УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛЬНОГО И ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЕЙ Российский патент 2006 года по МПК G01N21/954 G01B11/30 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для визуального и измерительного контроля внутренней поверхности сосудов высокого давления, в частности шар-баллонов для хранения сжатых газов, широко применяемых в авиакосмической технике и других изделиях.

Характерный признак этого класса объектов - большое отношение диаметра контролируемой полости D и диаметру входного отверстия d, т.е. D/d≫1.

Известен сканирующий измерительный эндоскоп для контроля шаровых емкостей для хранения сжатого газа, содержащий оптические каналы для подсветки внутренних поверхностей и передачи их изображений из контролируемых полостей и количественной оценки размеров дефектов с помощью измерительной окулярной шкалы, снабженной механизмом сканирования сферических поверхностей и шкалами для определения полярных координат расположения дефектов [1].

Однако это устройство не позволяет оценивать размеры дефектов, т.е. измерять их глубину (высоту) относительно поверхности, на которой они расположены.

Это затрудняет применение для контроля шар-баллонов традиционных эндоскопов, предназначенных для контроля близкорасположенных объектов, т.к. малое линейное поле зрения эндоскопов требует больших временных затрат на проведение контроля шаровых емкостей, особенно большого диаметра (1÷3 м).

Известный эндоскоп [1] устанавливается в центрирующем фланце c круговой шкалой, который в свою очередь вставляется в патрубок, закрепляемый на входном торце контролируемой полости. Ось визирования эндоскопа направлена под прямым углом к его продольной оси и устанавливается в положение, при котором она находится в меридианальной плоскости, проходящей через центр сферы перпендикулярно продольной оси эндоскопа и совпадающей с окружностью, на которой находится кольцевой сварной шов, соединяющий две полусферические части шаровой емкости. При вращении фланца с эндоскопом относительно его продольной оси происходит сканирование всей зоны кольцевого сварного шва и с помощью круговой шкалы на фланце определяется угловая координата дефекта, а с помощью окулярной шкалы эндоскопа измеряются его поперечные размеры.

Вместе с тем с помощью данного эндоскопа невозможно измерять высоту (глубину) дефектов.

Применяемые в традиционной эндоскопии методы контроля рельефа дефектов с помощью светового [2] или теневого [3] сечения с помощью источников секционированной подсветки объекта плоским световым лучом, вмонтированных непосредственно в дистальную часть корпуса эндоскопа, эффективны только при малых расстояниях эндоскоп-объект, что сильно ограничивает производительность контроля. Кроме того, известные устройства позволяют подсвечивать объект плоским лучом только с одного направления, что не позволяет измерять глубину (высоту) дефектов, типа (трещин), ориентированных параллельно плоскости падения луча.

Цель изобретения - устранение отмеченных выше недостатков известного устройства и качественное улучшение его функциональных возможностей.

