JP2011106905A

JP2011106905A - 探傷システム

Info

Publication number: JP2011106905A
Application number: JP2009260744A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Mononobe; 孝幸物延; Hitoshi Kamei; 均亀井; Shuichi Adachi; 修一足立; Atsushi Kato; 淳志加藤; Takashi Kunitake; 隆國武; Katsuyuki Tanaka; 勝之田中
Original assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: JP5427002B2

Abstract

【課題】システム１の簡略化を図りつつも、高精度の探傷結果が得られる探傷システムを実現する。
【解決手段】探傷システム１は、多関節ロボット４と、走行軸５１上でロボット４を移動させる走行装置５と、ロボット４の手首に取り付けられたプローブ３１と、ロボット４の位置に関する情報を所定周期で出力する走行装置位置情報取得器５２と、プローブ３１の位置に関する情報を所定周期で出力するロボット位置情報取得器４１と、プローブ３１の位置情報を算出して出力する制御器４２と、プローブの位置情報と探傷情報とを対応付ける探傷器４３と、を備える。取得したプローブの位置情報と実際の位置との許容ずれ量をＤとしたときに、条件式（１）を満たすように、許容ずれ量Ｄ、上限周期Ｔｍａｘ、プローブの移動速度Ｖ、及び、ワークの形状の走行軸に対する変化率ｒ、をそれぞれ設定する。
【数１】

【選択図】図１

Description

ここに開示する技術は、特に三次元形状を有するワークの探傷検査を行う、探傷システムに関する。

従来より、被検査物に対する探傷検査を行うシステムの例として超音波探傷システムが知られており、例えば特許文献１には、多関節ロボットが、手首に取り付けた探触子を被検査物の表面を倣うように移動させることによって、当該被検査物の探傷情報を取得するシステムが開示されている。こうした超音波探傷検査では、被検査物のどの位置に内部欠陥等が存在しているかを把握する必要があるため、探傷情報と、それを取得した位置情報とを対応付ける必要がある。そのため、前記特許文献に開示されたシステムでは、ロボット制御装置が出力する取り込みタイミング信号に基づいて、探触子の位置情報と探傷情報とをそれぞれ独立して取得する一方で、それら探触子の位置情報と探傷情報とを互いに対応付ける処理を行うようにしている。

特開平１１−１４６１０号公報

ところが、前記特許文献に記載システムでは、取り込みタイミング信号に基づいて探触子の位置情報を取得しようとすれば、探触子の位置情報をリアルタイムで取得しなければならないが、多関節ロボット、特に汎用のロボットは、手首に取り付けた探触子の位置情報をリアルタイムに取得することができない。つまり、位置情報の取得に要する時間が変動してしまうため、所望のタイミングで位置情報を取得しようとしても、その位置情報が取得できないことが起こり得る。位置情報が取得できなかった場合には、探触子の位置情報が更新されないから、取得した探触子の位置情報と、探触子の実際の位置との間にずれが生じてしまい、結果として、ずれを含んだ位置情報と探傷情報とが対応付けられてしまう。このことは、検査結果において、内部欠陥の位置が、実際とは、ずれて示されることになり、探傷検査結果の位置精度を低下させる。

これを解消するために、例えば位置情報をリアルタイムに取得可能な多関節ロボットを利用することが考えられる。しかしながら、位置情報をリアルタイムに取得可能な多関節ロボットは、もはや汎用ロボットではなく、システムの構築コストが大幅に増大してしまうことになると共に、汎用ロボットを利用しないことで探傷システムの開発期間も大幅に長くなってしまうという問題がある。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの簡略化を図りつつも、高精度の探傷結果が得られる探傷システムを実現することにある。

本願発明者らは、多関節ロボット（以下、単にロボットともいう）から得られるプローブの位置情報はリアルタイムに取得することが困難であるのに対し、予め設定した一軸又は二軸に沿ってロボットを移動させる走行装置から得られるロボットの位置情報は、リアルタイムに取得することが容易である点に鑑みて、走行装置が一軸又は二軸からなる走行軸に沿ってロボットを移動させるようにし、それによって、ロボットの手首に取り付けたプローブの移動を、当該ロボットと走行装置との組み合わせによって行うようにした。

そしてこの構成において、取得したプローブの位置情報と、実際の位置とのずれ量として許容できる許容ずれ量Ｄ、システムの動作周期の上限Ｔｍａｘ、走行装置及び多関節ロボットによるプローブの移動速度Ｖ、及び、ワークの形状の走行軸に対する変化率ｒ、をそれぞれ設定する上で満たすべき条件式を見出し、発明を完成するに至ったものである。

