DE7801154U1

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Publication number: DE7801154U1
Application number: DE7801154U
Authority: DE
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1978-01-16
Publication date: 1980-11-20

Description

-H-

7. August 1980 IG/ge
K Io5

Krautkrämer GmbH.

Luxemburger Str. 449, 5ooo Köln 41

fernbedienter Ultraschall-Prüfkopf i'ür die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall

Die Erfindung betrifft einen fernbedienten Ultraschallprüfkopf für eine automatisierte Prüfung von Bauteilen mit komplizierter Geometrie, wie Druckbehälterböden in Kernkraftwerken, mit
Ultraschallimpulsen an weiniger zugänglichen Stellen mit einem in einem Prüfkopfgehäuse angeordneten Piezoschwinger und einem Vorlaufkörper mit einer Ankoppelfläche für das zu prüfende
Bauteil, wobei rechnergesteuert die Abstrahlchaiäcteristik dos
Prüfkopfes verändert wird und die Veränderungen dem Rechner
Burückgemeliet 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-

wendig, während ds? 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 Eintrahlwinkel verschiedene Prüfköpfe zu benutzen, die dann dem Prüfprogramm entsprechend ein- oder abgeschaltet werden. Das bedingt, daß an dem Manipulator sehr große Prüf kopf anordnungen, 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.

Zwar ist noch eine elektronische Schaltung für eine Prüfeinrichtung bekannt, die mit Ultraschallschwingern arbeitet, bei dem ein Prozeßrechner benutzt wird, um analoge und digitale Prüfwerte wie Amplitudenhöhe, Laufzeiten usw. zu erfassen und zu bewerten, wobei Rückkoppelungen für die Programmierung der Elektronik vereinfacht bzw. überflüssig gemacht werden sollen, indem die von derjelektroniaehen 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 Schaltungseinhe.iten zugeführt werden., wobei die einzelnen Jchaltungsstufen die Meßwerte bewerten und aufgrund dieser Bewertung die Einstellparameter ermittelt werden. Hie-rbei wird aber nicht die mechanisch-konstruktive Aufgabe angesprochen, bei einem fernbedienten Ultraschallprüfkopf diesen sibst bzw. seine Halterung so auszubilden, daß rechnergesteuert die Abstrahlchrr.kteristik des Prüfkopfes in verschiedenen Bewegungsebenen leicht und sicher verändert werden kann.(DE-AS 26 32 67¹O

Um ferner mit einem einzigen Prüfkopf unter unterschiedlichem Winkel in den Prüfling einschallen zu können, unter Beibehaltung der Prüfkopfcharakteristik und der Vermeidung einer Mehrzahl von Prüfköpfen ist zwar bekannt, zwischen Werkstück und P-rüfkopf ein 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 27 193).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ultraschallprüfkopf auch den EinstEhlwinkel, 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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j§ Sehnecken-oder Zahnradtrieb in Eingriff steht, so daß der

M Zylinder verstellbar ist, dessen ein Abtriebsglied, z.B. ein

iff Kegel- oder Stirnrad an einen Impuls- oder Drehwinkelgeber ge-

koppelt ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Rechners in

y Verbindung steht, während eine, über ein Gestänge und ein seit-

lieh vorstehendes Gabelglied mit dem Prüfkopfgehäuse odgl. verbundene, um eine z-Aehse zwsks 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 mil? einem Eingang des Rechners in Verbindung steht und ferner der Echwinger eine Mehrzahl über Schaltteile- zu oder abschaltbare einzelne Flektvonenflachen 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 V/eise ein kontinuierlich drehender Servomo-tor sein. Eine Vervollständigung der Erfindung eieht vor, daß das Verbindungsgestänge ein kardanisches Gelenk: ist, welches mit mindestens einer, an einem Lagerglied abgestützten Feder versehen ist. Eine weitere Ausgestaltung sieh Vor, den kamraerförmigen Ankoppelbereich mit mindestens einem-, Ciort einmündenden Kanal zu versehen und diesen über eine vorzugsweise rohrförmige Verb (.ndungsleitunc aus flexiblem Material mit dem Roservebehälter für das Ankoppelmedium zu verbinden und ferner die Koppelflüssigkeit über mindestens eine v/eitere rohrförmige Leitung gegebenenfalls wieder zu entnehmen.

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

Prüfkopfvorri chtung
Fig. 2 einen teilweisen Schnitt durch den Grundk-örper des Prüfkopfes

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Fig. 3 eine Elektrodenanordnung für die piezoelektrischen Schwinger.

