JP2008058029A - Ultrasonic analysis system - Google Patents
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Description
本発明は、曲面を含む表面を有する検査対象物の超音波解析を行う超音波解析システムに関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic analysis system that performs ultrasonic analysis of an inspection object having a surface including a curved surface.
従来、超音波解析の分野の技術として、XYステージを用いて超音波探触子をXY方向に走査し、検査対象物の表面をスキャンすることで、表面上の多点における超音波振動を取得し、検査対象物内部の異常の平面的な分布を得る方法が知られていた(例えば、非特許文献1参照。)。
しかしながら、上記方法では、探触子が平面的に移動するので、検査対象物の表面において平面をスキャンする検査には適しているが、曲面を含む表面をスキャンすることはできなかった。従って、上記方法では、複雑な表面形状をもつ検査対象物上においては、多点の超音波振動に基づく超音波解析を行うことができなかった。 However, in the above method, since the probe moves in a plane, it is suitable for an inspection in which a plane is scanned on the surface of the inspection object, but a surface including a curved surface cannot be scanned. Therefore, in the above method, ultrasonic analysis based on multi-point ultrasonic vibrations cannot be performed on an inspection object having a complicated surface shape.
そこで、本発明は、複雑な表面形状をもつ検査対象物上の多点における超音波振動を取得することができる超音波解析システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ultrasonic analysis system that can acquire ultrasonic vibrations at multiple points on an inspection object having a complicated surface shape.
本発明に係る超音波解析システムは、曲面を含む表面を有する検査対象物の超音波解析を行う超音波解析システムにおいて、検査対象物に検査用超音波を発信する超音波探触子と、検査対象物の表面上の測定スポットにレーザ光を照射するレーザ投受光部を有し、当該測定スポットにおける検査用超音波による振動を測定するレーザ振動計と、レーザ投受光部を移動させるロボットアームと、レーザ投受光部からのレーザ光が検査対象物の表面に垂直に入射する位置関係を維持しながら検査対象物の表面に沿ってレーザ投受光部を移動させるようにロボットアームを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。 An ultrasonic analysis system according to the present invention is an ultrasonic analysis system that performs ultrasonic analysis of an inspection object having a surface including a curved surface, an ultrasonic probe that transmits ultrasonic waves for inspection to the inspection object, and an inspection A laser vibrometer that irradiates a measurement spot on the surface of the object with a laser beam, a laser vibrometer that measures the vibration caused by the inspection ultrasonic waves at the measurement spot, and a robot arm that moves the laser projecting and receiving unit; A control unit that controls the robot arm to move the laser light projecting and receiving unit along the surface of the inspection object while maintaining a positional relationship in which the laser light from the laser projecting and receiving unit is perpendicularly incident on the surface of the inspection object And.
この超音波解析システムにおいては、超音波探触子から検査対象物に検査用超音波が入射され、この検査用超音波による検査対象物表面の測定スポットの振動が、レーザ振動計により測定される。このレーザ振動計のレーザ投受光部は、ロボットアームの駆動によって移動するので、制御部にロボットアームの動作をプログラミングすることで、レーザ投受光部を複雑な軌道で正確に移動させることが可能になる。従って、検査対象物の表面が複雑な曲面を含む場合であっても、その検査対象物の表面に沿ってレーザ投受光部を正確に移動させ、測定スポットに垂直にレーザ光を照射させながら表面を非接触状態で走査することができる。また、このシステムでは、検査対象物表面の振動をレーザ振動計によって測定するので、レーザ投受光部からのレーザ光のスポット径を小さくすることで、曲率半径が小さい曲面においても、曲面上の各スポットの振動を正確に測定することができる。その結果、検査対象物が複雑な形状をなす場合にも、表面上の多点における超音波振動を取得することができる。 In this ultrasonic analysis system, ultrasonic waves for inspection are incident on an inspection object from an ultrasonic probe, and the vibration of a measurement spot on the surface of the inspection object due to the ultrasonic waves for inspection is measured by a laser vibrometer. . The laser projector / receiver of this laser vibrometer is moved by driving the robot arm, so it is possible to accurately move the laser projector / receiver along a complicated trajectory by programming the operation of the robot arm in the controller. Become. Therefore, even when the surface of the inspection object includes a complicated curved surface, the laser light projecting / receiving unit is accurately moved along the surface of the inspection object, and the surface is irradiated with the laser beam perpendicularly to the measurement spot. Can be scanned in a non-contact state. In this system, since the vibration of the surface of the inspection object is measured by a laser vibrometer, the spot diameter of the laser light from the laser light projecting / receiving unit is reduced, so that each surface on the curved surface has a small curvature radius. Spot vibrations can be measured accurately. As a result, even when the inspection object has a complicated shape, ultrasonic vibrations at multiple points on the surface can be acquired.
