JPH08110332A

JPH08110332A - 多関節ロボットによる超音波検査方法、およびその装置

Info

Publication number: JPH08110332A
Application number: JP6272855A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Ono; 数彦小野; Yoshihiro Nishinaga; 嘉浩西永
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1994-10-11
Filing date: 1994-10-11
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】多関節ロボットによる超音波検査装置におい
て、ティーチング作業を容易化し、溶接部に存在する溶
接欠陥の種類等の被検査物における検査対象の分布を容
易に獲得する場合に適用される、多関節ロボットによる
超音波検査装置を提供する。【構成】被検査物に固定された直行座標系、または極
座標系（これらの座標系をステーション座標系と定義す
る）を設定し、ロボットコントローラから常時出力され
る、前記ステーション座標系における探触子の位置座標
と、超音波検査装置から得られたエコー情報と、超音波
の屈折角情報とから被検査物における検査対象の分布を
得る多関節ロボットによる超音波検査方法、およびその
ためのロボットコントローラと、探触子の位置座標情報
と、超音波測定器から得られたエコー情報と、超音波の
屈折角情報とから、被検査物における検査対象の分布を
解析する検出コントローラとからなる多関節ロボットに
よる超音波検査装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多関節ロボットによる
超音波検査装置において、ティーチング作業を容易化
し、溶接部に存在する溶接欠陥等の被検査物における検
査対象の分布を容易に獲得する場合に適用される、多関
節ロボットによる超音波検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットを用いた自動超音波探傷
装置が考えられているが、その探傷方法はロボットに固
定された座標系（ベース座標と定義する）を用いて、各
走査パターンをティーチングするものであった。また、
一走査方向に対しては所定の振幅で振動（ウィービン
グ）させ、直交する方向に対してはティーチングにより
走査方向および距離を設定し走査させるものとして、
「特開昭６０−２５９９５３」がある。前記欠陥分布を
得るための探触子の位置座標については、ロボットに固
定された座標系での位置座標を常時出力して走査量を計
算しているが、その他に探触子の位置座標を得る方法と
しては走査開始点と終了点の座標、走査時間および走査
速度から計算により求めるようにしている。また、探傷
データは、探傷移動量に関わらず、超音波探傷器から常
時入力していた。

【０００３】次に前記従来の技術、「特開昭６０−２５
９９５３」について説明する。図１０において、５１
ａ，５１ｂはそれぞれ側部に管軸方向に縦溶接ビード５
２ａ，５２ｂ（以後、縦ビードという）が形成され、端
部が付き合わされると共に、周溶接ビード５３（以後、
周ビードという）が形成されて接合された被溶接物であ
る、同一径の２個の管、５４は両管５１ａ，５１ｂの下
側に両管５１ａ，５１ｂの管軸方向に平行に配設された
載置台、５５は載置台５４上に回転自在に設けられた、
両管５１ａ，５１ｂを搭載した状態で回転させるための
複数個のターンローラ、５６は両管５１ａ，５１ｂの管
軸方向に平行に配設されたレール、５７はレール５６に
沿って移動自在に載置された移動台、５８は移動台５７
の上面前端部に配置された超音波記憶装置、５９は移動
台５７の上面後端部に固定された基台、６０は基台５９
に回転自在に設けられた回転台、６１は回転台６０に回
転移動自在に連結された第１アーム、６２は第１アーム
６１に回転移動自在に連結された第２アームであり、基
台５９、回転台６０、両アーム６１，６２により多関節
ロボット６３が構成され、図示されない制御手段により
制御される。

【０００４】図１１において、６４は第２アーム６２の
先端に回転自在に取り付けられた支持体、６５は２個の
挟持板６５ａ，６５ｂ間にばね等からなる緩衝体６５ｃ
が挟持されて構成され、一方の挟持板６５ａは支持体６
４に回転自在に連結され、６６は他方の挟持板６５ｂに
回転自在に取り付けられた超音波探触子であり、この探
触子６６からの超音波が各ビード５２ａ，５２ｂ，５３
を横切るように、探触子６６が各ビード５２ａ，５２
ｂ，５３の長さ方向とほぼ直角方向に振動（ウィービン
グ）させながら移動される。

【０００５】次に、前記多関節ロボット６３による探傷
方法について説明する。探傷の開始に先立ち、前記制御
手段に、各溶接ビード５２ａ，５２ｂ，５３を探傷する
際の探触子６６の振幅データ、及び溶接ビード５２ａ，
５２ｂ，５３を探傷する際のロボット６３全体の移動デ
ータを予め入力する。次に、例えば縦ビード５２ｂの探
傷を行う場合（縦ビード５２ａの探傷についても同様で
ある）には、第１１図中の１点鎖線矢印に示すように、
超音波探触子６６からの超音波が縦ビード５２ｂのほぼ
全幅にわたって横切るように、超音波探触子６６を縦ビ
ード５２ｂの長さ方向とほぼ直角方向に振動（ウィービ
ング）させながら、矢印Ｓのように管５１ｂ上を摺動さ
せる。