Для этого в устройство, содержащее эндоскоп бокового обзора с окулярной измерительной шкалой, закрепленной в центрирующем фланце с круговой шкалой, устанавливаемом во втулке на выходном торце контролируемой полости с возможностью вращения фланца с эндоскопом относительно продольной оси эндоскопа, объектив которого устанавливается в центре контролируемой полости, а ось визирования находится в меридианальной плоскости, перпендикулярной продольной оси эндоскопа и совпадающей с зоной расположения кольцевого сварного шва, соединяющего полусферы емкости, дополнительно введен оптический канал подсветки внутренней поверхности полости плоским лазерным лучом под различными углами (ракурсами), состоящий из жесткой секции, установленной во фланце параллельно продольной оси эндоскопа и гибкой секции длиной t≤R, где R - радиус емкости, изгибаемой с помощью установленного на внешней части корпуса канала лазерной подсветки механизма со шкалой для фиксации угла изгиба гибкой секции, ось вращения гибкой секции проходит через центр сферы и параллельно оси визирования эндоскопа, а плоскость вращения гибкой секции перпендикулярна этой оси, ось симметрии плоского лазерного луча и ось визирования эндоскопа пересекаются на поверхности сферы в одной точке, при этом угол α между плоскостью лазерной подсветки и плоскостью, проходящей через эту точку, перпендикулярно оси визирования эндоскопа, выбирается из соотношения α=arctg(t/R), оптическая схема канала лазерной подсветки состоит из полупроводникового микролазера, установленного на оси градиентной линзы, расположенной на входном торце световода, совпадающем с задним фокусом градана второй аналогичной градиентной линзы, установленной на выходном торце световода, цилиндрической линзы с фокусным расстоянием f'_ц, расположенной на оптической оси выходного градана, сферической линзы с фокусным расстоянием f'_с также расположенной на оси выходного градана, и плоского зеркала, расположенного за сферической линзой на ее оси на расстоянии Δ под углом γ=90°-(α/2), фокусное расстояние линзы выбирается из соотношения f_с=Δ+S, где S=R/sinα, фокусное расстояние цилиндрической линзы выбирается из соотношения t_ц=r/tgϕ, где r - радиус лазерного пучка на входе цилиндрической линзы, ϕ≥β - угол раскрытия плоского лазерного пучка, β - половина угла поля зрения эндоскопа, высота (глубина) дефектов оцениваются с помощью окулярной шкалы эндоскопа по соотношениям ΔН=с·n, где n - число делений окулярной шкалы, приходящихся на пропорциональное высоте (глубине) дефекта соответствующее искривлению лазерной полоски на изображении дефекта, с - цена деления окулярной шкалы в плоскости объекта, зависящая от увеличения эндоскопа и коэффициента преобразования профиля, зависящим от углов подсветки и наблюдения дефекта и определяемая экспериментально при метрологической поверке устройства по объекту известной толщины, устанавливаемом на расстоянии R от объектива эндоскопа по оси его визирования перпендикулярно ей, плоскостные размеры ΔX(оу) дефекта оцениваются с помощью той же шкалы, но по соотношению ΔХ=n_i·c_i, где n - число делений шкалы, приходящихся на изображение дефекта вдоль заданного направления, c - цена деления шкалы в плоскости объекта, определяемая экспериментально с помощью аттегтованной линейной шкалы, размещаемой на оси визирования эндоскопа перпендикулярно к ней на расстоянии R от его объектива.

Схема устройства представлена на фиг.1-3, на которых показаны оптико-конструктивная схема устройства (фиг.1), оптическая схема лазерного канала секционированной подсветки объекта плоским лучом (фиг.2), схема сканирования лазерной подсветки (фиг.3) и варианты реализации лазерной подсветки при различной ориентации дефектов относительно плоскости расположения кольцевого сварного шва (фиг.4).

Устройство содержит стандартный эндоскоп бокового обзора 1 с углом зрения 2β и длиной L≥R, где R - радиус контролируемой полости с измерительной окулярной шкалой, закрепленной в центрирующем фланце 3, устанавливаемый во втулке 4 на выходном торце контролируемой полости 15 радиуса R с возможностью вращения фланца с эндоскопом относительно продольной оси корпуса эндоскопа. Объектив эндоскопа устанавливается в центре контролируемой полости 15, а его ось визирования располагается в меридианальной плоскости контролируемой полости, в которой находится кольцевой сварной шов, соединяющий две полусферы, составляющие контролируемую сферическую полость. Во фланце 3 установлен корпус 2 дополнительного канала лазерной подсветки объекта, состоящий из жесткой секции длиной L_ж≤R₁ гибкой (поворачиваемой) секции длиной L_г≥R₁, соединенных шарниром 5, расположенным в центре сферы. С помощью механизма 7 со шкалой 8 и указателем 9, размещенного на внешней части корпуса канала подсветки, осуществляется поворот (изгиб) гибкой секции относительно шарнира 5 с фиксацией угла этого поворота, происходящего в плоскости, проходящей через центр сферы перпендикулярно ее меридианальной плоскости, в которой находится кольцевой сварной шов, с помощью вышеуказанной шкалы 8. В корпусе 2 находятся элементы оптической схемы лазерного канала подсветки (фиг.2). Ось жесткой части корпуса 2 параллельна продольной оси корпуса эндоскопа 1. На фланце 3 расположена круговая шкала 10, по которой с помощью указателя 11, установленного на втулке 12, считывается величина угла поворота фланца 3, в котором установлены эндоскоп 1 и канал лазерной подсветки 2 относительно продольной оси корпуса эндоскопа при сканировании кольцевого сварного шва 14.

Жесткий эндоскоп 1 содержит стандартные блоки осветителя 12 наблюдения 13. Блок 13 может быть окулярным со стандартной измерительной шкалой (не показаны в силу общеизвестности) или с телевизионной системой наблюдения.

