CH645557A5 - Manipulator for testing pipe-welding seams - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Manipulator für die Prüfung von Rohrschweissnähten, geeignet für die Prüfung von Längs- und Umlaufnähten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Rohrnähte von Rohrleitungen in Kernreaktoranlagen zu überprüfen, wobei sowohl in vertikaler als auch horizontaler Lage geprüft werden kann und die Einrichtung ohne grossen Aufwand an Rohre unterschiedlichen Durchmessers angepasst werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die dem Anspruch 1 entnehmbaren Mittel.

Durch die schwenkbaren Segmente wird erreicht, dass die Grundeinrichtung sich unterschiedlichen Rohrdurchmes-sern anpassen kann, ohne dass umfangreiche Umbauten oder gar eine neue Konstruktion erforderlich wäre. Lediglich die zwischen der Grundeinrichtung und dem Rohr befindliche zylindrische Justiereinrichtung und die Führungsringschiene muss sich den Rohrdurchmessern anpassen und wird von Fall zu Fall ausgetauscht. Die Einrichtung kann sich an den Rohrdurchmesser anpassen, deren grösster und kleinster Rohrdurchmesser sich im Verhältnis von 2:1 bewegt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung kann Anspruch 2 entnommen werden.

Durch Zusammenfassung der Führungsrollen in Rollenblöcken wird nicht nur eine kompakte Bauweise erreicht, sondern es ist auch möglich, mit wenigen Handgriffen die Rollenblöcke in Richtung auf den Rohrmittelpunkt auszurichten, um eine zum Rohrmittelpunkt konzentrische Führung zu gewährleisten. Vorteilhafterweise ist eines der schwenkbaren Segmente mit einem zweiten Rollenblock versehen, welcher neben der Führung zugleich dem Antrieb zur Drehung um die Rohrachse dient.

Um leichte Montierbarkeit der Grundeinrichtung bei exakter Führung zu ermöglichen, zeichnen sich die Führungsrollen vorzugsweise dadurch aus, dass die Führungsrollen in den Rollenblöcken so ausgeführt sind, dass jeweils den festen Führungsrollen mittels Federkraft anpressbare Gegenrollen zugeordnet sind, wobei die Führungsrollen mit jeweils einer Feder an die Führungsringschiene anpressbar sind, und dass die axiale Gegenrolle zusätzlich um eine Achse schwenkbar ist.

Durch schwenkbare Anordnung der axialen Gegenrolle wird es möglich, die Grundeinrichtung einfach über die Führungsschiene zu schieben. Durch die jeweils einander in axialer und radialer Richtung gegenüberliegenden Rollen ist spielfreie Führung gewährleistet, die festen Führungsrollen legen dabei die Lage der Grundeinrichtung gegenüber der Führungsringschiene fest.

Eine beispielsweise Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass eines der schwenkbaren Segmente einen Rollenbock mit integriertem Antriebsmotor aufweist, dass dieser

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Rollenblock nur ein Paar der radialen Führung dienende Führungsrollen aufweist, von denen eine Führungsrolle auf einer nicht schwenkbaren Achse angeordnet ist, welche zugleich Achse eines Ritzels ist, während die andere Führungsrolle auf einer schwenkbaren Welle drehbar angeordnet und mittels Feder anpressbar an Führungsringschine ist, und dass der Antriebsmotor, welcher im schwenkbaren Segment vorgesehen ist, sein Drehmoment über Zahnriemen auf das Ritzel überträgt, welches sich auf dem Zahnkranz der Führungsringschiene abwälzt, während das mit nur einem Rollenblock versehene Segment ein in den Zahnkranz eingreifendes getriebenes Ritzel aufweist.

Durch diese Massnahmen wird die Antriebseinheit in das Führungselement integriert und eine kostengünstige, zuverlässige Konzeption erreicht. An Stelle des Antriebes wird am gegenüberliegenden Segment ein Ritzel für die Positionsanzeige vorgesehen.