【０００６】すなわち、前記制御手段によりロボット６
３を制御し、各アーム６１，６２を移動して超音波探触
子６６を縦ビード５２ｂの近傍の管５１ｂへ押し付けな
がら探触子６６を摺動させるのであるが、探触子６６の
管５１ｂへの押し付けの反作用により緩衝材６５ｃに加
わる力を前記制御手段により検出し、緩衝材６５ｃに加
わる力が常に一定になるように、すなわち、探触子６６
の管５１ｂへ押し付け力が常に一定になるように、各ア
ーム６１，６２の位置を制御し、探触子６６を、一定の
押付力で押し付けると共に、第１１図中の実線矢印Ｓに
示すように、前記制御手段に予め入力された振幅データ
に従い、探触子６６に管５１ｂ上を縦ビード５２ｂの長
さ方向とほぼ直角方向に所定の振幅で振動（ウィービン
グ）させながら摺動させ、探触子６６からの超音波が縦
ビード５２ｂのほぼ全幅にわたって横切るようにする。

【０００７】前記探触子６６の振動（ウィービング）方
法は、図１２（Ａ）に示すように、予め入力されたロボ
ット６３の移動データに従い、前記制御手段によりロボ
ット６３のレール５６上の移動を停止させ、管５１ｂ上
のＡ点からＢ点まで縦ビード５２ｂの長さ方向と直角方
向に探触子６６を一定の押付力で押し付けながら摺動さ
せた後、前記制御手段によりロボット６３を移動台５７
ごとレール５６上を図１２（Ａ）中の矢印Ａ方向へ少し
移動させ、管５１ｂ上のＢ点からＣ点まで縦ビード５２
ｂの長さ方向に平行に探触子６６を同様に一定の押付力
で押し付けながら摺動させ、以降これらの動作を繰り返
して縦ビード５２ｂの全長にわたる探傷を行う。

【０００８】また、周ビード５３の探傷を行う場合、図
１２（Ｂ）に示すように、各ターンローラ５５を回転さ
せて両管５１ａ，５１ｂを図１２（Ｂ）中の矢印Ｂ方
向、すなわち、図１０（Ｂ）中の矢印Ｂ方向へ一定速度
回転させ、前記縦ビード５２ｂの探傷と同様に、探触子
６６を一定の押付力で管５１ｂに押し付けると共に、探
触子６６をビード５３の長さ方向と直角方向、すなわ
ち、管軸方向と平行に前記制御手段に予め入力された所
定の振幅で振動させながら摺動させ、探触子６６からの
超音波がビード５３のほぼ全幅を横切るようにしてビー
ド５３の全長にわたって探傷を行う。なお、この場合の
探触子６６の軌跡は図１２（Ｂ）中の１点鎖線に示すよ
うな正弦波状になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の技
術においては、ロボットに固定された座標系（ベース座
標系）を用いて、各走査パターンをティーチングする場
合、走査方向が変化する節目の点、例えば図１２（Ａ）
のＡ〜Ｄを全てティーチングしてやらなければならず、
しかも、被検査物毎のティーチングが必要であり、その
ために非常に多くの時間と労力が必要であった。また、
図１０（Ｂ）、図１２（Ｂ）に示すような周ビード５３
の探傷を行う場合のように、管５１ａ，５１ｂを一定速
度で回転させ、探触子６６をビード５３の長さ方向と直
角方向、すなわち、管軸方向と平行に前記制御手段に予
め入力された所定の振幅で振動させながら摺動させ、探
触子６６からの超音波がビード５３のほぼ全幅を横切る
ようにしてビード５３の全長にわたって探傷を行う走査
方法では、走査軌跡がサインカーブとなるため、探触子
の位置座標を得るのが困難である。

【００１０】また、欠陥分布を得るための探触子の位置
座標については、走査開始点と終了点の座標、走査時間
および走査速度から計算により求める方法では、走査開
始点近傍と終了点近傍でのロボットの加速度、または減
速度が大きいため、その走査開始点近傍と終了点近傍で
の位置情報の精度が低下する。これは探傷速度が速い程
顕著になり、高速では位置情報の精度の低下が著しく殆
ど実用不可能となる。また、ロボットに固定された座標
（ベース座標）における位置座標を常時出力する場合、
常に、直交三軸方向の変化量を監視して、例えば図１２
（Ａ）のＡ〜Ｄのような各節目からの移動量（走査量）
を指定移動量に達するまで計算させなければならない。
つまり、常に、移動量＝√｛（Ｘi −Ｘ0 )²＋（Ｙi −
Ｙ0 )²＋（Ｚi −Ｚ0 )²｝を計算し、指定ピッチ（移動
量）に達するまで、計算させなければならず、データ処
理装置の負担が重くなる。このように、従来の探傷デー
タの取得ではデータ量が莫大になり、データ解析（例え
ば３次元分布表示）には特に多大な時間を要していた。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る多関節ロボ
ットによる超音波検査方法は、多関節ロボットのアーム
先端に選択的に装着された超音波探触子を用いた多関節
ロボットによる超音波検査方法において、前記超音波探
触子の一走査方向を一軸とする、被検査物に固定された
直交座標系、または溶接線により形成される被検査物断
面の中心を中心とする被検査物に固定された極座標系
（ステーション座標系）を設定し、ロボットコントロー
ラから常時出力される、前記ステーション座標系におけ
る超音波探触子の位置座標と、超音波検査装置から得ら
れたエコー情報と、超音波の屈折角情報とから被検査物
における検査対象の分布を得る。

