einem Flüssigkeitsbehälter der spaltförmigen Kammer zugeführt wird, die aus der Inkoppelflache des Vorlaufkörpers, dem diese Fläche überragenden Bahmen aus verschleißfestem Material und der Prüfstückobe»f lache gebildet wird. Hierfür wird der Vorlaufkörper mit Bohrungen versehen, die nicht gezeichnet sind.
Die Arbeitsweise des Prüfkopfes ist folgende: Der von einem Bechner angesteuerte Schrittmotor 12 stellt über einen in Z-Achse angeordneten Schneckentrieb 18 odgl. den für den vorhandenen Prüf ort notwendigen Einetrahlwinkel*£ ein, indem er den Tragerzylinder 11 um die X-Achse verstellt. Über ein Zahnradgetriebe 2O7hier ein Kegelradgetriebe, dasv-mindestens einem Zahnrad des Motors 12 in Eingriff steht;wird die Winkelanderungsinformation des Motors auf einen Impulsgeber 13, der die Stellschritte (Impulse pro Drehschritt) des Motors zählt gegeben· Der Impulsgeber gibt seine elektrischen Signale an den Becnner, der dann kontrolliert, ob die ausgeführt« Schrittzahl mit der vorgegebenen Schritt-
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übereinstimmt. Im Einzelfall wird vorgeschlagen kontinuierlich drehende Servomotoren einzusetzen, wobei dann der tatsächliche Drehwinkel mittels einer übersetzung auf einen. Wegauf nehme r übertragen wird, der dann als Drehwinkilmelder diese Informationen an den Rechner gibt.
Der SchielwinkelA wird ähnlich wie der Einstrahlwinkel C eingestellt. Der Aufsatzkörper 14 nach Fig. 1 ist an einem Manipulator^tefestigt und enthält einen Schrittmotor 12a, der eine Achse 21 über ein Schneckengetriebe i8a dreht. Gleichzeitig wird diese Bewegung über ein Stirn- oder Kegelradgetriebe 20a auf einen Impulsgeber 13a übertragen, der dann, wie bei der Einstellung des Einstrahiwinkels, die einzelnen Stellschritte an den Rechner gibt. Auch hier kann, im Einzelfall, ein kontinuierlich drehender Motor verwendet werden, wenn die Winkeländerung auf einen Wegaufnehmer übersetzt wird. Der Schielwinkel ist demzufolge zwischen 0 und 360 Grad einstellbar. Diese nicht detailliert gezeichneten Elemente sind im Prinzip den zur Verstellung des Einstrahlwinkels beschriebenen Elementen gleich, die angeführten Schneckengetriebe sind selbsthemmend, um Rückstellungen durch äußere Kräfte zu vermeiden.
Die Größe des Schwingers, die die Schallirtrahläivergenz bestimmt, ist entsprechend der Fig. 3 mit einem vorzugsweise elektronischen Schalter 22 umschaltbar. Die in Fig. 3 geeeigten, quadratischen odgl. Elektroden 17 des
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Schwingers 11 sind voneinander elektrisch isoliert und werden elektronisch eingeschaltet. Je größer die angeregte Elektrodenfläche, umso stärker ist im Fernfeld die Bündelung des Schallstrahle. Die nicht angeregten Elektrodenflächen werden zweckinäßig«£~wei8e kurzgeschlossen.
Im PrUfbetrieb wird der Prüfkopf von einem geeigneten Manipulator auf der Prüfstückoberfläche, vorzugsweise rechnergesteuert (im Sonderfall manuell), bewegt. Durch dl« Variation des EinstrahlwinkelBj^, des Schielwinkels /^und der Wahl de^Elektrodenfläche des Schwingers kann die Schalldruckverteilung la Prüfstück in weiten Grenzen variiert und damit für jeden Prüfort optimal gewählt werden. Eine Ankoppelkontrolle des Prüfkopfee an das Prüfstück kann durch Messung bzw. Auswertung der Rückstreuung der Ultraschallenergie aus dem Korngefüge des Prüfstückes vorgenommen werden.
