JP2859659B2 - 超音波探傷装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、略円柱状を呈する被検体を回転させること
により超音波探触子で被検体を探傷する装置に関する。

B.従来の技術 従来から日本機械学会誌vol.90,No.826,p5〜９（従来
文献１）や非破壊検査第37巻第２号p152〜153（従来文
献２）に示された水浸自動探傷法が知られている。これ
は、精密な超音波探傷を目的として、被検体が浸漬され
た水中で超音波探触子を被検体表面上で走査して探傷す
るものである。この水浸自動探傷法においては、傷（欠
陥）の大きさおよ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、かつ超音波ビーム
の中心軸の方向を被検体表面の法線方向に一致させてお
く必要がある。

従来文献１に開示された装置は、表面が平面の被検体
の探傷は可能であるが、表面が曲面になると超音波ビー
ムの中心軸の方向を被検体表面の法線方向に一致させる
ことが困難なため、曲面を持つ被検体の探傷ができなか
った。

一方、従来文献２に開示された装置は、まず被検体全
面の形状をレーザ距離計を使用して計測し、次に、その
形状データを用いて超音波探触子を走査するもので、任
意の表面形状の被検体を探傷できる。

C.発明が解決しようとする課題 しかしながら、従来文献２の装置では円柱状の被検体
の探傷がそのままでは不可能である。

そこで、第20図に示すように、被検体Ｗが円柱の場合
には、被検体Ｗを回転駆動装置101で回転させ、駆動装
置102によりX,Y,Z軸方向に移動する超音波探触子103を
用いて、例えば、次の示すいずれかの手順で探傷が行わ
れる。

（１）X,Y,Z駆動装置102を移動させ、走査始端（例えば
第20図のＡ点）で被検体表面の法線方向に超音波探触子
103を合わせる。Ｘ軸を駆動して、超音波探触子103を走
査終端（第20図のＢ点）まで移動させることにより探傷
する。回転駆動装置101を用いて被検体Ｗを微小角度回
転させる。Ｘ軸を駆動して超音波探触子103をＡ点まで
移動させるような動作を繰り返すことにより探傷する。

（２）被検体表面の法線方向に超音波探触子103を合わ
せた後、被検体Ｗを１回転させながら探傷する。Ｘ軸方
向に超音波探触子103を微小移動する。再び被検体Ｗを
１回転させながら探傷する動作を繰り返す。

しかし、被検体Ｗの中心と回転中心が少しでもずれた
り、被検体Ｗが複雑な形状の回転体であったりすると探
傷することが不可能であった。

本発明の技術的課題は、複雑な形状をしている回転体
の探傷を形状測定と並行して行い得るようにすることに
ある。

D.課題を解決するための手段 クレーム対応図である第１図と本発明の一実施例を示
す第２図および第３図により説明すると、本発明は、所
定の３次元座標系の中で所定の回転軸を中心に回転可能
に載置された被検体Ｗ内の傷を探索する超音波探傷装置
に適用される。そして、３次元座標系内で移動可能に設
けられた支持部8Dと、支持部8Dを３次元座標系に沿って
移動させる駆動装置504（１、３、６）と、回転する被
検体Ｗに向けて超音波探傷信号を発射しその反射波を受
信するように、支持部8Dに設けた超音波探触子502
（９）と、超音波探触子502（９）よりも先行する走査
ランイ上を走査するように、支持部8Dに設けた距離検出
用探触子503（10）と、距離検出用探触子503（10）の３
次元座標系内の位置を検出する位置検出手段505と、距
離検出用探触子503（10）によって検出した信号に基づ
いて被検体Ｗ上の距離計測点との距離の演算する距離検
出手段503（11）と、距離検出手段503（11）の検出結果
と位置検出手段505の検出結果とに基づいて被検体Ｗ上
の距離計測点の位置情報を演算し、その演算結果から超
音波探触子502（９）の位置および姿勢を演算し、この
演算結果に基づいて超音波探傷信号が被検体Ｗの所定の
距離から所定の角度で入射すべく超音波探触子502
（９）の位置および姿勢を制御する信号を、駆動装置50
4（１、３、６）に出力する位置姿勢演算手段506と、距
離検出用手段503による被検体Ｗの周方向走査と超音波
探触子502（９）による被検体Ｗの周方向探傷走査とを
並行動作させる信号を、駆動装置504（１、３、６）に
出力する制御手段507とを備えることにより上述の技術
的課題を解決する。

請求項２の装置は、被検体表面を回転角度と回転軸方
向の位置で区画される小領域に分割し各小領域ごとに演
算された位置情報を１つだけ記憶する記憶手段を有し、
各周方向探傷走査に対応した小領域内の位置情報に基づ
いて超音波探触子の位置および姿勢を演算するようにし
たものである。