Eine vorteilhafte Antriebseinrichtung für einen Schlitten mit daran angelenktem Prüfsystem kann Anspruch 5 entnommen werden.

Durch den Schraubenspindeltrieb wird ein feinfühliges, die Positionierung erleichterndes Verschiebeorgan geschaffen, das durch Zwischenschaltung eines Parallelkurbelgetriebes stets für ein einwandfreies Aufliegen des Prüfsystems an der Rohrwand sorgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Grundeinrichtung mit schwenkbaren Segmenten, in Richtung einer Rohrachse betrachtet,

Fig. 2 Schnitt II-II durch die Mittellängsebene des Manipulators,

Fig. 3 Schnitt durch einen der Führung dienenden Rollenblöcke,

Fig. 4 Schnitt IV-IV durch den Rollenblock, Fig. 5 Längsschnitt durch einen Schlitten des Manipulators mit durch Parallelkurbelgetriebe und Zapfen kardanisch beweglich angeordneten Prüfsystem,

Fig. 6 Schnitt VI-VI durch einen Schraubenspindeltrieb des Schlittens,

Fig. 7 Schnitt VII-VII mit Darstellung des Prüfsystems und Parallelkurbelgetriebe in Richtung der Rohrasche,

Fig. 8 Seitenansicht des Manipulators bei der Prüfung von Stutzen-Rohr-Anschlussnähten mit aufgeschnittenem Schraubenspindeltrieb,

Fig. 9 theoretisches Grundprinzip der Kreisführung, Fig. 10 Konstruktion der Führungsbahn und erforderliche Freiheitsgrade,

Fig. 11 Schnitt XI-XI durch einen Rollenblock der Führung,

Fig. 12 Schnitt XII-XII durch den Rollenblock mit Antrieb.

Ein Manipulator mit einer aus Grundeinrichtung 1, einer Führungsringschiene 2 sowie einer Justiereinrichtung 3 ist in Richtung einer Rohrachse gesehen in Fig. 1 dargestellt. Die Grundeinrichtung 1 wird im wesentlichen aus drei beweglichen Segmenten 4, 5, 6 gebildet, von denen ein Segment 4 stets tangential zum Rohr liegt, während die beiden anderen Segmente 5, 6 schwenkbar um Bolzen 7, 8 in den Enden des Segments 4 gelagert sind. Segment 4 trägt ausserdem einen mittels Schraubenspindel 9 verfahrbaren und in einer Kreuzrollenführung 10 geführten Schlitten 11, welcher an seinem freien Ende ein in Fig. 2 dargestelltes Prüfsystem 12 trägt. Die gesamte Grundeinrichtung wird konzentrisch zur Achse eines Rohres 13 mittels Rollenblöcken 14, 15a, 15b geführt, wobei von den Rollenblöcken 14,15b je einer in den Segmenten 4, 5, 6 vorgesehen ist, während Rollen block 15a nur in einem der schwenkbaren Segmente 5 bzw. 6 vorgesehen ist und neben der Führung auch dem Antrieb für Rotationsbewegungen um die Rohrachse dient. Symmetrisch zur Längsmittelebene der Grundeinrichtung 1 ist neben Rollenblock 15a noch ein nicht näher dargestelltes Ritzel vorgesehen, welches der Positionsbestimmung dient. Die Rollenblöcke 5 14, 15b sind untereinander identisch und werden von axialen und radialen Führungsrollen 16, 17 gebildet. Zum Zwecke der Aufgleisung der Rollenblöcke sind diese um Achsen 18 parallel zur Rohrachse schwenkbar. Der Rollenblock 15a weist nur radiale Führungsrollen auf, da in ihn der Antrieb io integriert ist, welcher vom Antriebsmotor 19 gebildet wird, welcher sein Drehmoment über einen Zahnriemen 20 überträgt.

