JPH0377057A - 超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、ｊ　Ｖｏｌ、９０．Ｎｏ、８２６．
ｐ５〜９、「非破壊検査」第３７巻、第２号、　Ｐ１５
２〜１５３、特開昭６３−３０９８５２号公報、特開昭
６３−３０９８５３号公報等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、ｒ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
波探傷装置を提案するものである。

前記制御装置は、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。そして
、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
しなか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。

第工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
体的には超音波探触子であって、第１ブラケツト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ブラケツト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
ケツト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ブラケツト、８はＺ軸アームである。Ｚ軸角
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ブラケツトであ
る。ここでは図示していないが、この第３ブラケツト１
０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、工３は
距離検出装置、工４は制御装置１１５〜工９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９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３１
ａ、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３
３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１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、ｌ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。この上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。

Ｘｒｅ１＝　（Ｘ、、　Ｘ、、　−、Ｘｎ、　・・・、
　Ｘ、ａｘ）　−（２）Ｙｒｅ＊＝　（Ｙ、、　Ｙｌ、
　−、Ｙ□”・、　Ｙ、ｉｘ）　・・・（３）Ｚｒｅｔ
＝　（Ｚｏ、　Ｚ−−・＝−Ｚｎ、−２Ｚ−ａｘ）　・
・・（４）αｒｅｆ＝（α。、α１．・・・、α。、・
・・、αｍａＸ）　’・・（５）βｒｅｔ＝（β。、β
０．・・・、β。、・・・、β、＆Ｘ）・・・（６）次
に、手順４１で、走査開始点に位置決めする。

すなわち、Ｘｒｅｉ＝Ｘ６ｔ　Ｙｒｅｔ＝Ｙ６ｔ　Ｚｒ
ｅ＊＝Ｌ＊αｒｅｚ”α。、βｒｅｚ　＝β。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
始指令を受は取ると、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、Ｘｒｅ１＝Ｘ１ｇ　Ｙｒｅ１＝
Ｙｔｔ　Ｚｒｅｚ＝Ｚ１．　ｃ！ｒｅｉ＝　（ｔ□ｓβ
ｒｅｔ　”β１の指令値を取り込み、その指令値と各軸
の現在位置ｘａｔ　Ｌ＋　ＺＯ２α。、β。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Ｑａ、Ｑｂ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Ｘ　Ｉｌ
ｌ　Ｙｌｌｌｔ　Ｚｏｌ　α、β。を取り込む。

手）＠５１で、距離信号Ｒａ、Ｑｂと各軸の現在位置信
号Ｘ、、Ｙ、、ｚ、、α。、β。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（Ｘａ、Ｙａ、Ｚｌ）　、（ｘｂ。

Ｙｂ、Ｚｌ、）を演算する。ここで、Ｘ＆〜Ｚ、は次の
関係式から演算される。

Ｘａ＝　ｆｔ　ＣＸｏｔ　Ｙｅｓ　Ｌｐ　αｏｍβａｔ
　ｉａ）　−（７）Ｙａ＝　ｆ　ｚ　（Ｚｏｌ　Ｙａ９
　ｚＯ＃　αａｔβａ−Ｑａ）　−（８）Ｚａ”　ｆｉ
　（Ｘａ＋　Ｙｏｙ　Ｚｏｐ　ａａ＊β、、　１１）　
”・（９）Ｘｂ＝ｆｚ　（ｘａｔ　Ｙａｐ　Ｚｅｔ　ａ
ｏ＋　ｆ’ａ＊　ｆｉｂ）　・”（１０）Ｙｂ＝ｆｘ　
（Ｘａ＋　Ｙｏ、Ｚｏｔ　αｏｖβ、、　ｕｂ）−（ｎ
）Ｚｂ＝ｆｌ　（Ｘｏｅ　Ｙ＋ｐ　Ｚｏｏ　αｏ＋　ｆ
’ａｔ　Ｑｂ）　・・’（１２）すなわち、ｘ０〜β。

で示す現在位置と１次の距離検出位置データＸ工〜β、
との偏差を求め、その偏差と距離測定値Ｑａ、Ｑｂとか
ら１次のＮ＝１番目の距離測定点の位置を演算する。

次に、手）＠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１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Ｘｔｈ工〜Ｘい、、Ｙ軸がＹｔｂｌ
〜Ｙｔｈｚ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分割し、小さい領域に区分する。

そして、式（７）、　　（８）で得られたＸａ、Ｙａ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＆＝　ＹＪＬ、　ＺＪＬ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＠の手）＠４４に戻り、−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４
４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Ｘｍ１ｘ　＋　Ｙ　、ａｘ　、　Ｚ
　ｗａｘ　、α□８．β、Ｘ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Ｊ［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５＠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、少くとも、超音波探触子ｌ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Ｉ＠４０に移り１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の表面め位置データのうち、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１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カ所のデータがす
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，Ｏ）、（０，３
）。

（３，３）、（３，Ｏ）のデータを用いることにする。

領域（０，Ｏ）のデータをＸｚ＋　’／１＋　Ｚｎ＊領
域（０，３）のデータをＸｘ＋　’／ｚ＋　Ｚｎ＊領域
（３，３）のデータをＸ３１　’／、ｖ　Ｚ３１領域（
３゜Ｏ）のデータをＸ。Ｖ、ｔ　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（ｘｋｔ　ｙｋ＋
ｚｋ）とすると、Ｘｈｙ　ｙｈ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５
８の制御点位置の位置演算はハを求める演算である。

平面式は Ｎｘｘ＋Ｎｙｙ＋Ｎｚｚ＋ｄ＝Ｏ−−−−−−（１［ｉ
）であるので、法線ベクトルＮ　（＝Ｎｘ、Ｎｙ−Ｎｚ
）が求まれば、平面上の一点の座標（Ｘ□ｙ□ｚ、）か
ら、平面式の係数ｄは次式となる。

