(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲面形状を有する第１板材上に曲面形状を有する第２板材を重ねて第１板材と第２板材とを溶接した構造体の溶接ビードの検査装置であって、
溶接ビードに交差する断面における構造体の表面形状を測定した測定形状を記述する測定形状データの入力を受ける入力手段と、
前記断面における第１板材の溶接前の表面形状の基準形状である第１板材基準形状を記述する第１板材基準形状データを記憶する第１記憶手段と、
第１板材基準形状を回転させることで、第１板材基準形状の測定形状に対する角度を調整する第１角度調整手段と、
測定形状と角度を調整した第１板材基準形状に基づいて、測定形状の中から第１板材が露出している領域を特定する領域特定手段、
を有することを特徴とする溶接ビード検査装置。
【請求項２】
前記断面における第２板材の溶接前の表面形状の基準形状である第２板材基準形状を記述する第２板材基準形状データを記憶する第２記憶手段と、
第２板材基準形状を回転させることで、第２板材基準形状の測定形状に対する角度を調整する第２角度調整手段、
をさらに有し、
領域特定手段が、測定形状と角度を調整した第２板材基準形状に基づいて、測定形状の中から第２板材が露出している領域を特定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接ビード検査装置。
【請求項３】
第１角度調整手段が、測定形状の傾斜角度分布と第１板材基準形状の傾斜角度分布に基づいて、第１板材基準形状の測定形状に対する位置を調整し、その後、第１板材基準形状の測定形状に対する角度を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接ビード検査装置。
【請求項４】
前記構造体において、第２板材の端面が第１板材上に配置されており、第２板材の端面を含む領域が溶接されており、
第２板材基準形状が、第２板材の端面形状の基準形状を含んでおり、
領域特定手段が、
第１板材基準形状の延長線と第２板材基準形状の端面形状の延長線とを接続することで得られる比較形状を算出する比較形状算出手段と、
測定形状上の座標点と比較形状上の座標点との間の座標の差分値を算出する差分値算出手段と、
差分値に基づいて第１板材が露出している領域と第２板材が露出している領域を特定する手段、
を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の溶接ビード検査装置。
【請求項５】
曲面形状を有する第１板材上に曲面形状を有する第２板材を重ねて第１板材と第２板材とを溶接した構造体の溶接ビードの検査方法であって、
コンピュータに、
溶接ビードに交差する断面における構造体の表面形状を測定した測定形状を記述する測定形状データを入力する入力ステップと、
前記断面における第１板材の溶接前の表面形状の基準形状である第１板材基準形状を記述する第１板材基準形状データを記憶させる第１記憶ステップと、
第１板材基準形状を回転させることで第１板材基準形状の測定形状に対する角度を調整する第１角度調整ステップと、
測定形状と角度を調整した第１板材基準形状に基づいて、測定形状の中から第１板材が露出している領域を特定する領域特定ステップ、
を実行させることを特徴とする検査方法。
【請求項６】
コンピュータに、
前記断面における第２板材の溶接前の表面形状の基準形状である第２板材基準形状を記述する第２板材基準形状データを記憶させる第２記憶ステップと、
第２板材基準形状を回転させることで第２板材基準形状の測定形状に対する角度を調整する第２角度調整ステップ、
をさらに実行させ、
領域特定ステップにおいて、コンピュータに、測定形状と角度を調整した第２板材基準形状に基づいて、測定形状の中から第２板材が露出している領域を特定させる、
ことを特徴とする請求項５に記載の検査方法。
【請求項７】
第１角度調整ステップにおいて、コンピュータに、測定形状の傾斜角度分布と第１板材基準形状の傾斜角度分布に基づいて第１板材基準形状の測定形状に対する位置を調整させ、その後、第１板材基準形状の測定形状に対する角度を調整させることを特徴とする請求項５または６に記載の検査方法。
【請求項８】
前記構造体において、第２板材の端面が第１板材上に配置されており、第２板材の端面を含む領域が溶接されており、
第２板材基準形状が、第２板材の端面形状の基準形状を含んでおり、
領域特定ステップにおいて、コンピュータに、
第１板材基準形状の延長線と第２板材基準形状の端面形状の延長線とを接続することで得られる比較形状を算出する比較形状算出ステップと、
測定形状上の座標点と比較形状上の座標点との間の座標の差分値を算出する差分値算出ステップと、
差分値に基づいて第１板材が露出している領域と第２板材が露出している領域を特定するステップ、
を実行させることを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の検査方法。
【請求項９】
曲面形状を有する第１板材上に曲面形状を有する第２板材を重ねて第１板材と第２板材とを溶接した構造体の溶接ビードの検査に用いられるプログラムであって、
コンピュータに、
溶接ビードに交差する断面における構造体の表面形状を測定した測定形状を記述する測定形状データを入力する入力ステップと、
前記断面における第１板材の溶接前の表面形状の基準形状である第１板材基準形状を記述する第１板材基準形状データを記憶させる第１記憶ステップと、
第１板材基準形状を回転させることで第１板材基準形状の測定形状に対する角度を調整する第１角度調整ステップと、
測定形状と角度を調整した第１板材基準形状に基づいて、測定形状の中から第１板材が露出している領域を特定する領域特定ステップ、
を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１０】
コンピュータに、