Fig. 2 stellt einen Längsschnitt dar. Man erkennt die Justiereinrichtung 3, welche das Rohr 13 umgibt und auf die 15 wiederum die Führungsringschiene 2 aufgebracht ist, welche mit der Justiereinrichtung eine Einheit bildet. Die Führungsringschiene 2 wird von den radialen Führungsrollen 17 und 17a sowie den axialen Führungsrollen 16 und 16a umgriffen, wobei die Rollen 16a, 17 im Rollenblock 14 drehbar und um 2o Achsen schwenkbar angeordnet sind, wohingegen die zugeordneten Führungsrollen 16, 17a mit ihren Achsen fest im Rollenblock gelagert sind, so dass eine genau definierte spielfreie Führung gewährleistet ist. Für das Aufgleisen der Grundeinrichtung 1 auf die Führungsringschiene 2 werden 25 die axialen Führungsrollen 16a um die Achsen 18 geschwenkt, so dass die axialen Führungsrollen 16a ohne Behinderung über die Führungsringschiene geschoben werden können. Nach dem Aufgleisen werden die Führungsrollen 16a wieder radial auf Rohrmitte hin ausgerichtet. Auf der 30 Grundeinrichtung 1 ist parallel zur Rohrmitte ein Schlitten 11 mit Prüfsystem 12 verfahrbar. Das Prüfsystem ist über ein Parallelkurbelgetriebe 21 in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse schwenkbar an den Schlitten 11 angelenkt und mittels Federung an die Rohrwand andrückbar. Zum Schutz des 35 Prüfsystems vor Beschädigung durch Anfahren an ein Hindernis ist es mit einem Schaltrahmen 22 umgeben, welcher den Motortrieb abschaltet und damit weitere Bewegung unterbindet.

Einer der drei identischen Rollenblöcke 14, 15b ist im 40 Detail in Fig. 3 dargestellt. Man erkennt die axialen und radialen Führungsrollen 16,16a und 17, 17a, welche die Führungsringschiene 2 spielfrei umfassen. Die Spielfreiheit der Führung wird durch die mittels Federspannung anpressbaren Rollen 16a, 17 bewerkstelligt, welche den fest angeordne-45 ten Rollen 16,17a jeweils als Gegenrollen zugeordnet sind. Die Anpressung der radialen Führungsrolle 17 erfolgt über einen im Rollenblock drehbar angeordneten Kipphebel 23, welcher durch Feder 24 angepresst und mittels Schraube 25 beim Aufgleisen entlastet wird. Die in axialer Richtung mit-5o tels Feder 28 und Welle 18 anpressbare Führungsrolle 16a kann um Welle 18 zum Einbau geschwenkt werden und wird mit Schraube 27 arretiert. Die Vorspannkraft der Feder 28 . zum Anpressen von Rolle 16a wird durch eine Schraube 29 justiert. Gelagert werden die Rollenblöcke 14, 15a, 15b mit-55 tels Gleitbuchsen 30 in den Segmenten 4, 5, 6.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen der Rollenblöcke 14, 15b mit Welle 18, Kipphebel 23 und Schraube 27 zur Arretierung von Welle 18 nach radialem Ausrichten der Rollenblöcke 14.

60 Fig. 5 gibt eine detaillierte Darstellung vorzugsweise des Schlittens 11 und seines Antriebes wieder. Auf der entlang der Führungsringschiene 2 um die Rohrachse drehbaren Grundeinrichtung 1 ist ein Schlitten 11 geführt, welcher von einer Schraubenspindel 9 parallel zur Rohrachse verfahren 65 wird. Der Antrieb der Schraubenspindel erfolgt durch Motor 31, welcher sein Drehmoment über Zahnriemen 32 auf die Schraubenspindel 9 überträgt. An seinem dem Antrieb gegenüberliegenden Ende trägt der Schlitten 11 das Prüfsy-

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stem 12, das mit Parallelkurbelgetriebe 21 an diesem befestigt ist. Das Parallelkurbelgetriebe 21 kann zusätzlich Drehbewegungen um einen zur Rohrachse parallelen Zapfen 33 ausführen, damit sich das Prüfsystem in jeder Lage der Rohrwand tangential anschmiegen kann. Abstandsrollen 34 sorgen für einen konstanten Abstand des Prüfsystems von der Rohrwand und gewährleisten tangentiale Lage des gesamten Prüfsystems bezüglich der zu prüfenden Oberfläche.

