DE2801732B2

DE2801732B2 - Fernbedienter Ultraschall-Prüfkopf für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall

Info

Publication number: DE2801732B2
Application number: DE19782801732
Authority: DE
Inventors: Werner 5024 Pulheim Guenther; Kurt Ing.(Grad.) 5060 Bergisch- Gladbach Pieper; Manfred Ing.(Grad.) 5000 Koeln Rost; Helmut Dipl.-Phys. Dr. 5000 Koeln Seiger; Joachim Ing.(Grad.) 5025 Pulheim Wagner
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1978-01-16
Filing date: 1978-01-16
Publication date: 1980-01-17
Also published as: FR2414728A1; GB2012957B; DE2801732A1; DE2801732C3; FR2414728B1; JPS5921503B2; JPS54119284A; GB2012957A

Description

Drehgestell anzuordnen und in einer halbkreisförmigen Lagermulde zu lagern. Das Drehgestell kann jedoch nur manuell verstellt werden, ist für eine ferngesteuerte Anlage nicht geeignet, sieht eine programmierte Änderung der Abstrahlcharakteristik des Prüfkopfes gerade nicht vor und gestattet nicht, Positionsänderungen einer Schaltanlage zurückzumelden (DE-OS 22 27 198).

Der ErfinHung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallprüfkopf anzugeben, mit dem der Einstrahl- jo winkel, der Schielwinkel und die Divergenz des Schallbündels rechnergesteuert und kontrolliert verstellt werden kann.

Diese Aufgabe wird trfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein innerhalb des Verlaufkörpers um eine horizontale Achse (y-Achse) zwecks Änderung des Einstrahlwinkels drehbar gelagerter, den Piezoschwinger tragender Zylinder od. dgl. mit einem an einen Stellmotor gekoppelten Schnecken- oder Zahnradtrieb in Eingriff steht, so daß der Zylinder verstellbar ist, dessen eines Abtriebsglied, z. B. ein Kegel- oder Stirnrad an einen Impuls- oder Dreh vinkelgeber gekoppelt ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Rechners in Verbindung steht, während eine, über ein Dreh-Schiebe-Gestänge und ein seitlich vorstehendes Gabelglied mit dem Prüfkopfgehäuse od. dgl. verbundene, um eine vertikale Achse (z-Achse) zwecks Veränderung des Schielwinkels drehbar gelagerte Stellachse mit einem zweiten Stellmotor über einen anderen Schnecken- oder Zahnradtrieb in Verbindung steht, dessen eines Abtriebsglied über einen weiteren Impuls- oder Drehwinkelgeber mit einem weiteren Eingang des Rechners in Verbindung steht und ferner der Schwinger eine Mehrzahl über Schaitteile zu oder abschaltbare aneinander grenzende oder sich umschließende und voneinander elektrisch isolierte Elektrodenflächen 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 Servomotor sein. Eine Vervollständigung der Erfindung sieht vor, daß das Verbindungsgestänge ein kardanisches Gelenk ist, welches mit mindestens einer, an einem Lagergüed abgestützten Feder versehen ist. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, den kammerförmigen Ankoppelbereich mit mindestens einem, dort einmündenden Kanal zu versehen und diesen über eine vorzugsweise rohrförmige Verbindurgsleitung aus flexiblem Material mit dem Reservebehälter für das Ankoppelmedium zu verbinden und ferner die Koppelflüssigkeit über mindestens eine weitere rohrförmige Leitung gegebenenfalls wieder zu entnehmen.

Ausführungsformen der Erfindung sind in der « Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht der auf ein Prüfstück aufgesetzten Prüfkopfvorrichtung

F i g. 2 einen teilweisen Schnitt durch den Grundkör- bo per des Prüfkopfes

Fig.3 eine Elektrodenanordnung für die piezoelektrischen Schwinger.

In der Fig. I ist der auf ein Prüfstück 1 aufgesetzte Universalprüfkopf dargestellt, der gewählte und einge- « stellte Einstrahlwinkel α ist durch einen den Winkelschenkel bildenden PNI 2 angedeutet, die kardanische Halterung 3 bis 8 hat einen Höhenausgleich durch Bauteile 6, 7, 8 und im Prüfkopfgehäuse 9 befindet sich der piezoelektrische Schwinger einschließlich stiner Verstellelemente.

