DE3139733A1

DE3139733A1 - Positionierverfahren und -einrichtung fuer unsichtbare, in hohlkoerpern verfahrbare geraetetraeger

Info

Publication number: DE3139733A1
Application number: DE19813139733
Authority: DE
Inventors: Siegfried 8520 Erlangen Förner; Robert 8521 Uttenreuth Weber
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1981-10-06
Filing date: 1981-10-06
Publication date: 1983-04-21

Description

Positionierverfahren und -einrichtung für unsichtbare9
in Hohlkörpern verfahrbare Geräteträger Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Positionieren von Prüf-, Meß- und/oder Bearbeitungsgeräte transportierenden Geräteträgern9 die an der Innenwand von Hohlkörpern, wie insbesondere Rohrleitungen oder Behältern'verfahrbar und von außen nicht sichtbar sind.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Bei den genannten Geräteträgern im allgemeinen und bei Rohrinnenbearbeitungsmaschinen im besonderen besteht das Problem, den Anfang bzw. das Ende der Prüf-9 Meß- und/oder Bearbeitungsbahn im Rohrinneren genau und reproduzierbar zu definieren. Eine Rohrinnenbearbeitungsmaschine, von welcher die Erfindung ausgeht9 ist in der älteren Patentanmeldung P 31 11 81403 beschieben. Mit ihr ist es grundsätzlich möglich9 in Rohrleitungen die Innenoberfläche zu beschleifen, SchweiBnahtwurzeln auszuschleifen, SchweiBnahtwurzeln von innen anzubringen, die Rohrleitung von innen mit Fernseh- oder Fotokameras zu inspizieren9 Ultraschall-oder Wirbelstromprufungen von innen vorzunehmen9 um nur einige bevorzugte Anwendungsfälle zu nennen. Dabei müssen Anfang und Ende der Schleifbahn, der Schweißnaht und der Ultraschall- bzw. Wirbelstrom-Prüfbahn in axialer und in tangentialer Richtung mit hinreichender Genauigkeit definiert werden können0 Eine Fernsehkamera reicht dazu, vor allem was die-Tangential-Positionierung angeht, nicht aus (im Inneren von Rohrleitungen befinden sich im allgemeinen keine Markierungen, die die Umfangsposition angeben).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß Gattungsbegriff anzugeben, mit dem sich bei Geräteträgern im allgemeinen und bei Rohrinnenbearbeitungsmaschinen im besonderen eine genaue Positionierung in axialer und in Umfangsrichtung vornehmen läßt, und ferner, eine geeignete Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben. Die hauptsächlichen Merkmale einer vorteilhaften Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Anspruch 6 enthalten.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem dann zu sehen, daß mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine Positionierung der Geräteträger bzw.
Rohrinnenbearbeitungsmaschinen mit relativ hoher Ortungsgenauigkeit von z.B. 5 bis 10 mm erreicht werden kann, wobei die Positionierung fernbedient und - bei Bedarf - auch automatisch erfolgen kann.
Im folgenden werden anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, das Verfahren nach der Erfindung und eine Einrichtung zu seiner Durchführung noch näher erläutert.
Es zeigt in schematischer Darstellung: Fig. 1 einen innerhalb einer Rohrleitung verfahrbaren Geräteträger mit schaltender und einen außen auf der Rohrleitung in einer gewünschten Anfahr-oder Zielposition angebrachten Schallempfänger; Fig. 2 ein Blockschaltbild für den Schall-Sender und -Empfänger mit zugehöriger elektronischer Sende-und Empfangsbeschaltung.
Gemäß Fig. 1 dient er als Ganzes mit M bezeichnete Geräteträger in Form eines Rohrinnenmanipulators zum fernbedienten Transportieren von Prüf-, MeB- und/oder Bearbeitungsgeräten längs vorgegebener Vorschubbahnen durch das Rohrinnere R' einer allgemein mit R bezeichneten Rohrleitung. Diese ist im Ausschnitt und mit drei aneinander geschweißten Rohrschüssen r1, r2, r3 dargestellt. Die umlaufenden Schweißnähte zwischen r1-r2 sind mit s12 und zwischen r2-r3 mit s23 bezeichnet.