具体的に、ここに開示する探傷システムは、三次元形状を有するワークの探傷検査を行う探傷システムである。このシステムは、多関節ロボットと、所定の一軸又は二軸からなる走行軸上で前記多関節ロボットを移動させることにより、前記多関節ロボットを前記ワークに沿うように移動させる走行装置と、前記多関節ロボットの手首に取り付けられかつ、当該多関節ロボット及び前記走行装置の組み合わせにより前記ワークの表面を走査しながら、当該ワークの探傷情報を取得するプローブと、前記走行装置によって前記走行軸上を移動する多関節ロボットの位置に関する情報をリアルタイムに取得して出力する取得器であって、当該多関節ロボットの位置に関する情報を、所定の動作周期で出力する走行装置位置情報取得器と、前記多関節ロボットによって移動される前記プローブの位置に関する情報を非リアルタイムに取得して出力する取得器であって、当該プローブの位置に関する情報を、前記動作周期で出力するロボット位置情報取得器と、前記走行装置位置情報取得器からの情報を受けて、前記多関節ロボットの位置をワールド座標系からみたベース座標系の位置情報（第１位置情報）として算出すると共に、前記ロボット位置情報取得器からの情報を受けて、前記プローブの位置をベース座標系からみたプローブの位置情報（第２位置情報）として算出し、さらに、前記第１及び第２位置情報に基づいて、ワールド座標系からみた前記プローブの位置情報（第３位置情報）を算出して、これを出力する制御器と、前記制御器から第３位置情報を取得すると共に、前記プローブから前記探傷情報を取得して、前記プローブの位置情報と前記探傷情報とを対応付ける探傷器と、を備える。

そして、前記第３位置情報と、前記プローブの実際の位置との間の許容できるずれ量をＤとしたときに、条件式（１）を満たすように、前記の許容ずれ量Ｄ、前記動作周期の上限Ｔｍａｘ、前記走行装置及び多関節ロボットによる前記プローブの移動速度Ｖ、及び、前記ワークの形状の前記走行軸に対する変化率ｒ、をそれぞれ設定する。

ここで、「リアルタイム」は、ＪＩＳＸ００１０では「計算機外部の別の処理と関係を持ちながら、かつ外部の処理によって定められる時間要件に従って、計算機の行うデータの処理に関する用語」と定義されている。ここにおける「リアルタイムに取得」とは、情報を所定の動作周期（例えばシステムの動作周期）で必ず取得することが可能であることを意味し、「非リアルタイムに取得」とは、情報を所定の動作周期で必ずしも取得することができずに、取得ミスが生じ得ることを意味する。

また、「プローブ」は、前記の通り、ワークの探傷情報を取得するものであり、「プローブの位置」は、プローブによって探傷情報を取得している位置、換言すればワークにおける、プローブの動作対象点の位置に相当する。

検査対象のワークが三次元形状を有しているため、当該ワークの表面を倣うように効率良くプローブを動かして、ワークの走査をするには、多関節ロボットが適している。そこで、この構成では、多関節ロボットの手首にプローブを取り付ける。この多関節ロボットは、汎用ロボットとしてもよく、そうした場合には、システムの構築コストが低減し得ると共に、システム開発に要する時間も短縮し得る。

多関節ロボットによって移動される前記プローブの位置に関する情報は、ロボット位置情報取得器によって取得されるが、ロボット位置情報取得器は、その情報を非リアルタイムに取得する。このため、プローブの位置に関する情報は、所定の動作周期で取得することができず、情報が更新されない場合も起こり得る。

この構成ではまた、走行装置によって、多関節ロボットをワークに沿うように移動させる。それによって、プローブは、走行装置と多関節ロボットとの組み合わせによって動かされ、ワークの表面を走査しながら探傷情報を取得することになる。ここで、走行軸上を移動する多関節ロボットの位置に関する情報は、走行装置位置情報取得器によってリアルタイムに取得可能である。

制御器は、走行装置位置情報取得器及びロボット位置情報取得器のそれぞれからの情報を受けて、ワールド座標系からみたベース座標系の位置情報（第１位置情報）を算出すると共に、ベース座標系からみたプローブの位置情報（第２位置情報）を算出し、制御器はさらに、ワールド座標系からみた前記プローブの位置情報（第３位置情報）を算出して、これを探傷器に出力する。そうして、探傷器は、その第３位置情報とプローブから探傷情報とに基づき、プローブの位置情報と探傷情報とを対応付ける。

そうして、この構成においては、第３位置情報とプローブの実際の位置とのずれ量として許容することができる許容ずれ量をＤを適宜設定した上で、前記の条件式（１）を満たすように、動作周期の上限Ｔｍａｘ、プローブの移動速度Ｖ、及び、ワークの形状の走行軸に対する変化率ｒをそれぞれ設定する。