Оптическая схема канала лазерной подсветки (фиг.2) содержит микролазер 1, градиентные линзы 2, установленные на торцах световода 5. Торцы световода 3 совпадают с фокальными плоскостями линз 2, цилиндрической линзы 4 с фокусным расстоянием f_ц, сферической линзы 5 с фокусным расстоянием f_с и зеркала 6. Линзы 4 и 5 последовательно установлены на оси градиентной линзы 2 на выходе световода 3. Зеркало 5 установлено на этой же оси на расстоянии Δ от сферической линзы 5 под углом γ к ней.

На фиг.2 R - радиус контролируемой полости, t - расстояние от центра (0) сферы до центра зеркала 6, S - расстояние от центра зеркала 6 до точки пересечения оси лазерного пучка с поверхностью контролируемой сферы, S=R/sinα, α - угол наклона этой оси к меридианальной плоскости сферы. Между углами γ и α существует очевидное соотношение γ=90°-(α/2), вытекающее из закона отражения лучей от плоского зеркала. Фокусное расстояние сферической линзы выбирается из соотношения t_с=t+Δ, а фокусное расстояние цилиндрической линзы из соотношения t_ц≥r/tgϕ, где ϕ≥β - угол раскрытия плоского лазерного луча.

На фиг.3 показана схема сканирования подвижной части канала лазерной подсветки в классических ортогональных проекциях. Здесь α - угол наклона оси плоского лазерного пучка к меридианальной плоскости контролируемой сферы, ω - угол поворота подвижной части корпуса канала лазерной подсветки в плоскости, перпендикулярной оси визирования эндоскопа.

На фиг.4 в аксонометрической объемной проекции представлены варианты лазерной подсветки для характерных случаев ориентации дефектов типа трещин относительно плоскости кольцевого сварного шва, а также соответствующие изображения лазерных полосок (световых сечений) дефектов в плоскости окулярной шкалы эндоскопа.

Устройство работает следующим образом.

Гибкая (подвижная) часть канала лазерной подсветки устанавливается с помощью механизма ее изгиба в положение, при котором ее ось параллельна продольной оси корпуса эндоскопа.

Затем фланец с эндоскопом и каналом дополнительной лазерной подсветки устанавливается в предварительно закрепленной на входном отверстии контролируемой сферы втулке.

Включают блок осветителя эндоскопа и производят визуальный осмотр кольцевого сварного шва, вращая фланец во втулке. При обнаружении дефекта фиксируют его угловые (полярные) координаты и измеряют его планарные (плоскостные) размеры с помощью окулярной шкалы по соотношению Δх=c_i·n_i, где n_i - число делений шкалы, приходящееся на изображение дефекта, c_i - цена деления шкалы, приведенная к внутренней поверхности контролируемой сферы. Калибровка шкалы производится по стандартной методике, основанной на размещении на расстоянии R от объектива эндоскопа перпендикулярно его визирной оси линейной шкалы с известным расстоянием между штрихами.

При необходимости измерения высоты (глубины) объемных дефектов (трещины, коррозионные раковины, наплывы и брызги на валике кольцевого сварного шва) включают микролазеры с помощью механизма изгиба гибкой (подвижной) части канала лазерной подсветки, поворачивают его на угол 0≤ω≤180° в плоскости, проходящей через центр сферы параллельно оси визирования эндоскопа, фиксируют угол поворота с помощью шкалы механизма изгиба подвижной части лазерного канала подсветки, наблюдают в плоскости окулярной шкалы эндоскопа изображение лазерной полоски и измеряют высоту (глубину) дефекта в соответствующем сечении по соотношению ΔН=с·n, где n - число делений шкалы, приходящееся на искривление полоски на дефекте (фиг.4), c - цена деления окулярной шкалы при измерении высоты (глубины) дефекта, приведенная к внутренней поверхности контролируемой сферы и определяемая предварительно при калибровке устройства с помощью объекта известной толщины, располагаемой на расстоянии R от его объектива и освещаемая лазерным лучом под углом α.

Литература

1. Измерительный сканирующий эндоскоп ОГ-50. Проспект фирмы ЗАО МИПО Спектр.

2. Проспект фирмы «Sverest», США, Эндоскопы измерительные серии XLM.

3. Бычков О.Д. Контроль внутренних поверхностей. - М.: Энергия, 1975, 120 с.

