JP2720077B2

JP2720077B2 - 超音波探傷装置

Info

Publication number: JP2720077B2
Application number: JP1214365A
Authority: JP
Inventors: 吉男中島; 和男本間; 幸男住谷; 武山口; 広志稲満; 英司南山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1989-08-21
Filing date: 1989-08-21
Publication date: 1998-02-25
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: JPH0377057A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超音波探傷装置に係り、特に複雑な表面形
状の被検体を自動超音波探傷するのに好適な超音波探傷
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

精密な探傷を目的とする超音波探傷の一方法として、
水中に被検体を沈め、その水中で超音波探触子により被
検体の表面上を走査して探傷する水浸自動探傷法があ
る。

水浸自動探傷法においては、傷（欠陥）の大きさ及び
位置を正確に知るために、超音波探触子と被検体との距
離を一定に保ち、しかも超音波ビームの中心軸の方向を
被検体の表面の法線方向に一致させておく必要がある。

なお、この種の装置として関連するものには、例え
ば、『日本機械学会誌』Vol.90,No,826,p5〜９、『非破
壊検査』第37巻，第２号,p152〜153、特開昭63-309852
号公報、特開昭63-309853号公報に示された技術が知ら
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のうち、『日本機械学会誌』の例は、表
面が平面の被検体の探傷は可能であるが、表面が曲面の
被検体に対しては、超音波ビームの中心軸の方向を被検
体の表面の法線方向に一致させることが困難なため、探
傷が不可能であった。

一方、『非破壊検査』および特許公開公報の例は、ま
ず被検体全面の形状をレーザ距離計で計測し、次にその
形状データを用いて、超音波探触子を走査する方法を採
っている。

ここでは、距離センサと多軸制御される探触子とは独
立に姿勢制御されるため、探触子の法線方向を制御する
とともに被検体表面からの距離を一定に制御すると、距
離センサによる測定点が大きく変化する場合があり、所
定の測定点における形状を測定できないことがあった。

また、スキャナ機構が被検体表面をレーザと超音波と
で２回走査する必要があり、超音波探傷に要する時間の
２倍の時間を必要とする問題があった。

さらに、レーザー距離計を用いた形状測定は空気中
で、超音波探傷は水中で行う必要があり、その段取りに
大がかりな装置を必要としたり、多くの時間を費やすと
いう問題があった。

本発明の目的は、曲面を有する被検体表面の所望の測
定点において、超音波探触子がその表面に対して常に所
定方向からその測定点に向いて探傷することができ、１
回の走査で表面形状の測定と探傷とを行うことが可能な
超音波探傷装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、距離センサに
より予め測定した被検体の形状データに基づき超音波探
触子の探傷点の法線方向と位置とを演算し、被検体を探
傷する超音波探傷装置において、前記距離センサと超音
波探触子とを一体的に結合し、前記距離センサによる前
記探傷点よりも先行する測定範囲の形状測定と、前記超
音波探触子の前記探傷点における所定方向および所定距
離からの探傷とを並行して実行する制御装置を備えた超
音波探傷装置を提供するものである。

前記制御装置が、探傷領域を含む領域で前記距離セン
サを走査し、この距離センサの検出信号と各駆動軸の位
置信号とから被検体表面の位置を演算する手段と、演算
された被検体表面の位置を記憶する記憶部とを備えるこ
とができる。

前記制御装置は、具体的には、前記測定範囲を小領域
に区分し、前記形状測定時に前記距離センサから得られ
た情報と各駆動軸の位置から得られた情報とを、同一の
小領域には１個の位置情報として記憶する記憶部を含む
ことが可能である。

前記制御装置は、さらに、各探傷点の法線方向および
位置を演算するに際し、当該探傷点を囲む周囲の小領域
に対応する記憶部に格納されている位置情報を選択的に
取り出して演算する手段を含んでもよい。

また、前記距離センサを、１個の超音波探触子で構成
した場合は、前記制御装置は、探傷用超音波探触子が移
動すべき位置およびその法線方向を演算する際に外挿演
算を行い、必要なデータを補間する。

〔作用〕

形状測定動作では、距離検出手段の出力信号と駆動装
置の位置信号とから被検体表面の位置を演算する。そし
え、探傷動作では、前記形状測定動作で演算した位置に
基づいて超音波探触子を位置決めし、探傷を行うととも
に、形状測定動作と同様の演算も行うので、探傷と形状
測定とが並行して進行し、１回の走査で曲面を有する被
検体の探傷が可能となる。

