Устройство для обнаружения поверхностных дефектов

 

Изобретение относится к устройствам для обнаружения поверхностных дефектов на цилиндрических объектах, таких как топливные таблетки атомных электростанций. Устройство включает средства для перемещения контролируемых объектов, стоящих на торце один за другим к первой станции контроля качества, средство для проверки свободного конца каждого объекта при прохождении им первой станции контроля качества, средство для перемещения объектов, стоящих на боку и по одному ко второй станции контроля качества, средство для переворачивания объектов с их концов на боковые стороны, средство для поворота каждого объекта, проходящего на боку через вторую станцию контроля качества, средство для проверки криволинейной поверхности каждого объекта, когда он проходит через вторую станцию контроля качества, средство для перемещения объектов по одному к третьей станции контроля качества, включающее средство для установки объектов на торец, проверенный на первой станции контроля качества, и средство для проверки свободного конца каждого объекта по мере прохождения через третью станцию контроля. Устройство позволяет проверять все поверхности цилиндрических объектов в процессе непрерывной работы системы. 10 з.п.ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к устройствам для обнаружения поверхностных дефектов, в частности на цилиндрических объектах, таких как топливные таблетки атомных электростанций.

Некоторые цилиндрические объекты, такие как топливные таблетки атомных электростанций, должны отвечать техническим требованиям по качеству поверхности. Такие объекты могут изготавливаться на автоматических линиях без применения ручного труда, и на такой линии необходимо проверять объекты на поверхностные дефекты с использованием автоматических приборов. Эти объекты могут, например, представлять собой спеченные цилиндрические таблетки из UO₂ (двуокиси урана) для так называемых топливных элементов "arg". Такие таблетки имеют осевое отверстие для повышения рабочих характеристик топливных элементов. Спеченные таблетки вставляются в трубы из нержавеющей стали со специальным внутренним покрытием. Трубы герметизируются и образуют прутковые трубы ТВЕЛы, причем комплект прутков образует топливный элемент. Таблетки должны быть автоматически проверены перед помещением их в трубы с покрытием.

Устройство для осуществления контроля цилиндрических объектов раскрыто в документе US 4226539. Это устройство включает в себя первое место проверки для осуществления контроля изогнутой поверхности цилиндрического объекта, затем объект поворачивается на 90^o и перемещается во второе место проверки для осуществления одновременного контроля концевых поверхностей. Однако это устройство требует включения в его состав отдельных механических средств для обеспечения точного расположения (позиционирования) концевых поверхностей объекта относительно концевой поверхности контрольного зонда. Такие механические средства требуются потому, что цилиндрический объект остается лежать на его боковой поверхности в течение всего процесса контроля и не может быть точно расположен без использования этих средств относительно контрольного зонда.

Согласно настоящему изобретению, предлагается устройство для обнаружения поверхностных дефектов на цилиндрических объектах, которое включает средства для перемещения контролируемых объектов по одному и концом к первой станции контроля; средство для проверки свободного конца каждого объекта при прохождении им первой станции контроля качества; средство для перемещения объектов по одному и на боку ко второй станции контроля качества, включающее средство для переворачивания объектов с концов на боковые стороны; средство для поворота каждого объекта, проходящего на боку через вторую станцию контроля качества; средство для проверки кривых поверхностей каждого объекта, когда он проходит через вторую станцию контроля качества; средство для перемещения объектов по одному к третьей станции контроля качества, включающее средство для переворачивания объектов на торец, проверенный на первой станции контроля качества, и средство для проверки свободного конца каждого объекта, по мере его прохождения через третью станцию контроля качества.

В отличие от предшествующих систем этого типа устройство согласно настоящему изобретению позволяет проверять все поверхности цилиндрических объектов, за исключением поверхности в отверстии (если оно имеется), в процессе непрерывной работы системы, причем объекты поступают к приборам проверки качества по одному на конвейере.

