УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Устройство относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к оборудованию контроля качества подготовки стыков труб к сварке и качества сварных трубопроводов и может быть использовано, например, при строительстве и эксплуатации трубопроводов большого диаметра.
Качество трубопровода в значительной мере определяется качеством сварки стыков труб. Получение качественного сваренного стыка трубопровода невозможно без проведения контроля на этапе подготовки стыкуемых труб под сварку, и проверки качества полученного сварного соединения, а также объективного документирования информации.
Контроль внешним осмотром и измерениями предназначен для выявления поверхностных дефектов и несоответствия формы и геометрических размеров усиления сварных швов и смещения кромок установленным требованиям ГОСТов и ТУ на качество сварных соединений по внешнему виду Контроль внешним осмотром и измерениями является обязательной операцией при выполнении сварочных работ и должен проводиться независимо от других неразрушающих методов контроля и всегда предшествовать им. (см, напр. Пособие к СНиП III-18-75 Пособие по методам контроля качества сварных соединений металлических конструкций и трубопроводов, выполняемых в строительстве 1986-07-18 00:00:00).
Контроль качества собранного стыка трубопровода под сварку заключается в анализе величины смещения поверхностей стыкуемых труб и проверке соответствия периметров стыкуемых труб. Контроль качества сваренного стыка трубопровода заключается в анализе высоты усиления и ширины сварного шва и величины смещения поверхностей. Стыки труб совмещают, сваривают на месте (например при помощи автоматического сварочного аппарата), снимают образовавшийся грат (например при стыковой электроконтактной сварке оплавлением), анализируют высоту усиления сварного шва. Затем качественный стык изолируют и полученный участок трубопровода закапывают.Очень важно, чтобы любой дефект сварного шва был быстро выявлен и проанализирован, как в ходе цикла строительства, так и во время эксплуатации трубопровода.
Известны устройства координатного оптического контроля взаимного положения объектов (см., напр., пат. РФ №1805766, Мкл G05D 3/14 опубл. 1995.04.20) Недостатком этого технического решения является контроль совмещения объектов по отдельным координатам, что не позволяет обеспечить надежный контроль в случае некруглости совмещаемых концов труб.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является, по мнению заявителя, устройство 3D сканирования «Штрих 1» фирмы «РИФТЕК» (http://riftek.com), предназначенное для получения объемной компьютерной модели путем бесконтактного сканирования изделий. Это устройство содержит лазерный триангуляционный датчик, подключенный к блоку управления, соединенным с PCI-платой управления и персональным компьютером. Датчик устанавливают на шпиндель станка. Для перемещения датчика над изделием используют систему ЧПУ станка, а персональный компьютер использует программное обеспечение «Ashera».
Недостатком этого устройства является невозможность использования его для контроля точного совмещения стыков труб торцов смежных отрезков трубопровода, что необходимо осуществить перед началом процесса сварки для обеспечения качественной сварки и проверить качество полученного сварного соединения после завершения процесса сварки стыка (отсутствие непроваров, облоя и т.п.), а также объективно документировать полученную информацию.
Целью предложения является создание устройства для контроля сварного соединения трубопровода на всех этапах его изготовления, т.е. контроль точного совмещения стыков труб торцов смежных отрезков трубопровода перед началом процесса сварки и соответствия периметра стыкуемых труб, контроль выполненного сварного соединения, т.е. оценка качества полученного сварного соединения после завершения процесса сварки стыка (отсутствие непроваров, облоя и т.п.) и объективно документирующего полученную информацию с точной привязкой информации к конкретному месту сварного соединения.