E.作用 被検体Ｗは回転手段501で所定の回転時回りに回転す
る。距離検出手段503は回転する被検体上の距離計測点
までの距離を計測する。探傷動作に入るまでは、例えば
既知の被検体形状に基づいて距離検出手段503の位置お
よび姿勢を制御しながら被検体表面を走査して形状測定
を行う。被検体表面形状が既知でない場合には、表面に
沿って距離検出手段503を倣い走査してもよい。こうし
て計測された被検体Ｗの計測点の位置情報により、超音
波探触子502の位置および姿勢が演算されて、超音波探
触子502はそのような位置および姿勢に制御される。そ
の状態で、超音波探傷信号が被検体Ｗに向けて所望の入
射角度で発射され、そこからの反射波により被検体Ｗが
探傷される。

この探傷動作に並行して、距離検出手段503は探傷走
査ラインよりも先行するライン上の形状測定点までの距
離を検出する。この先行する形状測定結果により、次に
超音波探触子502がその走査ライン上またはその近傍の
ライン上を探傷走査する際の位置および姿勢が演算され
る。

請求項２の装置では、小領域内の位置情報から探傷動
作のための位置および姿勢が演算される。したがって、
被検体表面の形状測定走査ラインとは別の走査ライン上
の探傷を行うように超音波探触子502の位置および姿勢
を演算できる。

F.実施例 −第１の実施例− 〔装置全体の説明〕 第２図〜第16図により本発明が適用された探傷装置全
体の説明を行なう。

この探傷装置は第２図（ａ），（ｂ）に示すように、
例えばＸ軸方向にＸ軸駆動装置１により走行する門形走
行体２と、この門形走行体２上でＹ軸方向にＹ軸駆動装
置３により走行するＹ軸走行体４とを有し、Ｙ軸走行体
４と一体のブラケット５にＺ軸駆動装置６でＺ軸方向に
昇降するＺ軸アーム７が設けられている。Ｚ軸アーム７
の下端にはロボットの手首部８が取付けられている。そ
して、円柱状の被検体ＷはターンテーブルTB上に載置さ
れ、Ｚ軸方向の回転中心回りに回転可能とされている。

第３図に示すように、手首部８は、Ｚ軸７の下端に固
設されたハウジング8A内に設けられたβ軸回転用の駆動
装置8Bと、このβ軸駆動装置8Bの回転軸に設けられたブ
ラケット8Cと、このブラケット8Cに取付けられ回転軸に
ブラケット8Dが取付けられたα軸回転用駆動装置8Eとを
有し、ブラケット8Dに被検体Ｗの探傷を行なう１本の超
音波探触子９と、被検体Ｗの表面位置を検出する１本の
距離センサユニット10とがＺ軸方向にＬだけ離間した位
置関係で取付けられている。距離センサユニット10は例
えば超音波探触子で構成でき、その検出信号は第４図に
示す距離検出回路11に入力される。

第4A図に示すように距離検出回路11は、超音波探触子
10に超音波信号を送信する送信器11aと、被検体Ｗから
反射してくる超音波信号を受信する受信器11bと、計時
回路11cから成っている。時計回路11cは送信器11aから
の送信信号と被検体Ｗの表面からの超音波反射信号との
時間間隔の測定を行ない、その結果を制御装置12へ出力
する。

ここで、時間間隔をt₀、水中の音速をＶとすると、超
音波探触子10と被検体Ｗの表面との距離Ｍは、 Ｍ＝Vt₀/2 …（１） で求められる。

さらに第２図において、制御装置12はCPU,ROM,RAMな
どから成るマイクロプロセッサであり、超音波探触子９
からの検出信号STと、距離検出回路11からの時間間隔を
示すSWとが入力されるとともに、X,Y,Z,β，α軸用駆動
装置1,3,6,8B,8Eに内蔵された位置または角度の検出
器、例えばポテンショメータ（不図示）からの信号SX,S
Y,SZ,Sβ,Sαも入力される。13X,13Y,13Z,13α,13βは
各軸用駆動装置1,3,6,8B,8Eの駆動用のサーボアンプ、1
4は探傷用範囲などを入力する入力装置、15は探傷結果
を記録する記録計である。なお、各軸用駆動装置は例え
ば電気モータを有する。また、16はターンテーブルTBを
回転させる駆動装置であり、制御装置12からの指令信号
によりターンテーブルTBの回転角を制御する。17は駆動
装置16に内蔵の角度検出器であり、その角度信号Ｓγは
制御装置12に入力される。

〔制御装置12の演算処理〕 本実施例ではターンテーブルTBの中央位置を座標原点
Ｏとし、γo,γa,Dlを第4B図のように定義する。ここで
γｏは任意の時刻における距離センサユニット10の検出
方向とＸ軸とのなす角度、γａは、そのとき距離センサ
ユニット10からの超音波信号が被検体Ｗの表面にあたっ
ている測定点および座標原点Ｏを結ぶ線と距離センサユ
ニット10の検出方向となす角度、Dlは（Xa,Ya,Za）で示
される上記測定点と座標原点との距離である。