【００１２】前記多関節ロボットによる超音波検査方法
において、各被検査物の走査方向にばらつきがあるた
め、接触型または非接触型センサを用いて走査位置の補
正を行う時には、各被検査物に対応する一走査方向を一
軸とするステーション座標系に座標変換する。前記多関
節ロボットによる超音波検査方法において、丸棒または
パイプのような軸対象被検査物に対して、前記ステーシ
ョン座標系の極座標の中心位置座標に、回転ポジショナ
ーの回転角情報を付加することにより、前記ステーショ
ン座標系における超音波探触子の位置座標を得る。前記
多関節ロボットによる超音波検査方法において、被検査
物の検査対象は溶接欠陥であり、また超音波検査装置は
超音波探傷器であり、その溶接欠陥を検出するための探
傷移動量と同期して、ステーション座標系における超音
波探触子の位置座標と、超音波探傷器から得られたエコ
ー情報と、超音波の屈折角情報とを取得する。前記多関
節ロボットによる超音波検査方法において、前記エコー
情報は任意の移動量より小さい単位移動量で収集され、
その最大値のみを任意の移動量に達した時点で保存す
る。

【００１３】本発明に係る多関節ロボットによる超音波
検査装置は、多関節ロボットのアーム先端に選択的に装
着された超音波探触子を用いた多関節ロボットによる超
音波検査装置において、ロボットに固定された座標系
（ベース座標系）を、超音波探触子の一走査方向を一軸
とする、被検査物に固定された直交座標系（ステーショ
ン座標系）、または溶接線により形成される被検査物断
面の中心を中心とする被検査物に固定された極座標系
（ステーション座標系）に座標変換するロボットコント
ローラと、そのロボットコントローラから常時出力され
る、前記ステーション座標系における超音波探触子の位
置座標情報と、超音波検査装置から得られたエコー情報
と、超音波の屈折角情報とを入力し、これらの各情報か
ら被検査物における検査対象の分布を解析する検出コン
トローラとからなる。

【００１４】前記多関節ロボットによる超音波検査装置
のロボットコントローラは、被検査物の位置制御情報、
および起動・終了の処理機能を有する。前記多関節ロボ
ットによる超音波検査装置のロボットコントローラは、
被検査物における検査対象の分布を解析する検出コント
ローラは、その解析結果を保存・表示、あるいは合否判
定の機能を有する。前記多関節ロボットによる超音波検
査装置の検出コントローラは、超音波検査装置の制御、
被検査物の位置制御情報、および起動・終了の処理機能
を有する。前記多関節ロボットによる超音波検査装置の
ロボットコントローラと、検出コントローラとの機能は
必要に応じて一体化してもよい。

【００１５】

【作用】前記構成によるときは次のように作用する。本
発明に係る多関節ロボットによる超音波検査方法は、ロ
ボットコントローラにおいて超音波探触子の一走査方向
を一軸とする、被検査物に固定された直交座標系、また
は溶接線により形成される被検査物断面の中心を中心と
する被検査物に固定された極座標系（ステーション座標
系）を設定し、そのロボットコントローラから常時出力
される、前記ステーション座標系における超音波探触子
の位置座標と、超音波検査装置から得られたエコー情報
と、超音波の屈折角情報とから、超音波探触子の被検査
物上での位置座標に対応する被検査物の検査対象の分布
が得られる。

【００１６】前記多関節ロボットによる超音波検査方法
において、各被検査物の走査方向にばらつきがあるた
め、接触型または非接触型センサを用いて走査位置の補
正を行う時には、各被検査物毎に対応する一走査方向を
一軸とするステーション座標系に座標変換して、各被検
査物毎にその被検査物の検査対象の分布が得られる。前
記多関節ロボットによる超音波検査方法において、丸棒
またはパイプのような軸対象被検査物に対して、前記ス
テーション座標系の極座標の中心位置座標と、回転ポジ
ショナーの回転位置制御情報とにより、被検査物におけ
る検査対象の分布が得られる。前記多関節ロボットによ
る超音波検査方法において、被検査物の検査対象が溶接
欠陥であり、また超音波検査装置が超音波探傷器であれ
ば、その溶接欠陥を測定するための探傷ピッチ（探傷分
解能）と同期して、ステーション座標系における超音波
探触子の位置座標と、超音波探傷器から得られたエコー
情報と、超音波の屈折角情報とにより、被検査物におけ
る溶接欠陥の分布を得る。前記多関節ロボットによる超
音波検査方法において、前記エコー情報は任意の移動量
より小さい単位移動量で収集され、その最大値のみを任
意の移動量に達した時点で保存する。

【００１７】本発明に係る多関節ロボットによる超音波
検査装置は、そのロボットコントローラにより、ロボッ
トに固定された座標系（ベース座標系）を、超音波探触
子の一走査方向を一軸とする、被検査物に固定された直
交座標系（ステーション座標系）、または溶接線により
形成される被検査物断面の中心を中心とする被検査物に
固定された極座標系（ステーション座標系）に座標変換
すると、そのロボットコントローラから常時出力され
る、前記ステーション座標系における超音波探触子の位
置座標情報と、超音波検査装置から得られたエコー情報
と、超音波の屈折角情報とを検出コントローラが入力
し、この検出コントローラにおいて前記各情報から被検
査物における検査対象の分布が解析される。

【００１８】前記多関節ロボットによる超音波検査装置
のロボットコントローラは、被検査物の位置制御情報を
処理したり、被検査物駆動のための起動や終了を行う。
前記多関節ロボットによる超音波検査装置の検出コント
ローラは、その解析結果を保存・表示したり、あるいは
前記解析結果に基づいて被検査物の合否判定を行う。前
記多関節ロボットによる超音波検査装置の検出コントロ
ーラは、超音波検査装置を制御したり、被検査物の位置
制御情報を処理したり、また被検査物駆動のための起動
や終了を行う。前記多関節ロボットによる超音波検査装
置のロボットコントローラと、検出コントローラとの機
能は必要に応じて一体化してもよい。