ここで、条件式（１）によると、プローブの移動速度Ｖを低くすることによって、動作周期の上限Ｔｍａｘを、大きくし得る。このことは、ロボット位置情報取得器が情報を取得する周期を比較的長く設定することを可能にするため、多関節ロボットを選定する際の自由度が高まることを意味する（つまり、情報の取得周期が比較的長いロボットも選定し得る）。また、例えばシステムの動作周期を、上限に対して比較的短く設定した（尚、それに応じて、情報の取得周期が比較的短いロボットを選定することになる）ときには、ロボット位置情報取得器が情報の取得ミスを複数回繰り返したとしても、第３位置情報とプローブの実際の位置とのずれ量が、許容ずれ量Ｄに収まり得る。このため、そうした取得ミスに耐え得るシステムとなり得る。

一方で、プローブの移動速度Ｖを低くすることは、ワークの走査に要する時間が長くなるため、一つのワークに対する検査時間は長くなってしまう不利益がある。プローブの移動速度Ｖは、所定周期の上限、及び、検査時間の双方の観点から適宜設定すればよい。

また、条件式（１）によると、変化率ｒをなるべく小さくすることによっても、動作周期の上限Ｔｍａｘを大きくし得る。従って、前述したように、多関節ロボットを選定する際の自由度が高まったり、取得ミスに耐え得るシステムを構成し得る。

変化率ｒを小さくすることは、走行装置の走行軸を適宜設定することによって小さくし得る。ここで「変化率」は、走行軸に対して平行な方向についての、ワークの形状変化の最大変化率と定義することができる。つまり、変化率ｒを小さくすることは、走行装置の走行軸がワークになるべく沿うように設定することによって実現可能である。このように変化率ｒを小さくすれば、プローブの移動は、極力、走行装置によるものになって、ロボットによるプローブの移動はなるべく行わないこととなる。

許容ずれ量Ｄは、所望の設計値として適宜定められるものであるから、当該許容ずれ量Ｄを設定した上で、動作周期の上限Ｔｍａｘを大きくするように、移動速度Ｖや変化率ｒを設定することが望ましい。この内、移動速度Ｖは、前述したように、ワークの検査に要する時間と関係することから、変化率ｒをなるべく小さく設定することで、動作周期の上限Ｔｍａｘを大きくことが特に好ましい。

逆に言うと、ワークに対して走行軸を適宜設定し、変化率ｒをなるべく小さくすることで、プローブの移動を、極力、走行装置によるものにして、ロボットによるプローブの移動はなるべく行わないことにより、位置に関する情報をリアルタイムに取得することができないような汎用ロボットを用いても、探傷検査結果における位置ずれ量を所定のずれ量以下に抑制することが実現し、探傷検査の精度が高まり得る。しかも、ワークの検査時間を長くすることもない。

前記制御器は、前記第３位置情報から算出した前記プローブの移動量を、パルス信号として出力し、前記探傷器は、前記制御器からのパルス信号をトリガにして、前記プローブから探傷情報を取得することにより、前記プローブの位置情報と前記探傷情報とを対応付ける、としてもよい。

つまり、タイミング信号に基づいてプローブの位置情報及び探傷情報をそれぞれ取得した後に、それらの情報を互いに対応付けるような処理を行わなくても、プローブの位置情報（パルス信号）に基づいて探傷情報を取得することだけで、プローブの位置情報と探傷情報とが対応付けられる。

以上説明したように、前記の探傷システムは、プローブの移動を、多関節ロボットと走行装置とを組み合わせて行うようにした上で、前記の条件式（１）を満たすように、許容ずれ量Ｄ、動作周期の上限Ｔｍａｘ、プローブの移動速度Ｖ、及び、変化率ｒをそれぞれ設定する。例えば許容ずれ量Ｄを所望の設計値に設定した上で、動作周期の上限Ｔｍａｘがなるべく大きくなるように、プローブの移動速度Ｖ、及び／又は、変化率ｒをそれぞれ設定する、特に変化率ｒが小さくなるように走行装置の走行軸を設定することによって、ワークの検査時間に影響を与えることなく、動作周期の上限Ｔｍａｘを大きくすることができ、このことにより、例えば汎用の多関節ロボットを利用した簡易なシステムで、検査結果の位置精度を高め得るシステムを構築し得る。

超音波探傷システムの構成を示す概略図である。探触子（動作対象点）の位置情報の定義を示す図である。ワークに対する探触子の移動を説明する説明図である。探触子の移動速度を説明する説明図である。走行装置が一軸構成のときの探触子の移動を示す図である。走行装置が一軸構成のときの探触子の移動速度を示す図である。走行装置が二軸構成のときの探触子の移動を示す図である。走行装置が二軸構成のときの探触子の移動速度を示す図である。超音波探傷システムの探傷に係る動作フローを示すフローチャートである。取得し得る位置情報と実際の位置とのずれを示す説明図であり、（ａ）はワールド座標系から見たベース座標系の位置情報、（ｂ）はベース座標系から見た動作対象点の位置情報である。条件式に従って決定される各パラメータの数値範囲の例示である。図１１とは異なる数値範囲の例示である。

