Устройство неразрушающего контроля объектов
Новое техническое решение обеспечивает повышение качества неразрушающего контроля и расширение функциональных возможностей устройства, которое выполнено в виде роботизированного комплекса, снабженного лазерным сканером и дефектоскопом, содержащим системы вихретокового, импедансного и ультразвукового контроля объектов, преобразователи которых установлены на шарнирном роботе с возможностью их перемещения по заданной траектории и позиционирования в трехмерном пространстве, при этом шарнирный робот размещен на портале, снабженном механизмами горизонтального и вертикального перемещения. 3 ил.
Полезная модель относится к технике неразрушающего контроля узлов и деталей сложной формы и предназначена для автоматизации неразрушающего контроля объектов в различных отраслях промышленности и основных видах транспорта.
Известна установка для ультразвукового контроля сварных швов изделий сложной формы, содержащая основание, подвижно установленную на нем платформу и подвижно установленную на платформе каретку с манипулятором, акустическим блоком и прижимным устройством, в которой основание выполнено в виде обруча и одновременно является направляющей, платформа подвижно установлена не менее чем на трех роликах и выполнена в виде сектора круга с дополнительной направляющей в виде дугообразной зубчатой рейки, размещенной в перпендикулярной основанию плоскости, каретка подвижно установлена на зубчатой рейке и снабжена электроприводом, соединенной с ним ведущей шестерней, кинематически связанной с зубчатой рейкой, и прижимными роликами, манипулятор выполнен в виде поворотного узла с шарнирно прикрепленным к нему ползуном, прижимное устройство установлено между кареткой и ползуном, а акустический блок закреплен на ползуне (патент SU 1272222, дата приоритета 24.04.85; МПК4 G01N 29/04; «Установка для ультразвукового контроля сварных швов изделий сложной формы»).
Данное устройство отличает сложность конструкции, ограниченность области ее возможного применения и необходимость проведения исследования с непосредственным участием человека, что ведет к снижению точности измерений, снижению качества контроля.
Известно также устройство для неразрушающего контроля, принятое в качестве прототипа, содержащее корпус, привод и направляющую, установленные на корпусе, каретку, установленную в направляющей и кинематически связанную с приводом, промежуточный рычаг, шарнирно установленный на основном элементе, изогнутые рычаги и преобразователь, установленный на концах изогнутых рычагов, которые установлены на оси шарнирного соединения каретки и промежуточного рычага и подпружинены к первой, промежуточный рычаг кинематически связан с приводом и свобдным концом взаимосвязан с изогнутыми рычагами в сложенном состоянии
устройства (патент RU 2006856, опубликовано 24.06.1991; МПК5 G01N 29/26; «Устройство для неразрушающего контроля»).
К недостаткам прототипа относится ограничение области его применения, невысокая производительность работы за счет прерывистого, циклического характера режима замеров, при этом траектория движения преобразователей существенно ограничена конструктивным выполнением системы рычагов, кроме того, устройство оснащено лишь одной системой дефектоскопии, что, соответственно, снижает качество проводимого с его помощью неразрушающего контроля объектов.
Задачей заявляемого технического решения является повышение качества неразрушающего контроля и расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство неразрушающего контроля выполнено в виде роботизированного комплекса, снабженного лазерным сканером и дефектоскопом, содержащим системы вихретокового, импедансного и ультразвукового контроля объектов, преобразователи которых установлены на шарнирном роботе с возможностью их перемещения и позиционирования по заданной траектории в трехмерном пространстве, при этом шарнирный робот размещен на портале, снабженном механизмами горизонтального и вертикального перемещения.
Выполнение устройства неразрушающего контроля в виде роботизированного комплекса, шарнирный робот которого установлен на портале, снабженном механизмами вертикального и горизонтального перемещения, обеспечивает программное перемещение и позиционирование инструментов контроля по любой заданной траектории.
Перемещение инструментов контроля по заданной траектории, оптимально приближенной к исследуемому объекту при строгом соблюдении требований технологического процесса в соответствии с заданной программой и точное позиционирование преобразователей, в частности, задание необходимого угла их наклона к контролируемой поверхности, обеспечивают высокую точность и эффективность неразрушающего контроля, повышая производительность процесса и исключая при этом необходимость присутствия оператора в непосредственной зоне контроля.