【００１９】

【実施例】本発明に係る、多関節ロボットによる超音波
検査方法、およびその装置の一実施例として、溶接欠陥
を検出するための超音波探傷方法、および超音波探傷器
について図１〜図９を参照して詳述する。なお、本発明
に係る、多関節ロボットによる超音波検査方法、および
その装置は、多関節ロボットのアーム先端に選択的に装
着される超音波探触子を用いる超音波検査方法、および
その装置であればよく、本実施例の超音波探傷方法、お
よび超音波探傷器に限らないことは勿論である。図１
は、多関節ロボットによる超音波探傷方法、および超音
波探傷器を示す図で、（Ａ）は多関節ロボットによる超
音波探傷方法、および超音波探傷器を示す図、（Ｂ）は
（Ａ）における各コントローラの機能を示す図である。
図１（Ａ）において、１は複数のアームを備えた多関節
ロボット、２は超音波探触子で、この多関節ロボット１
のアーム先端に選択的に装着され、被検査物である溶接
物Ｗの表面を摺動・走査させて溶接欠陥を検出する。３
はロボットコントローラで、多関節ロボット１を制御す
ると共に、その多関節ロボット１に装着された複数の各
アームの回転角と各アーム長とから算出される、多関節
ロボット１に固定された座標系（ベース座標系）におけ
る超音波探触子２の位置座標を、その超音波探触子２の
一走査方向を一軸とする、溶接物Ｗに固定された直行座
標系（ステーション座標系）、または溶接線により形成
される溶接物Ｗの断面の中心を中心とする溶接物Ｗに固
定された極座標系（ステーション座標系）に座標変換
し、そのステーション座標情報を常時出力する。

【００２０】４は検出コントローラで、ロボットコント
ローラ３から常時出力されるステーション座標系での超
音波探触子２の位置座標情報であるロボット座標情報
と、超音波検査装置である超音波探傷器５から得られた
エコー情報（ＥＨ；エコー強度、ＥＤ；ビーム路程）と
超音波の屈折角情報とから、溶接欠陥の溶接物Ｗにおけ
る位置を入力して溶接物Ｗにおける溶接欠陥の分布状態
を解析・保存・表示する。超音波探傷器５は検出コント
ローラ４の信号により制御されると共に、超音波探傷器
５からの制御情報を検出コントローラ４に出力する。６
は演算プロセッサで、検出コントローラ４の演算・解析
のためのプロセッサである。７は溶接物Ｗの駆動部で、
ロボットコントローラ３と検出コントローラ４により駆
動部７の駆動を起動・終了すると共に、駆動部７の駆動
の起動・終了情報を検出コントローラ４に出力する。な
お、８は公知のインタフェスである。図１（Ｂ）におい
て、ロボットの座標変換、すなわちベース座標からステ
ーション座標への座標変換はロボットコントローラ３で
行い、探傷情報の処理と超音波探傷器の制御は検出コン
トローラ４にて行い、その他の制御はロボットコントロ
ーラ３と検出コントローラ４の両方にて行う。

【００２１】図２は本発明に係る、多関節ロボットによ
る超音波検査方法の一実施例として、溶接欠陥を検出す
るための超音波探傷方法における、ベース座標系とステ
ーション座標系との比較を示す図で、（Ａ）はベース座
標系における直交三軸の座標軸を示す図、（Ｂ）はベー
ス座標系における溶接物Ｗを示す図、（Ｃ）はステーシ
ョン座標系における直交三軸の座標軸を示す図、（Ｄ）
はステーション座標系における溶接物Ｗを示す図、
（Ｅ）は溶接物Ｗ上の超音波探触子２の移動軌跡を示す
図である。図２（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｅ）において、１１
は第１部材、１２は第２部材、１３は溶接ビード、１４
は裏当材である。図２（Ａ）、（Ｂ）のベース座標系に
おいては、溶接ビード１３の方向と、ベース座標系にお
ける直交三軸の座標軸とはいずれも一致していないた
め、溶接物Ｗ上の三点はＰ1 （Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ），Ｐ
2 （Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ3 ），Ｐ3 （Ｘ3 ，Ｙ3 ，Ｚ3 ）と
なるため、探触子２の移動量をカウントするには３軸
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を監視する必要がある。図２（Ｃ）、
（Ｄ）のステーション座標系においては、溶接ビード１
３の方向と、ベース座標系における直交三軸のＹ座標軸
とが一致しているため、溶接物Ｗ上の三点はＱ1 （Ｘ1
，Ｙ1 ，Ｚ1 ），Ｑ2 （Ｘ2 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ），Ｑ3
（Ｘ1，Ｙ2 ，Ｚ1 ）となるため、超音波探触子２の移
動量をカウントするには１軸（Ｘ、またはＹ）を監視す
るだけでよい。図２（Ｅ）において、溶接ビード１３の
方向およびこれと直交する方向に探触子２を振動（ウィ
ービング）させた時の超音波探触子２の移動軌跡を示
す。