In der Pig. 1 ist der auf ein Prüfstück 1 aufgesetzte Universalprüfkopf dargestellt, der gewählte und eingestellte iinstrahlwinkel .* ist durch einen den Winkelschenkel bildenden Pfeil 2 angedeutet, die kardanisehe halterung 3 bis d hat einen höhenausgleich durch Bauteile ü; 7; ü und im Prüfkopfgehäuse 9 befindet sich der piezoelektrische Schwinger einschließlich seiner Verstellelemente_t

Die Fig. 2 zeigt einen zylinderför/aigen Schwingerträger mit einem Schwinger 11, einem Stellmotor 12 für die Einstellung des Einstrahlwinkels und einen 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 Manipulatorö^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 Prüfstückoberflache federnd anpassen kann. Da die Ankoppelfläche des Vorlaufkörpers 15 und/oder der Sabinen 16 aus verschleißfestem riaterial zv/eckmäßigerweise dieselbe Oberflächenkontur aufweist wie das Prüfstück , gleicht die kardanische Aufhängung kleine Fehlwinkel aus. Die eine horizontal liegende

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körperliche Achse 3» die in Ϊ-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 Teleskopelenient 7. Eine Fed' r b zwischen dem Teleskopelement 7 und einem Teleskopelement u bewirkt, daß das Prüfkopfgehäuse ständig gegen die Oberfläche des Prüfstückes 1 gedruckt ·.·.ird. ' Die Teleskopelemente 7 und ö 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. Arret_erstifte, die in eine in Bewegungsrichtung verlaufende Längsnut hineinragen, verhindert ein Öffnen der Teleskopbauteile beim Abheben des Prüfkopfes vom Prüfstück und ein ungev/olltes Verstellen um die Z-Achse (hochachse).

Die Ankoppelfläche des Vorlaufkörpers 15, Fig. 2, ist :

von einem Rahmen Io aus verschleißfestem Material, z.B. einer Aluminiumlegierung mit im Flammspritzverfahren aufgetragenen Molybdänverschleißschicht, eingefaßt, der etwas j übersteht und damit mit der Ankoppelfläche des Vorlauf- \

körpers und der Prüfstückoberfläche eine spaltförmige i

i Kammer bildet, die mit dem Ankoppelmedium gefüllt ist. !

Der Rahmen 16 kann ausgewechselt werden , z.B. zur An- | passung an die Oberflächenkrümmung des Prüfstüclsfe. j

Ein Piezoschwinger 11 mit seinen umschalfbaren Elektroden 17 nach Fig. 3 ist in einem zylindrischen Schwingerträger 10 eingekittet. Dieser Schwingerträger ist in der zylindrischen Boiirung des Vorlauf körpers 15 eingepaßt, und durch eine FIÜ3-eigkeit , vorzugsweise Glycerin, akustisch mit diesem gekoppelt, Die akustische Ankopplung des Prüfkopfes an das Prüfstück erfolgt durch eine Koppelflüssigkeit, die über eine nicht ge- »eichnete flexible Verbindungsleitung aus einem Flüssigkeitsbehälter der spaltförmigen Kammer zugefiZhrt wird, die aus der Inkoppelflache des Vorlaufkörpers, dem diese Fläche überragenden Rahmen aus verschleißfestem Material und der Prüfstück-Cberflache 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 Schneckentrieb 18 odgl. den für den vorhandenen Prüfort notwendigen Einstrahlwinke l/£ ein, indem er den Trägerzylinder 11 um die Y-Achse verstellt. Über ein Zahnradgetriebe 20, hier ein Kegelradgetriebe, dasVmindestens einem Zahnrad des Motors 12 in Eingriff steht,wird die Winkeländerungsinformation des Motors auf einen Impulsgeber I3, der die Stellschritte (Impulse pro Drehschritt) des Motors zählt gegeben. Der Impulsgeber gibt seine elektrischen Signale an den Recnner, der dann kontrolliert, ob die ausgeführte Schrittzahl mit der vorgegebenen Schritt-

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zahl übereinstimmt- Im Einzelfall wird vorgeschlagen kontinuierlich drehende Servomotoren einzusetzen, wobei dann der tatsächliche Drehwinkel· mitteis einer Übersetzung auf einen Yiegaufnehmer übertragen wird, der dann al·s Drehwinkeimeider diese Informationen an den Rechner gibt.