Dieser Prüfkopf eruetzt eine komplizierte Kombination von Mehrfachprüf köpf en und erlaubt damit eine sichere und schnelle Ultraschallprüfung, a.B. des Kugelbodens eines Siedewasserreaktordruckbehälters , wobei es weiterhin vorteilhaft ist* daß man den Prüfumfang gegenüber den herkömmlichen Prüfkopfanordroui;j©i>^rweitem kann, ohne don apparativen und zeitlichen Aufwand au vergrößern und damit kostengünstiger zu arbeiten. Dieser Prüfkopf kann auch eingesetzt werden zur Analyse von Reflektoren, bei der die Variation der Schallbündelparameter, also des Einetrahlwinkels, des Schielwinkele und der Schallstrahldivergenz von Wichtigkeit sind.
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Claims (6)

  1. 9. Januar 1978
    IG/ge
    K 105
    Krautkrämer
    Luxemburger Str. 449, 5000 Köln 41
    PAIENTANSPRÜCHE
    f 1.y Fernbedienter Ultrasch'allprüfkopf für eine automatisierte Prüfung von z.B. dickwandigen Bauteilen, wie Druckbehälterböden in Kernkraftwerken odgl. mit Ultraschallimpulsen an
    weniger zugänglichen Stellen, wobei rechnergesteuert die Abstrahlcharakteristik des Prüfkopfes verändert wird und die
    Veränderungen dem Rechner zurückgemeldet werden, dadurch
    gekennzeichnet, daß ein, innerhalb des Vorlaufkörpers (15) um die y-Achse zwecks Änderung des Einstrahlwinkels (=6) drehbar gelagerter, den Piezoschwinger (11) tragender Zylinder (10)
    odgl. mit einem an einen Stellmotor (12) gekoppelten Schneckenoder Zahnradtrieb (18) in Eingriff steht, sodaß der Zylinder verstellbar ist, dessen ein Abtriebsglied, z.B. ein Kegeloder Stirnrad (20), an einen Impulsgeber oder Drehwinkelgeber (13) gekoppelt ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Rechners
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    ORIGINAL INSPECTED
    in Verbindung steht, während eine, über ein Gestänge (5, 6, 7, 8) und ein seitlich vorstehendes Gabelglied (4) mit dem Prüf kopf gehäuse odgl. (9) verbundene*, um eine z-Achse zwecks Änderung des Schielwinkels (ß) drehbar gelagerte Stellachse (21) mit einem Stellmotor (12a) über einen anderen Schnecken- oder Zahnradtrieb (I8a) in Verbindung steht, dessen eines Abtriebsglied (20a) über einen Impuls- oder Drehwinkelgeber (13a) mit einem Eingang des Rechners in Verbindung steht und ferner der Schwinger (10) eine Mehrzahl über Schaltteile (22) zu oder abschaltbare einzelne Elekfironenflächen (17) hat.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daQ mindestens ein Stellmotor ein Schrittmotor ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daQ mindestens ein Stellmotor ein kontinuierlich drehender Motor ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeiohnet, daß das Verbindungsgestänge (5,6,7»8) ein kardanisches Gelenk ist, welches mit mindestens einer, an einem Lagerglied abgestützten Feder versehen ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daQ ein oder mehrere Verstellkörper (14) mit einem Manipulator (23) in Verbindung stehen.
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  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine spaltförmige Kammer aufweist, die durch die Ankoppelfläche (15a) des Vorlaufkörpers (15), den diesen Vorlaufkörper umgebenden und über die Ankoppelfläche vorstehenden Rahmen aus verschleißfestem Material und die PrüfStückoberfläche (1a) gebildet ist.
    7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kammer ein oder mehrere Kanäle münden, die über eine rohrförmige Verbindungsleitung, vorzugsweise aus flexiblem Material, mit einem Behälter für das Ankoppelmedium in Vabindung stehen.
    909829/0358
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