ｄ＝　　（ＮｘＸｍ＋Ｎｙ３’＋ａ＋ＮｚＺ＋ｓ）”’
（１７）この係数ｄを用いることにより、制御点の位置
Ｚｈは次の様に求まる。

２ 次に、係数ｄの演算に使用する（ｘｍｙｙ□Ｚ＋ａ）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）、（ｉ、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（１ｔ１）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ｄｌ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ｄ２１
領域（２，２）の記憶データから計算した値をｄ３１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＝（ｄ□＋ｄ、＋ｄ、十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　（＝
Ｎｘ、Ｎｙ−Ｎｚ）と位置（Ｘｈ、　　ｙｋ＋　　ｚｈ
）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Ω。になるように設定すると、
各軸の位置指令値（Ｘ　ｒ　Ｈｙｒｔ　ｚｒ）は次の関
係式から演算される。

ｘｒ＝ｆ＊（Ｘｈ、ｙｋｔｚｂ＋Ｎｘ５Ｎｙ＋Ｎｚ＋ｌ
２ｏ）　　−・−・−（２ｏ）ｙｒ＝ｆ５　（Ｘｈｙ）
’ｂｔＺｈ、ＮｘｙＮｙｔＮｚｔＱｏ）　　−−−−−
−（２ｉ）Ｚｒ＝Ｌ　（Ｘｈ＊ｙｍｙＺｈｅＮｘ＋Ｎｙ
ｔＮｚｔＱａ）　　””・（”２）ａｒ＝　ｆｔ　（Ｎ
ｘｘ　Ｎｙｙ　Ｎｚ）　　　　　　　　・・”・（２３
）βｔ＝　ｆ　＊　（Ｎｘ、　Ｎｙ、　Ｎｚ）　　　　
　　　　−”（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１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１
４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１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Ｉ４
図の■印の制御点位置まで演算および各廃動装置の制御
を繰り返しながら探傷し、第Ｉ３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■走査分例えば、第１４図の
Ｘ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、ｙｋ）のデータとを用いる
ことにより、記録装置上３で欠陥分布を記録できる。

なお１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ケ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ケ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、以上の例はすべて探傷用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、法線方向に対しであ
る角度をもたせて１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５
８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接触子を
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ケ（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ｘｔｈＬからＸｔｈｚの間しか走査しないので、Ｏ
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Ｏ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，Ｏ）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ｄ□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ｄ２Ｍ領域（
２，１）の記憶データから計算した値をｄ、、　ｆｔ域
（２，Ｏ’）の記憶データから計算した値をｄ４とする
。そして、式（１９）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Ｘｋ
、Ｙｋとを式（１８）式に代入すると、制御点Ａの位Ｒ
ｚｈを求めることができる。

制御点Ｂの位置Ｚｋは、係数ｄを求める演算として、領
域（１，Ｏ）と領域（２，Ｏ）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。

制御点り、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、第工図〜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で走査開始専に位置
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０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１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１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Ｑａ１と党ｂ１が等しく、かつ。

ｆ２　ｒ　＝　　（Ｄａ□＋　Ｑｂ、）　　／　２　　
　　−−（２５）であるとする。ここで、ＲｒはＱａｌ
と氾ｂ１の平均値の制御指令である。したがって、■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慣通
りになっている。

■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、■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＝Ｏなので。

αｒ＝αロ　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・
・（２６）である、ここで、α、はα軸の位置指令値、
α。はα軸の現在位値である。

次に手Ｍ６３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＝Ｘ、＋ΔＸ１ ＝Ｘ、＋ΔＬ　ｃｏｓ　ａ　、　　　　　・−−−−−
（２７）Ｚｒ＝Ｚ、＋Δｚ１ ＝２０＋ΔＬ　ｓｉｎ　ａ、　　　　＝−−−−・（２
８）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５式（
７）または式（ｌＯ）で演算したＸａまたはｘｂが、第
９図におけるＸ　ｔ　ｂ　ｘ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。！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Ｘｔｂ、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■の状態になってい
たとすると、角度δは次式となる。

δ＝　ｔａｎ″″’　（（Ｑｂ、−Ｑａｚ）　／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。

α１＝α。十δ　　　　　　　　　　・・・・・・（３
０）次に、Ｘ、Ｚ軸の位置指令値Ｘｒ、Ｚｒを求めるの
で娶るが、今回はα、が変化し、かつＤｒと（Ｑｂｘ　
＋　Ｑａｍ　）　／　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、Ｑｒ＝（Ｑａ２＋Ｑｂ２）／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ΔＸ２ｔΔＺ２とする０次に、点Ｏ
を中心に角度δ回転する。その結果、第２２図の■の状
態となる。この時の補正量をΔＸ１．ΔＺ、とすると、
Ｘ、Ｚ軸の位置指令値は次式となる。

Ｘ　ｒ　＝　Ｘ、＋ΔＸ１＋ΔＸ２＋ΔＸ３−−−−・
−（３１）Ｚｒ＝Ｚ、＋ΔＺ１＋ΔＺ２＋ΔＺ、　　・
・−＝・（３２）そして１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ケ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
現鉦位置の差を演算し、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−ケ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、距離センサによる距離測定が
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回の走査で実行可
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１
１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ブラケツト、５・・・α軸用罠動装置、６
・・・β軸用駆動装置、７・・・第２ブラケツト、８・
・・２軸アーム、９・・・Ｚ軸用駆動装置、１ｏ・・・
第３ブラケツト、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
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。 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。 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。 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。 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。