前記断面における第２板材の溶接前の表面形状の基準形状である第２板材基準形状を記述する第２板材基準形状データを記憶させる第２記憶ステップと、
第２板材基準形状を回転させることで第２板材基準形状の測定形状に対する角度を調整する第２角度調整ステップ、
をさらに実行させ、
領域特定ステップにおいて、コンピュータに、測定形状と角度を調整した第２板材基準形状に基づいて、測定形状の中から第２板材が露出している領域を特定させる、
ことを特徴とする請求項９に記載のプログラム。
【請求項１１】
第１角度調整ステップにおいて、コンピュータに、測定形状の傾斜角度分布と第１板材基準形状の傾斜角度分布に基づいて第１板材基準形状の測定形状に対する位置を調整させ、その後、第１板材基準形状の測定形状に対する角度を調整させることを特徴とする請求項９または１０に記載のプログラム。
【請求項１２】
前記構造体において、第２板材の端面が第１板材上に配置されており、第２板材の端面を含む領域が溶接されており、
第２板材基準形状が、第２板材の端面形状の基準形状を含んでおり、
領域特定ステップにおいて、コンピュータに、
第１板材基準形状の延長線と第２板材基準形状の端面形状の延長線とを接続することで得られる比較形状を算出する比較形状算出ステップと、
測定形状上の座標点と比較形状上の座標点との間の座標の差分値を算出する差分値算出ステップと、
差分値に基づいて第１板材が露出している領域と第２板材が露出している領域を特定するステップ、
を実行させることを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ビードを検査する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、２つの母材を溶接する溶接ビードの検査方法が開示されている。この検査方法では、溶接箇所（溶接ビードと母材を含む領域）の表面形状を測定する。次に、その測定形状の曲率に基づいて、測定形状の中から溶接ビードを特定する。溶接ビードを特定したら、その溶接ビードの表面形状に基づいて、溶接ビードの良否を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１５８３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
溶接箇所の表面形状から溶接ビードの良否を判定するためには、溶接箇所のうちのどの範囲が溶接ビードであるのかを正確に特定する必要がある。しかしながら、溶接ビードと母材との境界では表面形状が滑らかに変化している場合が多い。また、母材の表面が曲面形状である場合には、溶接ビードと母材とで曲率に大きな差が無い場合が多い。このため、特許文献１の技術のように測定形状の曲率等に基づいて溶接ビードを特定しようとしても、溶接ビードを正確に特定することはできない場合がある。
【０００５】
本願発明者は、上記の問題を解決する技術を既に提案している。この技術では、溶接される２つの板材（第１板材と第２板材）の溶接前の表面形状を示す基準形状データを予め準備しておく。なお、基準形状データが示す表面形状は、設計上の形状（以下では、基準形状という）である。２つの板材の基準形状のうち、溶接後において必ず板材が露出する領域（溶接工程の製造誤差が最大に生じたとしても、溶接ビードが形成されることがない領域）には、フィッティング領域が設定されている。溶接ビードを検査する際には、溶接箇所の表面形状を測定する。次に、フィッティング領域内の基準形状と測定形状が正確に重なるように、測定形状に第１板材の基準形状と第２板材の基準形状を重ね合わせる。そして、測定形状の中で、第１板材の基準形状及び第２板材の基準形状の何れに対しても形状のずれが大きい領域が、溶接ビードとして特定される。この技術によれば、溶接前の各板材の表面形状を用いることで、溶接ビードを正確に特定できる。また、基準形状と溶接ビードの表面形状から、溶接ビードの厚さ等を求めることもできる。したがって、溶接ビードをより好適に検査することができる。
【０００６】
この技術では、フィッティング領域を十分に広く設定することができれば、溶接ビードを正確に検査することができる。しかしながら、製品によっては、溶接後に母材が露出する領域が少なく、フィッティング領域を広く設定することができない場合がある。フィッティング領域を広く設定することができないと、測定形状に対して基準形状を正確に重ねることができず、溶接ビードを正確に特定することができない場合がある。
【０００７】
したがって、本明細書では、溶接後に母材が露出する領域が少ない場合でも、フィッティング領域を広く設定することが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する溶接ビード検査装置は、曲面形状を有する第１板材と曲面形状を有する第２板材とを溶接した構造体の溶接ビードを検査する。この検査装置は、入力手段と、記憶手段と、領域特定手段を有している。入力手段は、溶接ビードに交差する断面における構造体の表面形状を測定した測定形状を記述する測定形状データの入力を受ける。記憶手段は、前記断面における第１板材の溶接前の表面形状の基準形状を記述する第１板材基準形状データを記憶する。領域特定手段は、測定形状の傾斜角度分布と第１板材の基準形状の傾斜角度分布に基づいて、測定形状の中から第１板材が露出している領域を特定する。
【０００９】
なお、上記の「基準形状」とは、第１板材の設計上の形状である。構造体に用いられている第１板材の実際の形状には誤差が生じているので、基準形状と実際の形状は僅かに異なる場合がある。
また、上記の「傾斜角度」とは、前記測定形状上の任意の点における測定形状の傾きを意味する。例えば、測定形状がｘ座標とｚ座標により表される多数の座標点により構成されている場合には、任意の座標点における測定形状の傾きは、その座標点におけるｚ座標の変化率ｄｚ／ｄｘである。また、「傾斜角度分布」とは、前記測定形状上の各点における傾斜角度の分布を意味する。