Использование роботизированного комплекса при осуществлении неразрушающего контроля объекта позволяет значительно уменьшить количество механических шаблонов и приспособлений, применяемых для контроля устройств сложной геометрической формы, обеспечивает сокращение времени проведения контроля, с заданным шагом перемещения и оптимальной траекторией, что значительно повышает производительность и достоверность осуществляемого контроля.
Обеспечение шарнирным роботом бесперебойного выполнения технологического процесса диагностики объекта контроля обеспечивает высокую производительность и долговечность устройства неразрушающего контроля, позволяет осуществлять исследование в агрессивных средах и опасных для человека местах, например, в условиях повышенного радиационного фона.
Роботизированный комплекс неразрушающего контроля является универсальным средством комплексного контроля широкого списка объектов, различных как по размерам, так и по сложности геометрической формы, от железнодорожного вагона до крепежного изделия или шестерни, а также по выбору методов контроля, необходимых для исследования данного объекта.
Выполнение устройства неразрушающего контроля в виде роботизированного комплекса, снабженного лазерным сканером и дефектоскопом, снабженным системами ультразвукового, вихретокового и импедансного контроля, обеспечивает расширение его функциональных возможностей и повышение качества неразрушающего контроля за счет осуществления комплексного исследования.
Повышение качества контроля достигается также возможностью индивидуального подхода к выбору количества режимов контроля в зависимости от состояния объекта контроля и требуемой тщательности его исследования, «плотности» просмотра его поверхности, возможностью выбора режимов сканирования и дефектоскопии.
Наличие отличительных признаков в заявляемом техническом решении позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления.
Сущность рассматриваемой полезной модели поясняется представленными техническими рисунками, где на фиг.1 - общий вид устройства, фиг.2 - общий вид шарнирного робота, на фиг.3 - структурно-функциональная схема устройства неразрушающего контроля.
Устройство неразрушающего контроля представляет собой роботизированный комплекс, выполненный в виде шарнирного робота 1 и снабженный сканирующей лазерной установкой 2 (фиг.3), дефектоскопом, состоящим из системы ультразвукового контроля 3, системы вихретокового контроля 4, системы импедансного контроля 5, контролирующие элементы которых - преобразователи 6, 7 и 8 соответственно - установлены на шарнирном роботе 1.
Представленный вариант (фиг.2) шарнирного робота 1 состоит из основания 9 и шарнирно соединенных рычагов 10, 11, 12, 13 и 14, на котором размещены в данном случае с помощью блока крепления 15 преобразователи 6, 7, 8.
Каждый из рычагов 10, 11, 12, 13, 14 оснащен индивидуальным приводом, обеспечивающим их взаимный поворот и кинематическую связь между собой, перемещение шарнирного робота 1 в любом направлении, обеспечивающем возможность перемещения и позиционирования закрепленных на нем преобразователей по заданной траектории в трехмерном пространстве.
Портал 16 образован двумя опорными колоннами 17, соединенными между собой поперечной балкой 18.
Механизм 19 горизонтального перемещения состоит из каретки 20, снабженной линейным двигателем 21 и установленной на горизонтальной балке 22 с возможностью горизонтального перемещения каретки 20 по направляющей поверхности 23.
На каретке 20 своим основанием 9 закреплен шарнирный робот 1.
Горизонтальная балка 22 установлена на опорных колоннах 17 с помощью механизма ее вертикального перемещения 23.
Кроме того, роботизированный комплекс неразрушающего контроля снабжен видеокамерой 24 и автоматизированной системой управления 25, содержащей блок управления механизмом горизонтального перемещения 26, блок управления механизмом вертикального перемещения 27, блок управления шарнирным роботом 28, блок обработки результатов измерений 29, персональный компьютер 30.
Источник электропитания 31 подключен к терминалу управления 32, в котором размещена автоматизированная система управления 25.
Устройство неразрушающего контроля снабжено также координатным столом, на котором размещают объект контроля (на фиг. не показан).
Работа устройства неразрушающего контроля заключается в комплексной работе шарнирного робота 1, лазерного сканера 2, дефектоскопных систем 3, 4 и 5, видеокамеры 24, автоматизированной системы управления 25.
Объект контроля помещают на координатный стол в заданной позиции.
