JP2553867B2 - 超音波探傷装置 - Google Patents

超音波探傷装置

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JP2553867B2 JP62145191A JP14519187A JP2553867B2 JP 2553867 B2 JP2553867 B2 JP 2553867B2 JP 62145191 A JP62145191 A JP 62145191A JP 14519187 A JP14519187 A JP 14519187A JP 2553867 B2 JP2553867 B2 JP 2553867B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明はセラミックスや複合材料等で成形された曲
面形状の物体を、水中で自動的に超音波探傷を行う装置
に関するものである。
[従来の技術] 従来、3次元スキャナを用いて曲面形状の物体を水中
で自動的に超音波探傷を汎用的に行うものとしては、円
筒等、単純な形状の物体について行うものしか存在しな
い。エンジン内室等の複雑な物体については、専用の超
音波探傷装置しかなく、測定対象物が変わると測定でき
ない。
汎用的な3次元スキャナを用いて、円筒のような単純
な曲面形状の物体を探傷する場合、超音波探触子をその
形状にならわせるために、その移動位置と方向をマニュ
アルのティーチングによって設定するのが一般に行われ
ている。
ところで、超音波探傷においては、物体表面に対する
超音波探触子の位置や角度は探傷結果に重要な影響を及
ぼす。従って、自動的に超音波探傷を行うには、スキャ
ニング中、探触子の被測定体に対する位置と角度を一定
に保持する必要がある。
即ち、被測定体の内部の傷または状態を精度よく知ろ
うとする場合は、被測定体の表面の入射点において、超
音波探触子を表面に垂直に保持すると共に、超音波入射
点の表面から探触子を一定の距離に保持しなければなら
ない。表面から探触子を一定の距離に保持しなければ、
反射しているエコーレベルから内部の傷の大きさを推定
することができない。
また、被測定体の表面の傷を調べる場合は、超音波の
入射角度を臨界角に保持すると共に、超音波の入射点か
ら一定の距離に探触子を保持する必要がある。
しかしながら、マニュアル・ティーチングでは設定さ
れたポイント(ならい基準点)が少なく、スキャニング
に際して被測定体の表面に対して、超音波の入射角度を
一定に保持すると共に物体表面と探触子との距離を一定
に保持することができず、精度のよい探傷結果が得られ
ない。
そこで、前もって曲面形状をもった物体の形状を測定
し、超音波探触子をつかんだロボットハンドを用いて物
体の超音波自動探傷を行った例がある(“inplementati
on of a robotic manipulator for the ultrasonic ins
pection of composite structures"Review of Progress
in Quantitative,nondestructive evaluation4B,July8
−13,1984)。この超音波探傷装置では、ロボットハン
ドに保持された探触子は曲面形状にならいながら、指定
された点(ならい基準点)を移動する。しかし、その移
動速度はロボットハンド位置のフィードバック制御等を
行っているために遅くなるので、スキャニング速度をあ
る程度高く維持するためには、ならい基準点の数を制限
せざるを得ない。このため、これらのならい基準点の中
間部については、相隣る2個のならい基準点間は直線補
間法によって探触子は直線的に移動し、このような部分
の測定精度が著しく低下する。従って、高精度に探傷を
行うには長時間を必要とし、例えば100μmピッチで100
mm×100mmの領域を探傷する場合を考えると、1ポイン
ト移動するのに30msec要するとして、約80時間かかる。
[発明が解決しようとする問題点] このように、従来の超音波探傷装置においては、マニ
ュアル・ティーチング方式による場合は高精度の超音波
探傷を行うことができず、超音波自動探傷方式による場
合は、高精度の超音波探傷を行おうとすると膨大な時間
を必要とすることになる。後者の方式において、高速に
探傷を行おうとすると、ならうべき点の数を減らさなけ
ればならず、この場合はマニュアル・ティーチング方式
と同様の結果となり、高精度の超音波探傷を行うことが
できない。即ち、第5図に示すように、高精度に超音波
探傷する場合は、実線で示すように超音波探触子の先端
を曲面にならないながら、なめらかに移動しなければな
らない。しかし、マニュアル・ティーチングやロボット
ハンドによる探傷方式では波線で示すように移動する。
従って、測定位置によっては、高精度の探傷のために必
要とされる探触子と探傷面との角度及び距離を一定値に
保持することができない。
この発明は、こうした問題点に鑑みて、セラミックス
や複合材料等で成形された曲面形状の物体を、高速かつ