【００２２】図３は本発明において、ベース座標からス
テーション座標への座標変換過程の一実施例を示す図
で、（Ａ）はアームの先端に超音波探触子２を装着し
た、多関節ロボット１に固定された直交三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ
のベース座標を示す図、（Ｂ）は基準ステーション座標
を示す図、（Ｃ）はステーション座標を示す図である。
次に、ベース座標からステーション座標への座標変換過
程について説明する。先ず、（Ａ）に示すベース座標系
における任意の位置（Ｘb0，Ｙb0，Ｚb0）をベース座標
系回転マトリクスＭb'（詳細については後述する）によ
り、（Ｂ）に示す、（Ｘb ，Ｙb ，Ｚb ）を基準点とす
る、直交三軸Ｘ，Ｙ，Ｚの基準ステーション座標系にお
ける位置（Ｘb1，Ｙb1，Ｚb1）に座標変換する。これ
を、（Ｘb1，Ｙb1，Ｚb1）＝Ｍb'（Ｘb0，Ｙb0，Ｚb0）
にて示す。次に、（Ｂ）に示す基準ステーション座標系
における任意の位置（Ｘb1，Ｙb1，Ｚb1）をステーショ
ン座標系回転マトリクスＭs'（詳細については後述す
る）により、（Ｃ）に示す、（Ｘs ，Ｙs ，Ｚs ）を基
準点とする、直交三軸Ｘ，Ｙ，Ｚのステーション座標系
における位置（Ｘsi，Ｙsi，Ｚsi）に座標変換する。こ
れを、（Ｘsi，Ｙsi，Ｚsi）＝Ｍs'（Ｘb1，Ｙb1，Ｚb
1）にて示す。前記ステーション座標（Ｘsi，Ｙsi，Ｚs
i）におけるi は、任意のステーション座標系における
位置を示すが、本発明においては、ステーション座標系
における直交三軸Ｘ，Ｙ，Ｚのいずれか一軸を、探触子
の一走査方向に一致するように選択したものである。

【００２３】前記ベース座標系回転マトリクスＭb'によ
り、ベース座標系から基準ステーション座標系へ座標変
換するための計算方法について説明する。基準ステーシ
ョン座標系の基準点；Ｘb ，Ｙb ，Ｚb 、Ｘ方向成分；
Ｘx ，Ｙx ，Ｚx 、Ｙ方向成分；Ｘy ，Ｙy ，Ｚy とす
る。（１）基準点を原点に平行移動（Ｘx2、Ｙx2、Ｚx2）＝（Ｘx 、Ｙx 、Ｚx ）−（Ｘb
、Ｙb 、Ｚb ）（Ｘy2、Ｙy2、Ｚy2）＝（Ｘy 、Ｙy 、Ｚy ）−（Ｘb
、Ｙb 、Ｚb ）（２）ＺＸ平面上に回転するマトリクス、及び回転後の
方向成分を求める。Ｃz ＝Ｘx2／√（Ｘx2²＋Ｙx2²）但し、Ｘx2
²＋Ｙx2²＝０ＳZ ＝Ｙx2／√（Ｘx2²＋Ｙx2²）の時、Ｃz
＝１，ＳZ ＝０Ｘx3＝Ｃz ×Ｘx2＋ＳZ ×Ｘx2 Ｙx3＝ＳZ ×Ｘx2＋Ｃz ×Ｘx2 Ｚx3＝Ｚx2 Ｘy3＝Ｃz ×Ｘy2＋ＳZ ×Ｙy2 Ｙy3＝ＳZ ×Ｘy2＋Ｃz ×Ｙy2 Ｚy3＝Ｚy2 （３）Ｘ軸上に回転するマトリクス、及び回転後の方向
成分を求める。Ｃy ＝Ｘx3／√（Ｘx3²＋Ｚx3²）但し、Ｘx3
²＋Ｚx3²＝０Ｓy ＝Z x3／√（Ｘx3²＋Ｚx3²）の時、Ｃy
＝１，Ｓy ＝０Ｘx4＝Ｃy ×Ｘx3−Ｓy ×Ｚx3 Ｙx4＝Ｙx2 Ｚx4＝Ｓy ×Ｘx3＋Ｃy −Ｚx3 Ｘy4＝Ｃy ×Ｘy3−Ｓy ×Ｚy3 Ｙy4＝Ｙy2 Ｚy4＝Ｓy ×Ｘy3＋Ｃy ×Ｚy3 （４）ＸＹ平面上に回転するマトリクスを求める。Ｃx ＝Ｚy4／√（Ｙy4²＋Ｚy4²）但し、ＹY4
²＋ＺY4²＝０ＳX ＝Ｙy4／√（Ｙy4²＋Ｚy4²）の時、ＣX
＝１，ＳX ＝０（５）回転マトリクス合成以上により、（Ｘb1，Ｙb1，Ｚb1）＝Ｍb'（Ｘb0，Ｙb
0，Ｚb0）となる。また、ステーション座標系回転マト
リクスＭs'についても、前記Ｍb'と同様の計算を行うこ
とにより、（Ｘsi，Ｙsi，Ｚsi）＝Ｍs'（Ｘb1，Ｙb1，
Ｚb1）となる。

【００２４】図４は、図１（Ａ）に示す、多関節ロボッ
ト１のアーム先端に選択的に装着された超音波探触子２
の位置Ｐと溶接欠陥の位置Ｑの関係を示す図で、１１は
溶接物を構成する第１母材、１２は同じく第２母材、１
３は第１母材１１と第２母材１２とを溶接した３層の溶
接ビード、１４は溶接中に溶融金属が溶け落ちしないよ
うにする裏当て板、１５は超音波探触子２から発信され
た超音波が溶接欠陥の位置Ｑの部分で反射されて超音波
探触子２に受信されるまでの時間と、伝達速度から算出
されるビーム路程Ｌを示す。図１において詳述したよう
に、多関節ロボット１に装着される超音波探触子２の位
置Ｐは、溶接物に固定されたステーション座標系に変換
することにより、自動的、かつ正確に測定されると共
に、超音波が超音波探触子２から発信されてから受信さ
れるまでの時間と、超音波の伝達時間と伝達速度から求
められるビーム路程Ｌと、超音波の屈折角θとから超音
波探触子２の位置Ｐに対する溶接欠陥の位置Ｑの相対位
置が算出される。