メインフローチャート 第５図は制御装置12で実行される演算処理のメインフ
ローチャートである。

まず、ステップS10でメモリなどの初期処理を行な
い、次に、ステップS20で超音波探触子10を制御開始位
置へ位置決めする。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、次にステップS30の形状測定動
作に移り、予め設計仕様などから分かっている被検体Ｗ
の表面形状データに基づいて超音波探触子10を被検体Ｗ
の測定点上で法線方向に向けつつターンテーブルTBを回
転させて被検体Ｗの表面を回転走査する。この回転走査
をＺ方向に所定ピッチづらして複数回行なって少なくと
も第３図に示す距離Ｌの範囲の表面形状データを探傷に
先行して予め与えられた設計データより詳細に採取す
る。すなわち、被検体Ｗの表面形状を角軸駆動装置に内
蔵の位置または角度の検出決からの信号SX,SY,SZ,Sα,S
βと超音波探触子10からの信号SWに基づいて各走査ライ
ンごとに演算する。その詳細手順は第７図に示す。

次に、この形状測定動作が終了するとステップS40に
進んで探傷動作手順に移る。ここでは、ステップS30で
求められた被検体Ｗの表面形状データに基づいて、被検
体Ｗ上の探傷点に超音波探触子９を対向させるための複
数の制御点における位置情報を演算し、超音波探触子９
が各制御点に制御されたタイミングで超音波探触子９か
ら超音波探傷信号を制御装置12に取り込む。またこの探
傷動作中、超音波探触子９よりも数ライン（第３図の距
離Ｌ）先を走査する超音波探触子10で超音波探触子10と
被検体Ｗとの距離を演算し、先に述べた位置または角度
検出器からの位置データとともにその先行走査ラインの
表面形状データを採取する。そして、超音波探触子９が
走査ランイ上に到達すると、この採取データからその先
行走査ライン上の探傷点に対応する超音波探触子９の制
御点の位置情報を演算し、そのラインの探傷を行なう。
その詳細手順は第12図に示すこの探傷動作が終了すると
ステップS50で超音波探触子９を終了位置へ移動させて
処理が終了する。

次に、形状測定動作と探傷動作を詳細に説明する。

形状測定動作のフローチャート 第７図はステップS30の形状測定動作の詳細を示す。

まず、ステップS31において、各駆動装置の１回転分
の指令値（以下、各軸指令値と称す）を取り込み、メモ
リへ記憶する。この１回転分の各軸指令値は式（２）〜
（６）に示すデータ群となっている。

Xr＝（Xs,X₁,……,Xn,……,Xmax） …（２） Yr＝（Ys,Y₁,……,Yn,……,Ymax） …（３） Zr＝（Zs,Z₁,……,Zn,……,Zmax） …（４） αｒ＝（αs,α₁,……，αｎ……，αmax） …（５） βｒ＝（βs,β₁,……，βn,……，βmax） …（６） γｒ＝（γs,γ₁,……，γn,……，γmax） …（７） ここで、γｒはターンテーブルTBの角度指令値であ
る。

この各軸指令値は、後述する探傷動作時の指令値より
も精度を必要としないから、被検体Ｗの設計データに基
づいて１回転走査ライン上の代表点の位置を求め、その
間を補間して求められる。

次に、ステップS32で走査開始点へ位置決めする。す
なわち、Xr＝Xs,Yr＝Ys,Zr＝Zs,αｒ＝αs,βｒ＝βs,
γｒ＝γｓ（＝０゜）とし、各軸を位置決めする。この
位置決めが完了後、ステップS33で変数Ｎを１にし、ス
テップS34に進んで被検体回転指令を出力すると、第８
図に示すタイマ割込プログラムが一定の間隔で動作す
る。