また、この溶接ビード検査装置は、測定形状の中から第１板材が露出している領域を特定するが、さらに、測定形状の中から第２板材が露出している領域を特定してもよい。これらを特定できれば、残りの領域が溶接ビードに相当する。すなわち、測定形状の中から溶接ビードを特定することができる。この場合、第２板材が露出している領域は、第１板材が露出している領域と同様にして特定してもよいし、他の方法により特定してもよい。
【００１０】
この検査装置では、測定形状の傾斜角度分布と第１板材の基準形状の傾斜角度分布に基づいて、第１板材が露出している領域が特定される。傾斜角度分布には表面形状の特徴がより顕著に表れる。したがって、傾斜角度分布に基づいて測定形状の中から第１板材の基準形状と形状が略一致している領域を正確に特定することができる。これによって、測定形状の中から第１板材が露出している領域を特定することができる。特定した第１板材が露出している領域は、第１板材の基準形状を重ね合わせるためのフィッティング領域として用いることができる。この技術によれば、実測した形状に基づいてフィッティング領域を設定できるので、フィッティング領域を広く設定することができる。すなわち、予めフィッティング領域を設定する場合には、製造誤差が最大に生じたとしても第１板材が必ず露出する領域にフィッティング領域を設定する必要があるため、フィッティング領域を狭く設定せざるを得ない。本明細書の技術によれば、実測した形状から第１板材が露出している領域を特定できるので、製造誤差等を考慮しないで第１板材が露出している領域に広いフィッティング領域を設定することができる。例えば、特定した第１板材が露出している領域全体をフィッティング領域に設定することができる。
【００１１】
上述した検査装置は、領域特定手段が、測定形状を傾斜角度が近い領域毎に区分したときの各領域の傾斜角度と、第１板材の基準形状を傾斜角度が近い領域毎に区分したときの各領域の傾斜角度に基づいて、測定形状の中から第１板材が露出している領域を特定することが好ましい。
【００１２】
このように、測定形状と第１板材の基準形状を傾斜角度が近い領域毎に区分し、区分した領域に基づいて第１板材が露出している領域を特定することで、特定のために必要な演算量を減少させることができる。
【００１３】
上述した検査装置は、測定形状の中の第１板材が露出している領域に合わせて第１板材の基準形状を配置し、測定形状の中の溶接ビードが形成されている領域と第１板材が露出している領域との境界における溶接ビードが形成されている領域の形状と第１板材の基準形状との間の角度を算出するクランク角算出手段をさらに有していることが好ましい。なお、第１板材が露出している領域と溶接ビードが形成されている領域は隣接しているので、第１板材が露出している領域を特定すれば、測定形状の中の溶接ビードが形成されている領域と第１板材が露出している領域との境界を特定したことになる。
【００１４】
クランク角は、オーバーラップと密接に関連する。オーバーラップとは、溶接ビードと第１板材とが十分に溶け合っておらず、溶接箇所において十分な強度が得られない不具合である。オーバーラップが生じていると、クランク角が大きくなる。この検査装置によれば、クランク角に基づいてオーバーラップを検査することができる。
【００１５】
上述した検査装置は、測定形状の中から、溶接ビードが形成されている領域を特定する溶接ビード特定手段と、溶接ビードが形成されている領域の第１板材側の境界点と、溶接ビードが形成されている領域の第２板材側の境界点とを結ぶ直線とその直線から最も離れている溶接ビードが形成されている領域内の測定形状上の座標点との間の距離を算出する距離算出手段をさらに備えていることが好ましい。
【００１６】
前記距離を、以下では、余盛高さという。余盛高さは、オーバーラップと密接に関連する。オーバーラップが生じていると、余盛高さが大きくなる。この検査装置によれば、余盛高さに基づいてオーバーラップを検査することができる。
【００１７】
また、本発明の溶接ビード検査装置は、曲面形状を有する第１板材上に曲面形状を有する第２板材を重ねて第１板材と第２板材とを溶接した構造体の溶接ビードを検査する。この溶接ビード検査装置は入力手段と、第１記憶手段と、第１角度調整手段と、領域特定手段を有する。入力手段は、溶接ビードに交差する断面における構造体の表面形状を測定した測定形状を記述する測定形状データの入力を受ける。第１記憶手段は、前記断面における第１板材の溶接前の表面形状の基準形状である第１板材基準形状を記述する第１板材基準形状データを記憶する。第１角度調整手段は、第１板材基準形状を回転させることで、第１板材基準形状の測定形状に対する角度を調整する。領域特定手段は、測定形状と角度を調整した第１板材基準形状に基づいて、測定形状の中から第１板材が露出している領域を特定する。
溶接ビード検査装置は、前記断面における第２板材の溶接前の表面形状の基準形状である第２板材基準形状を記述する第２板材基準形状データを記憶する第２記憶手段と、第２板材基準形状を回転させることで、第２板材基準形状の測定形状に対する角度を調整する第２角度調整手段をさらに有していてもよい。この場合、領域特定手段が、測定形状と角度を調整した第２板材基準形状に基づいて、測定形状の中から第２板材が露出している領域を特定することが好ましい。
また、第１角度調整手段が、測定形状の傾斜角度分布と第１板材基準形状の傾斜角度分布に基づいて、第１板材基準形状の測定形状に対する位置を調整し、その後、第１板材基準形状の測定形状に対する角度を調整してもよい。
また、前記構造体において、第２板材の端面が第１板材上に配置されており、第２板材の端面を含む領域が溶接されていてもよい。この場合、第２板材基準形状が、第２板材の端面形状の基準形状を含んでいることが好ましい。また、領域特定手段が、第１板材基準形状の延長線と第２板材基準形状の端面形状の延長線とを接続することで得られる比較形状を算出する比較形状算出手段と、測定形状上の座標点と比較形状上の座標点との間の座標の差分値を算出する差分値算出手段と、差分値に基づいて第１板材が露出している領域と第２板材が露出している領域を特定する手段を有することが好ましい。
