JP2018009807A - タンク内溶接痕検査用光切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開口が小さいタンクの内面の溶接痕の形状を検査する場合、内径全体を1個のカメラで見ると測定分解能があげられず、光スポット走査測定法では測定時間がかかるという問題があった。また、開口の狭いタンク内には光切断装置を入れられないという問題があった。【解決手段】タンクの円筒軸付近からタンク内面にライン状の光を照射するライン状光源、および円筒軸方向に離れた位置にあってタンク内面に照射されたラインを斜めから撮影する結像レンズおよびカメラを備える測定ヘッド部と、タンクまたは測定ヘッド部を回転させる回転機構と、タンクまたは測定ヘッド部を軸方向に移動する直動機構とを備えたタンク内溶接痕検査用光切断装置であって、そのタンク内面へのライン状光源の照射ライン方向を円筒軸方向とも円周方向とも傾けて配置することを特徴とするタンク内溶接痕検査用光切断装置とした。【選択図】図１

Description

本発明は、円筒状物体を溶接して作るタンクの内面の溶接痕形状を光により測定して検査するタンク内溶接痕検査装置に関するものである。

高圧の気体等を封入するタンクは高圧に耐えるため円筒状をしており、円筒部と下部と上部を溶接して作ることが多い。その際溶接に欠陥があると気体が漏れ出す、耐久性が悪くなる等の問題がでてくる。そのため溶接後の検査が重要になる。そしてその検査は凹凸が重要な意味を持ち、溶接部が凹であると溶接不十分である可能性がある。そのため溶接痕の形状の検査が重要となる。円筒外面の溶接部については形状を測定する様々な方法がある。しかし、タンク内面の溶接痕の凹凸検査はタンクの開口部が小さいため困難であった。

一般的な円筒状物体の内部の凹凸検査に用いられる従来技術としては、円周方向にレーザによる線像を作ってその光切断面の凹凸をカメラで測定し、軸方向に移動する方法、たとえば特許文献１、あるいは光スポットを円周方向に走査し軸方向の移動と組み合わせ三角測量法にて形状を測定する方法、たとえば特許文献２、特許文献３、あるいは通常の光切断装置を円筒面内で利用する方法、たとえば特許文献４などがあげられる。

特許５７９６５１１ 特開平０５−０９９６３１ 特許４５６０７１５ 特開平０５−２０９７２６

円周方向にレーザによる線像を作ってその光切断面の凹凸をカメラで測定し、軸方向に移動する方法では全体を1個のカメラで見るため測定分解能を上げられないという問題があった。

また、光スポットを円周方向に走査し軸方向の移動と組み合わせ三角測量法にて形状を測定する方法では回転精度が必要で、長いプローブや細いプローブでは回転精度があげられず形状変動と回転ブレによる変動が重複してしまう状態になる問題があった。また、この方法では溶接痕のデータを点で取るため数多くの回転が必要で、測定時間がかかる問題があった。

また、通常の光切断装置を円筒面内で利用する方法では、特に開口の狭いタンク内にはそういった装置を入れられず、例え入れられても溶接痕の位置に合わせる操作をすることが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は精密な回転ができなくても、また、入口が狭く軸上でしか動けず溶接痕に近づくことができなくても、１回転だけの動きで高い分解能で溶接痕の検査ができるタンク内溶接痕検査用光切断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、円筒軸付近からタンク内面にライン状の光を照射するライン状光源および円筒軸付近にありライン光源照射位置と円筒軸方向に離れた位置にあって円筒内面に照射されたラインを斜めから結像して画像を出力する結像レンズおよびカメラを備える測定ヘッド部と、測定対象円筒体または測定ヘッド部を回転させる回転機構と、測定対象円筒体または測定ヘッド部を軸方向に移動する直動機構とを備えたタンク内溶接痕検査用光切断装置であって、ライン状光源を、その円筒内面への照射ライン方向が円筒軸方向とも円周方向とも傾けて配置することを特徴とするタンク内溶接痕検査用光切断装置とした。

また、ラインを結像し画像化する結像レンズおよびカメラを、ライン照射位置を挟んで反対側の円筒軸付近にも備えることを特徴とするタンク内溶接痕検査用光切断装置とした。

照射ラインが回転方向に対しても軸方向に対しても傾くため、照射ラインは軸方向にも円周方向にも長さ成分を持つことになる。そのため、軸方向成分の長さは軸方向測定範囲の意味を持ち、円周方向成分は光切断法におけるカメラの視野長さの意味を持つ。

そのため照射ライン長さの軸方向成分を溶接痕の幅以上にしておけば、その範囲で軸方向成分の長さ分の断面形状測定が可能になり、カメラの視野方向位置から軸方向への変換が可能となり、これと円筒軸中心の回転を1回転分組み合わせることにより溶接痕の形状検査が一周だけの回転で可能となる。