Настоящее изобретение особо применимо для автоматического контроля качества топливных таблеток атомных электростанций. Таблетки могут быть хорошо известной формы, например, они могут быть полыми или сплошными цилиндрическими телами. Концы могут быть плоскими поверхностями или вогнутыми криволинейными поверхностями. Указанные таблетки могут, например, использоваться в газоохлаждаемых или водо-водяных ядерных реакторах. Таблетки могут включать двуокись урана с одной или более добавками, такими как ниобий или гадолиний. С другой стороны, таблетки могут включать смесь различных окислов, например, состоять из окислов урана и плутония. В этом случае таблетки обычно находятся в контейнере, который окружает окись плутония со всех сторон и предотвращает загрязнение окружающей среды. Узлы заявленного устройства могут находиться снаружи такого контейнера. Контейнер может быть снабжен окном, выполненным, например, из высококачественного стекла, которое пропускает оптическую радиацию в обоих направлениях для контроля их качества. Поскольку только небольшое количество контролируемых таблеток должно находиться в контейнере одновременно, указанное окно не должно использоваться как экран радиации. Для узлов устройства, расположенных снаружи контейнера, содержащего контролируемые таблетки, могут быть использованы обычные экранирующие материалы для защиты от нейтронного и гамма-излучения.

Средства для переворачивания объектов между первой и второй станциями контроля качества могут включать первый переворачивающий узел, содержащий механизм для изменения осей объектов с вертикальной на горизонтальную. Средства для переворачивания объектов между второй и третьей станциями контроля качества могут включать второй переворачивающий узел, содержащий профилированную ступеньку на конвейере для изменения положения всех объектов с горизонтального на вертикальное. Конвейер после первого переворачивающего узла может включать блокирующий мостик, который блокирует объекты, остающиеся в вертикальном положении после первого переворачивающего узла.

Предпочтительно, чтобы средства для проверки криволинейных поверхностей содержали средство для сканирования оптического луча вдоль объекта, когда он находится на второй станции контроля, и первый датчик для улавливания отраженного луча, содержащего отражения луча, сканирующего каждый объект, который совершает прямолинейное и вращательное движение.

Оптический луч может быть лазерным лучом в видимой или других частях спектра.

Сигнал, обнаруживаемый первым датчиком, будет значительно ослаблен благодаря рассеиванию падающего оптического луча при наличии дефекта на контролируемой поверхности, и такое ослабление предоставляет информацию о наличии поверхностного дефекта. Дефект может быть в виде царапины, трещины или пятна или представлять собой шероховатую поверхность, которая не была отполирована в процессе механической обработки. Размер такого дефекта, например, длина, ширина и площадь поверхности, может быть измерен путем контроля продолжительности ослабления принимаемого сигнала. Величина этого ослабления может быть дискретизирована и сравнена с одной или более опорной величиной (или величинами) в процессоре сигнала для определения размера дефекта и вывода о том, превышает ли такая неравномерность поверхности установленный предел.

Средство для проверки криволинейной поверхности может включать второй датчик для обнаружения передаваемого луча, включая передачу сканированного луча, когда он не попадает на объект. Переданный луч может быть направлен на второй датчик с помощью одного или нескольких зеркал. Обнаружение сигнала вторым датчиком означает, что сканированный луч отклонился от траектории проверяемого объекта в точке за концом этого объекта. Сигнал значительно ослабляется, когда сканированный луч падает на объект, т.е. представляет собой тень, отбрасываемую объектом. Контроль времени снижения силы сигнала позволяет измерить положение и длину объекта. Продолжительность снижения сигнала может быть преобразована процессором в цифровую величину и сравнена с определенной опорной величиной. Если измеренная продолжительность слишком велика или слишком мала, это означает, что объект имеет нестандартную длину или имеет дефект на конечной поверхности, например, на конце и на криволинейной поверхности. Может также оказаться желательным измерить разность между продолжительностью сигнала, обнаруженного первым датчиком, и продолжительностью сигнала, обнаруженного вторым датчиком. Если эта разность (которая меняется по мере поворота объекта) слишком велика, объект выбраковывается. Процессор сигнала, который обрабатывает выход первого и второго датчиков, может быть простым процессором общего назначения. Процессор может выдавать сигналы "годен" или "брак", указывающие на отсутствие или присутствие неприемлемых поверхностных дефектов.