また、本発明の溶接ビードの検査方法、及び、検査用プログラムでも、上述した本発明の検査装置と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】溶接ビード検査装置１０のブロック図。
【図２】溶接部品３０の斜視図。
【図３】溶接前の板材３２、３４の斜視図。
【図４】３次元測定形状６０と３次元基準形状６２を示す図。
【図５】溶接ビード検査処理を示すフローチャート。
【図６】溶接ビード検査処理を示すフローチャート。
【図７】ステップＳ１２の詳細を示すフローチャート。
【図８】領域に区分された２次元測定形状７０と２次元基準形状７２を示す図。
【図９】２次元測定形状７０を領域に区分する他の処理の説明図。
【図１０】フィッティング後の２次元測定形状７０と２次元基準形状７２を示す図。
【図１１】溶接ビード領域ＷＢを特定する処理の説明図。
【図１２】クランク角θと余盛高さＨｃの説明図。
【図１３】隅肉溶接された溶接部品の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１９】
実施例の溶接ビード検査装置について、図面を参照して説明する。図１に示すように、実施例に係る溶接ビード検査装置１０は、表面形状測定装置２０に接続されている。溶接ビード検査装置１０は、一般的なコンピュータにより構成されており、演算装置１２と記憶装置１４を備えている。記憶装置１４には、溶接ビード検査用プログラム、溶接に用いられる板材の基準形状を示すデータ等が記憶されている。
【００２０】
図２は、検査対象の溶接部品３０の斜視図を示している。溶接部品３０は、図３に示すように部分的に重ねられた板材３２と板材３４を、その重ねた箇所で溶接した部品である。すなわち、図２の参照番号３６は、溶接ビードを示している。板材３２及び３４は、溶接ビード３６を横断する方向に湾曲した曲面形状を備えている。表面形状測定装置２０は、溶接ビード３６に略直交する断面における溶接部品３０の表面形状（図２のｘｚ平面内の２次元形状）を測定する。この測定は、いわゆる光切断法によって行われ、溶接部品３０の溶接ビード３６を横断する線状の光を照射し、線状の光が投影された領域３８が撮影される。撮影された画像から、領域３８の断面形状が算出される。このとき、光の照射方向と光の撮影方向の少なくとも一方は、溶接部品３０の表面に対して斜めに設定されている。なお、溶接部品３０の表面形状の測定は、光切断法に限られず、例えば接触式の形状測定器を用いることもできる。
図２に示すように、表面形状測定装置２０は、溶接ビード３６が伸びる方向（ｙ方向）に沿って一定間隔毎にｘｚ平面内の表面形状を測定する（図２の複数の線状領域３８のそれぞれで表面形状を測定する）。以下では、各ｘｚ平面において測定された溶接部品３０の２次元の表面形状を２次元測定形状という。ｙ方向に一定間隔毎に測定された多数の２次元測定形状によって、図４（ａ）に例示するように、溶接部品３０の３次元の表面形状６０（以下、３次元測定形状６０という）が得られる。なお、図４（ａ）では、多数の２次元測定形状７０のうちの１つを点線で示している。３次元測定形状６０は、ｘ、ｙ、ｚ座標により規定された多数の座標点によって表される。
なお、図１、２から明らかなように、第２板材３４は溶接後に露出する領域が広いのに対し、第１板材３２は溶接後に露出する領域が狭い。
【００２１】
演算装置１２は、記憶装置１４に記憶されている溶接ビード検査用プログラムを実行することで、溶接ビード３６を検査する。溶接ビード検査用プログラムを実行すると、演算装置１２によって、図５及び図６のフローチャートに示す処理が行われる。
【００２２】
ステップＳ２では、演算装置１２は、表面形状測定装置２０から溶接部品３０の３次元測定形状６０を表す３次元測定形状データの入力を受ける。ステップＳ４では、演算装置１２は、記憶装置１４から３次元基準形状データを読み出す。３次元基準形状データは、溶接前の板材３２と板材３４の表面の３次元形状（以下、３次元基準形状という）を表すデータである。図４（ｂ）に例示するように、３次元基準形状６２は、ｘ、ｙ、ｚ座標により規定された多数の座標点によって表される。３次元基準形状６２は、設計上の形状であり、実際の板材３２、３４の形状は誤差により３次元基準形状６２と異なる場合がある。以下では、３次元基準形状６２のうち、板材３２の形状を表す部分を第１板材３次元基準形状６４といい、第２板材３４の形状を表す部分を第２板材３次元基準形状６６という。第１板材３次元基準形状６４は、図３の第１板材３２の上面３２ａの形状に相当する。第２板材３次元基準形状６６は、図２の第２板材３４の上面３４ａと端面３４ｂの形状に相当する。第１板材３次元基準形状６４と第２板材３次元基準形状６６は、設計上の第１板材３２と第２板材３４の相対位置に相当する位置関係に配置されている。３次元基準形状６２は、ｙ方向に一定間隔毎に規定された複数の２次元基準形状７２によって構成されている。なお、図４（ｂ）では、多数の２次元基準形状７２の１つを点線で示している。２次元基準形状７２は、ｘｚ平面内における２次元形状である。以下では、２次元基準形状７２のうち、第１板材３２の形状に相当する部分を、第１板材２次元基準形状７４といい、第２板材３４の形状に相当する部分を、第２板材２次元基準形状７６という。
【００２３】
ステップＳ６では、演算装置１２は、第２板材３次元基準形状６６の３次元測定形状６０に対するｙ方向の位置を調節する。具体的には、以下の手順を実施する。図４（ｂ）に示すように、第２板材３次元基準形状６６には、フィッティング領域６８が定められている。フィッティング領域６８は、溶接箇所から離れており、溶接時に変形することがない領域に設定されている。最初に、フィッティング領域６８内の第２板材３次元基準形状６６上のｋ個の座標点Ｐ１〜Ｐｋを特定する。次に、各座標点Ｐ１〜Ｐｋを、ｚ軸に沿って３次元測定形状６０上に投影した座標点Ｑ１〜Ｑｋを特定する。次に、各座標点Ｐ１〜Ｐｋと対応する座標点Ｑ１〜Ｑｋのｚ座標の差ｅ１〜ｅｋを算出する。次に、差ｅ１〜ｅｋの分散Ｖを算出する。なお、分散Ｖは、以下の数式により表される。
