專利名稱：用以檢測表面缺陷的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用以檢測特別是核燃料芯塊之類的圓柱狀物體上的表面缺陷的設備。
某些圓柱狀物體，如核燃料芯塊，必須滿足很嚴格的制造質量要求。這種物體可由一自動化生產線制造，而無需人工處理，并且在這樣一條生產線中有必要采用自動化設備檢驗物體的表面缺陷。該物體可以是例如用于所謂“agr”燃料元件的燒結圓柱狀UO2(二氧化鈾)芯塊。這種芯塊有一個因燃料性能原因而設的軸向孔。燒結的芯塊被插入不銹鋼包覆管中，管被密封以形成一個燃料棒，一束燃料棒裝配起來形成燃料元件。在插入包覆管之前要求自動地檢驗芯塊。
根據本發明，提供了一種用以檢測圓柱狀物體上的表面缺陷的設備，包括用以一個挨一個地以其端部朝下將待檢物體輸送到一第一檢驗工位的裝置，當物體通過第一檢驗工位時檢驗各物體自由端的裝置，用以一個挨一個地以其側面朝下將物體輸送到一第二檢驗工位的裝置，該裝置包括從其端部到其側面翻傳物體的裝置，當使物體以其側面朝下通過第二檢驗工位時轉動各物體的裝置，當物體通過第二檢驗工位時檢驗各物體弧形表面的裝置，將物體一個挨一個地輸送到第三檢驗工位的裝置，所述該裝置包括翻轉物體使在第一檢驗工位被檢的端部朝下的裝置，和當物體通過第三檢驗工位時檢驗各物體自由端的裝置。
與現有技術系統不同，根據本發明的設備允許除孔(如果圓柱狀物體有的話)內表面之外的所有表面在一連續操作(物體由一輸送帶裝置一個挨一個地進給到設備)中被檢驗。
本發明特別可應用于核燃料芯塊的自動檢驗。該芯塊可具有眾所周之的形狀，如空心的或實心的正圓形圓柱體。其端面可以是平表面，或者可以是非平表面的凸起弧面。芯塊可用于例如或是所謂AGR或是LWR類形的核反應堆。芯塊可包括氧化鈾，其內可有選擇地摻入niobia或氧化釓(gadolinia)。作為另一種選擇，芯塊可包括MOX(混合的氧化燃料)，例如包含鈾和氧化環的混合物。在這種情況下，芯塊通常位于一個手套箱之類的容器內，它封閉氧化環，以防外界污染。根據本發明的設備構件位于這種容器之外。該容器可包括一個例如由高質量玻璃制成的窗口，該窗口允許光輻射線穿入或穿出容器以檢驗其內的芯塊。由于任何一次只需少量的芯塊在容器內進行檢驗，所以窗口不需用作輻射線屏蔽。位于包含被檢芯塊的容器外側的設備構件周圍，可設置傳統的中子和γ射線屏蔽材料。
用于在第一和第二檢驗工位之間翻轉物體的裝置可包括一個第一翻轉工位，它包括一個在輸送軌道上的—臺階，該臺階可將物體的軸線的位置從垂直改變為水平。在第二和第三檢驗工位之間翻轉物體的裝置可包括一個第二翻轉工位，它包括一個在輸送軌道上的成形臺階，該臺階可將物體的軸線的位置從水平改變為垂直。在第一翻傳工位之后的輸送軌道可包括一個擋橋，它擋住在第一翻轉工位之后仍處垂直狀態的物體。
最好，檢驗弧形表面的裝置包括當物體處于第二檢驗工位時沿物體掃描-光束的裝置，和檢測一反射光束的第一檢測器裝置，該反射光束包括由掃描光束檢驗的各移動和轉動的圓柱狀物體反射的掃描光束。
該光束可以是一在光譜的可見部分或其它部分內的激光束。
當在被檢表面上存在一缺陷時，由于入射光束的散射，在使用中由第一檢測器裝置檢測的信號將明顯減弱，因此這種減弱就提供了關于存在一表面缺陷的信息。該缺陷可能是一碎屑或裂紋或刮痕或污跡，也可能是一個在制造過程中未光整的粗糙表面。該缺陷的尺寸，例如長度，寬度和表面積，可通過監測被檢信號減弱或多次減弱(在物體轉動期間如果是同期性的)的持續時間來測定。這些持續時間的值可在-信號處理器中數字化并與一個或多個參考值比較，以決定此缺陷的一個或多個尺寸或其面積是否超過了一預定的可接受極限。
