JPH021633B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は５自由度を有するマニピユレータを用
いて円筒とこの円筒に取付けた他の円筒との取付
部を内側からならわせる方法に関する。

＜従来の技術＞ 円筒の表面から突出するように他の円筒を取付
けたものの一例として、円筒形ドラムとノズルと
の取付部がある。この取付部内側は断面が急変し
ているため応力集中が発生することがある。高い
応力集中のある材料が繰返し荷重を受けると、そ
こには疲れによる割れ目が生じて破断しやすくな
る。したがつて、取付部内部又は内側表面に存在
する不健全部分を検出することは製品の保守上き
わめて重要な問題である。

従来、円筒形ドラムのノズル取付部内側の探傷
には超音波探傷装置を用いることが多く、超音波
探傷は検査員が被検部の近くまで行つて手動で行
なうという方法がとられていた。

しかしながら、この従来方法では、作業に非常
に手間がかかり、探傷速度もおそく、探傷もれを
生じる恐れがあるなど、経済性、信頼性に問題点
があつた。また、特に原子炉圧力容器等の原子炉
冷却材圧力バウンダリ内の機器の検査について
は、放射線のため検査員が検査対象箇所に近づく
ことができず、検査することができなかつた。

＜発明が解決しようとする課題＞ そこで、遠隔操作でしかも自動的に探傷が行な
えるノズル取付部内側表面下の水浸法による超音
波探傷装置が検討されてきたが、(1)被検部が複雑
な曲揚形状であるため、探触子板と被検部表面と
の平行度や水距離が正確でなかつたり、(2)探触子
板及びマニピユレータが被検部表面に接触して破
損してしまうなどの事故を生じる恐れもあり、(3)
さらに同一装置によつて種々の原子炉圧力容器の
探傷を行なうための互換性を考慮する必要もある
など解決しなければならない多くの問題を有して
おり、その装置の完成が妨げられていた。

本発明は上述のような技術的状況にかんがみて
なされたもので、遠隔操作でしかも自動的に探傷
が行なえるノズル取付部内側表面下の水浸法によ
る超音波探傷装置の完成の妨げとなつている上記
問題点(1)(2)(3)を解決し得るならい方法を提供する
ことを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 上記目的を達成するため、本発明では、一の円
筒とその側面に接続された他の円筒との取付部の
内側の曲面部を被検部とし、前記他の円筒の中心
線上に当該中心線方向に移動可能に取付けられた
中心線上移動軸と、この中心線上移動軸先端に取
付けられ、中心線上移動軸の中心軸を軸として回
転する回転軸と、この回転軸に連続して取付けら
れた傾動可能な３本の屈曲軸とでなり先端側の屈
曲軸に検査具が取付けられるマニピユレータの前
記検査具を前記被検部にならわせるに際し、前記
被検部の曲率中心に向けた前記マニピユレータ先
端の屈曲軸の軸心を仮想する軸として当該仮想す
る軸の前記曲率中心を通りかつ前記他の円筒の中
心線に平行な軸に対する傾斜角と、前記回転軸の
回転角度とで前記他の４軸の移動量を制御して前
記被検部に対する前記検査具の位置及び向きを適
正に保つようにしたのである。

＜作用＞ 上記曲面のならい方法においては、仮想する軸
の傾斜角及び回転軸の角度とに基づき、仮想する
軸の傾斜角が一定に保たれるように屈曲軸の角度
及び中心線上移動軸の位置が制御される。したが
つて、仮想する軸をステツプ軸としてその傾斜角
を一定量ずつ増加して行き、回転軸をスキヤン軸
として各傾斜角ごとに回転させることにより、円
筒同士の取付部曲面全域に亘つての倣いがなし得
る。

＜実施例＞ 以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら
詳細に説明する。

第１図は本発明のならい方法を適用するマニピ
ユレータを第２図に示すような一の円筒である円
筒形ドラム１０１と他の円筒であるノズル１０２
との取付部内側の探傷に用いる場合を示す断面図
である。