Fig. 6 stellt einen Querschnitt durch Schlitten 11 dar und zeigt die Führung desselben mittels Kreuzrollenführung 10. Das Verfahren des Schlittens wird von der Schraubenspindel 9 bewerkstelligt, welche ihrerseits von Motor 31 getrieben wird.

Fig. 7 zeigt nochmals das Prüfsystem 12 in Richtung des Schnittes VII-VII gesehen. Das Prüfsystem wird von Abstandsrollen 34 an der Rohrwand entlanggeführt. Zum Schutz der Prüfeinrichtung ist der Schaltrahmen 22 vorgesehen, welcher bei Anlauf gegen ein Hindernis den Antrieb abschaltet.

In Fig. 8 ist der Manipulator in Prüfstellung dargestellt. Die Führungsringschiene 2 ist mittels der Justiereinrichtung 3 am Rohr befestigt. Die Grundeinrichtung 1 kann durch Führungsrollen 16a, sowie die hier nicht sichtbaren Führungsrollen 16,17,17a welche in die Rollenblöcke 14 integriert sind, Drehungen um die Rohrachse ausführen. Mittels Schlitten 11 kann das an dessen Ende befestigte Prüfsystem 12 neben der Drehung um die Achse des Rohres auch noch Bewegungen in Richtung der Rohrachse ausführen.

Aus Fig. 9 lassen sich die theoretischen Zusammenhänge herleiten: Gegeben ist eine Schar von mindestens 3 Kreisen Kj, K2, K3 mit den Mittelpunkten Mx, M2, M3; alle Kreise haben in O einen Berührungspunkt mit gemeinsamer Tangente t. Wählt man auf t einen beliebigen Punkt P und schlägt man um P einen Kreis mit einem beliebigen Radius L, so erhält man die Schnittpunkte Ri = Rx, R2, R3, welche bezogen auf die Symmetrieachse s in der gleichen Bildhälfte liegen wie der Punkt P. Die Verbindung jedes der Schnittpunkte mit P schneidet die zugehörigen Kreise Ki ein zweites Mal in den Punkten QI, welche die Strecke L stets im gleichen Verhältnis teilen. Infolgedessen lässt sich durch Schwenken um P das Glied PR auf einen anderen Kreis einstellen, ohne dass der zweite Schnittpunkt Q seine Lage auf PR ändert.

Durch die Symmetrie bezüglich der Achse s lassen sich die Punkte P und Ri zu s spiegeln; es ergeben sich P' sowie R'i. Man erhält damit das Manipulator-Grundprinzip, nämlich einen 3-gliedrigen Gelenkzug, welcher in den 5 Punkten R'i, Q', O, Q, Ri auf den jeweiligen Kreis Ki geführt wird. Das Einstellen auf den Kreisdurchmesser erfolgt durch Schwenken der beiden äusseren Glieder um die Punkte P und P'.

Für die in der Praxis vorkommenden Abweichungen von der exakten Kreisbahn ist das Getriebe 1-fach überbestimmt; bei hinreichend grossen Ungenauigkeiten könnte es beim Abfahren des Kreises zu Verklemmungen kommen. Aus diesem Grunde wird auf den Führungspunkt Q'3 verzichtet; nun können Rundheitsabweichungen der Führungsbahn durch geringe Relativbewegungen in den Gelenkpunkten P und P' ausgeglichen werden.