【００２４】
【数１】
0005578005.tif 000002
【００２５】
なお、上記の（数１）において、Ｅ（ｅ）は差ｅ１〜ｅｋの平均値である。上記分散Ｖが小さいほど、フィッティング領域６８内で３次元測定形状６０と第２板材３次元基準形状６６が整合しているといえる。ステップＳ６では、演算装置１２は、第２板材３次元基準形状６６をｙ方向に移動させながら分散Ｖが最小となる位置を特定し、その特定した位置に第２板材３次元基準形状６６を移動させる。
【００２６】
ステップＳ８では、演算装置１２は、第１板材３次元基準形状６４の３次元測定形状６０に対するｙ方向の位置を調節する。ここでは、ステップＳ６における第２板材３次元基準形状６６の移動量と同一の移動量だけ第１板材３次元基準形状６４を移動させる。
【００２７】
ステップＳ１０では、演算装置１２は、第２板材３次元基準形状６６の３次元測定形状６０に対するｘ方向の位置を調節する。ここでは、ステップＳ６と同様に、フィッティング領域６８内の座標点とこれらを３次元測定形状６０に投影した座標点とのｚ座標の差の分散が最小となるように、第２板材３次元基準形状６６を移動させる。
【００２８】
ステップＳ１２では、演算装置１２は、第１板材３次元基準形状６４と３次元測定形状６０とを位置合わせするためのフィッティング領域８０を設定する。ステップＳ１２は、ｙ座標毎に行われる。すなわち、ｙ座標毎にｘｚ断面における２次元測定形状７０と２次元基準形状７２が抽出され、各断面についてステップＳ１２が実行される。以下に、図４に例示する２次元形状７０、７２を例として、ステップＳ１２の処理を説明する。
【００２９】
図７は、ステップＳ１２において行われる処理の詳細を示している。図７のステップＳ６０では、演算装置１２は、２次元測定形状７０を、傾斜角度に応じた領域に区分する。具体的には、まず、２次元測定形状７０の各座標点における法線ベクトルを算出する。法線ベクトルは、２次元測定形状７０上の座標点群を曲線近似等して算出する。次に、起点となる座標点Ｒｍを特定し、その座標点Ｒｍの法線ベクトルとその隣の座標点Ｒｍ+１の法線ベクトルの間の角度が予め決められた基準角度以下であるか否かを判定する。この判定は、法線ベクトル同士の内積を算出することで行うことができる。法線ベクトル間の角度が基準角度以下である場合には、座標点Ｒｍと座標点Ｒｍ＋１をグループ化する。この場合には、次に、座標点Ｒｍの法線ベクトルと、グループ化した座標点Ｒｍ、Ｒｍ＋１に隣接する座標点（座標点Ｒｍ−１またはＲｍ＋２）に対して同様の処理を行う。この処理を、座標点Ｒｍとグループ化できる座標点が他に無くなるまで繰り返す。これによって、座標点Ｒｍとグループ化された座標点群が、１つの領域として区分される。１つの領域を区分したら、未だ区分されていない座標点に対して、上述した処理を実施し、２次元測定形状７０上の全ての座標点を、傾斜角度に応じた領域に区分する。これによって、例えば、図８に例示するように、２次元測定形状７０を、領域Ｓ１〜Ｓｎ（図７の例では領域Ｓ１〜Ｓ８）に区分する。領域Ｓ１〜Ｓｎは、法線ベクトルが近似する座標点（すなわち、傾斜角度が近似する座標点）の集まりである。また、各領域Ｓ１〜Ｓｎには、法線ベクトルＴ１〜Ｔｎ（図７の例では、法線ベクトルＴ１〜Ｔ８）が設定される。ここで設定される法線ベクトルＴ１〜Ｔｎは、各領域Ｓ１〜Ｓｎの傾斜角度を表すベクトルである。法線ベクトルＴ１〜Ｔｎは、各領域Ｓ１〜Ｓｎ内の座標点群の法線ベクトルを平均したベクトルであってもよいし、他の処理により算出されたベクトルであってもよい。
【００３０】
また、ステップＳ６０は、次の方法によって行ってもよい。この方法では、最初に、図９に示すように、２次元測定形状７０の両端の座標点Ｋ１、Ｋ２を結ぶ線分Ｌ１を描く。次に、線分Ｌ１から最も離れた２次元測定形状７０上の座標点Ｋ３を特定する。線分Ｌ１と座標点Ｋ３の間の距離が、予め決められている閾値より大きければ、座標点Ｋ１、Ｋ３、Ｋ２に沿って線分Ｌ２、Ｌ３を描く。次に、線分Ｌ２から最も離れた区間Ｋ１−Ｋ３内の２次元測定形状７０上の座標点Ｋ４と、線分Ｌ３から最も離れた区間Ｋ３−Ｋ２内の２次元測定形状７０上の座標点Ｋ５を特定する。次に、線分Ｌ２と座標点Ｋ４の間の距離が前記閾値より大きいか否かを判定する。この距離が閾値より大きければ、座標点Ｋ１、Ｋ４、Ｋ３に沿って線分を描いて同様の処理を繰り返す。また、線分Ｌ３と座標点Ｋ５の間の距離が前記閾値より大きいか否かを判定する。この距離が閾値より大きければ、座標点Ｋ３、Ｋ５、Ｋ２に沿って線分を描いて同様の処理を繰り返す。新たに描かれる線分とその線分に対応する区間内で線分から最も遠い座標点の間の距離が閾値より小さくなるまで同様の処理を繰り返すことで、２次元測定形状７０に沿った折線が得られる。このようにして得られた折線の各線分は、２次元測定形状７０の傾きを表している。すなわち、折線の線分と略重なる座標点群は、法線ベクトルが近似する座標点の集まりである。２次元測定形状７０は、折線内の線分に従って、領域Ｓ１〜Ｓｎに区分される。
【００３１】
ステップＳ６２では、演算装置１２は、図８に示すように第１板材２次元基準形状７４を傾斜角度に応じた領域に区分する。ここでは、ステップＳ６０と同様にして、第１板材２次元基準形状７４を、領域Ｕ１〜Ｕｏ（図８の例では領域Ｕ１〜Ｕ４）に区分する。また、各領域Ｕ１〜Ｕｏに、法線ベクトルＶ１〜Ｖｏ（図８の例ではＶ１〜Ｖ４）を設定する。なお、第１板材２次元基準形状７４を領域に区分したデータが予め記憶装置１４に記憶されており、ステップＳ６２でそのデータを読み出すようにしてもよい。
【００３２】