本発明の対象となるマニピユレータは、水平に
移動できる中心線上移動軸としての水平移動軸１
と、この水平移動軸１の先端部に設けられ±200゜
回転できる回転軸２と、この回転軸２の先端に連
続して設けられた±100゜屈曲できる三つの屈曲軸
３，４，５とで構成される５自由度をもつもので
ある。探触子板６は屈曲軸５先端に設置され、こ
の探触子板６に検査具等を取付け、この検査具を
被検部に対し、平行（被検部の接線に平行）かつ
一定水距離はなしてならわせるものである。この
ように構成されたマニピユレータはキヤリツジ８
によつて水平移動軸１の基端部が支持され、さら
に、このキヤリツジ８が360゜旋回できる主柱９に
設けられたレールに沿つて上下できるように取付
けられている。

次に、このマニピユレータを用いてのならい方
法について具体的に説明する。

まず、水平移動可能な水平移動軸１の中心線を
他の円筒であるノズル１０２の中心線Ｎに一致さ
せる。

ステツプ軸となる軸７を仮想する。この仮想す
る軸７は、第１図、第５図に示すように、探触子
板６の軸心線（屈曲軸５の軸心線）がノズル曲面
部の曲率中心１０を通る軸をいい、その角度θ₇
は、前記曲率中心１０を通り、かつノズル中心線
Ｎは平行な軸（基準軸Ｃと呼ぶ）に対する角度
（時計回りを正）として決められる。

基準軸Ｃに対する仮想軸７の角度θ₇をある一定
のきざみ量（例えば5゜）ごとに0゜から約90゜の範囲
で増加させて行き、そのきざみ量ごとに回転軸２
をスキヤン軸として360゜回転させる。こうして、
探触子板６に取付けられる検査具により、被検面
であるノズル取付部全域の探傷を行うのである。
そして、この際、回転軸２及び仮想軸７の角度信
号が他の４軸１，３，４，５の入力信号となり、
各軸の移動量が制御されるのである。

次に、屈曲軸３，４，５および水平移動軸１の
移動量について述べる。

今、第２図に示したような半径Ｒのドラム１０
１の胴部とノズル１０２との取付部の断面形状を
考える。

第２，６図に示すように、ドラム１０１の長手
方向をθ₂＝0゜として角度θ₂をとると、角度θ₂にお
けるその部分の断面形状は、第３図、第８図に示
すように短軸＝2R、長軸＝2R／sinθ₂なる楕円１
０１ａとノズル１０２の曲面１０２ａとの交わつ
たものとなる。したがつて、仮想軸７を固定して
（角度θ₇を一定にして）回転軸２を0゜から90゜まで
回転させると、第３図に示すように、ノズル曲面
１０２ａの曲率中心１０が移動し、θ₇が小さいと
きには、第８図に示すように被検部Ｐ（仮想軸７
と曲面１０２ａまたは１０１ａとの交点）は、ノ
ズル曲面１０２ａ上からドラム胴部の楕円曲面１
０１ａ上に移る。第８図においては、P₁はノズ
ル曲面１０２ａ上にあり、P₂はドラム胴部の楕
円曲面１０１ａ上に移つていることを示してい
る。

したがつて、被検部Ｐの位置に応じて屈曲軸
３，４，５の移動量を制御するにあたつては、被
検部Ｐがノズル曲面１０２ａ上にあるか、ドラム
胴部の楕円曲面１０１ａにあるかによつて、屈曲
軸３，４，５の移動量の求め方を変える必要があ
る。