Средство для поворота объекта, проходящего на своей боковой стороне вторую станцию контроля, может содержать бесконечную ленту и средство для движения ленты по двум направляющим, расположенным на некотором расстоянии друг от друга, например роликов, причем один ролик расположен выше другого, благодаря чему верхняя поверхность ленты наклонена относительно вертикальной и горизонтальной осей. Механизм снабжен также направляющей штангой, размещенной вблизи и поперек верхней поверхности ленты, благодаря чему объекты, находящиеся на ленте непосредственно над направляющей штангой, переворачиваются этой штангой и в то же время вращаются вокруг своей оси перемещением ленты. Это движение обеспечивается углом ленты.

Средство для проверки свободного конца каждого объекта на первой станции контроля качества и на третьей станции контроля качества может включать направляющую, которая измеряет зазор между направляющей и объектом, который проходит мимо направляющей, например как описано в британском патенте N 2145231. Там, где зазор на конце объекта увеличивается или уменьшается из-за дефекта на концевой поверхности, полученный сигнал соответственно уменьшается или увеличивается. Таким образом, направляющая позволяет измерять длину, ширину, глубину и площадь дефектов путем контроля отклонений в измеряемом сигнале от нормы, полученной при измерении поверхности объекта, свободной от дефектов. Направляющая может включать процессор сигнала, который, как и ранее описанное устройство этого типа, сравнивает сигнал, представляющий размеры обнаруженного дефекта с одной или более опорных величин, и выдает сигнал "годен" или "брак".

При обнаружении неприемлемого дефекта на поверхности проверяемого объекта на любой станции контроля качества (первой, второй или третьей) проверяемый объект может быть снят с технологической линии, например узлом выбраковки, установленным за каждой станцией проверки качества и снабженным толкателем, например пневматическим, срабатывающим при получении сигнала "брак" с процессора сигнала станции проверки качества. Толкатель сталкивает бракованный объект в бункер бракованных изделий.

Описываемое устройство может периодически калиброваться путем пропускания объектов с поверхностными дефектами с известными параметрами через станции контроля качества.

Первая, вторая и третья станции контроля качества могут включать одно или несколько средств для обнаружения присутствия объекта вблизи средства проверки поверхности, например оптический датчик расстояния, выдающий сигнал на включение измерительного прибора только тогда, когда объект находится в зоне станции контроля качества.

Средства для проверки каждого свободного конца объектов могут быть выполнены в виде устройства, заявленного в другой заявке заявителя под N EP 588624A. Такое устройство содержит средство для облучения концевой поверхности объекта, датчик для обнаружения излучения, отраженного концевой поверхностью, в основном, параллельного оси объекта, и калькулятор для расчета относительной величины торцевой поверхности, которая отражает лучи непосредственно на датчик.

Принцип, положенный в основу устройства по заявке EP 588624A, состоит в том, что торцевая поверхность будет отражать излучение на датчик в объеме, который зависит от структуры поверхности. Если поверхность гладкая, отражение излучения поверхностью, свободной от дефектов, будет, в основном, зеркальным, т.е. близким к оси, перпендикулярной отражающей поверхности. Когда концевая поверхность имеет дефект, например, трещину или царапину, отражение излучения этим дефектом является диффузионным; интенсивность лучей от дефекта является низкой. Путем размещения датчика на оси объекта можно обеспечить обнаружение зеркального отражения низкой интенсивности из-за поверхностного дефекта. Средством облучения может служить кольцевой источник света, причем центр кольца, в основном, совпадает с осью объекта и прозрачен для отраженного излучения, так что свет, отраженный на датчик, свободно проходит через световое кольцо. Средство для облучения может содержать множество кольцевых источников света, центр каждого из которых, в основном, совпадает с осью объекта при различных положениях на оси. Свет, попадающий на датчик, должен свободно проходить через все световые кольца. Желательно, чтобы датчик содержал фотоприемник электронных изображений, хотя он может содержать и фотоприемник, не создающий изображений. В последнем случае выходной сигнал фотоприемника пропорционален общему количеству света, падающего на приемник, причем свет, улавливаемый фотоприемником, поступает, в основном, от торца объекта. В случае фотоприемника, создающего электронные изображения, выходной сигнал от приемника содержит составляющие, представляющие интенсивность отраженного излучения, улавливаемого датчиком от различных элементов поверхности объекта.