高精度に超音波自動探傷を汎用的に行うことを目的とす
るものである。
[問題点を解決するための手段] この目的を達成するために、この発明では、互いに直
交する3軸(x軸,y軸及びz軸)の各方向に移動可能な
駆動機構を有する3次元スキャナと、該スキャナのz軸
方向下方に設置した距離センサと、該スキャナのz軸方
向下方に併設され、先端に超音波探触子を保持し、該超
音波探触子をxy平面で旋回可能とする駆動機構(α軸)
を有し、かつ該超音波探触子保持部をxy平面に直角な平
面で旋回可能とする駆動機構(θ軸)を有する腕状のホ
ルダと、該超音波探触子から超音波を送受するためのパ
ルサーレシーバと、被測定体の形状を記憶するメモリ
と、このメモリに記憶された形状データから前記超音波
探触子を被測定体の表面で法線方向と一定角度でかつ一
定距離にある点に保つべく各駆動機構(x,y,z,α及びθ
各軸)の制御量を計算するための演算処理部とを備え
る。
更に好ましくは、前記演算処理部の処理内容が、記憶
された被測定体の形状データから被測定体の表面で法線
方向と一定角度でかつ一定距離にある点からなるデータ
列Uijを作成し、該データUijを前記各駆動機構のモータ
の特性関数によって補正した新たなデータ列Pijを作成
するものであり、前記各駆動機構のモータがパルスモー
タであり、前記データ列Pijに基づいてオープンループ
で倣い制御される。
[作用] この発明によると、被測定体の形状を記憶するメモリ
とメモリに記憶された形状データから駆動機構の制御量
を計算するための演算処理部を設けることにより、前も
って駆動機構の制御量を与えるデータを生成し、各軸の
駆動部とオープンループ制御することが可能となる。従
って、通常のロボット制御のように、現在位置等を検知
しながら働きを制御するフィードバック制御方式と比較
して、極めて高速な動きが可能となる。
[実施例] 以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明す
る。第1図は、この発明による超音波探傷装置の一実施
例の計測部の概略を示す図、第2図は同実施例における
データの流れと装置全体の概略を示す図である。この図
において、1は被測定体、2は距離センサ、3はα軸モ
ータ、4はθ軸モータ、5はホルダ、6は超音波探触
子、7は水中自動超音波探傷のための水槽、11は演算処
理部としての計算機、12は距離センサ2により測定され
た被測定体1の形状を表わす距離データ、13は距離セン
サ2の計測器、14は超音波探触子6から超音波を送受す
るためのパルサーレシーバ、15はx軸,y軸,z軸,α軸,
θ軸の各軸のモータを駆動制御するモータドライバ、16
は各軸のモータの回転量を制御するためのパルス列、17
は超音波データ、18は超音波探傷結果のデータ、19は探
傷結果を表示するCRTディスプレイである。
距離センサ2とα軸モータ3とはx軸,y軸,z軸(垂直
軸)方向に移動しうる3次元スキャナの下端(z軸方
向)に取付けられている。ここで、x軸,y軸,z軸は互い
に直交している。また、距離センサ2としては、例えば
レーザ距離計センサを用いる。
また、αとθは回転方向を示し、αはz軸方向に回転
軸をもち、θはx軸とy軸によりつくられる平面(水平
面)方向に回転軸をもつ。
次に、その動作について説明する。水槽7に満たされ
た水中に設置された被測定体1の上部で、距離センサ2
をスキャンさせることにより、x軸とy軸の各点(x,
y)における被測定体1の表面と距離センサ2との距離
を測定し、被測定体1の形状関数z=f(x,y)を得
る。この距離データ12は計算機11に取り込まれる。
第3図は3次元スキャナによるスキャニングのための
メッシュ例を示すものである。この例では、x軸にそっ
てdxのピッチでN個の点で測定し、この操作をdyのピッ
チでY方向にM回繰返す(図では、そのx座標のみを記
載する)。即ち、測定される点はMN個ある。
計算機11では、この形状関数f(x,y)を用いて、被
測定体1の表面の点(xij,yij)における法線方向で一
定の距離dにある点Uij=(Xij,Yij,Zijijij)を
求める。ここでi,j,θ,αは、 i=0,1,2,……,N−1 j=0,1,2,……,M−1 cosθ=(Zij−zij)/d cosα=(Xij−xij)/d で与えられる。
この場合、(x00,y00,f(x00,y00),(x10,y10,f(x
10,y10)),(x20,y20,f(x20,y20)),……,(x01,
y01,f(x01,y01)),……の順に被測定体1の超音波入
射点に沿って探傷されるとすると、超音波探触子6の先
端位置をU00,U10,U20,……,U01,……の順に移動すれ
ば、被測定体1の表面に対して常に直角で、かつ一定距
離dを保持しながら探傷することが可能となる。
そのような探傷を可能とするために、これらのデータ
列Uijの差分データ列 Mij=(δXij,δYij,δzij,δθij,δαij) を作成する。ここで、δXijは δXij=X(i+1)j−Xij であり、δYij,δZij,δθij,δαijも同様である。
