(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の部材を組み合わせて該部材をその溶接線に沿って溶接し前記部材を接合して３次元形状物とする際に用いられる溶接方法であって、
各部材をチャックにセットした状態で予め規定されたセット位置データと画像処理装置にて取り込んだ画像データとからセット誤差を求めてこの誤差に応じて前記３次元形状物の設計データに基づいて規定される前記溶接線の各々について予め定められた間隔の溶接点毎の３次元位置及び該位置の法線ベクトルを有する教示データを補正して補正教示データを得る第１のステップと、
前記補正教示データに応じて前記溶接点を撮影して得られた画像から前記溶接点の位置ずれ量を求める第２のステップと、
前記位置ずれ量に基づいて前記補正教示データを修正して修正教示データを求める第３のステップと、
前記位置ずれ量に応じた溶接条件を前記修正教示データに付加して付加教示データを求める第４のステップと、
前記付加教示データに基づいて前記溶接線に沿って溶接を行う第５のステップとを有することを特徴する３次元形状物溶接方法。
【請求項２】
前記第２のステップでは光切断法を用いて前記位置ずれ量を得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状物溶接方法。
【請求項３】
前記第２のステップでは光切断法を用いて前記溶接点毎の溶接線の鉛直方向の位置ずれ量、ギャップ量、及び目違い量を第１のずれ量として求めるとともに陰影法によって前記溶接点毎の溶接線の水平方向の位置ずれ量を第２のずれ量として求め、前記第１及び前記第２のずれ量を前記位置ずれ量とするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状物溶接方法。
【請求項４】
前記第５のステップでは溶接中前記溶接点を撮像して溶接画像を得て該溶接画像に応じて前記修正教示データをさらに修正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状物溶接方法。
【請求項５】
複数の部材を組み合わせて該部材をその溶接線に沿って溶接し前記部材を接合して３次元形状物とする際に用いられる３次元形状物溶接装置であって、前記３次元形状物の設計データに基づいて規定され前記溶接線の各々について予め定められた間隔の溶接点毎の３次元位置及び該位置の法線ベクトルを有する教示データが格納された記憶手段と、各部材がチャックにセットされた状態において予め規定されたセット位置データとのセット誤差によって前記教示データを補正して得られる補正教示データに基づいて制御され前記溶接点を撮影して画像データを得る撮像手段と、前記画像データを画像処理して前記溶接点の位置ずれ量を求める画像処理手段と、前記位置ずれ量に基づいて前記補正教示データを修正して修正教示データを求める制御手段とを有し、前記記憶手段には、前記位置ずれ量に応じた溶接条件が格納されており、前記制御手段は、前記位置ずれ量に応じた溶接条件を前記修正教示データに付加して付加教示データとして、該付加教示データに基づいて溶接ヘッドを駆動制御して前記溶接線に沿って溶接を行うようにしたことを特徴する３次元形状物溶接装置。
【請求項６】
前記撮像手段は、レーザスリット光を照射する照射部と、該レーザスリット光を受けるＣＣＤカメラとを有し、光切断法を用いて前記画像データを得るようにしたことを特徴とする請求項５に記載の３次元形状物溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の部材を接合して３次元形状物とする場合に、複数の部材を溶接して３次元形状物とする際に用いられる溶接方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、３次元形状物（例えば、タービン燃焼器尾筒）を作成する際には、複数の部材を溶接によって接合して３次元形状物としており、溶接を行う際には、シールドガスを用いるガスシールドアーク溶接（ティグ（ＴＩＧ）溶接、マグ溶接、ミグ溶接、エレクトロガスアーク溶接）の他、プラズマ溶接又はレーザビーム溶接等が用いられている。
【０００３】
ところで、ＴＩＧ溶接によって、複数の部材を接合する際に、一般に、人手により溶接を行っているが、人手により溶接を行う場合には、溶接すべき線（溶接線）によって溶接部位の位置・幅等が異なる関係上、作業者の熟練度によって溶接箇所の品質にバラツキが生じてしまい、その結果、溶接後の品質が安定しない。
【０００４】