本発明の超音波解析システムによれば、複雑な表面形状をもつ検査対象物上の多点における超音波振動を取得することができる。 According to the ultrasonic analysis system of the present invention, it is possible to acquire ultrasonic vibrations at multiple points on an inspection object having a complicated surface shape.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る超音波解析システムの好適な一実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of an ultrasonic analysis system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1に示す超音波解析システム1は、鉄道レール3を検査対象物として超音波解析を行い、レール3の損傷評価等の材料評価を行うためのシステムである。超音波解析システム1は、検査用超音波を発信する超音波探触子5と、その検査用超音波によるレール3表面の超音波振動を測定するレーザドップラー振動計7とを備えている。
An
上記超音波探触子5は、レール3の表面に密着して設置され、信号発生器9及び信号増幅器11を経て入力された信号に基づく検査用超音波を発生させ、レール3に入射する。更に、レール3の他の位置における表面付近には、振動計7のレーザ投受光部7aが非接触で配置される。そして、上記検査用超音波によってレール3の表面に発生した超音波振動が、上記レーザ投受光部7aにより検出される。検出された超音波振動の情報は、電気信号に変換され、振動計7の本体7bからAD変換器15を経由して、オシロスコープ機能を有するコンピュータ17に入力され、コンピュータ17では上記振動の情報が表示/記録される。
The
この振動計7のレーザ投受光部7aは、レーザ干渉計を構成しており、非接触状態でレール3表面にスポット径約20μmのレーザ光を投光し、その表面からの反射レーザ光を受光する。そして、振動計7では、レーザ投受光部7aで投受光した上記レーザ光の干渉に基づいて超音波振動が検出される。このレーザ投受光部7aは、6軸制御のロボットアーム19の先端19aに取り付けられている。このロボットアーム19は、上記コンピュータ(制御部)17で実行される制御プログラムに従って動作し、レーザ投受光部7aの3次元的な位置及び姿勢を制御する。このような制御により、レーザ投受光部7aを±0.02mmの精度で3次元的に位置決めすると共に、レーザ投受光部7aのレーザ光の照射方向を3次元的に調整して所望の位置及び方向からレール3にレーザ光を入射させることができる。
The laser projecting / receiving
超音波探触子5から検査用超音波が発信されている状態において、コンピュータ13の上記制御プログラムが実行されると、図2に示すように、レーザ投受光部7aは、照射するレーザ光がレール3表面上の各点で常に垂直に入射するように姿勢を変えながら、レール3の表面に沿った軌道上を移動する。そして、レール3表面上には、予め多数の受信点P(P1,P2,…,Pm,…,Pn)が設定されており、レーザ投受光部7aは、レール3表面を走査しながら、上記受信点(測定スポット)P1,P2,…,Pm,…,Pnにおける超音波振動を測定する。なお、各受信点P同士の間隔は、超音波探触子5から発信される超音波の波長よりも十分に小さい長さに設定される。
When the above-described control program of the computer 13 is executed in a state where inspection ultrasonic waves are transmitted from the
また、レーザ投受光部7aの移動中、レーザ投受光部7aの先端とレール3表面との間には、約100〜200mmの間隙が維持され、各受信点Pの振動は非接触状態で測定される。この際、ロボットアーム19の駆動とレーザ振動計7による振動の測定とがコンピュータ17によって連動され、測定された各受信点Pの超音波振動の波形の情報が、上述の通りコンピュータ17に表示/記録される。
Further, during the movement of the laser projector /
以上のように、この超音波解析システム1によれば、レーザ投受光部7aがロボットアームの駆動によって移動するので、コンピュータ17にロボットアームの動作をプログラミングすることで、レーザ投受光部7aを複雑な軌道で正確に移動させることが可能である。従って、表面が複雑な曲面を含む鉄道レール3の解析においても、レール3表面に沿ってレーザ投受光部7aを正確に移動させ、このレール3表面の各受信点Pに垂直にレーザ光を照射させながら表面を走査することができる。
As described above, according to the
また、このシステム1では、レール3表面の超音波振動を測定するためにレーザドップラー振動計7を採用しており、レーザ投受光部7aからは、約20μmといった小さなスポット径をもつレーザ光が照射される。従って、例えば、数mm〜数cmサイズをもつ垂直探触子、斜角探触子、焦点形探触子、又はアレイ探触子等が設置不可能であるような曲率半径が小さい曲面においても、レーザ光のスポット径やロボットアーム19の位置決め精度よりも大きい曲率半径の曲面であれば、レーザ光の投受光によって受信点の超音波振動を正確に測定することができる。その結果、複雑な形状をなすレール3にあっても、表面上の多数の受信点P1,P2,…,Pm,…Pnにおける超音波振動を正確に取得することができる。
The
また、従来、超音波解析において曲面をスキャンする手法として、曲面形状に合わせて形成された治具を用いる手法が知られているが、この手法では解析可能な検査対象物の表面形状が限定されてしまう。これに対して、システム1においては、検査対象物の表面形状に応じてロボットアーム19の制御プログラムを変更することで、種々の検査対象物に対応することができる。
Conventionally, as a method for scanning a curved surface in ultrasonic analysis, a method using a jig formed in accordance with the curved surface shape is known. However, this method limits the surface shape of an inspection object that can be analyzed. End up. On the other hand, in the