С этой целью предлагается устройство лазерографического контроля качества подготовки стыков труб к сварке и качества сварных трубопроводов, содержащее лазерный триангуляционный дальномер, модуль управления, персональный компьютер и модуль перемещения, на котором установлена платформа с размещенными на ней лазерным триангуляционным дальномером, блоком ориентации, блоком идентификации, дальномером, датчиком пройденного пути, модулем сбора и подготовки информации, модулем приема/передачи данных, при этом в персональном компьютере за счет использования программного обеспечения установлены модули приема данных, обработки данных, визуализации, записи и хранения данных, воспроизведения данных и модуль управления, причем выходы лазерного триангуляционного дальномера, блока ориентации, блока идентификации, дальномера, датчика пройденного пути подключены к соответствующим входам модуля сбора и подготовки информации, соединенного двухсторонней информационной связью с модулем приема/передачи данных, соединенным двусторонней информационной связью с модулем перемещения, сигнальный выход модуля приема/передачи данных образует сигнальный выход платформы, соединенный с модулем приема данных персонального компьютера, выход модуля передачи команд персонального компьютера соединен с командным входом платформы, образованным командным входом модуля приема/передачи данных, выход модуля приема данных подключен к входу модуля обработки данных персонального компьютера, выход которого подключен к информационному входу модуля воспроизведения данных, выход которого соединен с сигнальным входом модуля визуализации, модуль воспроизведения данных соединен двухсторонними связями соответственно с модулями управления и записи и хранения данных. В предлагаемом устройств модули обработки данных, визуализации, воспроизведения данных и управления персонального компьютера могут быть реализованы программным обеспечением, модуль перемещения выполнен самоходным и снабжен удерживающими магнитами. Модуль перемещения может быть установлен с возможностью перемещения на кольцевых разъемных направляющих, а блок ориентации выполнен в виде гироскопа или в виде датчика уровня. Датчик пройденного пути может быть выполнен в виде по крайней мере одного выносного ролика, установленного на платформе с возможностью обкатывания контролируемой поверхности и снабженного преобразователем угол/код, а блок идентификации выполнен в виде ридера меток. Устройство может содержать дальномер, выполненный, например, лазерным, выход которого подключен к соответствующему входу модуля сбора и подготовки информации.
Сущность предложения поясняется чертежами, на которых представлен пример реализации предложения. Этот пример ни в коей мере не ограничивает любые другие варианты выполнения различных функциональных узлов предлагаемого устройства.
Проведенные патентные исследования не выявили идентичных и сходных технических решений. Предлагаемое устройство лазерографического контроля качества подготовки стыков труб к сварке и качества сварных трубопроводов может быть изготовлено в промышленных масштабах и пригодно для использования в строительстве трубопроводов (например газопроводов), в том числе магистральных.
Заявителем были проведены успешные макетные испытания заявляемого устройства лазерографического контроля качества подготовки стыков труб к сварке и качества сварных трубопроводов. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства не следует явным образом из изученного уровня техники, имеет существенные отличия от рассмотренных аналогов. Поэтому заявитель считает, что заявляемое устройство лазерографического контроля геометрических параметров сварных соединений трубопроводов соответствует критерию «новизна» и имеет изобретательский уровень.
На фиг.1 представлен пример выполнения функциональной схемы устройства, на фиг.2 представлена функциональная схема считывающей головки лазерного триангуляционного дальномера.