Für die Bestimmung der Länge 1 erhält man aus Ähnlichkeitsbetrachtungen an Kreis k„ mit d„ = L2—(a/2)2

a/2: 2 = L:a/2 oder 1 =

Durch Wahl von a/2 und L lässt sich das für die in Frage kommende Durchmesserspanne günstigste Längenverhältnis ermitteln.

Fig. 10 zeigt schematisch die wesentliche Elemente der Grundeinrichtung 1. Dazu gehören die Führungsringschienen 2 mit den darauflaufenden Führungsrollen der Rollenblöcke 14, 15a, 15b. Auf die Führung im Punkt Q'3 (siehe Fig. 9) wurde bewusst verzichtet, um eine Überbestimmtheit der Führung zu vermeiden. An Stelle eines Rollenblockes wurde in Q'3 ein in den Zeichnungen nicht näher dargestelltes Ritzel angeordnet, welches in den Zahnkran 36 der Führungsringschiene eingreift, um ein Organ für die Positionsbestimmung zu schaffen. Wie durch Pfeile verdeutlicht, könnten die Rollenblöcke 14, 15a geschwenkt werden, um diese nach dem Schwenken der Segmente 5, 6 auf den Rohrmittelpunkt hin ausrichten zu können.

In Fig. 11 sind nochmals schematisch die Elemente der Rollenblöcke 14,15b dargestellt. Die Führungsringschiene 2 wird von den fest in den Rollenblöcken auf Achsen angeordneten Führungsrollen 16, 17a sowie den angeforderten Führungsrollen 16a, 17 umfasst. Führungsrolle 16a ist ausserdem um Achse 18 schwenkbar, um die Montage zu ermöglichen. Rollenblock 15b ist identisch mit den Rollenblöcken 14, wird lediglich nicht geschwenkt und bleibt somit in seiner einmal eingestellten radialen Position während die Rollenblöcke 14,15a geschwenkt werden.

Der Rollenblock 15a weist im Gegensatz zu den Rollenblöcken 14,15b nur radiale Führungsrollen 17,17a, auf (Fig. 12). In den Rollenblock ist die Antriebseinheit integriert. Der Motor 19 wälzt sich mittels Ritzel 35 auf dem Zahnkranz 36 der Führungsringschienen 2 ab und führt damit eine Kreisbewegung der Grundeinrichtung 1 mit darauf befindlichen Schlitten 11 und Prüfsystem 12 um die Rohrachse herbei. Auf die Darstellung des zwischen Motor 19 und Ritzel 35 eingeschalteten Zahnriemenantriebes wurde aus Gründen der Vereinfachung zur Verbesserung der Übersichtlichkeit verzichtet.