【００２５】図５は本発明に係る、多関節ロボットによ
る超音波検査方法の一実施例である、多関節ロボットに
よる溶接欠陥の超音波探傷方法（Ｘ−Ｙ方向の場合）に
関するフローチャートを示す図である。次に図５に示す
フローチャートについて説明する。先ずステップＳ１に
おいて、ステーションデータを読み込んだ後、ステップ
Ｓ２で探触子２を溶接物Ｗの探傷開始位置へ移動させ、
ステップＳ３でステーション座標による探触子２の位置
座標を読み込み、ステップＳ４で探傷動作が開始され
る。次に、ステップＳ５でステーション座標による現在
の探触子２の位置座標を読み込み、ステップＳ６ではス
テップＳ５で読み込んだステーション座標による現在の
探触子２の位置座標（Ｘ）が表示され、ステップＳ７で
Ａ／Ｄ変換ボードより超音波エコーデータがサンプリン
グされ、最大値を更新した後、ステップＳ８で探触子２
が予め指定された移動量だけ移動する。ステップＳ９で
超音波エコーの最大値と探触子２のＸ座標が保存され、
ステップＳ１０で一走査分の探傷が完了していなければ
ステップＳ５に戻りＸ軸方向走査が実施される。ステッ
プＳ１０で一走査分の探傷が完了していればステップＳ
１１に進み、ステップＳ１１で探傷作業が全て完了して
いればステップＳ１５で探傷データ解析後、ステップＳ
１６で探傷データ解析結果を表示する。ステップＳ１１
で探傷作業が全て完了していなければステップＳ１２で
前記Ｘ軸方向走査と同様にＹ軸方向走査が実施され、ス
テップＳ１３で一走査分の探傷が終了していなければス
テップＳ１２に戻りＹ軸方向走査が継続される。ステッ
プＳ１３で一走査分の探傷が終了すればステップＳ１４
に進み、ステップＳ１４で探傷作業が全て完了していれ
ばステップＳ１５で探傷データ解析後、ステップＳ１６
で探傷データ解析結果を表示する。ステップＳ１４で探
傷作業が全て完了していなければステップＳ５に戻り、
次のＸ軸方向走査が実施される。

【００２６】図６は、図１において直交三軸のステーシ
ョン座標系を適用する場合の、多関節ロボット１と溶接
鉄骨材１７および支持装置１６の外観図で、本発明の第
１実施例を示す図である。図６において、１は多関節ロ
ボットで、この多関節ロボット１のアームに設置された
超音波探触子２、および図１のコントローラ３，４とに
より超音波探傷器が構成される。１６は支持装置で、溶
接鉄骨材１７を支持した状態で所定の位置に回転させて
溶接鉄骨材１７の溶接ビード部を超音波探傷するのに適
した位置に位置決めする。図６では、先ず、溶接鉄骨材
１７を支持した支持装置１６を回転させることにより、
溶接鉄骨材１７の溶接ビード部を超音波探触子２で超音
波探傷するのに適した位置に位置決めする。次に、図３
に示す方法により超音波探触子２の一走査方向が、溶接
鉄骨材１７に固定された直交三軸のステーション座標系
の一軸となるように、図１に示したロボットコントロー
ラ３によって座標変換する。このように設定した後、溶
接鉄骨材１７の溶接ビード部を超音波探触子２で超音波
探傷すれば、溶接鉄骨材１７に対する超音波探触子２の
相対位置を直接検出することができると共に、超音波探
触子２の一走査方向が、溶接鉄骨材１７に固定された直
交三軸のステーション座標系の一軸となっているため、
図２（Ｃ），（Ｄ）に示すように、超音波探触子２の走
査方向のみを検出することにより超音波探触子２の位置
を検出できる。

【００２７】図７は、図１において円筒状溶接材２３の
横断面の中心線を、円筒状溶接材２３に固定された極座
標系の中心とするステーション座標系を適用する場合
の、多関節ロボット１と円筒状溶接材２３との外観図
で、本発明の第２実施例を示す図である。図７におい
て、１は多関節ロボットで、この多関節ロボット１のア
ーム２７先端に設置された超音波探触子２、および図１
のコントローラ３，４とにより超音波探傷器が構成され
る。２３は円筒状溶接材で、移動、および回転しないよ
うに所定のテーブルに固定される。図７では、多関節ロ
ボット１のアーム２７の手前のアーム（第６軸である
が、この軸に限らない）の軸心を円筒状溶接材２３の中
心線、すなわちステーション座標系の極座標の中心とす
るステーション座標系を図１に示すロボットコントロー
ラ３により設定する。このように設定することにより、
ステーション座標系の極座標の中心線上における超音波
探触子２の位置が決まれば、回転基準位置からの回転角
θを図１のロボットコントローラ３で検出することによ
り、円筒状溶接材２３に対する超音波探触子２の回転位
置を検出することができる。したがって、ステーショ
ン座標系では極座標の中心線上における超音波探触子２
の位置のみを検出すれば、円筒状溶接材２３に対する超
音波探触子２の相対位置を直接検出することができる。