Устройство содержит лазерный триангуляционный дальномер 1, модуль 2 управления, размещенный в персональном компьютере 3, модуль 4 перемещения, на котором установлена платформа 5, на которой размещены лазерный триангуляционный дальномер 1, блок 6 ориентации, блок 7 идентификации, лазерный дальномер 8, датчик 9 пройденного пути, модуль 10 сбора и подготовки информации, модуль 11 приема/передачи данных, блок 12 питания, а персональный компьютер 3 содержит модуль 13 приема данных, модуль 14 обработки данных, модуль 15 визуализации, модуль 16 воспроизведения данных, модуль 17 передачи команд, модуль 18 записи и хранения данных и модуль 2 управления, выходы лазерного триангуляционного дальномера 1, блока 7 идентификации, лазерного дальномера 8, датчика 9 пройденного пути подключены к соответствующим входам модуля 10 сбора и подготовки информации, соединенного двухсторонней информационной связью с модулем 11 приема/передачи данных, соединенным двусторонней информационной связью с модулем 4 перемещения, сигнальный выход модуля 11 приема/передачи данных образует сигнальный выход платформы 5, соединенный с модулем 13 приема данных персонального компьютера 3, выход модуля 17 передачи команд персонального компьютера 3 соединен с командным входом платформы, 5, образованным командным входом модуля 11 приема/передачи данных, выход модуля 13 приема данных подключен ко входу модуля 14 обработки данных персонального компьютера 3, выход модуля 14 обработки данных подключен к информационному входу модуля 16 воспроизведения данных, выход которого соединен с сигнальным входом модуля 15 визуализации, модуль 16 воспроизведения данных соединен также двухсторонними связями соответственно с модулем 2 управления и модулем 18 записи и хранения данных. На схеме показаны кольцевые разъемные направляющие 19, на которых установлен с возможностью перемещения модуль 4 перемещения и устанавливаемый в модуле 18 информационный носитель 20. Блок питания персонального компьютера 3 на схеме не показан.
Лазерный триангуляционный дальномер 1 (фиг.2) содержит полупроводниковый лазер 21, выходной объектив 22, собирающий объектив 23, двумерную CMOS-матрицу 24, сигнальный процессор 25. Позицией 26 обозначен участок сканируемого сварного шва, позицией 27 - спроектированное на него излучение сканирующего лазера 21 Плоскость сканирования обозначена индексами Х и Z.
Устройство работает следующим образом:
Установленный на платформе 5 блок 12 питания, который может быть, например, автономным, обеспечивает работу всех функциональных элементов устройства, расположенных на платформе 5. Функциональные элементы персонального компьютера 3 получают питание от не показанного на функциональной схеме источника.
Следует заметить, что, так как мощность, потребляемая лазерным триангуляционным дальномером 1 (полупроводниковым лазером 21, двумерной CMOS-матрицей 24 и сигнальным процессором 25) и персональным компьютером 3, выполненными на современной электронной базе, незначительна, устройство обеспечивает работу в автономном режиме в течение всего рабочего дня без дозарядки аккумуляторных источников питания.
На собранный стык с внешней стороны на одной из труб устанавливают направляющие 19, (выполненные, например, из полуколец) для перемещения модуля 4 перемещения с платформой 5, на которой установлены соответствующие функциональные элементы устройства, по периметру соединяемых труб. Направляющие 19 устанавливают на первую трубу (со стороны плети) по направлению движения строительства для того, чтобы 3d-модель можно было программно разделить на 2 части (2 трубы размечают разным цветом). Это облегчает возможность последующего обнаружения дефекта по документам «как построено». В случае исполнения модуля 4 в виде самоходной тележки ее устанавливают на стык и включают удерживающие магниты. При любом выполнении модуля 4 перемещения необходимо обеспечить перемещение его вдоль контролируемого стыка.
Блок 6 ориентации может быть выполнен в виде гироскопа, что предпочтительнее при использовании устройства в автоматическом режиме. В этом случае при достижении заданной точки траектории движения модуля 4 перемещения (например, верхней точки стыка) блок 6 ориентации формирует импульс, являющийся репером для считываемого изображения. При ориентации в ручном режиме блок 6 ориентации может быть выполнен в виде пузырькового уровня, который позволяет визуально контролировать положение воздушного пузырька. В этом случае, когда модуль 4 перемещения выводит платформу 5 в верхнюю точку трубы, оператор вручную задает реперный импульс. Это будет нулевая (начальная) точка сканирования, которая в 3d-модели отмечается, например, цветом.