このため、例えば、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザ溶接を用いて、レーザスポット光によって溶接すべき位置を照射教示して、このレーザスポット光を一つの目安として溶接箇所（位置）を溶接することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のように、レーザスポット光を用いて溶接すべき位置を教示して溶接を行う手法を、複数の部材を溶接して３次元形状物を作成する際に用いると、レーザスポット光の照射位置及び照射箇所によっては、レーザスポット光が溶接すべき箇所からずれることがある。このため、レーザスポット光の照射位置に応じて溶接を行うと、所謂溶接の目はずれ等の不良箇所が生じることが多く、結果的に、不良箇所の補修を行わなければならないという問題点がある。
【０００６】
特に、複数の部材を組み合わせて３次元形状物を作成する際には、塑性加工後の部材自体が設計図（設計値）と多少ずれることがあり、このような部材を組み合わせて溶接を行うと、不可避的に溶接の不良などが発生し易く、レーザスポット光で溶接箇所を照射しても、レーザスポット光が溶接すべき箇所からずれることが多くなってしまう。
【０００７】
本発明の目的は、複数の部材を溶接して３次元形状物を作成する際、３次元形状に合わせて自動的に溶接を行うことのできる３次元形状物溶接方法及びその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の部材を組み合わせて該部材をその溶接線に沿って溶接し前記部材を接合して３次元形状物とする際に用いられる溶接方法であって、各部材をチャックにセットした状態で予め規定されたセット位置データと画像処理装置にて取り込んだ画像データとからセット誤差を求めてこの誤差に応じて前記３次元形状物の設計データに基づいて規定される前記溶接線の各々について予め定められた間隔の溶接点毎の３次元位置及び該位置の法線ベクトルを有する教示データを補正して補正教示データを得る第１のステップと、前記補正教示データに応じて前記溶接点を撮影して得られた画像から前記溶接点の位置ずれ量を求める第２のステップと、前記位置ずれ量に基づいて前記補正教示データを修正して修正教示データを求める第３のステップと、前記位置ずれ量に応じた溶接条件を前記修正教示データに付加して付加教示データを求める第４のステップと、前記付加教示データに基づいて前記溶接線に沿って溶接を行う第５のステップとを有することを特徴する３次元形状物溶接方法が得られる。
【０００９】
このように、溶接点毎の３次元位置及びこの３次元位置の法線ベクトルを有する教示データを各部材のセット誤差によって補正した補正教示データに応じて溶接点を撮影して得られた画像から、溶接点の位置ずれ量を求め、この位置ずれ量に基づいて、補正教示データを修正して修正教示データを求めた後、修正教示データに基づいて、溶接線に沿って溶接を行うようにしたから、３次元形状物を作成する際、３次元形状に合わせて精度よく溶接を行うことができることになる。
【００１０】
また、前記第４のステップにおいては、前記位置ずれ量に応じた溶接条件を前記修正教示データに付加して付加教示データとして、前記第５のステップにおいては、前記付加教示データに応じて溶接を行う。
【００１１】
このように、位置ずれ量に応じた溶接条件を修正教示データに付加して付加教示データとして、付加教示データに応じて溶接を行うようにすれば、溶接条件が溶接点毎の位置ずれ量に応じて規定される結果、さらに精度よく溶接を行うことができる。
【００１２】
なお、前記第２のステップでは、例えば、光切断法を用いて前記位置ずれ量を得ており、前記溶接点毎の溶接線の鉛直方向の位置ずれ量、ギャップ量、及び目違い量を第１のずれ量として求めるとともに陰影法によって前記溶接点毎の溶接線の水平方向の位置ずれ量を第２のずれ量として求め、前記第１及び前記第２のずれ量を前記位置ずれ量とするようにしてもよい。
【００１３】
このように、溶接点毎の溶接線の鉛直方向の位置ずれ量、ギャップ量、及び目違い量を第１のずれ量として求めるとともに、陰影法によって溶接点毎の溶接線の水平方向の位置ずれ量を第２のずれ量として求めて、第１及び第２のずれ量に応じて教示データを修正するようにすれば、精度よく溶接点の位置ずれを修正することができる。
【００１４】
また、第３のステップにおいては、溶接中前記溶接点を撮像して溶接画像を得て該溶接画像に応じて前記修正教示データをさらに修正するようにしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、溶接中において溶接位置ずれを補正できる結果、より精度よく溶接を行うことができることになる。