第８図においてまず、ステップS341で被検体停止指令
かどうか判定する。最初は被検体回転指令であるからス
テップS342に移り、Ｎ番目の指令値、すなわちＮ＝１の
指令値であるXr＝X₁,Yr＝Y₁,Zr＝Z₁,αｒ＝α₁,βｒ＝
β₁,γｒ＝γ_１を取り込む。そして、上述した各軸の現
在位置を示す信号SX,SY,SZ,Sα,Sβ,Sγを各検出器から
取り込んで各軸の現在値X₀,Y₀,Z₀,α₀,β₀,γ_０を求
め、指令値と各軸の現在軸X₀,Y₀,Z₀,α₀,β₀,γ_０との
差を計算し、その偏差にある係数を乗じるといったいわ
ゆるサーボ演算を行ない、その演算結果を第２図におけ
るサーボアンプ13X〜13β,13Tに出力する。これにより
距離センサユニット10は指令された第１番目の位置に移
動する。このとき、超音波探触子10は被検体Ｗ上におけ
る測定点の表面の法線方向を向く。そして、ステップS3
43で超音波探触子10と被検体Ｗの表面との距離laを距離
検出回路11からの信号SWにより取り込む。次に、ステッ
プS344において、各軸駆動装置の検出器かろの信号SX,S
Y,SZ,Sα,Sβ,Sγを取り込み、ステップS345で各軸の現
在値X₀,Y₀,Z₀,α₀,β₀,γ_０を求めて超音波探触子10の
超音波ビームが当たっている被検体Ｗの表面の点の位置
（Xa,Ya,Za）と、超音波ビームが当っている点のターン
テーブルTBの角度γａを演算する。ここで、Xa〜Zaおよ
びγａは次の関係式から演算される。

Xa＝f₁（X₀,Y₀,Z₀,α₀,β₀,la） …（７） Ya＝f₂（X₀,Y₀,Z₀,α₀,β₀,la） …（８） Za＝f₃（X₀,Y₀,Z₀,α₀,β₀,la） …（９） γａ＝f₄（Xa,Ya,γ_０） …（10） また、超音波ビームが当っている被検体ｗの表面の点
のＺ軸座標軸からの流さDlは次式で演算される。

次に、ステップS346において、式（７）〜（10），
（100）で求めた被検体Ｗの表面位置を記憶する。この
位置の記憶方式を一列を第９図を用いて説明する。

第９図は位置記憶用の領域分割について示したもの
で、横軸はターンテーブルTBの角度γ、縦軸はＺ軸座標
である。同図において斜線で示した領域が被検体ＷのＺ
座標における探傷範囲である。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（γ軸は０〜
360゜,Z軸はZth₁〜Zth₂で囲まれた領域）をγ軸方向に
（Ｐ＋１）分割、Ｚ軸方向に（Ｓ＋１）分割して複数の
小領域とする。

そして、式（９），（10）で得られたZa,γａが第９
図のどの小領域に属するかを調べ、所属する小領域の位
置データとしてZa,Dl,γａおよび記憶完了を意味するフ
ラグを記憶しておく。

ここで、形状測定動作における１回転の各走査におい
て、γ軸方向の走査ピッチ角度よりも（Ｐ＋１）分割し
た小領域のγ軸方向の角度が大きいので、各走査ごとに
測定データを記憶しようとすると各小領域に２以上のデ
ータが格納されてしまい、小領域を区画した意味がなく
なってしまう。そこで、今回の走査（例えばＮ＝ｑのと
きの走査）で求められた位置データが前回の走査（例え
ばＮ＝ｑ−１のときの走査）で既に位置データを記憶し
ている小領域に属すると判定された場合は、各小領域に
は１つの位置データのみが記憶される必要があるので、 （１）今回得られた新しい位置データを記憶データとし
て記憶内容を更新する。

（２）既に得られている古い位置データをそのまま記憶
データとして記憶内容は更新しない。

（３）新しいデータと古いデータの平均値を新たな記憶
データとして記憶内容を更新する。

などの方式を用いてもよい。

次に、プログラムの手順は第８図のステップS347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図のステップS35に戻り、Ｎ
が（max＋１）か否かにより１回転走査が完了したかど
うかを調べる。この段階ではＮ＝２なので、ステップS3
5を繰返し行ない、その間に、ある一定の時間間隔で第
８図のタイマ割り込みプログラムが動作し、被検体Ｗが
ターンテーブルTBにより第10図に示すように回転して走
査される。この走査とともに、先に説明した記憶方式に
より、被検体Ｗの表面形状のDl,Z,γ位置座標が記憶さ
れる。

１回転走査が終了してＮ＝ma＋１となるとプログラム
はステップS35からステップS36に移り、走査停止指令を
出力する。この停止指令によりタイマ割り込みプログラ
ムの第８図の手順はステップS348に進み、１回の走査に
おける最後の指令値であるXmax,Ymax,Zmax,αmax,βma
x,γmax（＝360゜）を取り込んでサーボ演算を行ない、
その演算結果をサーボアンプ13X〜13β,13Tへ出力す
る。