なお、本明細書において、形状測定動作とは、形状測
定のみを行う動作をいい、探傷動作とは、形状測定動作
をしながら探傷を並行して行う動作をいう。

〔実施例〕

第１図〜第３図を用いて、本発明の第１実施例を説明
する。

第１図は本発明による超音波探傷装置の第１実施例の
全体構成を示すブロック図、第２図は第１図実施例の手
首部の側面を示す図、第３図は第１図実施例における超
音波探触子等の配置例を示す図である。

１は探傷するための超音波探触子、2a,2bは被検体３
の表面の位置を検出するための距離センサであり、具体
てきには超音波探触子であって、第１ブラケット４によ
り超音波探触子１と結合されている。５はα軸用の駆動
装置であり、例えば電気モータで、この駆動装置を動作
させると、超音波探触子1,2a,2bを取り付けた第１ブラ
ケット４はα軸回りに回転する。６はβ軸用の駆動装置
であり、この駆動装置を動作させると、第１ブラケット
４はβ軸回りに回転する。７は駆動装置５を取り付けた
第２ブラケット、８はＺ軸アームである。Ｚ軸用駆動装
置９を動作させると、Ｚ軸アーム８はＺ軸方向すなわち
上下方向に移動する。10は第３ブラケットである。ここ
では図示していないが、この第３ブラケット10をＸ軸,Y
軸方向に移動させる駆動装置を備えている。11は探傷範
囲等を入力する入力装置、12は記録装置、13は距離検出
装置、14が制御装置、15〜19は各軸の駆動装置用の増幅
器であり、例えばサーボ増幅器である。20〜24は各駆動
装置に内蔵された位置または角度検出器，例えばポテン
ショメータからの信号である。25〜29は制御装置14から
の指令値、30は超音波探触子１からの超音波信号、31a,
31bは超音波探触子2a,2bからの超音波信号である。これ
らの信号31a,31bは距離検出装置13に入力されている。

第４図は距離検出装置13の構成の一例を示すブロック
図である。距離検出装置13は、超音波探触子2a用の距離
検出回路13aと、超音波探触子2b用の距離検出回路13bと
からなる。距離検出回路13aは、超音波探触子2aに超音
波信号を送信する送信器32と、被検体３から反射してく
る超音波信号を受信する受信器33と、計時回路34とから
なる。計時回路34は送信器32からの送信信号と被検体３
の表面からの超音波反射信号との時間間隔を測定し、制
御装置14に出力する。なお、この時間間隔をtoとし、水
中の音速をＶとすると、超音波探触子2aと被検体３の表
面との距離ｍは、ｍ＝Vto/2……（１）で求められる。また、距離検出回路13bは13aと同様の構
成となっている。

次に、制御装置14の制御内容について説明する。第５
図は概略的な制御内容を示すフローチャートである。

まず、手順35でメモリのクリアなどの初期処理を行
い、次に、手順36で超音波探触子2a,2bを制御開始位置
に位置決めする。その位置決め動作が完了した状態を第
６図に示す。そして、形状測定動作37に移る。

形状測定動作37の詳細フローチャートを第７図に示
す。形状測定動作における各駆動装置の位置指令値は予
めわかっているものとする。ただし、探傷するときの指
令値よりは精度を必要としないので、例えば、１走査の
うち代表点の位置を被検体の設計データ等から求め、そ
の間を補間して指令値を求めておく。

形状測定動作37では、まず、手順40で１走査分の各駆
動装置の指令値（以下、各軸指令値という）を取り込
み、メモリに記憶する。この１走査分の各軸指令値は式
（２）〜（６）に示すようなデータ群となっている。

Ｘ_ref＝（Ｘ₀,X₁，…,X_n,X_max）…（２）Ｙ_ref＝（Ｙ₀,Y₁，…,Y_n,Y_max）…（３）Ｚ_ref＝（Ｚ₀,Z₁，…,Z_n,Z_max）…（４） α_ref＝（α₀，α₁，…，α_n，α_max）…（５） β_ref＝（β₀，β₁，…，β_n，β_max）…（６）次に、手順41で、走査開始点に位置決めする。すなわ
ち、Ｘ_ref＝Ｘ₀,Y_ref＝Ｙ₀,Z_ref＝Ｚ₀，α_ref＝α₀，β
_ref＝β₀とし、各軸を位置決めする。この位置決めが完
了したら、変数Ｎを１にし、手順43で走査開始指令をタ
イマー割り込みプログラムに出力する。タイマー割り込
みプログラムでは、走査開始指令を受け取ると、第８図
に示すプログラムが、ある決められた一定時間間隔で動
作する。