用以檢驗弧形表面的裝置可另外包括一個檢測一透射光束的第二檢測器裝置，該透射光束包括當它不照射到物體上時透射的掃描光束。透射的光束可由一個或多個鏡面導向第二檢測器裝置。由第二檢測器裝置檢測的一個信號表示掃描光束已經在超出物體端部的位置通過受檢物體的軌跡。當掃描光束投射到該物體上時，該信號明顯減弱，即表示一個由物體擋住的陰影。所以監測信號減弱的持續時間可測定物體的位置和長度。在一信號處理器中信號減弱的持續時間可被轉變成一數字值并與預定的參考值相比。如果檢測的持續時間太長或太短，它就表示物體的長度不正確或在其端面附近，例如橫跨其端部和弧形表面，有一缺陷。最好也測定由第一檢測器裝置檢測的信號的持續時間和由第二檢測器裝置檢測的信號的持續時間之間的差別。如果該差別(當物體轉動時該差別有可能變化)太大，該物體就可被排除。處理第一和第二檢測器裝置輸出的信號處理器可以是一信號共用處理器。處理器可產生一“次品”或“合格”信號以表示受檢的物體是否帶有不能接受的表面缺陷。
當物體以其側面朝下通過第二檢驗工位時轉動各物體的裝置可包括一連續的皮帶和在兩個隔開的導向體，如輥子，上移動皮帶的裝置，一個導向體比另一導向體處于較高的垂直位置，因此皮帶的上表面相對于垂直和水平軸線是傾斜的，并且一個導桿靠近且橫跨皮帶的上表面延伸，因此當物體位于皮帶上并緊靠導桿上方時，物體橫貫皮帶并與導桿接觸，同時皮帶的運動使物體繞自身軸線轉動。此橫貫動作是由皮帶角度引起的。
在第一和第三檢驗工位檢測各物體自由端的裝置可包括一個儀器，用以當物體通過該儀器時電容性地檢測該儀器和該物體之間的間隙，該儀器可以是例如專利No.GB2145231中所描述的類型。當因存在一端面缺陷而使端部上任何位置處的間隙增加或減小時，檢測到的信號也相應減小或增加。所以該儀器就可通過監測被檢信號偏離由物體無缺陷端面所獲得的標準值的大小來測定缺陷深度，及長度，寬度和面積。該儀器可包括一信號處理器，該信號處理器以類似于上述信號處理器的方式比較一個代表一被檢缺陷大小的信號和一個或多個給定參考信號，并產生一個“合格”或“次品”信號。
當在任何一個第一，第二和第三檢驗工位檢測出被檢物體表面上的一個不能接受的缺陷時，即可例如借助于各檢驗工位之后的一排除工位從相關的物體生產線中排除該物體，該排除工位包括一個例如受檢測裝置信號處理器的一輸出“次品”信號控制的氣動推件，它被設置成將有缺陷物體推到一排除軌道上。
在使用中可隨時向檢驗工位送入一具有已知尺寸的表面缺陷的樣品物體，以校準該設備。
第一，第二和第三檢驗工位可各包括一個或多個用以檢測一物體接近檢驗端面的裝置的裝置，例如光學接近傳感器，以提供一輸出信號以使檢驗裝置通電，因此只是當物體處于檢驗工位時該裝置才通電。
作為另一種選擇，檢驗該物體各自由端的裝置可以是申請人在未決歐洲專利申請No.588624A中所要求保護的設備，其內容在此作為參考。該設備包括輻射物體端面的裝置，檢測由端面反射的大致平行于物體軸線的輻射線的檢測器裝置，和計算端面大小的計算器裝置，該端面已將輻射線直接反射到檢測器裝置。