これらのデータ列の値に比例したパルス列を用いて各
軸のモータを駆動制御するが、もし差分のデータ列をそ
のまま用いた場合には、各軸を動かすモータの特性や各
軸の摩擦動特性等を考慮しないために、駆動時間遅れ,
オーバーシュート等が発生し、探触子6が指定された位
置を移動しないことになる。
そこで、第4図に示すように、パルス列のステップ入
力(0,0,0,0,100,100,……)に対する特性関数F(n)
を各モータについて求める。この特性関数を用いて得ら
れる差分の新しいデータ列Pijを(δX′ij,δY′ij,
δZ′ij,δθ′ij,δα′ij)とすると、 δXij=ΣFx(n)×δX′ij において、δXijとFx(n)が既知であるので、データ
列δX′ijを得ることが可能となる。同様にして、δ
Y′ij,δZ′ij,δθ′ij,δα′ijを得ることも可能
である。このデータ列Pijに比例したパルス列16をモー
タドライバ15に入力することにより、各軸モータの回転
量が適切に制御され、超音波探触子6は指定された位置
に高速かつ高精度に移動される。
尚、以上の実施例では、被測定体曲面の表面に対して
超音波探触子が常に法線方向を向き、かつ一定距離の場
合、即ち、被測定体の内部探傷の例について述べたが、
同様の方式によって、表面に対して一定の角度及び距離
を保ちながら、表面に表面波を発生しながら表面波探傷
を高速かつ高精度に行うことも可能である。
また、以上の実施例では、距離センサ2を用いて被測
定体の形状を直接的に求め、これによって得られたデー
タを用いたが、形状データを入力するにあたっては、物
体の製造時または入荷時における形状情報を用いてもよ
いことは言うまでもない。即ち、例えばCAD等でつくら
れた情報あるいはベアリング等を球の半径等の情報をス
キャニングのためデータとして用いることができる。
[発明の効果] 以上の説明から明らかなようにこの発明によれば、被
測定体の形状を記憶するメモリとメモリに記憶された形
状データから駆動機構の制御量を計算するための演算処
理部を設けることにより、前もって駆動機構の制御量を
与えるデータを生成し、各軸の駆動部をオープンループ
制御することが可能となる。従って、超音波探触子を曲
面形状をもつ被測定体に対して、その表面から一定の距
離でかつ一定の角度でならいながら、高速かつ高精度に
超音波探傷を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明による超音波探傷装置の一実施例の計
測部の概略を示す図、第2図は同実施例におけるデータ
の流れと装置の全体の概略を示す図、第3図は同実施例
における3次元スキャナによるスキャニングのためのメ
ッシュ例を示す図、第4図はモータの特性関数の一例を
示す図、第5図は従来例における超音波探触子の軌跡の
一例を示す図である。 図中. 1:被測定体、2:距離センサ 3:α軸モータ、4:θ軸モータ 5:ホルダ、6:超音波探触子 7:水槽
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−67854(JP,A) 特開 昭57−148248(JP,A) 実開 昭61−65350(JP,U)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに直交する3軸(x軸,y軸及びz軸)
    の各方向に移動可能な駆動機構を有する3次元スキャナ
    と、該スキャナのz軸方向下方に設置した距離センサ
    と、該スキャナのz軸方向下方に併設され、先端に超音
    波探触子を保持し、該超音波探触子をxy平面で旋回可能
    とする駆動機構(α軸)を有し、かつ該超音波探触子保
    持部をxy平面に直角な平面で旋回可能とする駆動機構
    (θ軸)を有する腕状のホルダと、該超音波探触子から
    超音波を送受するためのパルサーレシーバと、被測定体
    の形状を記憶するメモリと、このメモリに記憶された形
    状データから前記超音波探触子を被測定体の表面で法線
    方向と一定角度でかつ一定距離にある点に保つべく各駆
    動機構(x,y,z,α及びθ各軸)の制御量を計算するため
    の演算処理部とを備えることを特徴とする超音波探傷装
    置。
  2. 【請求項2】前記演算処理部の処理内容が、記憶された
    被測定体の形状データから被測定体の表面で法線方向と
    一定角度でかつ一定距離にある点からなるデータ列Uij
    を作成し、該データUijを前記各駆動機構のモータの特
    性関数によって補正した新たなデータ列Pijを作成する
    ものであり、前記各駆動機構のモータがパルスモータで
    あり、前記データ列Pijに基づいてオープンループで倣
    い制御されることを特徴とする特許請求の範囲第(1)
    項記載の超音波探傷装置。
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