まず、手順47で、走査停止指令かどうか判定する。最
初は走査開始指令であるので、手順48に移り、Ｎ番目す
なわちＮ＝１なので、Ｘ_ref＝Ｘ₁,Y_ref＝Ｙ₁,Z_ref＝
Ｚ₁，α_ref＝α₁，β_ref＝β₁の指令値を取り込み、そ
の指令値と各軸の現在位置Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀との差
を計算し、その偏差にある係数を乗じるサーボ演算を行
い、その演算結果を第１図におけるサーボ増幅器15〜19
に出力する。

手順49で、超音波探触子2a,2bと被検体３表面との距
離ｌ_a,l_bを距離検出装置13からの信号により取り込む。
次に、手順50で、各軸の現在位置Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀
を取り込む。手順51で、距離信号ｌ_a,l_bと各軸の現在位
置信号Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀とから、被検体３の表面に
超音波探触子2a,2bの超音波ビームが当っている点の位
置（Ｘ_a,Y_a,Z_a），（Ｘ_b,Y_b,Z_b）を演算する。ここで、
Ｘ_a〜Ｚ_bは次の関係式から演算される。

Ｘ_a＝ｆ₁（Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀,l_a）…（７）Ｙ_a＝ｆ₂（Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀,l_a）…（８）Ｚ_a＝ｆ₃（Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀,l_a）…（９）Ｘ_b＝ｆ₁（Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀,l_b）…（10）Ｙ_b＝ｆ₂（Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀,l_b）…（11）Ｚ_b＝ｆ₃（Ｘ₀,Y₀,Z₀，α₀，β₀,l_b）…（12）すなわち、Ｘ₀〜β₀で示す現在位置と、次の距離検出位
置データＸ₁〜β₁との偏差を求め、その偏差と距離測定
値ｌ_a,l_bとから、次のＮ＝１番目の距離測定点の位置を
演算する。

次に、手順52で、（７）〜（12）で求めた被検体３の
表面の位置を記憶しておく。

ここで、第９図を用いて、位置の記憶方式の一例を説
明する。第９図は、位置記憶用の領域分割の一例を示し
ている。同図において斜線で示した領域が被検体３のＸ
−Ｙ座標平面における探傷範囲とする。

位置記憶用領域はその探傷領域より少し大きい領域と
し、その領域（Ｘ軸はＸ_th1〜Ｘ_th2,Y軸がＹ_th1〜Ｙ_th2
で囲まれた領域）をＸ軸方向にＰ＋１分割し、Ｙ軸方向
にＳ＋１分割い、小さい領域に区分する。

そして、式（７），（８）で得られたＸ_a,Y_aが第９図
のどの小領域に対応するかを調べ、対応する領域の値と
して、Ｘ_a,Y_a,Z_aと記憶完了を示すフラグとを記憶して
おく。また、式（10）〜（12）で得られた値についても
同様の処理を行う。

なお、検出された位置データを上記小領域に記憶する
際に、例えば小領域の区分間隔より距離測定手段の測定
間隔を小さくとれば、小領域１個の範囲内に得られる位
置情報は密になり、逆に測定間隔をより大きくとれば、
小領域１個の範囲内には相当する位置情報が記憶されな
いことになり、例えば１行おきに記憶される等、その方
法はいずれでも選択できる。

また、探触子と形状測定用探触子とが一体的に駆動さ
れるため、探触子を法線方向に向けると、近くにある形
状測定用探触子も距離検出点の法線方向に近い方向に向
くことになり、検出距離データが確実に得られ易くな
る。

上述のとおり、探傷用探触子と形状測定用探触子とを
一体的に結合して姿勢制御するので、探傷動作のために
法線方向を制御すると、探傷に先立って形状を測定する
形状測定用探触子が既に測定した測定点に再び向けられ
ることもある。このように、既に記憶されている領域に
新たにデータが得られた場合は、（１）新しいデータを記憶データとする。

（２）古いデータを記憶データとする。

（３）新しいデータと古いデータを加え、２で割って
記憶データとする。

のどの方式を用いてもよい。

次に、プログラムの手順は第８図の手順53に移り、変
数Ｎに１を加えて、すなわちＮ＝２として終了する。

第８図のタイマー割り込みプログラムの動作が完了す
ると、プログラム手順は第７図の手順44に戻り、一回の
走査が完了したかどうかを調べる。この判定はＮがmax
＋１になったかどうかで行う。この段階ではＮ＝２なの
で、手順44を繰り返すことになる。この手順44を繰り返
している間に、ある一定時間間隔で第８図のタイマー割
り込みプログラムが動作し、超音波探触子1,2a,2b,を結
合したブラケット４が第10図に示すように、Ｘ軸方向に
走査される。その走査とともに、先に説明した記憶方式
により、被検体３の表面の位置が記憶される。