ステップＳ６４では、演算装置１２は、第１板材２次元基準形状７４の各領域と２次元測定形状７０の各領域との対応付けを行う。ここでは、法線ベクトル同士が近似する領域同士を対応付ける。すなわち、法線ベクトルＴと法線ベクトルＶとがなす角度が基準角度より小さい場合に、その法線ベクトルを有する領域同士が対応付けられる。但し、法線ベクトル同士が近似していても、ｘ座標が極端に異なる領域同士である場合にはこれらの領域同士は対応付けられない。法線ベクトル同士の間の角度の判定は、法線ベクトル同士の内積により判定することができる。図８の例では、領域Ｓ１が領域Ｕ１に対応付けられ、領域Ｓ２が領域Ｕ２に対応付けられ、領域Ｓ３が領域Ｕ３に対応付けられ、領域Ｓ４が領域Ｕ４に対応付けられる。ステップＳ６４で対応付けられた２次元測定形状７０の各領域（図８の例では、領域Ｓ１〜Ｓ４）は、溶接後においても板材３２が露出している領域に相当する。演算装置１２は、図８に示すように、２次元測定形状７０の対応付けられた領域（図８の例では、領域Ｓ１〜Ｓ４）と重なる範囲内の第１板材２次元基準形状７４にフィッティング領域８０を設定する。
【００３３】
以上に説明したように、ステップＳ６０〜Ｓ６４が実行されることで、第１板材２次元測定形状７４の中にフィッティング領域８０が設定される。この溶接部品３０では、板材３２が露出する領域が少ないため、板材３２側では板材３４側のフィッティング領域６８のように広いフィッティング領域を予め設定しておくことができない。しかしながら、このように傾斜角度分布に基づいて２次元測定形状７０と第１板材２次元基準形状７４を比較することで、板材３２が露出している領域を正確に特定することができる。このようにして特定した領域をフィッティング領域８０として用いることで、板材３２が露出する範囲内で最も広くフィッティング領域８０を設定することができる。したがって、後述する位置調節を正確に行うことが可能となる。ステップＳ６０〜Ｓ６４が各ｙ座標の断面毎に実施されることで、図４に示すように、３次元測定形状６０に、フィッティング領域８０が設定される。
【００３４】
ステップＳ１２でフィッティング領域８０を設定すると、演算装置１２は、ステップＳ１４において、第１板材３次元基準形状６４の３次元測定形状６０に対するｘ方向の位置を調節する。ここでは、ステップＳ６と同様に、フィッティング領域８０内の座標点とこれらをｚ方向に沿って３次元測定形状６０上に投影した座標点とのｚ座標の差の分散が最小となるように第１板材３次元基準形状６４をｘ方向に移動させる。
【００３５】
ここまでの処理により、３次元基準形状６２のｘ方向及びｙ方向の位置が調節される。ステップＳ１６では、演算装置１２は、ステップＳ６、Ｓ８，Ｓ１０、Ｓ１４における３次元基準形状６２の移動量（位置の調節量）がゼロであったか否かを判定する。ステップＳ６、Ｓ８，Ｓ１０、Ｓ１４の何れかのステップで移動量がゼロでない場合には、再度ステップＳ６〜Ｓ１４が繰り返される。すなわち、ステップＳ６、Ｓ８，Ｓ１０、Ｓ１４の全てのステップで移動量がゼロとなるまで、ステップＳ６〜Ｓ１４が繰り返される。これによって、３次元基準形状６２のｘ方向及びｙ方向の位置が最適化される。
【００３６】
ステップＳ１８では、演算装置１２は、ｙ座標毎に、第２板材２次元基準形状７６の２次元測定形状７０に対するｚ方向の位置を調節する。すなわち、ｙ座標毎にｘｚ断面における第２板材２次元基準形状７６と２次元測定形状７０が抽出され、各ｘｚ断面において第２板材２次元基準形状７６のｚ方向の位置が調節される。以下に、各ｘｚ断面における位置調節について説明する。まず、フィッティング領域６８内の第２板材２次元基準形状７６の座標点を特定し、次に、特定した座標点をｚ方向に沿って２次元測定形状７０上に投影した座標点を特定する。そして、フィッティング領域６８内の第２板材２次元基準形状７６の座標点のｚ座標の平均値と、２次元測定形状７０上に投影した座標点のｚ座標の平均値を算出する。そして、両平均値が一致するように、第２板材２次元基準形状７６をｚ方向に移動させる。
【００３７】
ステップＳ２０では、演算装置１２は、ｙ座標毎に、第１板材２次元基準形状７４の２次元測定形状７０に対するｚ方向の位置を調節する。すなわち、ｙ座標毎にｘｚ断面における第１板材２次元基準形状７４と２次元測定形状７０が抽出され、各ｘｚ断面において第１板材２次元基準形状７４のｚ方向の位置が調節される。以下に、各ｘｚ断面における位置調節について説明する。まず、フィッティング領域８０内の第１板材２次元基準形状７４の座標点を特定し、次に、特定した座標点をｚ方向に沿って２次元測定形状７０上に投影した座標点を特定する。そして、フィッティング領域８０内の第２板材２次元基準形状７６の座標点のｚ座標の平均値と、２次元測定形状７０上に投影した座標点のｚ座標の平均値を算出する。そして、両平均値が一致するように、第１板材２次元基準形状７４をｚ方向に移動させる。
【００３８】
ステップＳ２２では、演算装置１２は、ｙ座標毎に、第２板材２次元基準形状７６の２次元測定形状７０に対する位置を微調節する。すなわち、ｙ座標毎にｘｚ断面における第２板材２次元基準形状７６と２次元測定形状７０が抽出され、各ｘｚ断面において第２板材２次元基準形状７６の位置が微調節される。以下に、各ｘｚ断面における位置の微調節について説明する。まず、演算装置１２は、フィッティング領域６８内の第２板材２次元基準形状７６の座標点を特定し、特定した座標点毎にその座標点に最も近い２次元測定形状７０上の座標点（以下、最近点という）を特定する。そして、フィッティング領域６８内の第２板材２次元基準形状７６の座標点とこれらの最近点に基づいて、ＩＣＰ（Iterative Closest Point）アルゴリズムを実行する。ＩＣＰアルゴリズムによって、第２板材２次元基準形状７６の並進と回転を繰り返し実行する。これによって、フィッティング領域６８内の第２板材２次元基準形状７６の座標点とこれらの最近点とが最も整合するように、第２板材２次元基準形状７６の位置が決定される。なお、ＩＣＰアルゴリズムの実行時に第２板材２次元基準形状７６を回転させる際には、フィッティング領域６８内の第２板材２次元基準形状７６の座標点の平均点を回転中心として用いることができる。