先ず、被検部Ｐがノズル曲面１０２ａ上にある
場合の屈曲軸３，４，５の移動量（移動角度）の
求め方について述べる。

前提として、第１図に示すように、屈曲軸３と
ノズル中心線Ｎとのなす角度をθ₃（反時計回りを
正）、屈曲軸４と屈曲軸３とのなす角度をθ₄（反時
計回りを正）、探触子板６を取付ける軸である屈
曲軸５と屈曲軸４とのなす角度をθ₅（反時計回り
を正）とし、屈曲軸３，４，５のそれぞれの長さ
をl₃、l₄、l₅とし、仮想軸７が基準軸Ｃに対する
角度を前述の如くθ₇とし、ノズル取付部内側曲面
（曲率中心１０）の曲率半径をｒ、探触子板６と
被検部との水距離をw_Pとする。

被検部Ｐがノズル曲面１０２ａ上にある場合
（ドラム胴部上ではない場合）には、水平移動軸
２と屈曲軸３との交点Ｏを原点とし、第１図にお
けるノズル曲面部の曲率中心１０のxy座標を
（x_r、y_r）、屈曲軸５と屈曲軸４との接合点のxy座
粉を（x_e、y_e）とすると、x_r、y_r、x_e、y_eは次の
ように表される。

y_r＝l₃cosθ₃＋l₄cos（θ₃＋θ₄）＋
（l₅＋w_P＋ｒ）cosθ₇……(1) x_r＝−l₃sinθ₃−l₄sin（θ₃＋θ₄）
＋（l₅＋w_p＋ｒ）sinθ₇……(2) y_e＝y_r−（l₅＋w_P＋ｒ）cosθ₇ ……(3) x_e＝−｛x_r−（l₅＋w_P＋ｒ）sinθ₇｝
……(4) また、ドラム中心線Ｄとノズル中心線Ｎとの交
点O′を原点とすると、屈曲軸４，５の接合点の
座標は次のように表される。

y′_e＝y_e＋（R_s＋R_p） ……(5) x′_e＝−x_e ……(6) ただし、R_pは水平移動軸１を最も引き込んだ
とき（移動量０mm）の水平移動軸１のドラム中心
線Ｄに対する出代（ドラム中心線Ｄから水平移動
軸１と屈曲軸３との交点までの距離）、R_sはR_pを
基準とする水平移動軸１の移動量である。

以上より屈曲軸３，４，５の角度θ₃、θ₄、θ₅は
次のように表わされる。

θ₄＝cos^-1（x′_e ²＋y_e ²−l₃ ²−l₄ ²／２・l₃
・l₄） ……(7) θ₃＝tan^-1｛x′_e・l₃＋l₄（x
′_ecosθ₄−y_esinθ₄）／y_e・l₄＋l₄（y_ecosθ₄＋x′_es
inθ₄）｝……(8) θ₅＝−（θ₃＋θ₄＋θ₇）
……(9) なお、前述のように、第１図において、屈曲軸
３，４，５の回転方向は反時計回りを正とし、仮
想軸７の回転方向は時計回りを正とする。

次に、被検部Ｐがドラム胴部の楕円曲面１０１
ａ上にある場合について示す。

第１図において、ノズル曲面１０２ａの曲率中
心１０を通り、仮想軸７の角度θ₇を傾きとする直
線の方程式は、曲率中心１０の座標を（x_r、y′_r）
とすると、次式で表わされる。

y′＝ax＋ｂ ……(10) ａ＝tan（90゜−θ₇） ……(11) ｂ＝y′_r−ax_r ……(12) また、楕円の方程式は次式となる。

x²／c²＋y′²／R²＝１ ……（13） ｃ＝Ｒ／sinθ₂ ……（14） 以上より、座標（x_e、y′_e）の値は次式により
表わされる。

ただし、Ｒはドラム１０１の半径（ドラム軸中
心Ｄからドラム１内面までの距離）である。

以上のように、被検部Ｐがノズル曲面１０２ａ
上にあるかドラム胴部の楕円曲面１０１ａにある
かによつて、上述の式(3)(4)又は（15）（16）によ
つて（x_e、y_e）を設定でき、式(7)(8)(9)から直ちに
屈曲軸３，４，５の移動量（角度θ₃、θ₄、θ₅）が
得られる。なお、（x_r、y_r）は、傾斜角θ₇、回転
角θ₂に応じて予め求められる。