そして、Ｎ＝max＋１になると、プログラムは手順44
から手順45へ移り、走査停止指令をタイマー割り込みプ
ログラムに出力する。この停止指令により、第８図の手
順54のみを行うことになり、１回の走査における最後の
指令値であるＸ_max,Y_max,Z_max，α_max，β_maxを指令値
として、サーボ演算及びその演算結果をサーボ増幅器15
〜19に出力する。手順54は第７図の手順40が完了するま
で繰り返される。

再び第７図に戻る。プログラムは手順45で走査停止指
令を出力した後、手順46に移り、形状測定動作が完了し
たかどうかを調査する。超音波探触子１により被検体３
を探傷するためには、少なくとも、超音波探触子１が第
３図のＬだけＹ方向に移動するまで走査を繰り返す必要
がある。したがって、１回の走査では、完了しないの
で、プログラムは手順46から手順40に移り、次の１走査
分の各軸位置指令値を取り込み、手順41〜46を順次繰り
返す。

そして、第11図に示すように、被検体３の表面の位置
が記憶されている近傍に超音波探触子１の超音波ビーム
が達した時点で、形状測定動作が完了したと判断され、
プログラムは第７図の手順46から第５図の手順38の探傷
動作へ移る。

以上説明した形状測定動作により、第11図の一点鎖線
で示した領域の被検体３の表面の位置は、第９図で示し
た記憶方式により記憶される。

次に、第５図の探傷動作38について詳述する。

第12図は、探傷動作38の詳細なフローチャートであ
る。このフローチャートが第７図の形状測定動作のフロ
ーチャートと違うところは、手順40の１走査分の各軸位
置指令値の取り込みが、手順55の１走査分の各軸位置指
令値の演算に代り、手順46の形状測定動作完了判定が、
手順56の探傷動作完了判定に代わっていることである。
その他の手順は第７図と全く同じである。また、探傷動
作におけるタイマー割り込みプログラムは形状測定動作
のそれと全く同じである。

手順55の１走査分の各軸位置指令値の演算について詳
述する。第13図は１走査分の各軸位置指令値の演算手順
のフローチャートである。また、第14図は各軸位置指令
値を演算する時に、記憶した被検体３の表面の位置デー
タのうち、どのデータを使用するかを説明する図であ
る。同図の太い実線が走査するラインであり、黒丸と白
丸で示した制御点位置の各軸指令値を演算するものであ
る。

まず、手順57で制御点位置近傍における被検体３の表
面の法線ベクトルを演算する。例えば、第14図の黒丸の
制御点位置の場合は、次の様になる。黒丸の場合、黒丸
を含む近傍の領域（1,1），（1,2），（2,2），（2,1）
のデータから法線ベクトルを演算すると、場合によって
は、４ヵ所のデータがすべて黒丸のごく近傍になった場
合、被検体３の表面位置の検出誤差があると、法線ベク
トルの演算誤差が大きくなり好ましくない。そこで、領
域（0,0），（0,3），（3,3），（3,0）のデータを用い
ることにする。領域（0,0）のデータをｘ₁,y₁,z₁，領域
（0,3）のデータをｘ₂,y₂,z₂，領域（3,3）のデータを
ｘ₃,y₃,z₃，領域（3,9）のデータをｘ₄,y₄,z₄とする
と、被検体３の表面における制御点位置黒丸の近傍の法
線ベクトルＮ（＝Nx,Ny,Nz）は次式によって求まる。

ただし、ｉ≠４ならｊ＝ｉ＋1,i＝４ならｊ＝１であ
る。

次に、手順58で制御点位置の位置演算を行う。第14図
における制御点黒丸の位置を（ｘ_k,y_k,z_k）とすると、
ｘ_k,y_kは記憶領域を設定するために与えた値であり、既
知である。したがって、手順58の制御点位置の位置演算
はｚ_kを求める演算である。

平面式はＮ_xｘ＋Ｎ_yｙ＋Ｎ_zｚ＋ｄ＝０……（16）であるので、法線ベクトルＮ（＝Ｎ_x,N_y,N_z）が求まれ
ば、平面上の一点の座標（ｘ_m,y_m,z_m）から、平面式の
係数ｄは次式となる。