Die F i g. 2 zeigt einen zylinderförmigen Schwingerträger 10 mit einem Schwinger 11, einem Stellmotor 12 für die Einstellung des Einstrahlwinkels und einem Impulsgeber 13 zur Rückmeldung der ausgeführten Drehschritte an den Rechner.

Der Aufbau dieses Prüfkopfes ist folgender:

Der Verstellkörper 14 ist an einem nicht detailliert gezeichneten Manipulator 23 befestigt; dieser Manipulator führt entweder manuell oder von einem Rechner gesteuert den gesamten 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 au? Die eine horizontal üe^cfende körⁿer!iche A.chse 3, die in ^-Richtun^CT verläuft (das Achsenkreuz ist zur Orientierung in die F i g. 1 eingetragen) verbindet das Prüfkopfgehäuse 9 mit einer gabelförmigen Lasche od. dgl. 4; die andere, ebenfalls horizontal liegende körperliche Drehachse 5, die in A"-Ricntung verläuft, also senkrecht zur Richtung der Achse 3, kann als Bolzen od. dgl. ausgebildet sein und verbindet die gabelförmige Lasche 4 mit dem Teleskopelement 7. Eine Fedei β 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 8 sind durch eine Achse 7a, die in einem der Teleskopelemente veranKert und im anderen in der Höhe gleitbar gelagert ist, verbunden. Eine an sich bekannte Arretierung, z. B. Arretierstifte, die in eine in Bewegungsrichtung verlaufende Längsnut hineinragen, verhindert ein öffnen derTeleskonbauteile beim Abheben des Prüfkopfes vom Prüfstück und ein ungewolltes Verstellen um die Z-Achse (Hochachse).

Die Ankoppelfläche des Vorlaufkörpers 1.5, F i g. 2, ist von einem Rahmen 16 aus verschleißfestem Material, z. B. einer Aluminiumlegierung mit im Fl?mmspritzver-

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■ um VIi UUIgViIUgVItUIi ivivijr '.svimi » vr avinvii>fj\.iiiLII I, ClII' gefaßt, der etwas übersteht und damit mit der Ankoppelfläche des Vorlaufkörpers und 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 Prüfstücks.

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 Ankoppelfläche des Vorlaufkörpers, dem diese Fläche überragende'! Rahmen aus verschleißfestem Material und der Prüfstückoberfläche gebildet wird. Hierfür wird der Vorlaufkörper mit Bohrungen versehen, die nicht gezeichnet sind.
Die Arbeitsweise des Prüfkopfes ist folgende:
Der von einem Rechner angesteuerte Schrittmotor 12 stellt über einen in Z-Achse angeordneten Schnecken-

antrieb 18 od. dgl. den für den vorhandenen Prüfort notwendigen Einstrahlwinkel λ ein, indem er den Trägerzylinder H um die V-Achse verstellt. Über ein Zahnradgetriebe 20, hier ein Kegelradgetriebe, das mit mindestens einem Zahnrad des Motors 12 in Eingriff steht, wird die Winkeländerungsinformation des Motors auf einen Impulsgeber 13, der die Stellschritte (Impulse pro Drehschritt) des Motors zählt gegeben. Der Impulsgeber gibt seine elektrischen Signale an den Rechner, der dann kontrolliert, ob die ausgeführte Schrittzahl mit der vorgegebenen Schrittzahl übereinstimmt. Im Einzelfall wird vorgeschlagen kontinuierlich drehende Servomotoren einzusetzen, wobei dann der laisächliche Drehwinkel mittels einer Übersetzung auf einen Wegaufnehmer übertragen wird, der dann als Drehwinkelmelder diese Informationen an den Rechner gibt.