С помощью специальной программы роботизированного комплекса определяют и задают точку старта каретки 20 относительно координатного стола. Для этого с помощью механизмов 23 вертикального и горизонтального 19 перемещения подводят каретку 20 портала 16 с закрепленным на ней шарнирным роботом 1 на расстояние его досягаемости с объектом контроля с целью позиционирования с помощью луча лазерного сканера 2 и направления луча лазера в начальной стартовой точке. Задавая габаритные размеры объекта контроля по специальной программе, рассчитывают траекторию движения каретки 20 с шарнирным роботом 1 вокруг объекта контроля таким образом, чтобы вся поверхность объекта контроля была просканирована с целью определения его геометрических параметров и обследована дефектоскопными системами 3, 4, 5 на предмет поиска дефектов.
Перемещения и позиционирования контролирующих элементов - преобразователей 6, 7, 8 комплекса и лазерного сканера 2 - обеспечивается согласованной работой основания 9 и рычагов 10, 11, 12, 13, 14 шарнирного робота 1 и механизмов 19 и 23 перемещения каретки, на которой закреплен шарнирный робот 1.
В режиме работы лазерного сканирования объекта проводится полный контроль геометрических параметров объекта, которые сравниваются с геометрическими параметрами виртуального эталона, измеряемые параметры выводятся на монитор в режиме реального времени и записывается в памяти персонального компьютера 30, после чего остаются в его архиве. Устройство неразрушающего контроля в режиме лазерного сканирования обеспечивает заданную траекторию перемещения лазерного сканера 2, размещенного на шарнирном роботе 1, для проведения измерений от текущего положения сканирующей лазерного сканера 2 до светового пятна на объекте контроля. Лазерный сканер 2 реализует принцип оптической триангуляции, основанный на регистрации изменения положения отраженного светового пятна от контролируемого объекта на светочувствительной линейке фотоприемника - лазерного сканера 2.
Лазерный сканер 2 предназначен для бесконтактного сканирования деталей или узлов машин на предмет определения расстояния от лазерного сканера 2 до текущего положения светового пятна на объекте контроля.
Принцип работы лазерного сканера заключается в следующем. Излучение полупроводникового лазера фокусируется объективом излучателя на объекте контроля. Рассеянное на объекте контроля излучение объективом приемника собирается на светочувствительной линейке. Процессор сигналов рассчитывает расстояние от лазерного датчика до текущей точки сканирования на объекте контроля по положению изображения светового пятна на светочувствительной линейке. Данная информация передается в управляющий компьютер 30 и используется в дальнейших вычислениях для определения различных геометрических параметров изделий. Результаты обработки отображаются на экране и (или) заносятся в энергонезависимую память персонального компьютера 30.
Дефектоскопия объекта проводится по выбранной оператором-пользователем программе последовательного проведения неразрушающего контроля с использованием ультразвуковой 3, вихретоковой 4 и импедансной 5 систем дефектоскопа.
Каждый режим дефектоскопии проводится с соответствующей заменой типа преобразователя - поз.6, или 7, или 8. Результаты обработки замеров выводят на монитор в режиме реального времени и (или) записывают в память персонального компьютера 30.
Электронный блок обработки результатов измерений 29 рассматриваемого устройства в режиме ультразвукового контроля реализует принципы ультразвуковой дефектоскопии, основанные на прохождении, отражении и трансформации ультразвуковых колебаний на неоднородностях, несплошностях материалов, т.е. их дефектах.
Ультразвуковая система контроля 3 предназначена для неразрушающего контроля материалов, изделий, сварных соединений на наличие дефектов типа нарушения сплошности, определения координат дефектов, измерения амплитуд эхо-сигналов от дефектов, измерения времени распространения ультразвуковых колебаний в материалах.
Напряжение генератора импульсов возбуждения подается на электромагнитно-акустический преобразователь 6. Ультразвуковые колебания, генерируемые электромагнитно-акустический преобразователем 6, распространяются в объекте контроля, отражаются от дефекта и принимаются контролирующим устройством при различных положениях пьезоэлектрического преобразователя относительно дефекта. Координата электромагнитно-акустический преобразователя в процессе перемещения автоматически фиксируется устройством определения положения электромагнитно-акустический преобразователя. Совокупность данных, собранных о дефекте, обрабатывается встроенным процессором. Результаты обработки в виде потребительских параметров дефекта отображаются на экране и (или) заносятся в энергонезависимую память устройства неразрушающего контроля.