ｄ＝−（Ｎ_xｘ_m＋Ｎ_yｙ_m＋Ｎ_zｚ_m）……（17）この係数ｄを用いることにより、制御点の位置ｚ_kは次
の様に求まる。

次に、係数ｄの演算に使用する（ｘ_m,y_m,z_m）につい
て説明する。

法線ベクトルの演算は、第14図における領域（0,
0），（0,3），（3,3），（3,0）の記憶データを用いて
行ったが、係数ｄの演算に使用する記憶データは制御点
位置黒丸の近傍の方が真の値に近い。したがって、領域
（1,1），（1,2），（2,2），（2,1）の記憶データを用
いることにする。すなわち、領域（1,1）の記憶データ
と式（13）〜（15）で得られた法線ベクトルを式（17）
に代入して演算し、その値をｄ₁とする。同様の方法を
用いて領域（1,2）の記憶データから計算した値をｄ₂，
領域（2,2）の記憶データから計算した値をｄ₃，領域
（2,1）の記憶データから計算した値をｄ₄とする。そし
て、次式を計算して、係数ｄとする。

ｄ＝（ｄ₁＋ｄ₂＋ｄ₃＋ｄ₄）/4 …（19）この様に、４つの領域から求めた係数を平均化すれ
ば、真の値に近いものとなる。

以上の説明により、制御点位置の法線ベクトルＮ（＝
Ｎ_x,N_y,N_z）と位置（ｘ_k,y_k,z_k）が求められた。

プログラムの手順は次に手順59に移り、各軸の位置指
令値の演算と記憶を行う。ここで、超音波探触子１と被
検体３の表面との距離がｌ₀になるように設定すると、
各軸の位置指定値（ｘ_r,y_r,z_r）は次の関係式から演算
される。

ｘ_r＝ｆ₄（ｘ_k,y_k,z_k,N_x,N_y,N_z,l₀）……（20）ｙ_r＝ｆ₅（ｘ_k,y_k,z_k,N_x,N_y,N_z,l₀）……（21）ｚ_r＝ｆ₆（ｘ_k,y_k,z_k,N_x,N_y,N_z,l₀）……（22） α_r＝ｆ₇（Ｎ_x,N_y,N_z）……（23） β_r＝ｆ₈（Ｎ_x,N_y,N_z）……（24）すなわち、探傷点周囲の小領域のデータから探傷点にお
ける法線方向と位置とを演算する。

そして、式（20）〜（24）の値を記憶しておく。

次に、手順60に移り、１走査分の演算が完了したかど
うかを調べる。当然のことであるが、上記説明では第14
図の黒丸で示された制御点しか演算してないので、手順
57に移り、次の制御点の近傍の法線ベクトル演算を行
う。この様に手順57〜60を順次繰り返し、第14図の印
の制御点位置まで演算および各駆動装置の制御を繰り返
しながら探傷し、第13図のプログラムを完了して、第12
図の手順41へ移る。

以上説明した手順55の１走査分の各軸位置指令値の演
算により得られた指令値は、式（２）〜（６）で表わさ
れたデータ群と同じになっている。このデータ群を用
い、手順41〜45を実行し、１回の走査を完了することに
なる。そして、手順56に移り、探傷動作が完了したかど
うか調べる。すなわち、第９図の太い実線で示された範
囲をすべて走査したかどうか調べ、走査してなかったら
手順55に戻り、次の１走査分例えば、第14図の×印のラ
インの各軸位置指令値の演算を行う。なお、手順44の走
査完了待ちの時は、形状測定動作と同じタイマー割り込
みプログラムが動作しているので、第15図に示すよう
に、被検体３の表面の位置演算と記憶を行っていること
は言うまでもない。

第14図で示された探傷範囲をすべて走査したならば、
プログラムは手順56から第５図の手順39へ移り、ある決
められた終了位置へ各軸を位置決めし、制御は完了す
る。

また、被検体３の欠陥探傷についての詳しい説明はし
なかったが、探傷動作において、超音波探触子１の超音
波信号30と制御点位置（ｘ_k,y_k）のデータとを用いるこ
とにより、記録装置13で欠陥分布を記録できる。

なお、手順57の法線ベクトル演算の説明においては、
第14図の黒丸を含む４ヶの記憶データから法線ベクトル
を演算したが、黒丸を含むような領域のデータであれ
ば、３ヶの記憶データから法線ベクトルを求めてもよ
い。

また、４個以上の記憶データから法線ベクトルを求め
てもよい。

さらに、以上の例は全ての超音波探触子を被検体表面
の法線方向に向けるものであったが、法線方向に対して
ある角度をもたせて、例えば表面波臨界角方向に探触子
を向けて探傷するように制御してもよいことも明らかで
ある。

上記実施例の説明では、被検体３の表面の位置を検出
するための超音波探触子が２個（2a,2b）であったが、
第16図に示すように、２個以上取り付けても、式（７）
〜（９）の計算と同じ計算が増すだけであり、本発明が
成立することは明らかである。