以下、探傷システムの実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１は、探傷システムの全体構成を示している。この探傷システム１（以下、単にシステム１ともいう）は、ここでは、ワーク２に対して超音波を送信すると共に、その反射波を受信することによって、ワーク２の内部欠陥等の有無を検査する超音波探傷システムとして構成されている。ここでワークとしては、特に限定されるものではないが、例えばＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）等の複合材料製の航空機部品等を例として挙げることができる。ここで、このシステム１の検査対象としてのワーク２は、三次元形状を有している（尚、図３等では、理解容易のために、ワーク２を三次元形状を有するようには図示していない）。またワーク２は、所定の方向（例えば図１における概ね左右方向）に延びる長尺形状を有していて、その長手方向に対して反っていたり、ねじれていたりすることで、三次元形状を有することになる。

このシステム１は、前記ワーク２の探傷情報を取得する探触子３１と、探触子３１がその手首に取り付けられる多関節ロボット（ロボット）４と、ロボット４をワーク２の長手方向に沿うように往復移動させる走行装置５と、ロボット４に電気的に接続されて、ロボット４の動作制御を行うロボットコントローラ４１と、ロボットコントローラ４１に対して接続されて、後述するように、探触子３１（その動作対象点）の位置情報を算出する、例えばパーソナルコンピュータからなる制御装置４２と、前記探触子３１及び制御装置４２のそれぞれに接続されて、位置情報及び探傷情報を取得する探傷器４３と、を備えて構成されている。

探触子３１は、その詳細な図示は省略するが、ワーク２に対して超音波を送信する送信器と、ワーク２からの反射波を受信する受信器とを含んで構成され、その反射波に基づいて探傷情報を取得する超音波探触子である。探触子３１は、ワーク２の表面に対して所定の角度となるように、ロボット４によってその向きを調節されながら、前記ロボット４及び走行装置５によって、ワークの表面を倣うようにその表面の全体に亘って順次走査される。尚、図示は省略するが、探触子３１及びワーク２は、水槽内で、超音波の伝播媒質としての水に浸漬された状態にされ、この状態で探傷検査を実施する。

多関節ロボット４は、図１等に概略を示すように、垂直多関節ロボットであって、例えば４，５又は６軸に構成されている。ここで、この探傷システム１においては、後述するように、多関節ロボット４として汎用ロボットを用いることが可能である。ここで言う「汎用ロボット」は、位置情報の取得がリアルタイムに行い得ないロボットである。汎用ロボットの採用は、探傷システム１の構成を簡易にする上で有利であると共に、システム１の開発期間を短縮する上でも有利である。前述したように、多関節ロボット４の手首には、探触子３１が取り付けられ、多関節ロボット４は、その作動領域内において、探触子３１を自在に移動させることが可能である。尚、図示は省略するが、このロボット４は、その各軸にエンコーダを有しており、ロボット４は、各軸のエンコーダ値をロボットコントローラ４１に出力する。

ロボットコントローラ４１は、前記ロボット４から、各軸のエンコーダ値を取得しつつ、そのロボット４に対して制御信号を出力することにより、このロボット４を制御し、それによって前記探触子３１を、予め設定した所定の軌跡で移動させる（より正確には、ロボット４と走行装置５との組み合わせによって、探触子３１は予め設定した所定の軌跡で移動する）。ロボットコントローラ４１はまた、前記の各軸のエンコーダ値を制御装置４２に出力する。

ここで、制御装置４２は、ロボット４の各軸のエンコーダ値をリアルタイムに取得することができない。その結果、後述するように、予め設定された当該システム１の動作周期で、ロボット４による探触子３１の位置情報を取得しようとしても、取得ミスが起こり得ることになる。

走行装置５は、ロボット４のベースを移動させるための走行レール（走行軸）５１を有しており、この走行レール５１は、長尺のワーク２と平行になるように配置され、それによってロボット４が、ワーク２の長手方向に沿って往復移動するようにされている。ここで、走行レール５１は、図１，５に示すような一軸構成（Ｘ軸）、又は、図７に示すような互いに直交する二軸構成（Ｘ，Ｙ軸）とされている。いずれの構成においても、走行レールに対して平行な方向についての、ワーク２の形状変化の最大変化率（以下、単に変化率という）が小さくなるように、走行レール５１は配設されている。このことについての詳細は、後述する。

走行装置５はまた、例えばリニアエンコーダや、ロータリエンコーダ等からなる位置センサ５２を有しており、この位置センサ５２は、走行レール５１上のロボット４の位置を検出して、その情報を前記制御装置４２に出力する。これにより制御装置４２は、この位置センサ５２の検出値をリアルタイムに取得することが可能であり、走行装置５によるロボット４の位置情報は、予め設定された当該システム１の動作周期で確実に取得することが可能である。