また、カメラが片側だけだと反対側は影になりデータがとれないので反対側にもカメラをおくことで影の影響をなくすことができる。その結果、精密な回転ができなくても、また、入口が狭く軸上でしか動けず溶接痕に近づくことができなくても、高い分解能で一回転だけで溶接痕の検査ができるタンク内溶接痕検査用光切断装置を提供できる。

本発明の実施例におけるタンク内溶接痕検査用光切断装置の構成図である。 本発明の実施例におけるカメラ画像の例である。 本発明の実施例における光学系の原理説明図である。

図１に、本発明の実施例１におけるタンク内溶接痕検査用光切断装置の構成図を示す。１は半導体レーザユニット、２はシリンドリカルレンズ、３は折り返しミラー、５は折り返しミラー、６は結像レンズ、７はカメラ、８は折り返しミラー、９は測定ヘッド、１０はＺ軸ステージ、１１は回転ステージ、１２は測定対象円筒体である。

半導体レーザユニット１からでた光はすでに内蔵するレンズで測定対象上に焦点をもつ光束となっており、シリンドリカルレンズ２に入射する。シリンドリカルレンズは一方向のみ集光するレンズであり、シリンドリカルレンズ２を出射した光はライン状に一方向のみ伸ばされる。その後折り返しミラー３で方向をタンク１２内面に垂直な方向に変換され、タンク溶接痕１３に照射されてレーザーラインＬとなる。

タンク内面に照射されたレーザーラインＬはそこで拡散反射し、拡散反射した光の一部は折り返しミラー５、８を介して２つの結像レンズ６を経て２つのカメラ７に像を結び、画像化される。画像の一例を図２に示す。画像は図示しない経路でパーソナルコンピュータに送られ表示や演算処理が行われる。測定対象物は回転ステージ１１で回転し、測定位置はＺ軸ステージ１０により適宜変更される。これらのステージは同じパーソナルコンピュータで制御される。

レーザーラインＬはタンク内面でのラインの照射角度θが円周方向Ｈおよび軸方向Ｖに対し角度を持つよう配置される。本実施例ではレーザーラインＬは円周方向Ｈからθの角度を持つように配置される。この角度はシリンドリカルレンズ２とミラー３との軸方向を中心とした相対角度で調整することができる。

レーザーラインＬの方向を円周方向Ｈと一致させる、つまりθ＝０にすると通常の光切断による形状測定の方法となる。この場合は回転しても同じ円周上を移動するだけなので溶接痕１３の検査はできない。なおこの状態でもタンク１２は静止したまま、Ｚステージ１０を上下に動かしながら光切断測定を行い、カメラ７の視野範囲が測定し終わった段階でタンク１２をカメラ７視野分回転させてから同じことを行っていけば溶接痕形状が測定できる。しかし上下と回転を交互に動かす必要があり、測定効率は落ちる。

レーザラインＬの方向を軸方向Ｖと一致させる、つまりθ＝９０°とすると、形状の高さ変化による像位置変化方向がレーザラインの方向と一致してしまい、高さが測定できなくなる。その場合にはレーザラインＬを中心として回転させた方向にカメラ７を置き、タンク１２を回転させれば溶接痕形状を測定できる。しかしそのような構成にすると本実施例のように入口が狭いタンク１２ではカメラ７が入らなくなる。

本実施例ではレーザラインＬの方向を円周方向Ｈとも軸方向Ｖとも角度θを持たせることで溶接痕の幅と高さを断面測定でき、タンク１２を１回転させれば溶接痕１３の１周分の表面形状を測定することができる。

図３に原理説明のため折り返しミラー３、５、８を省いた図を示す。図３においてθ＝０であると特許文献１、４で示したような通常の光切断法と言われているものとなる。レーザラインＬをθ傾けるとその軸方向長さ成分はＬｓｉｎθとなり、Ｈ１〜Ｈ２までの範囲の表面形状断面を１画面で測定することができる。画面上のレーザラインＬの有効範囲はＬｃｏｓθである。よってレーザラインＬの長さおよび角度θはＬｓｉｎθが溶接痕を測定するのに必要な軸方向長さ、ＬｃｏｓθがカメラのＸ視野に適当な長さとなるよう設定する必要がある。

カメラ７のＸ方向を円周方向、Ｙ方向をレーザの照射軸と合わせると、カメラ画素のＸ方向はレーザラインＬの傾き角度θに基づき軸方向位置に変換することができ、カメラ画素のＹ方向はタンク１２の半径方向高さに変換することができる。なお、図２に示すようにカメラ７にはレーザラインＬは傾いて映り、照射位置により距離や倍率も異なるため、カメラ画素ＸＹから軸方向位置および半径方向高さを算出するためには通常の光切断とは違った計算式および校正が必要である。