また、第14図を用いた説明においては、制御点位置を
記憶領域の境に設定したが、第17図に示すように、記憶
領域の中に設定しても良い。ただし、この時の手順58の
制御点位置の位置演算は、例えば第17図の黒丸の場合は
領域（2,1）の記憶データを用いて行う。

本実施例によれば、被検体３の表面の位置を検出する
ための超音波探触子を少くとも２個（2a,2b）有してい
るので、第14図の太い実線で示すラインを超音波探触子
１が走査しても、探傷点より外にある0,1,P−1,P列の領
域における被検体３の表面の位置を検出できる。

第18図および第19図に本発明の第２実施例を示す。第
18図は手首部の側面図を示し、第19図は第14図と同様
に、各軸位置指令値を演算する時に、記憶した被検体３
の表面の位置データのうち、どのデータを使用するかを
説明するための図である。

第１実施例では被検体３の表面の位置を検出するため
の形状測定用超音波探触子を２個有していたが、第２実
施例ではその超音波探触子２を１個としたものであり、
その他の構成は第１実施例と同じである。

被検体３の表面の位置を検出するための超音波探触子
を１個とした場合に生じる問題点は、手順55の１走査分
の各軸位置指令値の演算部分である。すなわち、第１実
施例の説明で述べたように、形状測定用超音波探触子が
２ヶ（2a,2b）あると、0,1,P−1,P列の領域における被
検体３の表面の位置を検出できるが、超音波探触子が１
個であると、超音波探触子１が第19図で示すＸ_th1から
Ｘ_th2の間しか走査しないので、◎印で示す制御点の各
軸位置指令値の演算ができない。そこで、次に◎印にお
ける各軸位置指令値の演算方法について説明する。

まず、第19図の制御点黒丸の近傍における法線ベクト
ルＮ（＝Nx,Ny,Nz）を領域（0,0），（0,3），（3,
3），（3,0）の記憶データを用い、式（13）〜（15）と
同様の演算を行い求める。そして、第19図の制御点A,B
は制御点黒丸と法線ベクトルが同じであるとして、以下
の演算を実行する。

すなわち、制御点Ａについては、領域（1,0）の記憶
データと上述の法線ベクトルＮを式（17）に代入して演
算した結果の値をｄ₁とする。同様の方法を用い領域
（1,1）の記憶データから計算した値をｄ₂，領域（2,
1）の記憶データから計算した値をｄ₃，領域（2,0）の
記憶データから計算した値をｄ₄とする。そして、式（1
9）を演算すると、係数ｄが得られる。

次に、この係数ｄと制御点黒丸の近傍における法線ベ
クトルＮ（＝Nx,Ny,Nz）と制御点Ａの位置Ｘ_k,Y_kとを式
（18）式に代入すると、制御点Ａの位置Ｚ_kを求めるこ
とができる。

制御点Ｂの位置Ｚ_kは、係数ｄを求める演算として、
領域（1,0）と領域（2,0）の記憶データを用いるだけ
で、あとの演算は上述の順序と同じである。

制御点C,Eについても、制御点Ｃの法線ベクトルと同
じとし、上述の計算順序と同じ方法で演算できる。

第２実施例によれば、被検体３の表面の位置を検出す
るための超音波探触子を１個にできるので、装置が安価
となる。

第20図〜第22図に本発明の第３実施例を示す。本発明
の第１実施例においては、形状測定動作時に用いる各軸
位置指令値が予めわかっているものであったが、第３実
施例においては、制御開始位置の各軸位置指令値しかわ
からず、被検体３の形状を検出しながら形状測定動作を
行う場合についての一例である。したがって、装置構成
は、第１図〜第５図までの第１実施例と同じである。異
なる所は制御装置14の制御内容であり、第20図が第１実
施例の第７図の形状測定動作37のフローチャートに対応
し、第21図が第８図のタイマー割り込みプログラムに対
応する。そして、第22図は第３実施例の動作を説明する
ための超音波探触子2a,2bの状態図である。

以下、第20図〜第22図を用いて、本発明の第３実施例
の動作について説明する。

第20図において、手順41と43で走査開始点に位置決め
した後、走査開始指令を第21図のタイマー割り込みプロ
グラムに出力すると、まず、手順47〜52によって被検体
３の表面の位置を記憶しておく。以上の説明までは、第
１実施例と同じである。次に、各軸位置指令の演算方法
について説明する。なお、被検体３の表面は、走査方向
（Ｘ軸方向）と直角方向の法線の変化はあまりないもの
とする。反対の場合には走査方向を変えれば本発明が成
立することは明らかである。したがって、Ｘ軸方向に走
査する場合には、X,Z,α各軸のみ制御すればよいことに
なる。