このようにして１回転の走査が終了すると第８図のス
テップS37に進み、形状測定動作が完了したかどうか判
定する。この実施例では、超音波探触子10により、Ｚ方
向に距離Ｌだけ先行する回転走査ライン上の表面形状デ
ータを採取し、その結果に基づいて探傷用超音波探触子
９の走査用制御点を演算するようにしている。したがっ
て、このような形状測定動作により得られた位置データ
に従って超音波探触子９をある回転走査ライン上の複数
の制御点に順次に駆動制御して被検体Ｗの探傷を行なう
ためには、少なくとも超音波探触子10の第１番目の回転
走査ライン上の超音波探触子９が到達するまで、すなわ
ち超音波探触子９が第３図で示すＬだけＺ方向に下に移
動するまで形状測定のための回転走査を繰り返す必要が
ある。従って、１回の形状測定走査では完了しないの
で、プログラムはステップS37からステップS31に移り、
次の１回転走査分の各軸位置指令の取り込みを行ない、
ステップS32〜S37を繰り返す。

そして、第11図に示すように、超音波探触子９の超音
波ビームが、第８図による形状測定動作によって被検体
Ｗの表面の位置が記憶されている近傍に達した時点で形
状測定動作が完了したと判断され、プログラムは第７図
のステップS37から第５図のステップS40の探傷動作へ移
る。

以上説明した探傷動作前の形状測定のみの動作によ
り、第11図の一点鎖線で示した領域の被検体Ｗの表面の
位置座標は第９図で示した記憶方式により記憶される。

探傷動作のフローチャート 次に、第５図のステップS40における探傷動作処理に
ついて説明する。

第12図は、探傷動作処理手順S40の詳細なフローチャ
ートであり、第７図の形状測定動作のフローチャートと
同様な処理である。まずステップS41において、探傷用
の探触子９の１回転走査分の各軸位置指令値を演算す
る。第13図および第14図によりその演算について詳細に
説明する。

第13図はステップS41における１回転走査分の各軸位
置指令値の演算手順のフローチャート、第14図は、各軸
位置指令値を演算するときに、記憶した被検体Ｗ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。第14図における太い実線が超音波探触子９に
よる探傷走査ラインであり、第13図の処理は●〜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。

第13図において、ステップS411で制御点位置近傍にお
ける被検体Ｗの表面の法線ベクトルを演算する。例え
ば、第14図の●の制御点位置の場合は次のようになる。

第１番目の●を含む近傍の領域（1,P）、（1,0）、
（2,0）、（2,P）のデータから法線ベクトルを演算する
と、４つの領域のデータがすべて●のごく近傍にある場
合に被検体Ｗ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、その
外側の領域（0,P−１）、（0,1）、（3,1）、（3,P−
１）のデータを用いることにする。領域（0,P−１）の
データをX1,Y1,Z1、領域（0,1）のデータをX2,Y2,Z2、
領域（3,1）のデータをX3,Y3,Z3、領域（3,P−１）のデ
ータをX4,Y4,Z4とすると、被検体Ｗの表面における制御
点位置である●近傍の法線ベクトルＮ（＝Nx,Ny,Nz）は
次式によって求められる。

ただし、ｉ≠４ならｊ＝ｉ＋1,i＝４ならｊ＝１であ
る。

なお、X1〜X4,Y1〜Y4は、法線ベクトル演算する前に
角度γａと長さDlから、次式により換算して求めたもの
である。

X1＝Dlsin（γａ−γ） …（101） Y1＝Dlcos（γａ−γ） …（102） 次に、ステップS412で制御点位置の位置演算を行な
う。第14図における制御点●の位置を（Xk,Yk,Zk）とす
ると、Zk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。また、ターンテーブルTBの中心座標を（0,
0,0）としているから、Yk＝０となりYkも既知である。
従って、ステップS412の制御点位置の位置演算はXkを求
める演算である。

今、第15図に示すようにある座標系において制御点位
置が含まれる平面PLは次の平面式で表わされる。

NxX＋NyY＋NzZ＋ｄ＝０ …（14） したがって、（11）式〜（13）式で法線ベクトルＮ（＝
Nx,Ny,Nz）が求まれば、第14図の●の周囲に存在する位
置の座標（Xm,Ym,Zm）から、上記平面PLの平面式の係数
ｄは次式となる。

ｄ＝−（NxXm＋NyYm＋NzZm） …（15） この係数ｄを用いることにより、１番目の制御点であ
る●の位置Xkは次のように求まる。

Xk＝−（ｄ＋NyYk＋NzZk）/Nx …（16） 次に、係数ｄの演算に使用する（Xm,Ym,Zm）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,P−
１）、（0,1）、（3,1）、（3,P−１）の記憶データを
用いて行なったが、係数ｄの演算に使用する記憶データ
は●の制御位置の近傍の方が真の値に近い。従って、領
域（1,P）、（1,0）、（2,0）、（2,P）の記憶データを
用いる。すなわち、領域（1,P）の記憶データと式（1
1）〜（13）で得られた法線ベクトルを式（15）に代入
して演算し、その値をd₁とする。同様の方法で領域（1,
0）の記憶データから計算した値をd₂、領域（2,0）の記
憶データから計算した値をd₃、領域（2,P）の記憶デー
タから計算した値をd₄とし、次式により平均値として係
数ｄを求める。