計算式の例としては同次座標を使った透視投影行列を使ったものがあげられる。レーザライン方向をXw、レーザ光軸方向をZwとすると、その平面上座標の同次座標Ｘ＝（Xw,Zw,1）は３×３の透視投影行列Pによりカメラ画像の同次座標ｍ＝（u,v,1）に次のようにして変換される。
ｍ＝Ｐ・Ｘ
よって、逆にカメラ画像上の座標(u,v)がわかっている場合は対応するレーザライン上の座標Xw,Zwは次のように求められる。
Ｘ＝Ｐ^−１・ｍ

上記透視投影行列Ｐは以下のようにして求められる。
Ｐ＝Ａ（Ｒ｜ｔ）
ここでＡはカメラの内部パラメータ行列、Ｒはレーザライン座標に対するカメラ画像座標の回転行列、ｔはレーザライン座標とカメラ画像座標の平行移動行列である。そして通常の光切断ではＲはレーザラインＸｗ軸を中心とした回転のみであるが、本実施例の場合はまずレーザ光軸Ｚｗ軸周りにθ回転させた後、Ｘ軸周りにかめらの見込み角分回転させることとなる。

以上の計算方法にてこの斜めの光切断面をタンク１２の回転によりタンク一周分とれば上側溶接部１３の溶接痕の形状測定データが一周分測定でき、形状異常の検査ができる。上側溶接部１３の溶接痕の検査ができたらＺステージ１０により、下側溶接部１４に移動し、そこでも回転により測定ができる。このように円周方向についている溶接痕を検査する場合には本実施例の方法がスムーズで効率的に検査できる。多少回転精度が悪くてもカメラ７としてグローバルシャッタのカメラを用いれば一断面が同時にとれるので、その断面内では回転ぶれの影響を受けることがなく、回転精度が悪くても形状測定に対する影響を少なくすることができる。

本実施例においてはタンク側を回転させたが、タンクを静止して計測ヘッド側を回転することも可能である。通常カメラやレーザが電線でつながっている計測ヘッド側を回転させるのは困難であるが、本実施例では１回転できれば計測可能なため、電線がつながっていても回転に対応した適切なケーブル保護管を用意することでタンクを静止したまま計測ヘッド側のみの回転も可能となる。

なお、本実施例のシリンドリカルレンズは円筒面に限ったものでなく、レーザラインの均一性を高めるための非円筒面レンズであっても良い。また、半導体レーザユニット内にそれが組み込まれたものでもよい。その場合にはレーザラインＬの角度の調整は半導体レーザユニット１とミラー３の軸方向を中心とした角度の相対角度で調整することになる。

以上説明したように、精密な回転ができなくても、また、入口が狭く軸上でしか動けず溶接痕に近づくことができなくても、高い分解能で一回転だけで溶接痕の検査ができるタンク内溶接痕検査用光切断装置を提供できる。

以上説明したように本実施例によれば精密な回転ができなくても、また、入口が狭く軸上でしか動けず溶接痕に近づくことができなくても、高い分解能で一回転だけで溶接痕の検査ができるタンク内溶接痕検査用光切断装置を提供できるため、これまで検査が難しかった開口が狭いタンクの内側の溶接痕の形状を簡易に検査が可能となり、溶接タンクの信頼性や寿命の向上ができるので産業上非常に有用である。特に今後来たるべき水素社会において水素の特性としてわずかなピンホールでもきわめて漏れやすいということがあるため、内側溶接痕の検査はそのピンホール等の防止の意味でもきわめて有用である。

１ 半導体レーザユニット
２ シリンドリカルレンズ
３ 折り返しミラー
５ 折り返しミラー
６ 結像レンズ
７ カメラ
８ 折り返しミラー
９ 測定ヘッド
１０ Ｚ軸ステージ
１１ 回転ステージ
１２ タンク（断面図）
１３ 上側溶接部
１４ 下側溶接部
Ｌ レーザラインおよびその長さ
Ｈ、Ｈ１、Ｈ２ 円周方向
Ｖ 軸方向
θ レーザラインが円周方向となす角

Claims (2)

1. 円筒部を一部有するタンクの円筒軸付近からタンク内面にライン状の光を照射するライン状光源、および円筒軸付近にありライン光源照射位置と円筒軸方向に離れた位置にあってタンク内面に照射されたラインを斜めから結像して画像を出力する結像レンズおよびカメラを備える測定ヘッド部と、タンクまたは測定ヘッド部を回転させる回転機構と、タンクまたは測定ヘッド部を軸方向に移動する直動機構とを備えたタンク内溶接痕検査用光切断装置であって、そのタンク内面へのライン状光源の照射ライン方向を円筒軸方向とも円周方向とも傾けて配置することを特徴とするタンク内溶接痕検査用光切断装置
2. 照射ラインを結像し画像化する結像レンズおよびカメラを、ライン照射位置を挟んで円筒軸方向反対側の円筒軸付近にも備えることを特徴とする請求項１のタンク内溶接痕検査用光切断装置。

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