Der ochielwinkel ,' wird ähnlich wie der Einstrahlwinkel χ: pingestellt. Der Aufsatzkörper 14 nach Fig. 1 ist an einem Manipulator./befestigt und enthält einen Schrittmotor 12a, der eine Achse 21 über ein Schneckengetriebe 1üa dreht. Gleichzeitig wird diese Bewegung über ein Stirn- oder Kegelradgetriebe 20a auf einen Impulsgeber 13a übertragen, der dann, wie bei der Einstellung des EinstrahlwmkeLs, die einzelnen Stellschritte an den Rechner gibt. Auch hier kann, im Einzelfall·, ein kontinuierlich drehender Motor verwendet werden, wenn die V/inkeländerung auf einen Vvegaufnehmer übersetzt wird. Der Schiel·winkel· ist demzufolge zwischen 0 und 360 Grad einste^bar. Diese nicht detai^iert gezeichneten Eiemente sind im Prinzip den zur VersteUung des EinstrahiWinkeis beschriebenen Eiernenten gl·eich, die angeführten Schneckengetriebe sind seibsthemmend, um Rückstellungen durch äußere Kräfte zu vermeiden.

Die Größe des Schwingers, die die Schallstrahldivergenz bestimmt, ist entsprechend der Pig. 3 mit einem vorzugsweise eiektronischen Schaiter 22 umscha^bar. Die in Fig. 3 gezeigten, quadratischen odgl·. El·ektroden 17 des

Schwingers 11 sind voneinander elektrisch isoliert und werden elektronisch eingeschaltet. Je größer die angeregte Elektroder fläche, umso stärker ist im Fernfeld die Bündelung des Schallstrahls. Die nicht angeregten Elektrodenflächen werden zweckmäßigerweise kurzgeschlossen.

Im Prüfbetrieb wird der Prüfkopf von einem geeigneten Manipulator auf der Prüfstückoberfläche, vorzugsweise rechnergesteuert (im Sonderfall manuell), bewegt. Durch die Variation des Einstrahlwinkelsoi/ , des Schielwinkels 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, Eine Ankoppelkontrolle des Piüfkopfes an das Prüfstück kann durch Messung bzw_o Auswertung der Rückstreuung der Ultraschallenergie aus dem Korngefüge des Prüfstückes vorgenommen werden.

Dieser Prüfkopf ersetzt eine komplizierte Kombination von Mehr fachprüfköpfen und erlaubt damit eine sichere und schnelle Ultraschallprüfung, z.B. des Kugelbodens eines Siedewasserreaktordruckbehälters , wobei es weiterhin vorteilhaft ist, daß man den Prüfumfang gegenüber den herkömmlichen Prüfkopfanordrmn^pryorAei tern 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 dos Einstrahlwinkels, des Schielwinkels und der Schallstrahldivergenz von Wichtigkeit sind.

Claims

G 78 öl 154.8

Krautkrämer GmbH.

Luxemburger Str. 449, 5ooo Köln 41

7. August 1980 K I05 IG/ge

Schutzansprüche

i. 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 rändert wird uuo. die Veränderungen dem Rechner zurückgemeldet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein, innerhalb des Vorlaufkörpers (15) um eine horizontale Achse (y-Achse,- zwecks Änderung des Einstrahlwinkels (3,) drehbar gelagerter, den Piezoschwinger (11) tragender Zylinder (lo) odgl. mit einem an einen Stellmotor (12) gekoppelten Schnecken- oder Zahnradtrieb (1.5) in Eingriff steht, so daß der Zylinder verstellbar ist, dessen^eÄ%triebsglied, z.B. ein Kegel- oder Stirnrad (2o), 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 Gabelglit ■ (4) mit dem Prüfkopfgehäuse (9) verbundene, um eine vertikale Achse (z-Achse) zwecks Änderung des Schielwinkels (ß) drehbar ge-

lagerte Stellachse (21) mit einem zweiten Stellmotor (12a) über einen anderen Schnecken- oder Zahnradtrieb (18a) in Verbindung steht, dessen eines Abtriebsglied (2oa) über einen weiteren Impuls- oder Drehwinkelgeber (13a) mit einem weiteren Eingang des Rechners in Verbindung steht und ferner der Schwinger (lo) eine Mehrzahl über Schaltteile (22) zu oder abschaltbare einzelne aneinander grenzende oder sich umschließende und voneinander elektrisch isolierte Elektrodenflächen (17) hat.

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2. Vorrichtung nach Änäftriichj 1 [ |d.ädu)j»ehj gekennzeichnet, daß

mi iestens 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.

b. Verrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine spaltf ijrraige Kammer aufweist, die durch die Ankoppelfläche (15a) des Vorlaufkörpers (15)» den diesen Vorlaufkörper umgebenden und über die Ankoppelflache vorstehenden Rahmen aus verschleißfestem Material und die Prüfstückoberflache (1a) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß in di Kammer ein oder mehrere Kanäle münden, die über eine rohrförmige Verbindungsleitung, vorzugsweise aus flexiblem Material, mit einem Behälter für das Ankoppelmediu.,i in Verbindung stehen.