【００３９】
ステップＳ２４では、演算装置１２は、ｙ座標毎に、第１板材２次元基準形状７４の２次元測定形状７０に対する位置を微調節する。すなわち、ｙ座標毎にｘｚ断面における第１板材２次元基準形状７４と２次元測定形状７０が抽出され、各ｘｚ断面において第１板材２次元基準形状７４の位置が微調節される。以下に、各ｘｚ断面における位置の微調節について説明する。まず、演算装置１２は、フィッティング領域８０内の第１板材２次元基準形状７４の座標点を特定し、特定した座標点毎にその座標点に最も近い２次元測定形状７０上の座標点（すなわち、最近点）を特定する。そして、フィッティング領域８０内の第１板材２次元基準形状７４の座標点とこれらの最近点に基づいて、ＩＣＰアルゴリズムを実行する。ＩＣＰアルゴリズムによって、第１板材２次元基準形状７４の並進と回転を繰り返し実行する。これによって、フィッティング領域８０内の第１板材２次元基準形状７４の座標点とこれらの最近点とが最も整合するように、第１板材２次元基準形状７４の位置が決定される。なお、ＩＣＰアルゴリズムの実行時に第１板材２次元基準形状７４を回転させる際には、フィッティング領域８０内の第１板材２次元基準形状７４の座標点の平均点を回転中心として用いることができる。
【００４０】
以上の処理により、３次元基準形状６２の３次元測定形状６０に対する位置合わせが終了する。これによって、３次元基準形状６２と３次元測定形状６０を重ね合わせたデータが完成する。各ｙ座標における断面では、図１０に示すように、２次元測定形状７０に２次元基準形状７２を重ね合わせたデータ（以下、比較形状データという）ができる。なお、図１０では、２次元測定形状７０を実線で示し、２次元基準形状７２を点線で示し、これらが重なっている箇所は実線のみで示している。図１０に示すように、フィッティング領域６８が２次元測定形状７０と略一致するように第２板材２次元基準形状７６が配置され、フィッティング領域８０が２次元測定形状７０と略一致するように第１板材２次元基準形状７４が配置される。上述したステップＳ１０、Ｓ１４、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２２、Ｓ２４において、第１板材２次元基準形状７４と第２板材２次元基準形状７６は別個に位置調節されているので、第１板材２次元基準形状７４と第２板材２次元基準形状７６は不連続となっている。
【００４１】
図６のステップＳ２６に進むと、演算装置１２は、図１１（ａ）に示すように第１板材２次元基準形状７４と第２板材２次元基準形状７６を接続する。具体的には、図１０において、第１板材２次元基準形状７４を第２板材２次元基準形状７６側に延長した直線を描く。また、第２板材２次元基準形状７６の線４２ｂ（図３の板材３４の端面３４ｂを表す線）を下側に延長した直線を描く。そして、図１１（ａ）に示すように、これらの直線の交点Ｃｕで第１板材２次元基準形状７４と第２板材２次元基準形状７６を接続する。
【００４２】
ステップＳ２８では、演算装置１２は、図１１（ｂ）に示すように、比較形状データの各ｘ座標において、２次元測定形状７０のｚ座標から２次元基準形状７２のｚ座標を減算した差分値Δｚを算出する。差分値Δｚの算出は、フィッティング領域６８とフィッティング領域８０の間の領域に対して行う。差分値Δｚは、溶接の前後における表面の位置変化量（ｚ方向における変化量）を表す。差分値Δｚがプラスである領域は、溶接により盛り上がった領域であり、差分値Δｚがマイナスである領域は溶接により凹んだ領域である。
【００４３】
ステップＳ３０では、演算装置１２は、差分値Δｚと閾値ｚＴＨに基づいて、図１１（ｂ）に示すように、ｘ座標上の領域を、上方変形領域ＷＵ、下方変形領域ＷＬ、及び、非変形領域ＷＮに分類する。閾値ｚＴＨは、想定される差分値Δｚに応じて予め定められている値である。差分値Δｚが閾値ｚＴＨより大きい領域は、上方変形領域ＷＵとして特定される。差分値Δｚが閾値−ｚＴＨより小さい領域は、下方変形領域ＷＬとして特定される。差分値Δｚの絶対値が閾値ｚＴＨ以下の領域は、非変形領域ＷＮとして特定される。上方変形領域ＷＵは溶接により盛り上がった領域を示し、下方変形領域ＷＬは溶接により凹んだ領域を示し、非変形領域ＷＮは溶接の前後で表面形状の変化が小さかった領域を示す。なお、変形領域（ＷＵまたはＷＬ）が存在しない場合には、溶接の前後で変形がほとんどない（すなわち、溶接ビードが形成されていない）ことを意味するので、エラーが報告される。
【００４４】
ステップＳ３２では、演算装置１２は、ステップＳ３０で特定された領域毎に、差分値Δｚの絶対値を積分する。そして、算出した積分値が最大の領域が溶接ビード領域ＷＢとして特定される。図１１（ｂ）の例では、上方変形領域ＷＵ４が溶接ビード領域ＷＢ１として特定される。
【００４５】
ステップＳ３４では、演算装置１２は、溶接ビード領域ＷＢと変形領域（ＷＵまたはＷＬ）との間に挟まれており、かつ、ｘ方向の幅が基準距離未満である非変形領域ＷＮが存在するか否かを判定する。基準距離は、予め定められた値である。このような非変形領域ＷＮが存在する場合には（ステップＳ３４でＹＥＳ）、ステップＳ３６において、その非変形領域ＷＮと、その非変形領域ＷＮに隣接する変形領域（溶接ビード領域ＷＢではない変形領域）が、溶接ビード領域ＷＢの一部として特定される（溶接ビード領域ＷＢに加えられる）。ステップＳ３４、Ｓ３６の処理は、ステップＳ３２でＮＯと判定されるまで繰り返される。これによって、最終的な溶接ビード領域ＷＢが特定される。