制御装置４２は、前述したように、ロボットコントローラ４１からの各軸のエンコーダ値を取得し、これに基づいて、その演算器４２１が、ロボット４による探触子３１（つまり、探触子３１が探触情報を取得している動作対象点）の位置情報を算出する。この位置情報は、ベース座標系（図２に示すように、ロボット４のベースに設定した座標系）から見た動作対象点の位置情報（位置情報Ｃ）である。制御装置４２はまた、走行装置５の位置センサ５２からの検出値を取得し、これに基づいて、その演算器４２１が、走行装置５によるロボット４の位置情報を算出する。この位置情報は、ワールド座標系（図２に示すように、地面に設定した座標系）から見たベース座標系の位置情報（位置情報Ｂ）に対応する。演算器４２１はさらに、位置情報Ｂ及び位置情報Ｃに基づいて、ワールド座標系から見た動作対象点の位置情報Ａを算出する。こうして演算器４２１は、システム１の動作周期で位置情報Ａを算出し、それによって、動作対象点の移動量を算出する。制御装置４２は、動作対象点の移動量を、パルス信号として前記探傷器４３に出力する。パルス信号は、１パルスが、動作対象点の所定の移動量に対応する。

探傷器４３は、前述したように制御装置４２に接続されており、この制御装置４２からのパルス信号を取得する。探傷器４３はまた、探触子３１に接続されており、この探触子３１からの探傷情報を取得する。より詳細に、探傷器４３は、制御装置４２からのパルス信号をトリガにして、探触子３１からの探傷情報を取得する。具体的には、探傷情報を取得するワーク上での間隔が予め設定されていると共に、前述したように、１パルス当たりの動作対象点の移動量が定まっているため、探触子３１は、設定された前記間隔に相当する数のパルス信号を受けたときに、探触子３１からの探傷情報を取得する。このことによって探触子３１の位置情報と探傷情報とを互いに対応付ける。例えば１パルスが、探触子３１が１ｍｍ移動することに対応しているときに、１０ｍｍ間隔でワーク２の探傷情報を取得すると設定されている場合は、探傷器４３は、１０パルス毎に、探触子３１からの探傷情報を取得することになる。このように、探触子３１の移動量に基づいて探触子３１からの探傷情報を取得することにより、探触子３１の位置情報と探傷情報との対応付けの処理を、別途行うようなことが不要になる。このことは、システムの簡略化の上で有利である。

この探傷システム１においては、前述したように、ワーク２に対する探触子３１の移動を、ロボット４及び走行装置５の組み合わせによって行うが、走行装置５から得られるロボット４の位置情報はリアルタイムに取得することができる一方で、ロボット４から得られる探触子３１（以下、探触子３１と動作対象点とは、ほぼ同義に用いる）の位置情報はリアルタイムに取得することができない。このようにリアルタイムに取得できないことによって、所望のタイミングで位置情報を取得しようとしても、取得ミスが生じ得ることになり、このことに起因して、取得（算出）した動作対象点の位置情報Ａと、動作対象点の実際の位置との間にずれが生じる虞がある。このことについて図１０を参照しながら説明する。図１０（ａ）（ｂ）はそれぞれ、横軸に時間を、縦軸に位置（制御装置４２が算出した位置）を取ったグラフであり、ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４は、システム１の動作周期に対応する。走行装置５の位置センサ５２に取得されたロボット４の位置情報Ｂは、リアルタイムに取得可能であって取得ミスが生じないため、ロボット４が等速移動をしているときには、その取得位置は時間に対して直線状になる（図１０（ａ）参照）。これに対し、ロボット４から得られる探触子３１の位置情報Ｃはリアルタイムに取得不可能であり、例えばｔ２，ｔ３のように取得ミスが生じ得る（図１０（ｂ）参照）。このとき取得位置は、時間に対して折れ線状になる。つまり、位置情報を取得できないときには位置情報が更新されずに、前回値が保持されることになる。一方で、ベース座標系からみて動作対象点が等速に移動しているときには、図１０（ｂ）に破線で示すように、その動作対象点の位置は、実際には時間に対して直線状になることから、位置情報Ｃと、ベース座標系からみた動作対象点の実際の位置との間には、例えば図１０（ｂ）に矢印で示すだけの位置ずれ量が発生することになる。またこの位置ずれ量は、位置情報Ｂと位置情報Ｃから算出される位置情報Ａにも当然生じることとなり、位置情報Ａとワールド座標系からみた動作対象点との位置ずれ量となる。この位置ずれ量は、探傷器４３において、動作対象点の位置情報と探傷情報とを対応付ける際に、実際の位置からずれた位置の探傷情報と対応付けることになるから、探傷検査の結果上では、ワークの内部欠陥の位置が、実際とは、ずれて示されることになり、探傷検査結果の位置精度を低下させる。