ｄ＝（d₁＋d₂＋d₃＋d₄）/4 …（17） このように、４つの領域から求めた係数を平均化する
ことにより、●制御点の係数ｄは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,Ny,Nz）と位置（Xk,Yk,Zk）が求まった。

第13図のプログラムの手順は次にステップS413に移
り、各軸の位置指令値の演算と記憶を行なう。ここで、
超音波探触子９と被検体Ｗの表面との距離がl₀になるよ
うに設定すると、各軸の位置指令値（Xr,Yr,Zr,αr,β
ｒ）は次の関係式から演算されて記憶される。

Xr＝f₅（Xk,Yk,Zk,Nx,Ny,Nz,l₀） …（18） Yr＝f₆（Xk,Yk,Zk,Nx,Ny,Nz,l₀） …（19） Zr＝f₇（Xk,Yk,Zk,Nx,Ny,Nz,l₀） …（20） αｒ＝f₈（Nx,Ny,Nz） …（21） βｒ＝f₉（Nx,Ny,Nz） …（22） このとき同時に●制御点におけるターンテーブルTBの
角度指令値γｒも記憶しておく。

次に、ステップS414に移り、１回転走査分の演算が完
了したか否かを判定する。当然のことであるが、上述し
た説明では第14図の●で示された制御点しか演算してい
ないのでステップS411に戻り、次のＯ制御点の近傍の法
線ベクトル演算を行なう。このようにしてステップS411
〜414の処理を順次繰り返し行なうことにより第15図の
●〜印の制御点位置までの演算を行ない第13図の手順
を終了して第12図のステップS42に移る。この時、１回
転走査分の各軸位置指令値は式（23）〜（26）で表わさ
れたデータ群となっている。

Xr＝（Xrs,Xr₁,…Xrn,Xrmax） …（23） Yr＝（Yrs,Yr₁,…Yrn,Yrmax） …（24） Zr＝（Zrs,Zr₁,…Zrn,Zrmax） …（25） αｒ＝（αrs,αr₁,…αrn,αrmax） …（26） βｒ＝（βrs,βr₁,…βrn,βrmax） …（27） γｒ＝（γrs,γr₁,…γrn,γrmax） …（28） 第12図のステップS42〜S45の処理は、第13図のステッ
プS412で得られた式（23）〜（28）で表される位置指令
値のデータ群を用いて行なわれる。形状測定動作と同様
に、ステップS42,43を実行し、ステップS44で被検体回
転指令、すなわち走査開始指令が出力されると、第16図
のタイマ割りプログラムが起動される。

第16図のプラグラムのステップS441では回転停止か否
かを判定し、否定されるとステップS442でＮ番目の各軸
位置指令値の取り込みとサーボ演算および出力が行なわ
れる。その後、ステップS443に進み、超音波探触子９の
出力を取り込み、その探傷検出結果を制御点位置（Zr,
γｒ）のデータとして記録装置15へ出力する。次に、第
８図にステップS343〜S347と同様なステップS444〜S448
を順次に実行して、探傷動作に並行して、第３図の距離
Ｌだけ先行する走査ラインの形状測定が行なわれる。

このような手順を繰り返して１回の回転走査を完了す
るとステップS45からS46に進み、被検体停止指令を出力
する。そして、ステップS441で走査停止と判定される
と、ステップS449でNmax番目の各軸位置指令値の取り込
みとサーボ演算および出力が行なわれる。そして、ステ
ップS47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、走査していない場合はステップS4
1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なう。

第９図で示された探傷範囲をすべて走査したならば、
プログラムはステップS47から第６図のステップS50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。

以上のように、第２図〜第16図により説明した実施例
では、次のようにして被検体Ｗの表面形状の測定と探傷
動作が行なわれる。

（ａ）被検体が回転される。

（ｂ）予め与えられた被検体表面形状のデータに基づい
て距離センサユニットの姿勢が制御され、距離検出用超
音波信号が回転する被検体に向けて発射される。そし
て、その反射波から被検体表面上の距離計測点までの距
離が測定され、その距離データと距離センサユニットの
現在の位置とから、被検体上の計測点の位置情報、すな
わち形状測定データが演算される。

（ｃ）その形状測定データを、ターンテーブルの回転角
度とＺ軸座標とで区画した小領域のいずれかの領域のデ
ータとして記憶する。ただし小領域内には１つのデータ
のみを保存する。