【００１６】
さらに、本発明によれば、複数の部材を組み合わせて該部材をその溶接線に沿って溶接し前記部材を接合して３次元形状物とする際に用いられる３次元形状物溶接装置であって、前記３次元形状物の設計データに基づいて規定され前記溶接線の各々について予め定められた間隔の溶接点毎の３次元位置及び該位置の法線ベクトルを有する教示データが格納された記憶手段と、各部材がチャックにセットされた状態において予め規定されたセット位置データとのセット誤差によって前記教示データを補正して得られる補正教示データに基づいて制御され前記溶接点を撮影して画像データを得る撮像手段と、前記画像データを画像処理して前記溶接点の位置ずれ量を求める画像処理手段と、前記位置ずれ量に基づいて前記補正教示データを修正して修正教示データを求める制御手段とを有し、前記記憶手段には、前記位置ずれ量に応じた溶接条件が格納されており、前記制御手段は、前記位置ずれ量に応じた溶接条件を前記修正教示データに付加して付加教示データとして、該付加教示データに基づいて溶接ヘッドを駆動制御して前記溶接線に沿って溶接を行うようにしたことを特徴する３次元形状物溶接装置が得られる。
【００１７】
このように、装置を用いれば、３次元形状物を作成する際、３次元形状に合わせて精度よく溶接を行うことができることになる。
【００１８】
さらに、前記記憶手段に、前記位置ずれ量に応じた溶接条件を格納して、前記制御手段が、前記位置ずれ量に応じた溶接条件を前記修正教示データに付加して付加教示データとして溶接ヘッドの駆動制御を行うとともに前記溶接ヘッドの出力及び溶接ワイヤの送給を制御する。
【００１９】
このように、付加教示データに応じて溶接を行うようにすれば、溶接条件が溶接点毎の位置ずれ量に応じて規定される結果、さらに精度よく溶接を行うことができることになる。
【００２０】
なお、前記撮像手段は、例えば、レーザスリット光を照射する照射部と、該レーザスリット光を受けるＣＣＤカメラとを有し、光切断法を用いて前記画像データを得る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
なお、以下の説明では、３次元形状物として、タービンの燃焼器尾筒を例に挙げ、複数の３次元部材からタービンの燃焼器尾筒を溶接によって作成する場合について説明するが、複数の部材を溶接によって接合する他の３次元形状にも、同様にして本発明を適用することができる。
【００２２】
図１を参照して、図示の３次元形状物溶接装置は、ディスプレイ装置（ＣＲＴ）１１ａ、モニター１１ｂ、レーザスリット光照射部１２、ＣＣＤカメラ１３、カメラ制御器１４、サーボモータ制御器１５、画像処理装置１６、全体制御装置１７、記憶装置１８、及び、溶接機１９、入力装置２０を備えており、ここでは、レーザスリット光照射部１２及びＣＣＤカメラ１３を集合的にレーザスリット光センサと呼ぶことにする。図示の例では、溶接機１９、として、例えば、ＹＡＧレーザを用いたレーザビーム溶接機が用いられ、溶接トーチヘッドであるレーザヘッドからのレーザ光によって溶接が行われる。
【００２３】
ここで、図２も参照して、レーザヘッド２１は、支持装置２２に取り付けられて、全体制御装置１７によってサーボモータ制御器１５を介してＸＹＺ三軸方向への移動及びウイービング操作される。つまり、支持装置２２は、支持部２２ａと支持部２２ａに回転可能に取り付けられた腕部２２ｂとを有しており、支持部２２ａは一点鎖線で示す軸２２１の周りに時計方向及び反時計方向に１８０°回転可能となっている。また、腕部２２ｂは一点鎖線で示す軸２２２の周りに時計方向及び反時計方向に４５°回転可能となっている。
【００２４】
レーザヘッド２１の近傍にはワイヤ送給ヘッド２３が配置されており、溶接を行う際には、ワイヤ送給ヘッド２３から溶接部位に溶接ワイヤが送給される。レーザスリット光照射部１２は、溶接部位（溶接すべき線（開先線））に対して開先線を横切るようにレーザスリット光を照射する。そして、ＣＣＤカメラ１３では、レーザスリット光をその照射方向から所定の角度傾斜した方向から受光して所謂光切断法によって開先断面をとらえ、カメラ制御器１４に受光光を与える。そして、レーザスリット光照射部１２とＣＣＤカメラ１３とは一体として支持装置２２に取り付けられている。なお、３次元形状物溶接装置には、高さセンサ（図示せず）が備えられ、これによって、開先線に対するレーザスリット光照射部１２及びＣＣＤカメラ１３の位置（高さ）が制御される。