そこで、この探傷システム１では、探傷検査結果の位置精度を向上させるべく、リアルタイムに位置情報を取得することができないロボット４による探触子３１の移動動作をなるべく減らして、探触子３１を、リアルタイムに位置情報の検出が可能な走行装置によって、極力、移動させるようにする。すなわち、探触子３１のワーク２に対する走査は、主に走行装置５がロボット４を移動させることによって行い、ロボット４は、例えば探触子３１の向きを、ワーク２の表面に沿うように変更したり、走行装置５によるロボット４の移動のみでは移動させることが不可能な場合に限って、探触子３１を移動させたりする。このことを言い換えると、走行装置５の走行レール５１を、ワーク２に沿うように配設するということができる。こうして、ロボット４による探触子３１の移動を極力減らすことによって、位置情報の取得がリアルタイムに行えないことに起因する、位置情報のずれを抑制し、そのずれ量を、許容できるずれ量の範囲内に収めるようにする。この点について、図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。

図３は、探触子３１（動作対象点）の移動を定義している。すなわち、走行装置５によってロボット４が、位置情報Ｂ１から位置情報Ｂ２へと移動すると共に、ロボット４によって動作対象点が、位置情報Ｃ１から位置情報Ｃ２へと移動する結果、動作対象点が、ワーク２に対して位置情報Ａ１から位置情報Ａ２へと移動するとする。従って、探触子３１（動作対象点）の移動量はＡ２−Ａ１で示され、走行装置５の移動量はＢ２−Ｂ１で示され、ロボット４の移動量はＣ２−Ｃ１で示される。尚、図３では、理解容易のために、ワーク２が平板で、さらに図１とは異なり、当該ワーク２を起立した状態で描いている。

図４は、探触子３１の移動により生じる速度Ｖを定義している。探触子３１の移動速度Ｖは、Ｘ軸方向成分Ｖ_ｘ、Ｙ軸方向成分Ｖ_ｙ、及びＺ軸方向成分Ｖ_ｚによって表される。

（走行装置が一軸構成の場合）
図５に示すように、ワーク２が概ねＸ軸方向に沿うように配置され、走行レール５１がＸ軸方向に延びているとする。つまり、走行装置５が一軸構成とする。この場合、走行装置５が、探触子３１の移動速度Ｖのうち、そのＸ軸方向成分Ｖ_ｘ、を担い、ロボット４が、Ｙ軸方向成分Ｖ_ｙ及びＺ軸方向成分Ｖ_ｚを担うことになる。

先ず、ワーク２の、走行レール５１に対する変化率ｒ_１は、数式（１−１）で示される。

ここで、θ_１は、変化率ｒ_１が表す角度であり、Ｖｒｔは、ロボット４の動作速度である（図６参照）。Ｖｒｔはまた、数式（１−２）で表すことができる。

Ｖｒｔはさらに、θ_１を用いて、数式（１−３）で表すことができる。

ここで、前述したように、ロボット４による位置情報の取得が失敗したときには、そのロボット４による位置情報の取得が成功するまでの時間Ｔｍａｘ（システムの動作周期の上限）の間にロボット４の動作によって探触子３１が移動するから、その時間Ｔｍａｘと、ロボット４の動作速度Ｖｒｔで表現されるずれ（Ｔｍａｘ×Ｖｒｔ）が生じる。ここで設計者が許容できるずれ量をＤとすると、数式（１−４）の関係が成立する。

数式（１−１）（１−３）（１−４）から、次の条件式（１−５）を導くことができる。

従って、この条件式（１−５）を満たすように、各変数Ｖ，ｒ_１，Ｔｍａｘ，Ｄを適宜設定すればよい。この内、探触子３１の移動速度Ｖを低くすることによって、上限周期Ｔｍａｘは大きくし得る。このことは、システム１の動作周期を比較的長く設定することを可能にし、選定可能なロボットの自由度が大きくなることを意味する（位置情報の取得周期が比較的長いロボットも選定し得る）。逆に、上限周期Ｔｍａｘを大きく設定しつつも、システム１の動作周期を比較的短く設定した（それに伴い位置情報の取得周期が比較的短いロボットを選定した）ときには、仮にそのロボット４が位置情報の取得ミスを複数回繰り返したとしても、取得した位置情報と実際の位置とのずれ量が許容ずれ量Ｄに収まり得るため、そうした取得ミスに耐え得るシステムとなる。

一方で、探触子３１の移動速度Ｖを低くすることは、ワーク２全体の走査に要する時間が長くなるため、一つのワーク２に対する検査時間は長くなってしまう不利益がある。探触子３１の移動速度Ｖは、上限周期Ｔｍａｘ、及び、検査時間の双方の観点から適宜設定すればよい。

変化率ｒ_１は、走行装置５の走行レールの配置を適宜設定することによって小さくし得る。変化率ｒ_１をなるべく小さく設定することはまた、探触子３１の移動を、極力、走行装置５によるものにして、ロボット４による探触子３１の移動はなるべく行わないこと等価である。そうして、変化率ｒ_１をなるべく小さくすることが、上限周期Ｔｍａｘを大きくする上で有利になる。