Der Geräteträger M ist, wie es Fig. 1 verdeutlicht, in der Lage, sowohl vertikale und horizontale als auch relativ stark gekrümmte Rohrleitungspartien fernbedient gesteuert zu durchwandern und sich dabei in einer beliebigen Position zu arretieren. In Position I z.B.
kann die Schweißnaht s12 von innen beschliffen werden.
Hierzu weist der Geräteträger M eine Arbeitseinheit m2 auf mit einem daran in Umfangsrichtung verstellbar gelagerten Schleifaggregat K und mit einer an diesem Aggregat befestigten Fernsehkamera TV. Das Schleifaggregat K wird von einem U-förmigen Tragrahmen 1 getragen, der bei 2 und 2' an den Stützflanschen f1 bzw.
f2 in Umfangsrichtung drehbar gelagert ist, wobei zur Vereinfachung der Motor zur Erzeugung des tangentialen Vorschubs nicht dargestellt ist.
bei gl, g2 Arbeits- und Antriebseinheit m2, ml sind/über ein Zwischenglied m3 kardanisch miteinander gekoppelt; die Antriebseinheit ml ist ein Schreitwerk mit Schreitzylinder Cl und darin gelagertem Schreitkolben C2, wobei die Kolbenstange an dem Zwischenglied m3 angelenkt ist und der Schreit zylinder mit dem Stützflansch f3 fest verbunden ist. Pneumatisch aus- und einfahrbare Klemmfüße an den Stützflanschen sind mit 3 bezeichnet, Führungsrollen oder -kufen mit 4. 5 ist der Kabel strang für die elektrischen und pneumatischen Versorgungsleitungen, der an die Antriebseinheit ml des Geräteträgers herangeführt ist. Durch pneumatische Beaufschlagung der rechten Kolbenseite bei festgeklemmtem Zustand der Antriebseinheit wird die Arbeitseinheit (wenn ihre Klemmfüße 3 gelöst sind) um einen Kolbenhub nach links verschoben. Zur Ausführungs eines nächsten Schrittes wird dann die Arbeitseinheit festgeklemmt und die linken Kolbenseite der Antriebs einheit (bei gelösten Klemmfüßen 3) beaufschlagt, so daß die Antriebseinheit nachrückt.
Auf der Außenseite des Schenkelverbindungssteges des U-förmigen Tragrahmens 1 ist ein Schall sender in Form eines elektrodynamischen Senders 6 mit periodisch bewegtem Stahlstift 6a befestigt. Der z.B. zylinderförmige Sender 6 ist in einer Radialführung 7 radial beweglicht gelagert und wird von einer bodenseitigen Druckfeder 8 mit seinem Stahlstift 6a gegen die Rohrinnenwand gedrückt. In exakt der gleichen Radialebene wie die Schweißnaht s12 und der Sender 6 bzw. sein Stahl stift 6a sitzt außen auf dem Rohrumfang der gestrichelt angedeutete Schallempfänger 9 mit Spannband 10, welcher insbesondere als piezoelektrischer Ultraschall-Empfangskopf ausgebildet ist.
In der Nahtposition I ist also bereits eine Position rung erfolgt; soll nach beendetem Arbeitsvorgang der Geräteträger M zur Bearbeitung der Schweißnaht s23 rohraxial verfahren und mit seinem Schleifaggregat genau symmetrisch in der Radialebene der Schweißnaht s23 positioniert werden (Nahtposition II), so dient hierzu der Schallsender 6 am Geräteträger und ein in der Nahtposition II an der gewünschten Uülfangsstelle außen auf der Rohrwand mittels des Spannbandes 101 befestigter Schallempfänger 9'. Letzterer kann mit dem Schallempfänger 9 identisch sein, wenn der Schallempfänger 9 umgespannt wird. Es kann aber vorteilhaft sein, an allen gewünschten Nahtpositionen außen Jeweils gesonderte Referenzstellen in Form von Schallempfangern anzubringen.
Damit der Geräteträger M mit seinem Schallsender 6 genau in die gewünschte Nahtposition II kommt, muß er fernbedient (gegebenenfalls auch von hand) solange axial und in Umfangsrichtung verschoben werden, bis das vom Schallempfänger abgegriffene elektrische Empfangssignal ein Maximum erreicht, d.h., Schallsender 6 und Empfänger 9 bzw. 9' stehen sich dann wieder genau gegenüber. Es ist also erkennbar, daß der ein Schallsignal an einem ersten Referenzpunkt S mit einem Schallsender 6 aussendende Geräteträger M relativ zu mindestens einem ortsfest in der gewünschten Zielposition an einem zweiten Referenzpunkt E an der Außenwand der Rohrleitung R befestigten Schallempfänger 9 bzw. 9' axial und in Umfangsrichtung solange verschoben wird bis das Schallempfangssignal seinen Maximalwert erreicht. Durch das periodische Auftreffen des elektrodynamisch erregten Metallstiftes 6a (der elektrodyna- mische Wandler ist nicht näher dargestellt) auf die Rohrwand werden gewissermaßen Klopfsignale erzeugt.