【００２８】図８は、図１において溶接丸棒材１８の横
断面の中心線を、溶接丸棒材１８に固定された極座標系
の中心とするステーション座標系を適用する場合の、多
関節ロボット１と溶接丸棒材１８および支持装置１９の
外観図で、本発明の第３実施例を示す図である。図８
（Ａ）は本発明の第３実施例を示す、多関節ロボット１
と溶接丸棒材１８および支持装置１９の外観図、（Ｂ）
は探接子２の軌跡の第１例を示す図、（Ｃ）は探接子２
の軌跡の第２例を示す図である。図８において、１は多
関節ロボットで、この多関節ロボット１のアームに設置
された超音波探触子２、および図１のコントローラ３，
４とにより超音波探傷器が構成される。１８は溶接丸棒
材で、支持装置１９のローラ１９ａ上に載置され、回転
ポジショナー２０により回転させる。２１はエンコーダ
で、回転ポジショナー２０の回転角を検出してリード線
２２により図１に示す検出コントローラ４に出力する。
図８（Ａ），（Ｂ）では、溶接丸棒材１８の溶接ビード
１８ａにより形成される横断面の中心線を、溶接丸棒材
１８に固定された極座標の中心とするステーション座標
系を図１に示したロボットコントローラ３により設定す
る。このように設定することにより、ステーション座標
系の極座標の中心線上における超音波探触子２の位置が
決まれば、回転ポジショナー２０の回転角をエンコーダ
２１により検出して、リード線２２、または図１のロボ
ットコントローラ３から検出コントローラ４に出力する
ことにより、溶接丸棒材１８に対する超音波探触子２の
回転位置を検出することができる。したがって、ステー
ション座標系では極座標の中心線上における超音波探触
子２の位置のみを検出することによって、溶接丸棒材１
８に対する超音波探触子２の相対位置を直接検出するこ
とができる。また、図８（Ｃ）に示すように、必要に応
じて測定時間・測定精度によりスパイラル形状の軌跡を
描く検出も可能である。

【００２９】図９は、本発明の一実施例による、パイプ
材の溶接部に関する多関節ロボットによる超音波探傷方
法の解析結果を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正
面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は（Ａ）〜（Ｃ）に図示
される超音波のエコー強度の基準を階層別に示す図であ
る。図９（Ａ）〜（Ｄ）に示される超音波のエコー強度
は実際には色で表示されるため、図示の場合よりもより
鮮明に表示される。図９において、２４は溶接ビードの
長手方向に展開表示したパイプ材、２４ａは溶接ビー
ド、２５は溶融金属の融け落ちを防止するための裏あて
材である。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によるときは
次のような効果を得ることができる。（１）ロボットの先端に選択的に装着された超音波探触
子を一走査方向が一軸となるような、三軸直交座標系
（ステーション座標系）、または極座標系を用いて走査
させることにより、ティーチングは基本的に探傷開始点
のみに対して行えばよい。つまり、通常行われる長方形
の走査領域における走査方向（ＸまたはＹ）を予め走査
順にプログラムしておけば、ティーチング時には走査開
始点と、ＸまたはＹ方向の移動量および走査回数のみの
変更で探傷に必要な矩形走査が可能となる。（２）しかも、ステーション座標系における超音波探触
子の位置座標が出力されることにより、Ｘ軸、またはＹ
軸方向のみの座標の変化量を監視しておけばよく、互い
に直交する二軸の走査装置と同様に探傷開始点からの相
対的位置が簡単に求められる。（３）また、探傷データの取得は探傷器から常にエコー
データを取得しつつも各探傷移動量間内で常に最大値を
更新し、探傷移動量に達したときに、その最大値のみを
保存することにより、少ないエコーデータで最大エコー
の軌跡（欠陥エコー分布）を得ることができる。（４）なお、この技術および装置は超音波探傷に限った
ものではなく、渦流検査等にも適用可能であり、また、
ロボットも多関節に限らず、直交ロボット等にも適用で
きることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】多関節ロボットによる超音波探傷方法、および
超音波探傷器を示す図で、（Ａ）は多関節ロボットによ
る超音波探傷方法、および超音波探傷器を示す図、
（Ｂ）は（Ａ）における各コントローラの機能を示す図
である。

【図２】本発明に係る、多関節ロボットによる超音波検
査方法の一実施例として、溶接欠陥を検出するための超
音波探傷方法における、ベース座標系とステーション座
標系との比較を示す図で、（Ａ）はベース座標系におけ
る直交三軸の座標軸を示す図、（Ｂ）はベース座標系に
おける溶接物Ｗを示す図、（Ｃ）はステーション座標系
における直交三軸の座標軸を示す図、（Ｄ）はステーシ
ョン座標系における溶接物Ｗを示す図、（Ｅ）は溶接物
Ｗ上の超音波探触子２の移動軌跡を示す図である。

【図３】本発明において、ベース座標からステーション
座標への座標変換過程の一実施例を示す図で、（Ａ）は
アームの先端に超音波探触子２を装着した、多関節ロボ
ット１に固定された直交三軸Ｘ，Ｙ，Ｚのベース座標を
示す図、（Ｂ）は基準ステーション座標を示す図、
（Ｃ）はステーション座標を示す図である。

【図４】超音波探触子２の位置Ｐと溶接欠陥の位置Ｑと
の関係を示す図である。

【図５】本発明に係る、多関節ロボットによる超音波検
査方法の一実施例である、多関節ロボットによる溶接欠
陥の超音波探傷方法に関するフローチャートを示す図で
ある。

【図６】図１において直交三軸のステーション座標系を
適用する場合の、多関節ロボット１と溶接鉄骨材１７お
よび支持装置１６の外観図で、本発明の第１実施例を示
す図である。