【００２５】
前述の記憶装置１８には、３次元形状物（ここでは、燃焼器尾筒）の３次元設計図面（３次元設計データ）が燃焼器尾筒の種類毎に格納されており、これら３次元設計データには、複数の部材（３次元的部材）を表す設計データ（部材設計データ）と、各部材が付き合わされた（接合した）燃焼器尾筒を表す設計データ（尾筒設計データ）とが含まれている。さらに、複数の部材を付き合わせて形成される線分が溶接線データとして含まれている。各溶接線データは３次元的位置とその法線ベクトルとの集合として規定されており、例えば、一溶接線の一点Ｐ１（ｘ，ｙ，ｚ，ｉ，ｊ，ｋ）として表される。なお、（ｘ，ｙ，ｚ）はｘ，ｙ，ｚ座標軸上の位置を表し、（ｉ，ｊ，ｋ）はその位置における法線ベクトル（その位置の接線に直交する方向を表すベクトル）を表す。そして、上述の溶接線データは教示データとされる。
【００２６】
次に、上述した構成を有する３次元形状物自動溶接装置の動作について説明する。
【００２７】
図１、図２、図３を参照して、まず、燃焼器尾筒３１を構成する各部材がチャック（図示せず）にセットされる（ステップＳ１）。前述のように、各部材はその制作過程において、塑性加工時に設計図と多少ずれて歪むことがある。例えば、図４に示す各部材をチャックにセットして、図５に示す組み立て体３１ａとする。この組み立て体３１ａにおいては、溶接すべき線が溶接線３１ｂとして現れている。なお、各部材をセットする際には、予め規定されたセット位置にセットされるが、セットの際には不可避的にずれが生じることがある。
【００２８】
各部材をチャックにセットした後、入力装置２０から溶接開始指令が与えられる（ステップＳ２）。この溶接開始指令には、燃焼器尾筒の種類を表す燃焼器尾筒選択が含まれているものとする。全体制御装置１７では、組み立て体３１ａの一端部（例えば、先端部）において、予め規定されたセット位置から左右へのずれ及び上下へのずれを認識する。この際には、ＣＣＤカメラ１３で撮像された画像を画像処理装置１６に取り込んで、陰影法によって組み立て体３１ａを示す画像データを得る。この画像データは、例えば、モニター１１ｂ上に画像として表示される。
【００２９】
全体制御装置１７には予め規定されたセット位置を示すセット位置データが設定されており、全体制御装置１７は、セット位置データ及び画像データに基づいてセット誤差を求める（ステップＳ３）。次に、全体制御装置１７では、セット誤差に応じて組み立て体３１ａ回転軸（図２に示すように、燃焼器尾筒３１（組み立て体３１ａ）は一点鎖線で示す回転軸３１１回りに時計方向及び反時計方向にそれぞれ１８０°回転される）の方位のずれ角度を求める（ステップＳ４）。このずれ角度は、例えば、ＣＲＴ１１ａに表示される。
【００３０】
その後、全体制御装置１７は、燃焼器尾筒指令に基づいて記憶装置１８から該当する教示データを読み込み（ステップＳ５）、前述のずれ角度に応じて教示データを補正して補正教示データとする（ステップＳ６）。そして、全体制御装置１７は、補正教示データに応じてカメラ制御器１４を介してレーザスリット光センサを制御するともに、サーボモータ制御器１５を介してサーボモータ（図示せず）を駆動制御して、支持装置２２をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に駆動し、さらには、組み立て体３１ａを回転軸回りに回転する。これによって、教示データ（ｘ，ｙ，ｚ，ｉ，ｊ，ｋ）に基づいて組み立て体３１ａの各溶接線３１ｂを予め規定された間隔（溶接点）毎に認識する（ステップＳ７）。この際、画像処理装置１６ではレーザスリット光センサで得られた画像をモニター１１ｂに表示する。
【００３１】
このようにして、各溶接線を認識した後、全体制御装置１７では、各溶接線に沿って溶接点毎にレーザスリット光センサを移動させつつ（この際には、前述のように、補正教示データに応じてカメラ制御器１４を介してレーザスリット光センサを制御するとともに、サーボモータ制御器１５を介してサーボモータを駆動制御して、支持装置２２をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に駆動し、さらには、組み立て体３１ａを回転軸回りに回転することになる）、溶接線３１ｂの開先を横切るようにレーザスリット光が照射されるようにレーザスリット光照射部１２を位置づけるとともに、レーザスリット光をその照射方向から所定の角度傾斜した方向から受光するようにＣＣＤカメラ１３を位置づけることになる。
【００３２】