一方、水平移動軸１は、屈曲軸３，４，５の移
動を容易にするため（移動できる空間を大きくす
るため）、ドラム壁面１０１ｂから回転軸２先端
までの距離Ｓが大きくなるように移動を制御する
必要がある。

ところが、水平移動軸１の移動可能な範囲は、
屈曲軸３，４，５の回転可能な角度範囲が物理的
に±100゜（本マニピユレータでは）であることと、
水平移動軸１のストローク量によつて制限され
る。

屈曲軸４の回転可能な角度範囲は物理的に±
100゜であるから、(7)式より cos100゜≦x′_e ²＋y_e ²−l₃ ²−l₄ ²／２・l₃・l₄≦cos0
゜ ……（17） よつて、 x′_e ²＋y_e ²≦l₃ ²＋l₄ ²＋２・l₃・l₄cos100゜……（18） x′_e ²＋y_e ²≦（l₃＋l₄）² ……（19） √₃ ²＋₄ ²＋２・₃・₄100゜−
′_e ²≦y_e≦√（₃＋₄）²−′_e ²……（20） ここで、Ｓ＝y_e＋（l₅＋w_P＋ｒ）cosθ₇−ｒよ
り、Ｓのとり得る範囲は、 Smin≦Ｓ≦Smax ……（21） となる。

ただし、 Smax＝√（₃＋₄）²−′_e ²）＋（l₅＋w_P
＋ｒ）cosθ₇−ｒ……（22） Smin＝√₃ ²＋₄ ²＋2_{3 4}100゜−
′_e ²＋（l₅＋w_P＋ｒ）cosθ₇−ｒ……（23） である。

なお、（23）式よりx′_eは実数であるから ｜x′_e｜≦√₃ ²＋₄ ²＋2_{3 4}100゜ であり、またx′_eは第１図より、 x′_e＝x_r−（l₅＋w_P＋ｒ）sinθ₇ であるから、 となる。

とおくと、前述の（21）式が成立するためには、
θ₇≧θ_cであることが必要十分条件となる。

よつて、仮想軸７の角度θ₇と、ドラム壁面１０
１ｂから水平移動軸１先端Ｏまでの距離Ｓとの関
係を表す第４図に示すように、Ｓのとり得る範囲
は、屈曲軸４の角度θ₄＝0゜のときのＳの値
（Smax）とθ₄＝100゜のときのＳ値（Smin）との
間（第４図中の右上りの斜線以外の部分）という
ことになる。

また、水平移動軸１の移動量R_s≧０であるか
ら、第１図より、 R_s＝Ｒ−R_p−Ｓ≧０ Ｓ≦S_p＝Ｒ−R_p ……（26） となる。

したがつて、Ｓのとり得る範囲S_P-Pは、 S_p≧SmaxならばS_P-P＝Smax−Smin
……（27） S_p＜SmaxならばS_P-P＝S_p−Smin ……（28） となる。つまり、第４図における、右上り及び左
上りの斜線以外の部分（斜線の引かれていない部
分）となる。さらに、回転軸２の回転角度θ₂が変
わることによるノズル曲面１０２ａの曲率中心１
０のドラム半径方向の変位Δr（第３図参照）を考
慮すると、Ｓのとり得る範囲ΔSは、 ΔS＝S_P-P−Δr ……（29） となる。

したがつて、上記範囲で最も大きいＳをとる
と、 Ｓ（θ₂、θ₇）＝Smin（θ₇）＋ΔS（θ₂） ……（30） ただし、θ₇≧θ_c Ｓ（θ₂、θ₇）＝Smin（θ_c＋ΔS（θ₂） ……（31） ただし、０＜θ₇＜θ_c となる。（30）式において、Smin（θ₇）は、（23）
式にθ₇を入れることにより求まり、ΔS（θ₂）は
（27）〜（29）及び（22）（23）式より求まる。
（31）式におけるSmin（θ_c）も（25）（23）式より
も同様に求まる。なお、０＜θ₇＜θ_cの範囲におい
ては、（24）式の条件から外れるので、Sminの最
大値であるSmin（θ₇）に、とり得る最大のΔS
（θ₂）を加えたものをＳとしている。