第22図のＩの状態は、例えば、走査開始点への位置決
めが完了した状態であり、超音波探触子2a,2bと被検体
３の表面との距離la₁とlb₁が等しく、かつ、 lr＝（la₁＋lb₁）/2 ……（25）であるとする。ここで、lrはla₁とlb₁の平均値の制御指
令である。したがって、Ｉの状態は、ブラケット４の中
心線が正確に法線方向に向いており、しかも被検体３の
表面との距離も制御指令値通りになっている。

Ｉの状態において、手順61で、まず角度δの演算を行
う。ここで、δはブラケット４の中心線と法線方向との
ずれ量である。したがって、Ｉの状態では、δ＝０であ
る。次に、手順62でα軸の位置指令値を演算するわけで
あるが、δ＝０なので、 α_r＝α₀ ……（26）である。ここで、α_rはα軸の位置指令値、α₀はα軸の
現在位値である。

次に手順63でX,Z軸の位置指令値を演算する。

１回のタイマー割り込みプログラムでブラケット４を
進める距離をΔＬとし、その方向は被検体３の表面の接
線方向とする。このように定義すると、第22図に示すよ
うに、X,Z軸の位置指令値は次式となる。

Xr＝Ｘ₀＋ΔＸ₁ ＝Ｘ₀＋ΔLcosα_r ……（27） Zr＝Ｚ₀＋ΔＺ₁ ＝Ｚ₀＋ΔLsinα_r ……（28）次に、式（26）〜（28）により求めた各軸位置指令値
と現在位置とを用い、サーボ演算及びその出力を行い、
第21図のタイマー割り込みプログラムを終了する。

第21図のタイマー割り込みプログラムの動作が完了す
ると、プログラム手順は第20図の手順65に戻り、１回の
走査が完了したかどうか調べる。この判定は、式（７）
または式（10）で演算したXaまたはXbが、第９図におけ
るＸ_th2より大きい値となったかどうかで行う。ただ
し、逆に走査するときはＸ_th1より小さい値となったか
どうかで判定する。

この段階ではXa,XbがともにＸ_th2以下なので、手順44
を繰り返し行うことになる。

そして、再びタイマー割り込みプログラムに処理が移
ると、まず、手順47〜52によって被検体３の表面の位置
を記憶する。

この時、ブラケット４が第22図のIIの状態になってい
たとすると、角度δは次式となる。

δ＝tan^-1｛（lb₂−la₂）/L｝ ……（29）したがって、α軸の位置指令値のαｒは次式により、
求めることができる。

α_r＝α₀＋δ ……（30）次に、X,Z軸の位置指令値Xr,Zrを求めるのであるが、
今回はα_rが変化し、かつlrと（lb₂＋la₂）/2が等しく
ないので、この補正量も計算する必要がある。

まず、lr＝（la₂＋lb₂）/2となるようにするには、第
22図の矢印Ａ方向にX,Z軸を動かせばよい。この時の補
正量をΔＸ₂，ΔＺ₂とする。次に、点Ｏを中心に角度δ
回転する。その結果、第22図のIIIの状態となる。この
時の補正量をΔＸ₃，ΔＺ₃とすると、X,Z軸の位置指令
値は次式となる。

Xr＝Ｘ₀＋ΔＸ₁＋ΔＸ₂＋ΔＸ₃ ……（31） Zr＝Ｚ₀＋ΔＺ₁＋ΔＺ₂＋ΔＺ₃ ……（32）そして、手順64を処理し、タイマー割り込みプログラ
ムを終了する。

その他の部分の処理については、第１実施例と同じで
ある。

なお、上述の説明では、走査方向と直角方向の法線の
変化はあまりないことを前提としたが、走査方向と直角
方向に新たに距離検出用の超音波探触子を取り付け、そ
の出力信号と前記２ヶの距離検出用超音波探触子の出力
信号を用いれば、走査方向と直角方向に対しても法線方
向にブラケット４を向けることができるのは明らかであ
る。

第３実施例によれば、形状測定動作時の各軸位置指令
値を予め演算する必要がないので、設計データがない被
検体にも適用するのが容易となる。

本発明の実施例のサーボ演算においては、位置指令値
と現在位置の差を演算し、その偏差にある係数を乗じて
サーボ増幅器に出力するフィードバック制御について説
明した。ところが、探傷動作時においては、１走査分の
各軸位置指令値が予めわかっているので、その位置指令
値から速度指令値を計算できる。したがって、サーボ演
算時に速度指令値を前向きに加えるフィードフォワード
制御をフィードバック制御と併用できる。この方式を用
いることにより、高速化，高精度化が可能となる。