Der Schielwinkel wird ähnlich wie der Einstrahlwinkel eingestellt. Der Aufsat>:körper 14 nach F i g. I ist an einem Manipulator befestigt und enthält einen Schrittmotor 12a, der eine Achse 21 über ein Schneckengetric be 18,'i dreht. Gleichzeitig wird diese Bewegung über ein Stirn oder Kegelradgetriebe 20 ι auf einen Impulsgeber 13;/ übertragen, der dann, wie bei der Einstellung des Einstrahlwinkels, die einzelnen Stellschritte an den Rechner gibt. Auch hier kann, im Ein/elfall, ein kontinuierlich drehender Motor verwendet werden, wenn die Winkeländerung auf einen Wegaufnehmer übersetzt wird. Der Schielwinkel ist demzufolge /wischen 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 Schallstrahldivergenz bestimmt, ist entsprechend der Fig. 3 mit einem vorzugsweise elektronischen Schalter 22 umschaltbar. Die in F i g. 3 gezeigten, quadratischen od. dgl. Elektro-

> den 17 des Schwingers 11 sind voneinander elektrisch isoliert und werden elektronisch eingeschaltet. Je größer die angeregte Elektrodenfläche, umso stärker ist im Fernfeld die Bündelung des Schallstrahls. Die nicht angeregten Elektrodenflächen werden zweckmäßiger-

κι weise kurzgeschlossen.

Im Prüfbetrieb wird der Prüfkopf von einem geeigneten Manipulator auf der Prüfstückoberfläche, vorzugsweise rechnergesteuert (im Sonderfall manuell), bewegt. Durch die Variation des Einstrahlwinkels λ, des

i) Schiel winkeis β und der Wahl der Elektrodenfläche des Schwingers kann die Schalldruckverteilung im Prüfstück in weiten Grenzen variiert und damit für jeden Prüfort optimal gewählt werden, fine Ankonnelkon trolle des Prüfkopfcs an das Prüfstück kann durch

'» Messung bzw. Auswertung der Rückstreuung der Ultraschallenergie aus dem Korngefüge des Prüfstückes vorgenommen werden.

Dieser Prüfkopf ersetzt eine komplizierte Kombination von Mehrfachprüfköpfen und erlaubt damit eine

:'< sichere und schnelle Ultraschallprüfung, z. B. des Kugelbodens eines .Siedewasserreaktordruckbehälters, wobei "S weiterhin vorteilhaft ist, daß man den Priifumfang gegenüber den herkömmlichen Prüfkopfanordnungen erweitern kann, ohne den apparativen und

)" zeitlichen Aufwand zu vergrößern und damit kostengünstiger zu arbeiten. Dieser Prüfkopf kann auch eingesetzt werden zur Analyse von Reflektoren, bei der die Variation der Schallbündelparameter, also des Einstrahlwinkels, des Schielwinkels und der Schall

!"' Strahldivergenz von Wichtigkeit sind.

Hierzu 2 Blau Zeichiiutmen

Claims

Patentansprüche:

1. Fernbedienter Ultraschallprüfkopf für eine automatisierte Prüfung von Bauteilen mit komplizierter Geometrie, wie Druckbehälterböden in Kernkraftwerken, mit Ultraschallimpulsen an weniger zugänglichen Stellen, mit einem in einem Prüfkopfgehäuse angeordneten Piezoschwinger und einem Vorlaufkörper mit einer Ankoppelfläche für das zu prüfende Bauteil, wobei rechnergesteuert die Abstrahlcharakteristik des Prüfkopfes verändert wird und die Veränderungen dem Rechner zurückgemeldet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein, innerhalb des Vorlaufkörpers (15) um eine horizontale Achse ft-Achse) zwecks Änderung des Einstrahlwinkels (λ) drehbar gelagerter, den Piezoschwinger (11) tragender Zylinder (10) od. dgl. mit einem an einen Stellmotor (12) gekoppelten Schnecken- oder Zahnradtrieb (18) in Eingriff steht, so daß der Zylinder verstellbar ist, dessen eines Abtriebsgued, z. B. ein Kegel- oder Stirnrad (20), an einen Impulsgeber oder Drehwinkelgeber (13) gekoppelt ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Rechners in Verbindung steht, während eine, über ein Dreh-Schiebe-Gestänge (5, 6, 7, 8) und ein seitlich vorstehendes Gabelglied (4) mit dem Prüfkopfgehäuse (9) verbundene, um eine vertikale Achse (z-Achse) zwecks Änderung des Schielwinkels (ß) drehbar gelagerte Stellachse (21) mit einem zweiten Stellmotor (12a,/ über einen anderen Schnecken- oder Zahnrad trieb (Ma) in Verbindung steht, dessen eines Abtriebsglied (20a) über einen weiteren Impuls- oc"er Drt ',winkelgeber (13a; mit einem weiteren Eingrng des Rechners in Verbindung steht und ferner der ',chwinger (10) eine Mehrzal über Schaltteile (22) zu oder abschaltbare einzelne aneinander grenzende oder sich umschließende und voneinander elektrisch isolierte Elektrodenflächen (17) hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Stellmotor ein Schrittmotor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Stellmotor ein kontinuierlich drehender Motor ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsgestänge (5,6,7,8) ein kardanisches Gelenk ist, welches mit mindestens einer, an einem Lagerglied abgestützten Feder versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Verstellkörper (14) mit einem Manipulator (23) in Verbindung stehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine spaltförmige Kammer aufweist, die durch die Ankoppelfläche (\5a) des Vorlaufkörpers (15), den diesen Vorlaufkörper umgebenden und über die Ankoppelfläche vorstehenden Rahmen aus verschleißfestem Material und die Prüfstückoberfläche (!abgebildet 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 Verbindung stehen.

Die Erfindung betrifft einen fernbedienten Ultraschallprüfkopf für eine automatisierte Prüfung von Bauteilen mit komplizierter Geometrie, wie Druckbehälterböden in Kernkraftwerken, mit Ultraschallimpulsen an weniger zugänglichen Stellen, mit einem in einem Prüfkopfgehäuse angeordneten Piezoschwinger und einem Vorlaufkörper mit einer Ankoppelfläche für das zu prüfende Bauteil, wobei rechnergesteuert die Abstrahlcharakteristik des Prüfkopfes verändert wird

ίο 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 notwendig, 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

jo werden. Das 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 Prüfkopfan-Ordnungen. 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.

Zwar ist noch eine elektronische Schaltung für eine Prüfeinrichtung bekannt, die mit Ultraschalischwingern arbeitet, bei dem ein Prozeßrechner benutzt wird, um analoge und digitale Prüfwerte wie Amplitudenhöhe, Laufzeiten usw. zu erfassen und zu bewerten, wobei Rückkopplungen für die Programmierung der Elektronik vereinfacht bzw. überflüssig gemacht werden sollen, indem die von der elektronischen Prüfeinrichtung ausgegebenen Werte eine rasche und reproduzierbare Einstellung der Prüfparameter durch eine automatisch arbeitende Zusatzeinrichtung ermöglichen sollen. Hierbei werden für die einzelnen Schaltstufen extern freiprogrammierbare Einrichtungen verwendet, wobei von einer Recheneinheit von Takt zu Takt vorgegebene Einstellparameter diesen Schaltungseinheiten zugeführt werden, wobei die einzelnen Schaltungsstufen die Meßwerte bewerten und aufgrund dieser Bewertung die Einstellparameter ermittelt werden. Hierbei wird aL>er nicht die mechanisch-konstruktive Aufgabe angesprochen, bei einem fernbedienten Ultraschallprüfkopf

M) diesen selbst bzw. seine Halterung so auszubilden, daß rechnergesteuert die Abstrahlcharakteristik des Prüfkopfes in verschiedenen Bewegungsebenen leicht und sicher verändert werden kann (DE-AS 26 32 674).
Um ferner mit einem einzigen Prüfkopf unter

h5 unterschiedlichem Winkel in den Prüfling einschalten zu können, unter Beibehaltung der Prüfkopfcharakteristik und der Vermeidung einer Mehrzahl von Prüfköpfen ist zwar bekannt, zwischen Werkstück und Prüfkonf ein