このように、本実施例方法においては、ステツ
プ軸である仮想軸７の角度θ₇、スキヤン軸である
回転軸２の回転角θ₂に応じて、Ｓが最大の大きさ
をとり得るように水平移動軸１を動かすと共に、
θ₂、θ₇に応じて、(7)(8)(9)式に基づいて屈曲軸３，
４，５の角度を求めて、探触子板６が被検部Ｐに
対し一定距離離れ、かつ被検部Ｐにおける接線と
平行になるように制御するのである。

＜発明の効果＞ 以上、詳述したように本発明はドラムとノズル
の取付部を内側から５自由度を有するマニピユレ
ータでならう場合、スキヤン軸とステツプ軸の角
度信号により他の軸の移動量を制御することで、
探触子板を被検部に平行かつ一定水距離はなして
保つことができる。先端屈曲軸の軸心が曲率中心
を通るように制御されるので、この屈曲軸に直角
に取付けられた探触子板と被検部接線との平行度
が保たれるのである。なお、マニピユレータ先端
の屈曲軸がノズル取付部の曲率中心を通るという
ことは、前述の如く、すべての計算式のベースと
なつている。

また、各軸の移動量は、被検部及びマニピユレ
ータの寸法、角度、形状等に基づき予め設定され
て制御されるため、探触子板及びマニピユレータ
等が被検部に接触して破損する危険性もなく、自
動的に被検部をならわすことができる。したがつ
て、探触子板に超音波探傷装置や目視装置等を取
付けることで、探傷精度や探傷能率の向上はもち
ろん、遠隔自動操作によつて被曝線量が無く、探
傷の安全性の向上を図ることができ、また、目視
装置で目視できるなど適用範囲の広いならい方法
である。更に、対象円筒の変更などにも容易に対
応でき、互換性も確保できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のならい方法を適用するマニピ
ユレータを円筒形ドラムのノズル取付部内側の探
傷に用いる場合を示す断面図、第２図は本発明を
適用する円筒形ドラムの説明図、第３図はドラム
とノズルとの接続部の断面形状を示す説明図、第
４図は実施例における水平移動軸がとり得る範囲
の説明図であり、第５図は仮想する軸の説明図、
第６図及び第７図はドラムとノズルの接続部の断
面の説明図である。第８図は被検部がノズル曲面
からドラム胴部の楕円曲面上に移る様子を示す説
明図である。 図面中、１は水平移動軸、２は回転軸（スキヤ
ン軸）、３，４，５は屈曲軸、６は探触子板、７
はノズル取付部に設定された仮想軸（ステツプ
軸）、８はキヤリツジ、９は主柱、１０はノズル
取付部の曲率中心である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一の円筒とその側面に接続された他の円筒と
   の取付部の内側の曲面部を被検部とし、前記他の
   円筒の中心線上に当該中心線方向に移動可能に取
   付けられた中心線上移動軸と、この中心線上移動
   軸先端に取付けられ、中心線上移動軸の中心軸を
   軸として回転する回転軸と、この回転軸に連続し
   て取付けられた傾動可能な３本の屈曲軸とでなり
   先端側の屈曲軸に検査具が取付けられるマニピユ
   レータの前記検査具を前記被検部にならわせるに
   際し、前記被検部の曲率中心に向けた前記マニピ
   ユレータ先端の屈曲軸の軸心を仮想する軸として
   当該仮想する軸の前記曲率中心を通りかつ前記他
   の円筒の中心線に平行な軸に対する傾斜角と、前
   記回転軸の回転角度とで前記他の４軸の移動量を
   制御して前記被検部に対する前記検査具の位置及
   び向きを適正に保つようにしたことを特徴とする
   曲面のならい方法。