例えば、図１１（ｂ）の例では、ステップＳ３２で上方変形領域ＷＵ４が溶接ビード領域ＷＢ１として特定されている。溶接ビード領域ＷＢ１と下方変形領域ＷＬ２の間の非変形領域ＷＮ３の幅が基準距離未満であるので、ステップＳ３４でＹＥＳの判定がされ、ステップＳ３６で下方変形領域ＷＬ２と非変形領域ＷＮ３が溶接ビード領域ＷＢに組み込まれる。すなわち、溶接ビード領域ＷＢ１が、溶接ビード領域ＷＢ２まで拡大する。次に、再度、ステップＳ３４が実行される。このときには、溶接ビード領域ＷＢ２の外に、変形領域が存在せず、ステップＳ３４の条件が満たされない。したがって、ステップＳ３４でＮＯと判定される。このため、図１１（ｂ）の例では、下方変形領域ＷＬ２から上方変形領域ＷＵ４までの領域が、溶接ビード領域ＷＢとして特定される。
【００４６】
ステップＳ３４でＮＯと判定すると、演算装置１２は、ステップＳ３８において溶接ビードのクランク角を算出する。図１２に示すように、クランク角θは、溶接ビード領域ＷＢと板材３２が露出する領域Ｗ３２（以下、第１板材領域という）の境界部における溶接ビード領域ＷＢの表面形状と第１板材２次元基準形状７４との間の角度である。ステップＳ３８では、最初に、演算装置１２は、溶接ビード領域ＷＢと第１板材領域Ｗ３２との境界部近傍の溶接ビード領域ＷＢ内の２次元測定形状７０の座標点群を抽出する。次に、抽出した座標点群を、ＬＭｅｄＳ（最小２乗メジアン推定）やハフ変換等のロバスト推定手法により直線近似することで、図１２に示す直線７８を算出する。そして、直線７８と第１板材２次元基準形状７４の間のクランク角θを算出する。なお、溶接ビードの盛り上がりが大きすぎると、前記境界部近傍の溶接ビード領域ＷＢ内の２次元測定形状７０の座標が異常値となる場合がある。しかしながら、上述したロバスト推定手法を用いれば、異常値が含まれる場合でも異常値による影響を抑えながら正確にクランク角θを算出することができる。
【００４７】
ステップＳ４０では、図１２に示すように、演算装置１２は、第１板材領域Ｗ３２と溶接ビード領域ＷＢとの境界点Ｃａと、板材３４が露出している領域Ｗ３４と溶接ビード領域ＷＢとの境界点Ｃｂとを結ぶ線分ＣａＣｂを描く。次に、線分ＣａＣｂから最も遠い溶接ビード領域ＷＢ内の座標点Ｃｃを特定する。そして、線分ＣａＣｂと座標点Ｃｃの間の距離Ｈｃを算出する。以下では、距離Ｈｃを、余盛高さＨｃという。
【００４８】
クランク角θと余盛高さＨｃは、オーバーラップと呼ばれる欠陥と密接に関連する。オーバーラップとは、溶接ビードと板材３２とが十分に溶け合っておらず、溶接箇所において十分な強度が得られない不具合である。オーバーラップが生じていると、クランク角θが大きくなり、余盛高さＨｃが大きくなる。この検査装置によれば、クランク角θと余盛高さＨｃに基づいてオーバーラップを検査することができる。
【００４９】
ステップＳ４２では、演算装置１２は、溶接ビードの他のパラメータを測定する。これによって、上述したオーバーラップの他の溶接ビードの特性を評価する。例えば、ステップＳ４２では、溶接ビードの寸法（幅、厚さ等）、板材３２と板材３４の間の隙間の幅、アンダーカット領域（凹状の領域）の有無、アンダーカット領域の深さ、ピット（溶接ビードの表面に形成される微小な凹み）の有無を算出する。
【００５０】
ステップＳ４４では、演算装置１２は、ステップＳ４２までに算出した溶接ビードの種々のパラメータに基づいて、溶接ビードの良否を判定する。溶接ビードを不良と判定した場合には、管理者に報知される。以上の処理により、演算装置１２は溶接ビードの検査処理を終了する。
【００５１】
以上に説明したように、実施例の溶接ビード検査装置は、測定形状の傾斜角度（すなわち、法線ベクトル）の分布と、板材３２の基準形状の傾斜角度の分布に基づいて、測定形状の中から板材３２が露出している領域を特定する。傾斜角度には板材３２の表面形状の特徴がより顕著に表れるので、傾斜角度に基づくことで、測定形状の中から板材３２が露出している領域を正確に特定することができる。溶接ビード検査装置は、特定した板材３２が露出している領域全体をフィッティング領域として用いて、板材３２の基準形状と測定形状との位置合わせを行う。このように、測定結果に基づいて板材３２が露出している領域を特定し、その特定した領域全体をフィッティング領域に設定することで、フィッティング領域を最も広く確保することができる。このため、この溶接ビード検査装置によれば、板材３２が露出する領域が狭くても、その狭い領域内で最大限にフィッティング領域を確保することができる。このため、この溶接ビード検査装置は、板材３２の基準形状と測定形状との位置合わせを正確に行うことができる。その結果、板材３２が露出する領域が狭くても、溶接ビードを正確に検査することができる。また、板材３２が露出する領域が広い場合であっても、板材３２の表面形状に変化が少なく、板材３２の基準形状と測定形状の位置あわせが困難となる場合がある。実施例の溶接ビード検査装置によれば、フィッティング領域を最大限広く設定することができるので、このような場合であっても広いフィッティング領域を使って板材３２の基準形状と測定形状の位置合わせを正確に行うことができる。
【００５２】
なお、上述した実施例では、板材３２、３４をこれらの厚さ方向に重ねて溶接した場合について説明したが、図１３に示すように隅肉溶接（Ｔ字継手）された溶接部品を検査する場合にこの技術を用いることもできる。
【００５３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００５４】
１０：溶接ビード検査装置
１２：演算装置
１４：記憶装置
２０：表面形状測定装置
３０：溶接部品
３２：板材
３４：板材
３４ｂ：端面
３６：溶接ビード
３８：線状領域
４２ｂ：線
６０：３次元測定形状
６２：３次元基準形状
６４：第１板材３次元基準形状
６６：第２板材３次元基準形状
６８：フィッティング領域
７０：２次元測定形状
７２：２次元基準形状
７４：第１板材２次元基準形状
７６：第２板材２次元基準形状
７８：直線
８０：フィッティング領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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