（ｄ）（ｂ），（ｃ）の手順を第３図の距離Ｌ分だけ行
なう。

（ｅ）（ｂ）〜（ｄ）で各小領域に保存されている被検
体Ｗの表面形状データから探傷用探触子の制御点の位置
指令値（探触子の位置および姿勢）を求める。

（ｆ）その位置指令値で各軸駆動装置を制御して探傷用
探触子の位置および姿勢を制御し、超音波探傷信号が被
検体表面の法線方向および所定の距離を向くようにす
る。

（ｇ）その位置および姿勢で探傷用探触子から超音波探
傷信号を発射して被検体を探傷する。

（ｈ）この探傷動作に並行して、距離センサユニットか
ら超音波信号を被検体に受けて発射し、探傷用探触子よ
りも距離Ｌだけ先行する走査ライン上の形状測定データ
を採取する。この形状測定データは、探傷用探触子がそ
の走査ライン上または近傍に達したときの位置および姿
勢演算に使用される。

したがって、回転する被検体に対して探傷用探触子を
いつも精度よく被検体表面から所定の距離および法線方
向に向けることができ、表面形状が不規則な回転体の探
傷が容易である。また、探傷動作と形状測定動作が並行
して行われるので、測定時間が短縮化される。

さらに、位置データを記憶する領域をターンテーブル
の回転角度とＺ座標で小領域に分割し、各領域には１つ
だけ位置データを記憶し、各小領域の位置データにより
任意の探傷走査ライン上の探触子の制御点を決定するよ
うにしているから、 イ．メモリ容量の低減が可能となる。

ロ．形状測定走査ラインと異なった走査ラインを自由に
設定して探傷できる。その結果、探傷操作の自由度が広
がるとともに、探傷用探触子と距離測定用探触子の配置
が制約されない。

なお、以上の実施例の構成において、ブラケット8Dが
支持部8Dを、Ｘ軸駆動装置１とＹ軸駆動装置３とＺ軸駆
動装置６とが駆動装置504を、超音波探触子９が超音波
探触子502（９）を、距離センサユニット10が距離検出
用探触子503（10）を、各軸駆動装置の位置あるいは角
度検出器が位置検出手段505を、距離センサユニット10
と距離検出回路11が距離検出手段503を、制御装置12が
位置姿勢演算手段506と制御手段507とをそれぞれ構成す
る。

〈変形実施例〉 以上の実施例においては、任意のラインの探傷走査の
開始時に、そのライン走査の各制御点の位置指令値を演
算している。そのため、実際の探傷動作が開始されるま
での間に超音波探触子9,10が停止しているロス時間が存
在する。そこで、この変形例では、各探傷動作中に次の
ライン走査の位置指令値を前もって演算しておき、ロス
時間を解消するものである。

第17図〜第19図により説明する。

第17図に中央処理装置を２台とした場合のハードウェ
ア構成を示す。31は中央処理装置であり、探傷動作にお
ける一走査分の各軸指令値の演算処理を受け持ち、他の
処理は中央処理装置32が行なう。33は被検体表面の位置
データおよび一走査分の各軸指令値の演算開始フラグ当
を記憶するメモリ、34は中央処理装置31によって演算さ
れた各軸指令値および演算完了フラグを記憶するメモリ
である。

第18図は中央処理装置32における探傷動作（第12図の
代わり）の詳細なフローチャートで、第19図は中央処理
装置31のフローチャートである。

次に、この変形実施例の動作を説明する。

まず、ステップS101で走査カウンタCNを１にセット
し、指令演算開始フラグをメモリ33にセットする。そし
て、ステップS102で演算完了フラグがセットされるまで
待つ。

第19図の処理は、まず、ステップS201で演算開始フラ
グがセットされるまで待つ。そして、第18図のステップ
S101で演算開始フラグがセットされたならば、処理はス
テップS202に進んで走査カウンタのカウント値を読み、
次のステップS203で演算開始フラグと演算完了フラグを
リセットする。なお、当然のことであるが、最初、演算
完了フラグはリセットされている。

そしてステップS204に移り、CNの値に相当する走査ラ
インの、すなわち、最初は第１走査ラインの各軸指令値
の演算を行なう。この演算は、第13図のステップS411〜
S414の演算と全く同じである。そしてステップS205でそ
の得られた各軸指令値をメモリ34に書き込むとともに、
ステップS206で演算完了フラグをメモリ34にセットして
ステップS201に戻り、次の走査ラインの指令値演算開始
指令を待つ。

演算完了フラグのセットにより第18図のプログラムは
ステップS201からステップS103に進み、各軸指令値をメ
モリ34から取り込む。そして、ステップS104では、走査
カウンタのカウント値CNを１増加させて指令値演算開始
フラグをセットする。さらにステップS105〜S109によっ
て第１走査ラインの探傷動作を行なう。この探傷動作の
間に中央処理装置31では第２走査ラインの指令値演算を
行なう。