Diese Klopfsignale sind ein Gemisch aus hörbaren und aus Ultraschall-Frequenzen. Zum EECang dieser Körpers challsi gnale haben sich Ultaschall-Empfangsköpfe, insbesondere piezoelektrische Wandler, als besonders vorteilhaft erwiesen. Solche Signale liegen etwa im 15 kHz-Bereich. Sie werden z.B. durch Sendeimpulse erzeugt, die eine Impulsdauer von 5/us und eine Folgefrequenz von 10 Hz haben. Das am Empfänger 9, 9' eintreffende Ultraschallsignal setzt sich aus zahllosen Anteilen zusammen, die von den verschiedenen Ausbreitungswegen herrühren, zum größten Teil durch Reflektionen an den Wandungen, Krümmungen und Enden des Rohres hervorgerufen. Der zuerst eintreffende Impuls entspricht dem kürzesten Ausbreitungsweg zwischen Schallsender und -empfänger 6 - 9; er allein wird zur Entfernungsbestimmung ausgewertet. Die niedrige Folgefrequenz ist erforderlich, damit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen sämtliche unerwünschen Echos soweit abklingen können, daß deren Restpegel das Anzeigeergebnis nicht mehr verfälschen kann.
Die Form und die Größe des elektrischen Impulses am Ausgang des Schallempfängers 9 zeigt infolge von Schallenergieverteilung und -dämpfung eine Abhängigkeit der Amplitude von der Entfernung. Die Amplitude ist am größten, wenn sich Sender und Empfänger an den Rohrwandungen gegenüberstehen und nimmt bei Lageverschiebungen des Senders oder des Empfängers von einigen Zentimetern rasch ab.
Das Blockschaltbild nach Fig. 2 zeigt für den elektrischen Teil S1 des Senders 6 die Funktionsgruppen Impulsgenerator 11, Spannungswandler 12 und Thyristor-Endstufe 120, welche in Wirkverbindung miteinander stehen (siehe Pfeile) und die Steuersignale auf den Sender 6 geben. Der elektrische Teil EI des Empfängers 9 besteht aus Verstärker 13 mit Potentiometer 13a zur Einstellung der Empfindlichkeit von einer Bedienungs-Frontplatte aus, ferner aus den Funktionsgruppen Sendeimpuls - Austastung 14, Echo-Austastung 15, Spitzenwertgleichrichtung 16 und Anzeigeinstrument 17.
Der Schallsender 6 und der Schallempfänger 9 werden über je eine Steckverbindung 18 an der Frontplatte einer nicht dargestellten Steuereinheit angeschlossen.
Der Spitze-Spitze-Wert des Empfangssignals wird nach einer Vorverstärkung und nach Gleichrichtung vom Zeigerinstrument 17 angezeigt. Der Geräteträger M (Fig.1) wird, wie erwahnt, solange zuerst in Längsrichtung und dann in Umfangsrichtung verschoben, bis das Anzeige-Maximum am Instrument 17 erreicht ist. Bei 20 mm Rohrwanddicke konnte z.B. eine Ortungsgenauigkeit von 5 bis 10 mm erreicht werden.
Die Baueinheiten 14 und 15 (Sendeimpuls-Austastung und Echo-Austastung) sind über Rückkopplungsleitungen 19 mit dem Impulsgenerator 11 verbunden. Die Sendeimpuls-Austastung 14 unterdrückt das übersprechen des eigenen Impulses auf den Empfänger 9. Die Echo-Austastung 15 unterdrückt sämtliche Empfangssignale, die mit einer größeren Wegstrecke als 1 m eintreffen.
Dadurch wird der Meßbereich auf 1 m begrenzt. Außerdem wird durch die Echo-Austastung eine starke Schwächung mechanisch erzeugter Klopfgeräusche, die bei anderen Arbeiten entstehen und als Störsignale in Erscheinung treten können, erreicht.
Anstelle des verwendeten "Klopf-Stiftes" aus Stahl könnte auch ein Stift aus einer geeigneten anderen harten Metall-Legierung verwendet werden. Auch eine Vertauschung von Sender und Empfänger (Empfänger beweglich, Sender fest) wäre möglich, wenn auch die dargestellte Ausführungsform besonders günstig ist.
Die Arbeitseinheit m2 kann, wie eingangs bereits erwähnt, die verschiedensten Prüf-, MeS- und Bearbeitungsgeräte tragen; das Schleifaggregat dient nur als Beispiel.
2 Figuren 6 Patentansprüche