作為該設備(EP588624A的主題)基礎的原理是端面會在一定程度上將輻射線反射到檢測器裝置，此程度取決于表面的結構。如果該表面是無缺陷的平滑表面，由該表面所實現的輻射線的反射主要是鏡面的，即接近垂直于反射表面的軸線。如果端面包括一缺陷，例如一裂縫或碎屑，由缺陷反射的輻射線是漫射的；缺陷的強度較低。通過將檢測器裝置大致定位在物體的軸線上，檢測器裝置就有可能檢測到因缺陷造成的低強度鏡面反射。用以輻射的裝置可包括一環形光源，其中心大致與物體的軸線重合。并可基本上透過反射的輻射線，這樣反射到檢測器裝置的光可無阻礙地穿過該光源。用以輻射的裝置可包括一組環形光源，它們的環心在沿軸線的不同位置均大致與物體的軸線重合。到達檢測器裝置的光線需無阻礙地穿過所有環形光源。檢測器裝置最好包括一個電子成象光電檢測器，盡管作為另一種選擇它也可包括一個非成象光電檢測器。在非成像光電檢測器的情況下，輸出信號與入射到檢測器上的光的總量成比例，由光電檢測器收到的光線基本上來自物體端面。在成像光電檢測器的情況下，來自檢測器裝置的輸出信號包括代表由檢測器裝置檢測的來自物體表面不同部分的反射輻射線強度。
在EP588624A的設備中，在成象光電檢測器的情況下，計算器裝置可包括一信號處理器，它分析由檢測器裝置提供的輸出信號。該處理器可累加所有的信號成分數值并將該累加值與一預定參考值相比。計算器裝置也可是一圖象處理器，它分析由檢測器提供的輸出信號。該處理器可將輸出成分數值與一預定參考值相比。隨后處理器計算分別在參考值以上和以下的帶有一個信號數值(就圖象而言為強度)的成分或者象素的數量。在參考值以上的象素數量就表示未受損的物體區域。
在使用根據本發明的設備時，可主要在一緩沖傳送(RTM)輸送帶上處理物體，該輸送帶具有一個英國專利No.GB2223998B中所描述和要求保護的那種輸送表面。輸送表面的形式在第一翻轉工位前和在第二翻轉工位之后可以是平的并在第一和第二翻轉工位之間的區域可以具有V形或U形斷面以為物體導向。
在各所述檢驗工位前的輸送軌道上，可設置一排列傳感器裝置。各排列傳感器可具有一擒縱機構，它使物體在隊列中以給定距離隔開，這樣當它們通過檢驗工位時，在被檢物體之間不會有相互干涉現象。
在第一和第三檢驗工位的入口，輸送軌道可將物體偏壓在一基面上，這樣在被檢驗時它們就會處于正確的側向位置(相對于輸送軌道的軸線)。
現在參照附圖，描述本發明的實施例，其中

圖1是一實施本發明的檢驗設備的側視圖；圖2是沿圖1中II-II線的剖面端視圖；圖3是一放大圖，詳細示出了圖2的部分結構。
核燃料芯塊1，例如用于agr圓柱狀UO燒結芯塊，由附圖所示的設備檢驗其表面缺陷。芯塊1在一個具有緩沖傳送(RTM)上表面的輸送帶3上輸送。輸送帶3安裝在支承結構5上。輸送帶3將芯塊1順序地傳送到第一檢驗工位7，第二檢驗工位9和第三工位11。由輸送帶3上的成形臺階構成的翻轉工位13，15使芯塊1的軸線位置分別從垂直改變成水平并從水平改變成垂直。
第一檢驗工位7包括一個檢驗芯塊1的一個端面的端面檢驗儀器8。一光學接近傳感器16檢測芯塊1的存在并使儀器8通電以進行檢驗。儀器8為專利說明書No.GB2145231中所描述的種類。當芯塊1通過檢驗儀器測頭17時，測頭17電容性地檢測測頭17和芯塊1的被檢驗表面之間的間隙(標稱1mm)。如果芯塊表面含有缺陷，檢測出的電容量就會偏離預期的標準，并且此偏離由一信號處理單元19記錄且數字化。當檢測出一缺陷并與儲存的參考值相比發現該缺陷不能接受時，單元19就向一排除工位21提供一輸出信號，在此工位一氣動推件(未示出)將此芯塊推入一個在主輸送帶3側面的排除軌道。