許容ずれ量Ｄは、所望の設計値として適宜定められるものであるから、当該許容ずれ量Ｄを設定した上で、上限周期Ｔｍａｘを大きくするように、移動速度Ｖや変化率ｒ_１を設定することが望ましい。この内、移動速度Ｖは、前述したように、一つのワークの検査時間に関係することから、変化率ｒ_１をなるべく小さく設定することで、上限周期Ｔｍａｘを大きくことが特に好ましい。

（２軸構成の場合）
図７は、走行装置５の走行レール５１が２軸構成の場合の図を示している。ここでは、走行レール５１が、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれに対応しているとする。この場合は、走行装置５が移動速度のＸ軸方向成分Ｖ_ｘ及びＹ軸方向成分Ｖ_ｙを担い、Ｚ軸方向成分Ｖ_ｚはロボット４が担うことになる。

この構成において、ワーク２の、走行レール５１に対する変化率ｒ_２は、数式（２−１）で表される。

ここで、図８に示すように、θ_２は変化率ｒ_２が表す角度である。ロボット動作速度Ｖｒｔは、数式（２−２）で表される。

またＶｒｔは、前記と同様に、θ_２を用いて数式（２−３）のように表される。

前述のように、ロボット４による位置情報の取得に失敗したときには、その上限周期Ｔｍａｘとロボット４による移動速度とに基づくずれが生じることから、許容できるずれ量をＤとしたときに、数式（２−４）の関係が成立する。

よって、数式（２−１）（２−３）（２−４）に基づいて、次の条件式（２−５）が導かれる。

従って、走行装置５が二軸構成であるときには、この条件式（２−５）を満たすように、各変数Ｖ，ｒ_２，Ｔｍａｘ，Ｄを適宜設定すればよい。

以上の検討から、条件式は以下の数式（１）のように表記することができる。

ここで、走行装置５が一軸構成の場合に、具体的な数値を挙げて検討する。許容ずれ量Ｄを０．５ｍｍ、探触子３１の移動速度を５０ｍｍ／ｓにし、変化率ｒを１／１０となるように走行装置５の走行レール５１を設定する。このときに、上限周期Ｔｍａｘは、条件式（１）より、おおよそ０．１０ｓ（尚、ここでの「ｓ」は秒（ｓｅｃ）である）以下となる。従って、ロボット４としては、この０．１ｓ以内に、位置情報を取得し得る能力を有するロボット４を選定すればよい。これは、汎用ロボットで十分に対応可能である。また、このケースにおいて、システムの動作周期を５ｍｓに設定すれば、２０回の取得ミスにも耐え得るシステムとなる。尚、実用上では、システム１の上限周期に余裕を持たせることが好ましい（例えば前記の０．１ｓのときには、１０ｍｓや、２０ｍｓ等）。ここで、前記の条件式に従って、探触子３１の移動速度Ｖ、上限周期Ｔｍａｘ及び変化率ｒのとり得る範囲の一例について説明する。例えば図１１に範囲を示すように、探触子３１の移動速度Ｖは、５０〜１００ｍｍ／ｓ程度に設定すればよく、上限周期Ｔｍａｘは、０．０２〜０．０４ｓ程度に設定すればよく、変化率ｒは、０．００５〜０．０１程度に設定すればよい。こうすることによって、許容ずれ量Ｄは、０．０１ｍｍ程度に設定することが可能になる。またこれとは別の例として、図１２に示す範囲を満たすように、探触子３１の移動速度Ｖは、５０〜１００ｍｍ／ｓ程度に設定すればよく、上限周期Ｔｍａｘは、０．０３〜０．１５ｓ程度に設定すればよく、変化率ｒは、０．０５〜０．２程度に設定すればよい。こうすることによって、許容ずれ量Ｄは、０．５ｍｍ程度に設定することが可能になる。

最後に、この探傷システム１の動作フローについて、図９を参照しながら説明する。先ず、ステップＳ１でロボット４及び走行装置５の動作が開始されれば、以下の各ステップを、所定の時間間隔、つまり、予め設定されたシステム１の動作周期でループする（ステップＳ２）。

ステップＳ３では、ロボット４と走行装置５とのそれぞれの位置情報（位置情報Ｂ及び位置情報Ｃ）の取得命令を発信し、ステップＳ４で、走行装置５の位置センサ５２から位置情報Ｂを取得する。続くステップＳ５では、ロボット４から位置情報Ｃを取得し、制御装置４２は、ステップＳ６で、位置情報Ｂ及び位置情報Ｃに基づいて、位置情報Ａを算出し、それをパルス信号として探傷器４３に出力する（前述したように、探触子３１の移動量をパルス信号として出力する）。探傷器４３は、位置情報Ａに基づいて探触子３１から探傷情報を取得することで、位置情報Ａ、つまり動作対象点の位置情報と探傷情報とを対応付ける（ステップＳ７）。ステップＳ８では、ワーク２における、探触子３１の走査の最終位置まで移動したか否かを判定し、最終位置まで移動していない、つまり未だワーク２の検査が完了していないＮＯのときにはステップＳ２に戻って、前記ステップＳ３〜７を繰り返す。一方、ステップＳ８で最終位置まで移動した、つまりワーク２の検査が完了したＹＥＳのときにはステップＳ９に移行して、ロボット４及び走行装置５の動作を終了する。