В случае фотоприемника, создающего электронные изображения, примененного в устройстве согласно европейскому патенту EP 588624A, калькулятор может содержать процессор сигнала, который анализирует входной сигнал приемника. Такой процессор может суммировать все величины составляющих сигнала и сравнивать эту сумму с заранее определенной опорной величиной. Расчет может быть также выполнен в процессоре изображения, который анализирует выходной сигнал приемника. Такой процессор может сравнивать величины выходных составляющих с установленным опорным уровнем. Таким образом, процессор считает количество составляющих или элементов изображения, которые имеют величину сигнала (яркость изображения) по отношению к опорной величине. Количество элементов изображения выше опорного уровня будет представлять неповрежденную площадь объекта.

Основное назначение устройства при обработке объектов, как предусмотрено настоящим изобретением, может быть его использование в конвейере, описанном в британском патенте GB 2223998B. Транспортирующая поверхность такого конвейера может быть плоской перед первым переворачивающим узлом и после второго переворачивающего узла и может быть V-образной или U-образной для направления объектов между первым и вторым переворачивающими узлами.

Перед каждой станцией контроля качества на пути транспортировки объектов может быть установлен датчик очередности. Каждый датчик очередности может быть снабжен анкерным механизмом, который освобождает объекты в очереди на определенном расстоянии друг от друга с тем, что при прохождении объектов через станцию контроля качества не было бы взаимных помех от проверяемых объектов.

На входе первой и третьей станций контроля качества конвейерная лента может сместить объекты таким образом, что в процессе проверки они займут боковое положение (относительно оси конвейера).

Далее описываются варианты настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Фиг. 1 - вид сбоку на устройство для контроля качества поверхности, воплощающее настоящее изобретение.

Фиг. 2- поперечный разрез устройства по линии II-II на фиг. 1.

Фиг. 3- увеличенный вид устройства с показом деталей конструкции фиг. 2.

Топливные таблетки 1 для ядерных реакторов, например, спеченные цилиндрические таблетки из двуокиси урана UO₂ для топливных элементов газоохлаждаемых реакторов, проверяются на поверхностные дефекты устройством, показанным на чертежах. Таблетки 1 транспортируются конвейером 3, имеющим фасонную верхнюю транспортирующую поверхность. Конвейер 3 смонтирован на опорной конструкции 5. Конвейер 3 последовательно передает таблетки 1 на первую станцию контроля качества 7, вторую станцию контроля качества 9 и третью станцию контроля качества 11. Переворачивающие узлы 13, 15 включают фасонные ступеньки на конвейере 3 и меняют положение осей таблеток 1 с вертикального на горизонтальное и с горизонтального на вертикальное соответственно.

Первая станция контроля качества 7 содержит концевой измерительный прибор 8 для проверки одной торцевой поверхности таблеток 1. Оптический датчик расстояния 16 реагирует на присутствие таблетки 1 и включает измерительный прибор 8 для проверки изделия. Измерительный прибор описан в британском патенте GB 2145231. Головка 17 измерительного прибора измеряет емкость зазоров (номинально 1 мм) между головкой 17 и проверяемой поверхностью таблетки 1, когда она проходит мимо головки 17. Если поверхность таблетки имеет дефект, измеренная емкость отклоняется от установленной нормы и это отклонение записывается и обрабатывается в цифровом виде узлом обработки сигнала 19. Если обнаруженный дефект имеет размер, превышающий установленную опорную величину, хранящуюся в памяти устройства, узел 19 выдает выходной сигнал на станцию выбраковки 21, на которой пневматический толкатель (не показан) сбрасывает таблетку в бункер брака, расположенный сбоку главного конвейера 3.