在第一檢驗工位7檢驗之后未被排除的芯塊1由翻轉工位13翻轉使其側面朝下，即使它們的軸線呈水平狀態。然后，將芯塊1輸送到第二檢驗工位9，在此工位檢驗各芯塊1的側彎曲表面。在第二檢驗工位9，如圖1所示，各芯塊從右到左通過該工位，同時繞其自身軸線轉動。各芯塊1被輸送到一個連續運動的皮帶21，皮帶21繞過支承在一支架30上的輥子22a，22b。如圖2和3所示，與輥子22a相比，輥子22b位于垂直方向上較高的位置，因此，皮帶21沿一個位于圖3中以S表示的一平面內的表面運動，該平面與圖3中以H表示的水平面成約30度角。如圖3所示，一導桿23靠近皮帶21的上表面21a定位并橫跨該表面，因此允許芯塊1頂著導桿23滑動并與皮帶21嚙合，因而使芯塊1橫貫皮帶21。
第二檢驗工位包括一個也安裝在結構5(如圖1所示)上的掃描激光裝置25，它在芯塊1被移動和轉動的同時沿芯塊1的軌跡掃描-入射激光束27，激光束27掃描在由圖1中虛線28a和28b表示的位置之間延伸，該等位置的間隔大于芯塊1的長度。當激光束27未投射到芯塊1上時，它作為一透射激光束27a被透射，并然后由一透射激光束檢測器29(示于圖2中但圖1中未示出)檢測。透射激光束27a穿過導板23上的一通道24并由一鏡面31反射到透射激光束檢測器29。
當激光束27被投射到芯塊1上時，它作為一反射激光束27b被反射到一個反射激光束檢測器33(示于圖2中但圖1未示出)。
由檢測器29檢測的信號允許檢測芯塊的長度和位置。如果芯塊1太長或太短它就會被排除。在接收器29無信號產生，即當激光束27作為反射激光束27b在芯塊1上反射時接收器注視一個陰影。在芯塊1于皮帶21上滾動期間，如果芯塊1含有一個橫跨其端部和側表面的“端帽”，通過比較檢測器29的輸出與檢測器33的輸出所得到的受檢長度就可能偏離一個已知標準，并且可作為一個次品記錄該芯塊。如果芯塊1在其弧形側表面上帶有劃痕或其它缺陷，激光束27就會被缺陷散射，并且由反射激光束檢測器33檢測到的信號將明顯減小。通過將檢測器33的輸出輸入微處理器36，并且在此使芯塊1被移動和滾動時激光束27散射的持續時間的值數字化，且將該數字化的值與預定的參考值比較，可檢測出缺陷的尺寸。以這種方式發現大于一預定長度和/或預定面積的弧形表面上的缺陷可被認定為不能接受。在第三檢驗工位11檢驗之前，一個由來自微處理器36的輸出控制的排除工位(未示出)使次品芯塊1分離。該排除工位可包括一個在導桿23上的由一蓋板覆蓋的開口，當致動時該蓋板可被移開。
在第二檢驗工位9檢驗之后未被排除的芯塊1由翻轉工位15翻轉使其端部朝下(與在第一工位7它們被檢驗的端部相反)，即使它們的軸線呈垂直狀態。然后將芯塊1進給到第三檢驗工位11，該工位包括一個與儀器8相同的檢驗儀器35，即帶有一個與傳感器16類似的光學接近傳感器37，與測頭17類似的一個電容性檢驗儀器側頭39和一個與單元19類似的信號處理單元40。當單元40檢測出不能接受的缺陷時，單元40就操縱一個在排除工位41處的機構(類似于排除工作21的機構)。最后，可接受的芯塊1就到達輸送帶3的端部(在圖1所示的右側)，并可隨后輸送到一減震儲架(未示出)或輸送到生產線的下一階段。
附圖中所示的用以輸送，收集或儲存芯塊1(包括排除)的設備部分可裝在一具有受控氣氛及過濾系統的安全罩內，以捕獲懸浮于空氣中的輻射性顆粒。
權利要求
1.一種用以檢測圓柱狀物體上的表面缺陷的設備，包括用以一個挨一個地以其端部朝下將待檢物體輸送到一第一檢驗工位的裝置，當物體通過第一檢驗工位時檢驗各物體自由端的裝置，用以一個挨一個地以其側面朝下將物體輸送到一第二檢驗工位的裝置，該裝置包括從其端部到其側面翻傳物體的裝置，當使物體以其側面朝下通過第二檢驗工位時轉動各物體的裝置，當物體通過第二檢驗工位時檢驗各物體弧形表面的裝置，將物體一個挨一個地輸送到第三檢驗工位的裝置，所述該裝置包括翻轉物體使在第一檢驗工位被檢的端部朝下的裝置，和當物體通過第三檢驗工位時檢驗各物體自由端的裝置。