また、このシステム1においては、レール3表面上の多数の受信点Pの各々において、様々な超音波モード(例えば、レール3表面を伝播するレイリー波等)による波形や、レール3内部の損傷3aで反射・散乱された縦波・横波等の波形等の波形が重畳して検出され、コンピュータ17に収集される。従って、コンピュータ17によるソフトウエア的な処理によって、重畳された波形から、音速と伝播距離とが既知である所望の超音波モードの波形を分別・抽出して得ることができる。
Further, in this
従って、検出しようとする検査対象物の損傷形態や材料特性に応じて、最も効果的な受信形態(例えば、垂直受信、斜角受信、焦点形受信等)に係る超音波モードを分別・抽出し、その受信形態に基づいた検査対象物の超音波解析が可能になる。また、このような多数の受信点Pにおける波形を基にして様々な超音波モードの波形を再現できるので、得られた様々な超音波モードの波形に基づく総合的な判断によってレール3の損傷評価等を行うことができる。
Therefore, the ultrasonic mode related to the most effective reception mode (for example, vertical reception, oblique reception, focal reception, etc.) is classified and extracted according to the damage form and material characteristics of the inspection object to be detected. The ultrasonic analysis of the inspection object based on the reception form becomes possible. Further, since the waveforms of various ultrasonic modes can be reproduced based on the waveforms at such a large number of reception points P, the damage evaluation of the
また、従来であれば、超音波振動を検出するための超音波探触子を、解析に用いようとする超音波モードごとに取り替える必要があったが、上記システム1では、斜角探触子法、フェイズドアレイ法等に対応するガイド波のモード抽出をソフトウエア処理により再現することが可能になるので、超音波振動の受信に係る超音波探触子を、超音波解析に用いようとする超音波モードごとに取り替える必要がなくなる。
Further, conventionally, it has been necessary to replace the ultrasonic probe for detecting ultrasonic vibration for each ultrasonic mode to be used for analysis. However, in the
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記超音波解析システム1は、レール3の解析に限らず、複雑な形状をもつ条鋼材(L形鋼、C形鋼等)又はパイプの超音波解析にも適用できる。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the
1…超音波解析システム、3…鉄道レール(検査対象物)、5…超音波探触子、7…レーザ振動計、7a…レーザ投受光部、17…コンピュータ(制御部)、19…ロボットアーム、P…受信点(測定スポット)。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記検査対象物に検査用超音波を発信する超音波探触子と、
前記検査対象物の前記表面上の測定スポットにレーザ光を照射するレーザ投受光部を有し、当該測定スポットにおける前記検査用超音波による振動を測定するレーザ振動計と、
前記レーザ投受光部を移動させるロボットアームと、
前記レーザ投受光部からの前記レーザ光が前記検査対象物の前記表面に垂直に入射する位置関係を維持しながら前記検査対象物の前記表面に沿って前記レーザ投受光部を移動させるように前記ロボットアームを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする超音波解析システム。 In an ultrasonic analysis system for performing ultrasonic analysis of an inspection object having a curved surface,
An ultrasonic probe for transmitting ultrasonic waves for inspection to the inspection object;
A laser vibrometer that irradiates a laser beam to a measurement spot on the surface of the inspection object, and measures a vibration due to the ultrasonic wave for inspection at the measurement spot; and
A robot arm that moves the laser light projecting and receiving unit;
The laser light projecting and receiving unit is moved along the surface of the inspection object while maintaining a positional relationship in which the laser light from the laser light projecting and receiving unit is perpendicularly incident on the surface of the inspection object. An ultrasonic analysis system comprising: a control unit that controls a robot arm.
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