Таблетки 1, которые не были выбракованы после проверки на первой станции контроля качества 7, переворачиваются набок переворачивающим узлом 13 так, что их оси теперь становятся горизонтальными. Затем таблетки 1 попадают на вторую станцию контроля качества 9, на которой проверяется боковая криволинейная поверхность каждой таблетки 1. На второй станции проверки качества 9 каждая таблетка проходит эту станцию справа налево, как показано на фиг. 1, одновременно вращаясь вокруг своей оси. Каждая таблетка 1 подается на непрерывно движущуюся ленту 21, которая проходит по роликам 22a, 22b, смонтированным на раме 30. Как видно из фиг. 2 и 3, ролик 22b расположен выше ролика 22a, в результате чего лента 21 движется в плоскости S на фиг. 3, которая находится под углом около 30 ^o по отношению к горизонтальной плоскости H на фиг. 3. Направляющая штанга 23, размещенная около и поперек верхней поверхности 21a ленты 21, как показано на рисунке 3, обеспечивает соскальзывание таблеток 1 поперек ленты 21 с изменением их положения.

Вторая станция проверки включает сканирующую лазерную систему 25, которая также смонтирована на раме 5 (как видно из фиг. 1), сканирует падающий лазерный луч 27 по пути движения таблетки 1, которая при движении переворачивается. Лазерный луч 27 сканирует расстояние между положениями, обозначенными пунктиром 28a и 28b на фиг. 1, которое больше длины таблеток 1. Когда луч 27 не падает на таблетку 1, он направляется как переданный луч 27a на датчик переданного луча (показан на фиг.2 и не показан на фиг. 1). Переданный луч 27a проходит через канал 24 в направляющей пластине 23 и отклоняется зеркалом 31 на датчик переданного луча 29.

Если лазерный луч 27 падает на таблетку 1, он отклоняется, как отклоненный луч 27b, на датчик отклоненного луча 33 (показан на фиг. 2 и не показан на фиг. 1).

Сигнал, обнаруженный датчиком 29, позволяет определить длину и положение таблетки. Если таблетка 1 слишком длинна или слишком коротка, она выбраковывается. На приемник 29 не попадает никакого сигнала, т.е. приемник направлен на прием тени, тогда как луч 27 отражается и превращается в отраженный луч 27b у таблетки 1. Если таблетка 1 содержит "концевую выемку" на своей конечной и боковой поверхностях, измеренная длина, полученная при сравнении выхода датчика 29 с выходом датчика 33, будет отличаться от известной нормы при повороте ленты 21, и таблетка может фиксироваться как брак. Если таблетка 1 имеет царапины или другие дефекты на ее криволинейной поверхности, лазерный луч 27 будет рассеиваться этими дефектами и сигнал, обнаруженный датчиком отраженного луча 33, будет значительно ослаблен. Размер дефекта может быть измерен путем подачи выходного сигнала датчика 33 на процессор 36, который осуществляет дискретизацию величины длительности рассеивания луча 27, пока таблетка 1 совершает прямолинейное и вращательное движение, и дискретная величина сравнивается с установленной опорной величиной. Дефекты криволинейной поверхности, превышающие установленную длину и/или установленную площадь, могут рассматриваться как неприемлемые. Станция выбраковки (не показана), управляемая выходными сигналами процессора 36, отделяет брак от таблеток, поступающих на третью станцию проверки качества 11. Станция выбраковки может иметь отверстие в направляющей штанге 23, которая закрыта крышкой, удаляемой при работе линии.