Устройство содержит эндоскоп бокового обзора с окулярной измерительной шкалой, закрепленной в центрирующем фланце с круговой шкалой, устанавливаемом во втулке на выходном торце контролируемой полости с возможностью вращения фланца с эндоскопом, объектив которого устанавливается в центре контролируемой полости, а ось визирования находится в зоне расположения кольцевого сварного шва, соединяющего полусферы полости, дополнительно введен изгибаемый канал подсветки внутренней поверхности полости плоским лазерным лучом под различными углами. Канал лазерной подсветки состоит из полупроводникового микролазера, установленного на оси градиентной линзы, расположенной на входном торце световода, совпадающем с задним фокусом градана, второй аналогичной градиентной линзы, установленной на выходном торце световода, цилиндрической линзы, сферической линзы и плоского зеркала. Технический результат - расширение технических возможностей и качественное улучшение функциональных возможностей эндоскопов. 4 ил.

Устройство для визуального и измерительного контроля внутренних полостей, содержащее эндоскоп бокового обзора с окулярной измерительной шкалой, закрепленные в центрирующем фланце с круговой шкалой, устанавливаемом во втулке на входном торце контролируемой полости с возможностью вращения фланца с эндоскопом относительно продольной оси эндоскопа, объектив которого устанавливается в центре контролируемой полости, а ось визирования находится в меридиональной плоскости, перпендикулярной продольной оси эндоскопа и совпадающей с зоной расположения кольцевого сварного шва, соединяющего полусферы полости, дополнительно введен оптический канал подсветки внутренней поверхности полости плоским лазерным лучом под различными углами (ракурсами), состоящий из жесткой секции, установленной в центрирующем фланце параллельно продольной оси эндоскопа и гибкой секции длиной t≤R, где R - радиус полости, изгибаемой с помощью установленного на внешней части корпуса канала лазерной подсветки механизма со шкалой для фиксации угла изгиба гибкой секции, ось вращения гибкой секции проходит через центр сферы и параллельна оси визирования эндоскопа, плоскость вращения гибкой секции перпендикулярна этой оси, ось симметрии плоского лазерного луча и ось визирования эндоскопа пересекаются на поверхности сферы в одной точке, при этом угол α между плоскостью лазерной подсветки и плоскостью, проходящей через эту точку перпендикулярно оси визирования эндоскопа, выбирается из соотношения α=arctg(t/R), оптическая схема канала лазерной подсветки состоит из полупроводникового микролазера, установленного на оси градиентной линзы, расположенной на входном торце световода, совпадающем с задним фокусом градана, второй аналогичной градиентной линзы, установленной на выходном торце световода, цилиндрической линзы с фокусным расстоянием f'_ц, расположенной на оптической оси выходного градана сферической линзы с фокусным расстоянием f'_с, также расположенной на оси выходного градана и плоского зеркала, расположенного за сферической линзой на ее оси на расстоянии Δ под углом γ=90°-(α/2), фокусное расстояние линзы выбирается из соотношения f'_c=Δ+S, где S=R/sinα, фокусное расстояние цилиндрической линзы выбирается из соотношения f'_цr/tgϕ, где r - радиус лазерного пучка на входе цилиндрической линзы, ϕ>β, где ϕ - угол раскрытия плоского лазерного пучка, β - половина угла поля зрения эндоскопа, высота (глубина) дефектов оцениваются с помощью окулярной шкалы эндоскопа по соотношениям ΔН=с·n, где n - число делений окулярной шкалы, приходящихся на пропорциональное высоте (глубине) дефекта соответствующее искривление лазерной полоски на изображении дефекта, с - цена деления окулярной шкалы в плоскости объекта, зависящая от увеличения эндоскопа и коэффициента преобразования профиля, зависящего от углов подсветки и наблюдения дефекта, и определяемая экспериментально при метрологической поверке устройства по объекту известной толщины, устанавливаемому на расстоянии R от объектива эндоскопа по оси его визирования перпендикулярно ей, плоскостные размеры Δх(оу) дефекта оцениваются с помощью той же шкалы, но по соотношению Δx=n_i·c_i, где n_i - число делений шкалы, приходящихся на изображение дефекта вдоль заданного направления, с_i - цена деления шкалы в плоскости объекта, определяемая экспериментально с помощью аттестованной линейной шкалы, размещаемой на оси визирования эндоскопа перпендикулярно к ней на расстоянии R от его объектива.