Claims

Patentansprtiche 10 Verfahren zum Positionieren von Prüf-, Meß- und/oder Bearbeitungsgeräte transportierenden Geräteträgern, die an der Innenwand von Hohlkörpern, wie insbesondere Rohrleitungen oder Behältern, verfahrbar und von außen nicht sichtbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der ein Schallsignal an einem ersten Referenzpunkt (S) der Hohlkörperwand (R) mit einem Schallsender (6) aussendende oder mit einem Schallempfänger (9, 9') empfangende Geräteträger (M) relativ zu mindestens einem ortsfest in der gewünschten Zielposition an einen zweiten Referenzpunkt (E) an der Außenwand des Hohlkörpers (R) befestigten Schallempfänger bzw. -Sender (9, 9' bzw. 6) axial und in Umfangsrichtung solange verschoben wird, bis das Schallempfangssignal seinen Maximale wert erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mit dem Geräteträger (X) ein Schallsender (6) relativ zu einem an der Außenwand in der gewünschten Zielposition angebrachten Schallempfänger (99 9') bewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Schallsignale verwendet'werden, die sowohl im hörbaren als auch im Ultraschallbereich liegen.
4O Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Schailsignale als Klopfsignale durch periodisches Auftreffen eines elektrodynamisch erregten Metallstiftes (6a) auf die Hohl körperwand (R) erzeugt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß etwa im 15 kHz-Bereich liegende Schallsignale durch Sendeimpulse erzeugt werden, die eine Impulsdauer von 5/us und eine Folgefrequenz von 10 Hz haben.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h einen elektrodynamischen Sender (6) mit periodisch bewegtem Metallstift (6a), der gegen die Hohlkörperwand (R) drückbar ist und g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h einen Ultraschall-Empfangskopf (9, 9'), insbesondere einen piezoelektrischen Empfänger, sowie g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine zugehörige elektronische Sende- und Empfangsbeschaltung (S1, E1).