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7 Blatt Zeichnungen

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Manipulator für die Prüfung von Rohrschweissnäh-ten, geeignet für die Prüfung von Längs- und Umlaufnähten, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundeinrichtung (1) des Manipulators aus drei Segmenten (4, 5, 6) gebildet ist, wobei zwei der Segmente (5, 6) in einer Ebene senkrecht zur Achse eines zu prüfenden Rohres schwenkbar sind, während das mittlere Segment (4) stets eine zum Rohr tangentiale Lage einnimmt und auf seiner dem Rohr abgewandten Oberseite einen axial und parallel zur Rohrachse verfahrbaren Schlitten (11) trägt, an dessen freiem Ende eine Prüfvorrichtung (12) befestigt ist, dass die beiden beweglichen Segmente (5, 6) symmetrisch zu einer Mittelquerebene des Rohres an den Enden des tangential gelegenen Segments (4) in diesem um Bolzen (7, 8) drehbar gelagert sind, dass alle drei Segmente (4 bis 6) mittels axialer und radialer Rollen (16,16a und 17, 17a) um eine koaxial zur Rohrachse gelegene und kreisförmige Führungsringschiene (2) geführt sind, und dass im tangentialen Segment (4) ein Motor (31) für den Antrieb des Schlittens (11) vorgesehen ist, sowie eines der schwenkbaren Segmente (5,6) einen Antriebsmotor (19) aufweist, welcher mittels Ritzel (35) in einen fest mit der Führungsringschiene (2) verbundenen Zahnkranz (36) eingreift, und dass die Führungsringschiene ausrichtbar über eine Justiereinrichtung (3) auf dem Rohr festklemmbar oder lösbar ist.
2. 2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen und axialen Führungsrollen (16, 16a und 17, 17a) in Rollenblöcken (14, 15a, 15b) zusammenge-fasst sind, wobei die Rollenblöcke (14) um Achsen (18), welche parallel zur Rohrachse liegen, in den Segmenten (5, 6) schwenkbar sind, und dass eines der beiden schwenkbaren Segmente (5, 6) einen zweiten Rollenblock (15a) aufweist, in welchen der Antriebsmotor (9) integriert ist.
3. 3. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen und radialen Führungsrollen (16, 16a und 17,17a) in Rullenblöcken (14, 15b) so angeführt sind, dass jeder festen Führungsrolle (16,17a) eine federnd gelagerte Gegenrolle (16a, 17) zugeordnet ist, wobei in jedem Rollenblock die axiale Gegenrolle (16a) durch eine Feder (28) in Richtung auf die feste, axiale Führungsrolle (16), und die radiale Gegenrolle (17) durch eine Feder (24) in Richtung auf die feste, radiale Führungsrolle (17a) an die Führungsringschiene (2) anpressbar ist, und dass jede axiale Gegenrolle (16a) zusätzlich um eine parallel zur Rohrachse angeordnete Achse (18) schwenkbar ist.
4. 4. Manipulator nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der schwenkbaren Segmente (5, 6) einen Rollenblock (15a) mit integriertem Antriebsmotor (19) aufweist, dass dieser Rollenblock nur ein Paar der radialen Führung dienende Führungsrollen (17,17a) aufweist, von denen eine Führungsrolle (17a) auf einer nicht schwenkbaren Achse angeordnet ist, welche zugleich Achse eines Ritzels (35) ist, während die andere Führungsrolle (17b) auf einer schwenkbaren Welle (37) drehbar angeordnet und mittels Feder (28) anpressbar an die Führungsschiene (2) ist, und dass der Antriebsmotor (19), welcher im schwenkbaren Segment (5) vorgesehen ist, sein Drehmoment über Zahnriemen (20) auf das Ritzel (35) überträgt, welches sich auf dem Zahnkranz (36) der Führungsringschiene (2) abwälzt, während das mit nur einem Rollenblock versehene Segment (6) ein in Zahnkranz (36) eingreifendes getriebenes Ritzel aufweist.
5. 5. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (11) gegenüber der Grundeinrichtung (1) durch eine symmetrisch zur Längsmittelebene des tangentialen Segmentes (4) vorgesehene Kreuzrollenführung (10) in Richtung parallel zur Rohrachse verfahrbar geführt ist, dass der Motor (31) zum Antrieb des Schlittens (11) sein

   Drehmoment per Zahnriemen (32) auf eine Schraubenspindel (9) überträgt, welche ihrerseits in eine Gewindebohrung des Schlittens (11) eingreift, dass diese Schraubenspindel als Kugel- bzw. Rollengewindespindel ausgeführt ist, sowie der Schlitten an seinem der Antriebseinheit abgewandten Ende eine Prüfvorrichtung (12) aufweist, welche über ein Parallelkurbelgetriebe (21) und um einen zur Rohrachse ungefähr parallelen Zapfen (33) drehbar am Schlitten angelenkt ist, und dass die Prüfvorrichtung (12) Abstandsrollen (34) zu beiden Seiten ihrer Mittellängsebene aufweist und von einem Schaltrahmen (22) umgeben ist.