Электронный блок 29 обработки результатов измерений рассматриваемого устройства в режиме вихретокового контроля реализует методы вихретоковой дефектоскопии, основанные на регистрации изменений электромагнитного поля вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля.
Вихретоковая система контроля 4 предназначена для неразрушающего контроля объектов из немагнитных и ферромагнитных металлов и сплавов, на наличие поверхностных дефектов типа трещин, расслоений, закатов, раковин, неметаллических включений.
Принцип его действия заключается в том, что напряжение генератора импульсов возбуждения подают на возбуждающую катушку вихретокового преобразователя 7, в результате чего в контролируемом материале возбуждаются вихревые токи. При наличии близких к поверхности дефектов, траектория вихревых токов изменяется, что ведет к изменению сигнала наведенного в измерительных катушках вихретокового преобразователя 7.
Получаемый сигнал с измерительных катушек анализируется амплитудно-фазовым методом, результат обработки принимаемого сигнала от исследуемого объекта выводится на экран прибора в графическом виде, а при превышении устанавливаемого порога срабатывания формируется сигнал автоматической сигнализации дефекта. Результаты обработки отображаются на экране и (или) заносятся в энергонезависимую память устройства неразрушающего контроля.
Электронный блок 29 обработки результатов измерений рассматриваемого устройства в режиме импедансного контроля реализует методы импедансной дефектоскопии, основанные на регистрации изменений режима генерации механических колебаний в стержне преобразователя 8, контактирующего с поверхностью объекта контроля при изменении механического импеданса контролируемой зоны.
Система импедансного контроля дефектоскопа предназначена для диагностики конструкций и корпусных деталей из сплошных композитных материалов и сотовых структур на поиск непроклеев и расслоений. Основной областью применения роботизированного комплекса в этом режиме является контроль материалов в производственном потоке.
Принцип его работы заключается в том, что напряжение генератора импульсов возбуждения подается на возбуждающий пьезоэлемент импедансного преобразователя 8, в результате чего в стержне импедансного преобразователя 8, соединенного точечным контактом с объектом контроля, возбуждаются механические колебания. При наличии близких к поверхности дефектов, режим колебаний в стержне изменяется, что ведет к изменению сигнала наведенного в измерительном пьезоэлементе импедансного преобразователя 8. Получаемый сигнал с измерительного пьезоэлемента импедансного преобразователя 8 анализируется амплитудно-фазовым методом, результат обработки принимаемого сигнала от исследуемого объекта выводится на монитор персонального компьютера 30 в графическом виде, а при превышении устанавливаемого порога срабатывания формируется сигнал автоматической сигнализации дефекта. Результаты обработки отображаются на мониторе и (или) заносятся в энергонезависимую память устройства неразрушающего контроля.
Таким образом, устройство неразрушающего контроля, выполненное в виде роботизированного комплекса, содержащего лазерный сканер и дефектоскоп, состоящий из систем вихретокового, импедансного и ультразвукового контроля объектов, позволяет индивидуально подобрать оптимальный перечень исследуемых параметров и обеспечивает осуществление комплексного контроля исследуемого объекта, расширяя функциональные возможности устройства и повышая качество неразрушающего контроля в целом.
Автоматическая система управления устройства неразрушающего контроля обеспечивает выбор оптимального инструмента контроля и его автоматическую замену при дефектоскопии, т.е. стыковку и расстыковку преобразователей.
Шарнирный робот 1 позволяет с высокой точностью позиционировать и перемещать с заданной скоростью по запланированной траектории инструменты контроля по специально написанной программе.
Траектория перемещения инструментов контроля в трехмерном пространстве с помощью шарнирного робота 1 выбирают исходя из заданной степени точности контроля объектов.
Устройство неразрушающего контроля, содержащее систему рычагов и пьезопреобразователь, отличающееся тем, что оно выполнено в виде роботизированного комплекса, снабженного лазерным сканером и дефектоскопом, содержащим системы вихретокового, импедансного и ультразвукового контроля объектов, преобразователи которых установлены на шарнирном роботе с возможностью их перемещения по заданной траектории и позиционирования в трехмерном пространстве, при этом шарнирный робот размещен на портале, снабженном механизмами горизонтального и вертикального перемещения.