また、本発明は被検体表面を領域分割して表面位置を
記憶しているので、ある一ヵ所で表面にキズがあり、距
離を検出し得ないためにその位置を計算できなくとも、
その回りの位置データからその点の位置を内挿でき、表
面のキズに強いシステムとなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、探触子と距離センサとを一体的に結
合して姿勢制御できるので、距離センサにより距離測定
が確実になされ、その結果得られるデータを基に法線方
向の演算がより正確に行なわれるため、総合的に探傷精
度が上がる。

また、探傷しながら被検体表面の形状も測定できるこ
とから、曲面を有する被検体の探傷を１回走査で実行可
能であり、作業時間が短縮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波探傷装置の第１実施例の全
体構成を示すブロック図、第２図（Ａ）（Ｂ）は第１実
施例の手首部の側面図、第３図は第１実施例における超
音波探触子の配置を示す図、第４図は距離検出装置の構
成の一例を示す図、第５図は本発明の概略的な制御内容
を示すフローチャート、第６図は位置決め動作が完了し
た状態を示す図、第７図は形状測定動作の詳細フローチ
ャート、第８図はタイマー割り込みプログラムを示すフ
ローチャート、第９図は位置記憶用の領域分割の一例を
示す図、第10図はブラケット４の動きを示す図、第11図
は形状測定動作が完了した状態を示す図、第12図は探傷
動作の詳細フローチャート、第13図は１走査分の各軸位
置指令値の演算手順のフローチャート、第14図は各軸位
置指令値演算時のデータ選択方式を説明する図、第15図
は探傷動作時の状態を示す図、第16図は超音波探触子の
配置の他の例を示す図、第17図は制御点位置を示す図、
第18図は第２実施例の手首部の側面図、第19図は第２実
施例における各軸位置指令値演算時のデータ選択方式を
説明する図、第20図は第３実施例における形状測定動作
のフローチャート、第21図はタイマー割り込みプログラ
ムのフローチャート、第22図は第３実施例の動作を示す
図である。 1,2,2a,2b……超音波探触子、３……被検体、４……第
１ブラケット、５……α軸用駆動装置、６……β軸用駆
動装置、７……第２ブラケット、８……ｚ軸アーム、９
……ｚ軸用駆動装置、10……第３ブラケット、11……入
力装置、12……記録装置、13……距離検出装置、14……
制御装置、15〜19……駆動装置用増幅器、20〜24……角
度検出器、25〜29……指令値、30……超音波探触子１の
信号、31a,31b……超音波探触子2a,2bの信号、32……送
信器、33……受信器、34……計時回路。

フロントページの続き (72)発明者山口武茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者稲満広志茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者南山英司茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (56)参考文献特開平２−206759（ＪＰ，Ａ) 特開平２−134560（ＪＰ，Ａ) 特開平３−68863（ＪＰ，Ａ) 特開平１−292248（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−309852（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−309853（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】距離センサにより予め測定した被検体の形
状データに基づき超音波探触子の探傷点の法線方向と位
置とを演算し、被検体を探傷する超音波探傷装置におい
て、前記距離センサと超音波探触子とを一体的に結合し、前記距離センサによる前記探傷点よりも先行する測定範
囲の形状測定と、前記超音波探触子の前記探傷点におけ
る所定方向および所定距離からの探傷とを並行して実行
する制御装置を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】前記制御装置が、探傷領域を含む領域で前
記距離センサを走査し、当該距離センサの検出信号と各
駆動軸の位置信号とから被検体表面の位置を演算する手
段と、演算された被検体表面の位置を記憶する記憶部と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項３】前記制御装置が、前記測定範囲を小領域に
区分し、前記形状測定時に前記距離センサから得られた
情報と各駆動軸の位置から得られた情報とを、同一の小
領域には１個の位置情報として記憶する記憶部を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷
装置。
【請求項４】前記制御装置が、各探傷点の法線方向およ
び位置を演算するに際し、当該探傷点を囲む周囲の小領
域に対応する記憶部に格納されている位置情報を選択的
に取り出して演算する手段を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記
載の超音波探傷装置。
【請求項５】前記距離センサが、１個の超音波探触子か
らなり、前記制御装置が、探傷用超音波探触子が移動すべき位置
およびその法線方向を演算する際に外挿演算を行う手段
を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の
超音波探傷装置。