【図７】図１において円筒状溶接材２３の横断面の中心
線を、円筒状溶接材２３に固定された極座標系の中心と
するステーション座標系を適用する場合の、多関節ロボ
ット１と円筒状溶接材２３との外観図で、本発明の第２
実施例を示す図である。

【図８】図１において溶接丸棒材１８の横断面の中心線
を、溶接丸棒材１８に固定された極座標系の中心とする
ステーション座標系を適用する場合の、多関節ロボット
１と溶接丸棒材１８および支持装置１９の外観図で、本
発明の第３実施例を示す図で、（Ａ）は本発明の第３実
施例を示す、多関節ロボット１と溶接丸棒材１８および
支持装置１９の外観図、（Ｂ）は探接子２の軌跡の第１
例を示す図、（Ｃ）は探接子２の軌跡の第２例を示す図
である。

【図９】本発明の一実施例による、パイプ材の溶接部に
関する多関節ロボットによる超音波探傷方法の解析結果
を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）
は側面図、（Ｄ）は（Ａ）〜（Ｃ）に図示される超音波
のエコー強度の基準を階層別に示す図である。

【図１０】従来の技術を示す図である。

【図１１】従来の技術を示す図である。

【図１２】従来の技術を示す図である。

【符号の説明】

１・・・多関節ロボット２・・・超音波探触子３・・・ロボットコントローラ４・・・検出コントローラ５・・・超音波探傷器６・・・演算プロセッサ７・・・溶接物Ｗの駆動部１１・・・第１部材１２・・・第２部材１３，１８ａ，２４ａ・・・溶接ビード１４，２３，２５・・・裏あて材Ｌ・・・ビーム路程 θ・・・超音波の屈折角Ｐ・・・超音波探触子２の位置Ｑ・・・溶接欠陥の位置１６，１９・・・支持装置１７・・・溶接鉄骨材１８・・・溶接丸棒材１９ａ・・・ローラ２０・・・回転ポジショナー２１・・・エンコーダ２２・・・リード線２３・・・円筒状溶接材２４・・・パイプ材２７・・・アーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多関節ロボットのアーム先端に選択的に
装着された超音波探触子を用いた多関節ロボットによる
超音波検査方法において、前記超音波探触子の一走査方
向を一軸とする、被検査物に固定された三軸直交座標
系、または溶接線により形成される被検査物断面の中心
を中心とする被検査物に固定された極座標系（これらの
座標系をステーション座標系と定義する）を設定し、ロ
ボットコントローラから常時出力される、前記ステーシ
ョン座標系における超音波探触子の位置座標と、超音波
検査装置から得られたエコー情報と、超音波の屈折角情
報とから被検査物における検査対象の分布を得ることを
特徴とする多関節ロボットによる超音波検査方法。
【請求項２】請求項１において、各被検査物の走査方
向にばらつきがあるため、接触型または非接触型センサ
を用いて走査位置の補正を行う時に、各被検査物に対応
する一走査方向を一軸とするステーション座標系に座標
変換することを特徴とする多関節ロボットによる超音波
検査方法。
【請求項３】請求項１において、丸棒またはパイプの
ような軸対象被検査物に対して、前記ステーション座標
系の極座標の中心位置座標に、回転ポジショナーの回転
位置制御情報を付加することにより、前記ステーション
座標系における超音波探触子の位置座標を得ることを特
徴とする多関節ロボットによる超音波検査方法。
【請求項４】請求項１において、被検査物の検査対象
は溶接欠陥であり、また超音波検査装置は超音波探傷器
であり、その溶接欠陥を検出するための探傷ピッチ（探
傷分解能）と同期して、ステーション座標系における探
触子の位置座標と、超音波探傷器から得られたエコー情
報と、超音波の屈折角情報とを取得することを特徴とす
る多関節ロボットによる超音波検査方法。
【請求項５】請求項４において、前記エコー情報は任
意の移動量より小さい単位移動量で収集され、その最大
値のみを任意の移動量に達した時点で保存することを特
徴とする多関節ロボットによる超音波検査方法。
【請求項６】多関節ロボットのアーム先端に選択的に
装着された超音波探触子を用いた多関節ロボットによる
超音波検査装置において、ロボットに固定された座標系
（ベース座標系と定義する）を、超音波探触子の一走査
方向を一軸とする、被検査物に固定された直行座標系、
または溶接線により形成される被検査物断面の中心を中
心とする被検査物に固定された極座標系（これらの座標
系をステーション座標系と定義する）に座標変換するロ
ボットコントローラと、そのロボットコントローラから
常時出力される、前記ステーション座標系における超音
波探触子の位置座標情報と、超音波検査装置から得られ
たエコー情報と、超音波の屈折角情報とを入力し、これ
らの各情報から被検査物における検査対象の分布を解析
する検出コントローラとからなることを特徴とする多関
節ロボットによる超音波検査装置。
【請求項７】請求項６に記載のロボットコントローラ
は、被検査物の位置制御情報、および起動・終了の処理
機能を有することを特徴とする多関節ロボットによる超
音波検査装置。
【請求項８】請求項６において、被検査物における検
査対象の分布を解析する検出コントローラは、その解析
結果を保存・表示、あるいは合否判定の機能を有するこ
とを特徴とする多関節ロボットによる超音波検査装置。
【請求項９】請求項８に記載の検出コントローラは、
超音波検査装置の制御、被検査物の位置制御情報、およ
び起動・終了の処理機能を有することを特徴とする多関
節ロボットによる超音波検査装置。