以上、述べたように本実施例によれば、探傷と指令値
演算を並行して行なうことができるので、探傷の開始か
ら完了までの時間を更に短くすることができる。

なお以上では、探傷用探触子からの超音波ビームを被
検体表面の法線方向に向けながら探傷を行うとしたが、
超音波ビームを法線方向に対してある角度を持たせて、
例えば表面波臨界角方向に超音波ビームを向けて探傷す
るものにも本発明を適用できる。

また以上では、探傷動作に先立つ形状測定動作に際し
て、被検体の設定データなどを用いて距離センサユンニ
ットの計測点を指令するようにしたが、距離センサユニ
ットを例えば２本設け、そのセンサユニットで被検体表
面形状を倣いながら形状測定を行うようにしてもよい。

G.発明の効果 本発明によれば、複雑な表面形状をした回転体である
被検体を精度よくしかも効率よく探傷できる。

特に、請求項２のように位置情報の記憶領域を小領域
に分割し、各領域の位置情報により任意の走査ラインに
おける探触子の位置および姿勢を求めるようにすること
により、記憶容量が少なくできるとともに、形状測定走
査ラインとは異なる任意の走査ライン上の探傷が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図はクレーム対応図である。 第２図〜第16図は本発明の一実施例を説明するもので、
第２図は制御系の全体構成図である。 第３図は探傷用超音波探触子と距離センサユニットの取
付構造の詳細を示す図である。 第4A図は距離検出回路の詳細を示すブロック図である。 第4B図はγo,γa,Dlを説明する図である。 第５図はメインフローチャートである。 第６図は初期位置にある距離センサユニットと被検体を
示す斜視図である。 第７図は形状測定フローチャートである。 第８図は形状測定フローチャートの詳細を示すフローチ
ャートである。 第９図は探傷範囲と位置データの記憶領域を説明する図
である。 第10図は形状測定動作中の距離センサユニットを示す斜
視図である。 第11図は探傷動作開始時の探傷用探触子と距離センサユ
ニットを示す斜視図である。 第12図，第13図および第16図は探傷動作を示すフローチ
ャートである。 第14図は位置データが記憶されている小領域内での探傷
走査ラインを説明する図である。 第15図は小領域の位置データから制御点の位置データを
演算する際の係数ｄを説明する図である。 第17図〜第19図は変形実施例を説明するもので、第17図
はそのハードウエアを示すブロック図である。 第18図および第19図は処理手順を示すフローチャートで
ある。 第20図は従来の超音波探傷装置を説明する図である。 1:X軸駆動装置、3:X軸駆動装置 6:Z軸駆動装置、8B:β軸駆動装置 8E:α軸駆動装置、9:探傷用探触子 10:距離検出用探触子 11:距離検出回路、12:制御装置 16:回転駆動装置 31,32:中央演算処理装置 33,34:メモリ 501:回転手段、502:超音波探触子 503:距離検出手段、504:位置姿勢制御手段 505:位置検出手段、506:位置姿勢演算手段 507:制御手段、TB:ターンテーブル

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１−292248（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) GOIN 29/00 - 29/28

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３次元座標系の中で所定の回転軸を中心に
   回転可能に載置された被検体内の傷を探索する超音波探
   傷装置において、 前記３次元座標系内で移動可能に設けられた支持部と、 前記支持部を前記３次元座標系に沿って移動させる駆動
   装置と、 前記回転する被検体に向けて超音波探傷信号を発射しそ
   の反射波を受信するように、前記支持部に設けた超音波
   探触子と、 前記超音波探触子よりも先行する走査ランイ上を走査す
   るように、前記支持部に設けた距離検出用探触子と、 前記距離検出用探触子の前記３次元座標系内の位置を検
   出する位置検出手段と、 前記距離検出用探触子によって検出した信号に基づいて
   前記被検体上の距離計測点との距離を演算する距離検出
   手段と、 前記距離検出手段の検出結果と前記位置検出手段の検出
   結果とに基づいて前記被検体上の距離計測点の位置情報
   を演算し、その演算結果から前記超音波探触子の位置お
   よび姿勢を演算し、この演算結果に基づいて超音波探傷
   信号が被検体の所定の距離から所定の角度で入射すべく
   超音波探触子の位置および姿勢を制御する信号を、前記
   駆動装置に出力する位置姿勢演算手段と、 前記距離検出手段による被検体の周方向走査と前記超音
   波探触子による被検体の周方向探傷走査とを並行動作さ
   せる信号を、前記駆動装置に出力する制御手段とを備え
   たことを特徴とする超音波探傷装置。
2. 【請求項２】請求項１の装置において、被検体表面を回
   転角度と回転軸方向の位置で区画される小領域に分割し
   各小領域ごとに前記位置情報を１つだけ記憶する記憶手
   段を有し、前記超音波探触子の位置および姿勢を、各周
   方向探傷走査に対応した小領域内の位置情報に基づいて
   演算することを特徴とする超音波探傷装置。