2.如權利要求1所述的設備，其中在第一和第二檢驗工位之間翻轉物體的裝置包括一個第一翻轉工位，它包括一個在輸送裝置上的臺階，該臺階可將物體的軸線的位置從垂直改變為水平，并且在第二和第三檢驗工位之間翻轉物體的裝置包括一個第二翻轉工位，它包括一個在輸送裝置上的成形臺階，該臺階可將物體的軸線的位置從水平改變為垂直。
3.如權利要求1或2所述的設備，其中檢驗弧形表面的裝置包括當物體處于第二檢驗工位時沿物體掃描-光束的裝置，和檢測一反射光束的第一檢測器裝置，該反射光束包括由掃描光束檢驗的各移動和轉動的圓柱狀物體反射的掃描光束。
4.如權利要求1，2或3所述的設備，其中檢驗弧形表面的裝置另外包括一個檢測一透射光束的第二檢測器裝置，該透射光束包括它不照射到物體上時透射的掃描光束。
5.如權利要求4所述的設備，包括一個或多個將透射光束導向第二檢測器裝置的鏡面。
6.如權利要求3所述的設備，包括一個信號處理器，用以比較由第一檢測器裝置檢測到的信號和一參考信號。
7.如權利要求4或5所述的設備。其中信號處理器也可用以比較由第二檢測器裝置檢測的信號和一參考信號。
8.如任一上述權利要求所述的設備，其中當物體以其側面朝下通過第二檢驗工位時轉動各物體的裝置包括一連續的皮帶和在兩個隔開的導向體上移動皮帶的裝置，一個導向體比另一導向體處于較高的垂直位置，因此皮帶的上表面相對于垂直和水平軸線是傾斜的，并且一個導桿靠近且橫跨皮帶的上表面延伸，因此當物體位于皮帶上并緊靠導桿上方時，物體橫貫皮帶并與導桿接觸，同時皮帶的運動使物體繞自身軸線轉動。
9.如任一上述權利要求所述的設備，其中在第一檢驗工位和第三檢驗工位之一或兩者處檢驗各物體自由端的裝置包括一個儀器，用以當物體通過儀器時電容性地檢測該儀器和物體之間的間隙。
10.如權利要求1至8中任一權利要求所述的設備，其中在第一檢驗工位和第三檢驗工位之一或兩者處檢驗各物體自由端的裝置包括輻射物體端面的裝置，檢測由端面反射的大致平行于物體軸線的輻射線的檢測器裝置，和計算端面大小的計算器裝置，該端面已將輻射線直接反射到檢測器裝置。
11.如任一上述權利要求所述的設備，其中第一，第二和第三檢驗工位中的一個或多個工位包括一個或多個用以檢測一物體接近檢驗工位的裝置，在使用中提供一輸出信號以使檢驗裝置通電，因此只是當物體處于檢驗工位時該裝置才通電。
12.如權利要求1及在此之前參照附圖所描述的設備。
全文摘要
一種用以檢測圓柱狀物體上的表面缺陷的設備，包括用以一個挨一個地以其端部朝下將待檢物體輸送到一第一檢驗工位的裝置，當物體通過第一檢驗工位時檢驗各物體自由端的裝置，用以一個挨一個地以其側面朝下將物體輸送到一第二檢驗工位的裝置，該裝置包括從其端部到其側面翻傳物體的裝置，當使物體以其側面朝下通過第二檢驗工位時轉動各物體的裝置，當物體通過第二檢驗工位時檢驗各物體弧形表面的裝置，將物體一個挨一個地輸送到第三檢驗工位的裝置，所述該裝置包括翻轉物體使在第一檢驗工位被檢的端部朝下的裝置，和當物體通過第三檢驗工位時檢驗各物體自由端的裝置。
文檔編號G01N21/95GK1110063SQ9419032
公開日1995年10月11日 申請日期1994年5月3日 優先權日1993年5月5日
發明者I·S·戴維遜, T·G·賴斯, M·黑格 申請人:英國核子燃料公司