Таблетки 1, которые не были выбракованы после проверки на второй станции контроля качества 9, ставятся "на попа" (на противоположный конец по отношению к положению перед первой станцией контроля качества 7) переворачивающим узлом 15, и их оси становятся вертикальными. Затем таблетки 1 подаются на третью станции контроля качества 11, на которой имеется контрольный прибор 35, аналогичный прибору 8, т.е. он имеет оптический датчик положения 37, аналогичный датчику 16, емкостную измерительную головку 39, аналогичную головке 17, и процессор сигнала 40, аналогичный процессору 19. При обнаружении процессором 40 неприемлемых дефектов процессор 40 запускает механизм (аналогичный механизму на станции выбраковки 21) на станции выбраковки 41. Наконец, годные таблетки 1 достигают конца конвейера 3 (показан с левой стороны на фиг. 1) и передаются в промежуточный бункер-хранилище (не показан) или на следующую ступень технологического процесса.

Узлы устройства, показанного на чертежах, которые служат для транспортировки, сбора или хранения таблеток 1 (включая брак), могут быть помещены в безопасные укрытия с контролируемой атмосферой и системой фильтрации для улавливания радиоактивных частиц.

Формула изобретения

1. Устройство для обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов, содержащее три станции контроля качества и средства перемещения объекта от одной станции к другой, причем одна станция содержит средство проверки криволинейной поверхности объекта, а две другие содержат средства проверки торцов объекта, отличающееся тем, что средство перемещения объекта от первой станции контроля, содержащей средство для проверки первого торца объекта, ко второй станции контроля, содержащей средство для проверки криволинейной поверхности объекта, содержит средство для переворачивания объекта с торца на бок и средство вращения объекта при прохождении его через вторую станцию контроля, а средство перемещения объекта от второй станции контроля к третьей станции, содержащей средство проверки второго торца объекта, содержит средство для переворачивания объекта на торец, проверенный на первой станции контроля.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для переворачивания объекта между первой и второй станциями контроля качества включает первый переворачивающий узел, имеющий ступеньку на средстве перемещения объекта, причем эта ступенька служит для изменения положения объекта из вертикального в горизонтальное, а средство для переворачивания объектов между второй и третьей станциями контроля качества включает второй переворачивающий узел, содержащий ступеньку на средстве перемещения объекта, причем эта ступенька служит для изменения положения объекта из горизонтального в вертикальное.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что средство проверки криволинейной поверхности объекта содержит средство для сканирования оптического луча вдоль объекта, проходящих через вторую станцию контроля качества, и первый датчик для обнаружения отклоненного луча, включающего отражения сканированного луча каждым движущимся прямолинейно и вращающимся цилиндрическим объектом, проверяемым сканирующим лучом.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство проверки криволинейной поверхности включает второй датчик для обнаружения сканирующего луча, включающего передачу сканированного луча, когда этот луч не попадает на объект.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно имеет одно или несколько зеркал для направления сканирующего луча на второй датчик.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что оно снабжено процессором для сравнения сигнала, принятого первым датчиком, с опорным сигналом.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что оно снабжено процессором, сравнивающим сигнал второго датчика с опорным сигналом.

8. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что средство для поворота объекта, проходящего на боку через вторую станцию контроля качества, содержит бесконечную ленту и средство для движения ленты по двум разнесенным друг от друга направляющим, причем одна направляющая расположена выше другой, благодаря чему верхняя поверхность ленты наклонена относительно вертикальной и горизонтальной осей, и направляющую штангу, расположенную вблизи и поперек верхней поверхности ленты.

9. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что средство проверки свободного конца каждого объекта, или на первой и третьей станциях контроля качества, или на любой из них включает направляющую, которая имеет емкостный датчик для измерения зазора между направляющей и объектом, который проходит мимо направляющей.

10. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что средство для проверки свободного конца каждого объекта на первой и третьей станциях контроля качества или на любой из них включает средство для облучения торцевой поверхности каждого объекта, датчик для обнаружения излучения, отраженного торцевой поверхностью, и калькулятор для расчета площади торцевой поверхности, которая отразила излучение непосредственно на датчик.

11. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что одна или более из первой, второй и третьей станций контроля качества включает одно или несколько средств для обнаружения присутствия объекта вблизи станции контроля качества, выходной сигнал которых служит для включения средств контроля качества, когда объект находится около станции контроля качества.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3