以上説明したように、この探傷システム１では、ロボット４と走行装置５とを組み合わせて探触子３１を移動させ、それによって、三次元形状を有するワーク２の探傷検査を実現しており、その際に、前述した条件式（１）を満たすように、各変数Ｖ，ｒ，Ｔｍａｘ，Ｄを設定している。

特にこのシステム１では、走行装置５の走行レール５１の配置を適切にすることによって、変化率ｒを小さくすることにより、走行装置５によって探触子３１を移動させる割合を多くし、ロボット４によって探触子３１を移動させる割合を少なくしている。このことにより、ロボット４による動作対象点（探触子３１）の位置情報は、リアルタイムに取得することができないものの、それに起因する実際の位置情報とのずれ量を小さくして、許容範囲に収めることが可能になる。つまり、この探傷システム１では、探傷結果における位置精度が向上し得る。

しかも、このシステム１では、位置情報をリアルタイムに取得可能なロボット４は不要であり、ロボット４としては汎用の多関節ロボットを採用することが可能である。このことは、探傷システム１の構築に要するコストの低減化、及び、その開発に要する時間を短縮する点で有利である。

尚、この実施形態では、パルス信号として出力される、探触子３１の移動量に基づいて、探傷情報を取得し、これによって、探触子３１の位置情報と探傷情報とを対応付けているが、例えば所定のタイミング信号に基づいて、探触子３１の位置情報と探傷情報とを取得して、これらを対応付けるようにしてもよい。

また、前記の実施形態では、探傷システム１を、超音波探触子３１を備えた超音波探傷システム１としているが、これに限定されず、ワーク２の探傷情報を取得するプローブを、多関節ロボット４の手首に取り付けたシステムであれば、種々のシステムに対して、ここに開示した技術を適用することが可能である。

以上説明したように、ここに開示した探傷システムは、三次元形状を有するワークの探傷検査を、簡易なシステム構成で、精度良く行い得る点で有用である。

１探傷システム
２ワーク
３１探触子（プローブ）
４多関節ロボット
４１ロボットコントローラ（ロボット位置情報取得器）
４２制御装置（制御器）
４３探傷器
５走行装置
５１走行レール（走行軸）
５２位置センサ（走行装置位置情報取得器）

Claims

三次元形状を有するワークの探傷検査を行う探傷システムであって、
多関節ロボットと、
所定の一軸又は二軸からなる走行軸上で前記多関節ロボットを移動させることにより、前記多関節ロボットを前記ワークに沿うように移動させる走行装置と、
前記多関節ロボットの手首に取り付けられかつ、当該多関節ロボット及び前記走行装置の組み合わせにより前記ワークの表面を走査しながら、当該ワークの探傷情報を取得するプローブと、
前記走行装置によって前記走行軸上を移動する多関節ロボットの位置に関する情報をリアルタイムに取得して出力する取得器であって、当該多関節ロボットの位置に関する情報を、所定の動作周期で出力する走行装置位置情報取得器と、
前記多関節ロボットによって移動される前記プローブの位置に関する情報を非リアルタイムに取得して出力する取得器であって、当該プローブの位置に関する情報を、前記動作周期で出力するロボット位置情報取得器と、
前記走行装置位置情報取得器からの情報を受けて、前記多関節ロボットの位置をワールド座標系からみたベース座標系の位置情報（第１位置情報）として算出すると共に、前記ロボット位置情報取得器からの情報を受けて、前記プローブの位置をベース座標系からみたプローブの位置情報（第２位置情報）として算出し、さらに、前記第１及び第２位置情報に基づいて、ワールド座標系からみた前記プローブの位置情報（第３位置情報）を算出して、これを出力する制御器と、
前記制御器から第３位置情報を取得すると共に、前記プローブから前記探傷情報を取得して、前記プローブの位置情報と前記探傷情報とを対応付ける探傷器と、を備え、
前記第３位置情報と、前記プローブの実際の位置との間の許容できるずれ量をＤとしたときに、条件式（１）を満たすように、前記の許容ずれ量Ｄ、前記動作周期の上限Ｔｍａｘ、前記走行装置及び多関節ロボットによる前記プローブの移動速度Ｖ、及び、前記ワークの形状の前記走行軸に対する変化率ｒ、をそれぞれ設定する探傷システム。
請求項１に記載の探傷システムにおいて、
前記制御器は、前記第３位置情報から算出した前記プローブの移動量を、パルス信号として出力し、
前記探傷器は、前記制御器からのパルス信号をトリガにして、前記プローブから探傷情報を取得することにより、前記プローブの位置情報と前記探傷情報とを対応付ける探傷システム。