Модуль 4 перемещения перемещают с постоянной скоростью по направляющим 19 по периметру контролируемого стыка труб. Блок 7 ориентации, выполненный в виде ридера электронных меток, автоматически считывает при движении модуля 4 перемещения номер контролируемого стыка. В случае, если автоматическое считывание не произошло или не предусмотрено, оператор установки с помощью ручного ридера считывает информацию о стыке. Если это также не получилось, оператор вручную вводит номер стыка в 3d-модель.
Излучение полупроводникового лазера 21 формируется выходным объективом 22 в виде проецируемой на объект 26 линии 27. Рассеянное на объекте 26 излучение объективом 23 собирается на двумерной CMOS-матрице 24. Полученное изображение контура объекта анализируется сигнальным процессором 25, который рассчитывает расстояние до объекта - участка 26 сканируемого сварного шва - (координата Z) для каждой из множества точек вдоль лазерной линии 27 на объекте (координата X). Таким образом, лазерный трангуляционный дальномер 1 передает координаты точек поверхности стыка в системе координат XOZ.
Одновременно работают два датчика 8 лазерных дальномера, расположенные симметрично с двух сторон на определенном расстоянии от стыка (они определяют расстояние до каждой из труб и строят базовые точки-привязки для корректной прорисовки 3d-модели). Информация с датчиков 8 передается на персональный компьютер 3. Модуль 4 перемещения с платформой 5 делает полный оборот по периметру стыка и возвращается в начальное положение.
В случае исполнения устройства без лазерного дальномера 8 его функции выполняет лазерный триангуляционный дальномер 1, при соответствующем изменении программы сигнального процессора 25.
Процесс сканирования происходит в прямом режиме: 3d-модель одновременно с работой установленного на платформе 5 лазерного триангуляционного дальномера 1 по периметру стыка прорисовывается при помощи модулей 2, 13-16 персонального компьютера 3. После того как устройство просканировало полный оборот (проход), в программе получается полная компьютерная 3d-модель поверхности стыка труб (с цветным разделением 2-х труб и начальной точки), которую можно вращать в любом направлении, а также совмещать по реперным точкам с другими моделями, получаемыми за другой проход или с эталлоными моделями стыка. Программно (или визуально) определяют величины отклонений больше допустимых в центровке труб (места отмечаются цветом), а также определяют периметр труб программно на 3d-модели или при помощи датчика 9 пройденного пути, который «прокатывает» пройденное расстояние на каждой из труб вплотную к кромке труб, не заступая при этом на зону сканирования.
Определение местоположения дефекта на объекте может происходить в автоматизированном режиме: отмечая точку на 3d-модели - модуль 4 перемещается в необходимое местоположение и лазерный луч со сканирующего лазерного триангуляционного дальномера 1 отмечает выбранную точку на объекте. В неавтоматизированном режиме, зная ориентацию 3d-модели, масштаб и начальную точку, возможно отмерить расстояние до необходимого места.
После завершения работы оборудования (получения необходимого результата) устройство демонтируют в порядке, обратном установке.
На объемных пространственных моделях контролируемого стыкового соединения, полученных на каждом этапе контроля, вычисляют координаты точек поверхностей, на этапе подготовки стыкового соединения под сварку контролируют величину взаимного смещения поверхностей стыкуемых труб, протяженность смещения и соответствие периметров, после сварки контролируют высоту усиления, ширину сварного шва, величину смещения поверхностей и ее протяженность, после снятия грата контролируют высоты усиления сварного шва в каждой точке по всему периметру. Фиксация пространственных реперных точек, общих для всех этапов контроля, обеспечивает совместное исследование совмещенных по реперным точкам объемных компьютерных моделей для принятия более точного окончательного решения о годности стыка по результатам контроля.
Объемные компьютерные модели и записанная программа поступают на устанавливаемый в модуле 18 машиночитаемый информационный носитель 20 и сохраняются. Это позволяет как угодно долго сохранять и вносить эту информацию в различные глобальные информационные системы и банки данных, например - электронные банки данных «как сварено», «как построено».