その後、カメラ制御器１４によってレーザスリット光照射部１２からレーザスリット光が照射され、ＣＣＤカメラ１３で受光される。つまり、光切断法によって溶接線を撮影する。画像処理装置１６では、ＣＣＤカメラから得られた画像から、溶接線点毎にその幅、位置ずれ（上下方向）、及び目違い量を求め、第１のずれ量とする（ステップＳ８）。さらに、各溶接線３１ｂに沿って溶接点毎にＣＣＤカメラ１３で撮影を行って、画像処理装置１６では、直視陰影法によって溶接点毎の位置ずれ（左右方向）を認識して、これを第２のずれ量とする（ステップＳ９）。
【００３３】
上述のようにして、一つの溶接線３１ｂについて溶接点毎の第１及び第２のずれ量を求めた後、全体制御装置１７は、溶接点毎の第１及び第２のずれ量を記憶装置１８に記憶する（ステップＳ１０）。そして、全体制御装置１７では、全ての溶接線３１ｂについて、溶接点毎の第１及び第２のずれ量を記憶装置１８に格納し終わると、溶接動作に移行する。
【００３４】
ところで、記憶装置１８には、前述の教示データで示される溶接点毎（溶接位置毎）にその幅（ギャップ量）及び目違い量に応じた溶接条件（電流、電圧、支持装置２２の速度、ウイービング幅、ウイービング速度、溶接ワイヤ送給速度）等が記憶されており、全体制御装置１７では、補正後教示データを各溶接線の溶接点毎の第１及び第２のずれ量で修正して修正教示データとする（ステップＳ１１）。その後、全体制御装置１７では、記憶装置１８から各溶接線の溶接点毎にギャップ量及び目違い量に応じた溶接条件を読みだして、修正教示データに溶接条件を付加する（以下付加教示データと呼ぶ：ステップＳ１２）。
【００３５】
全体制御装置１７では、付加教示データに基づいてサーボモータ制御器１５を介してサーボモータを駆動制御してレーザヘッド２１を移動させるとともに、溶接機１９を駆動制御してレーザヘッド２１からレーザ光を出射する。この際、ワイヤ送給ヘッド２３からは溶接ワイヤが送給される。つまり、各溶接線の溶接点毎に付加教示データに応じてレーザヘッド２１を移動させるとともに付加教示データに含まれる溶接条件に応じて溶接機１９及びワイヤ送給を制御して、溶接を実行する（ステップＳ１３）。
【００３６】
ここで、図６を参照して、溶接中に画像センシングによって溶接位置ずれを補正するようにしてもよい。つまり、レーザヘッド２１の出力端側にハーフミラー４１を配置して、レーザヘッド２１からハーフミラー４１を介して溶接点にレーザ光を照射する。一方、レーザ光の照射によって、溶接点における像がハーフミラー４１を介して別に設けられたＣＣＤカメラ４２に入力される。これによって、ＣＣＤカメラ４２から、溶融池４３及び開先線４４を含む画像信号が、画像処理装置１６に与えられる。画像処理装置１６ではこの画像信号をモニター１１ｂ上に表示する。そして、オペレータはモニター１１ｂ上に表示された溶接画像を見て、レーザヘッド２１の位置を修正するようにすればよい。なお、ＣＣＤカメラ４２はレーザヘッド２１と同期して移動する。
【００３７】
このようにして、溶接すべき溶接線上の溶接点を３次元位置及び法線ベクトルで規定した教示データをセット誤差によって補正した補正教示データに基づいて各溶接線の溶接点を光切断法によって撮像して、溶接線の形状を計測した後、この計測結果に応じて補正教示データを修正しつつ計測結果に基づいて溶接条件を設定するようにしたから、３次元形状物を作成する際、３次元形状に合わせて精度よく溶接を行うことができる。つまり、３次元形状物を構成する各部材が多少設計図とずれても、部材の形状及び開先形状に合わせて精度よく溶接を行うことができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、３次元形状物の設計データに基づいて規定され、溶接線の各々について予め定められた間隔の溶接点毎の３次元位置及びこの３次元位置の法線ベクトルを有する教示データをセット誤差によって補正した補正教示データに応じて、溶接点を撮影して得られた画像から、溶接点の位置ずれ量を求め、この位置ずれ量に基づいて、補正教示データを修正して修正教示データを求めた後、修正教示データに基づいて、溶接線に沿って溶接を行うようにしたから、３次元形状物を作成する際、３次元形状に合わせて精度よく溶接を行うことができるという効果がある。
【００３９】
さらに、上記の位置ずれ量に応じた溶接条件を修正教示データに付加して付加教示データとして、付加教示データに応じて溶接を行うようにするため、溶接条件が溶接点毎の位置ずれ量に応じて規定される結果、さらに精度よく溶接を行うことができるという効果がある。
【００４０】
また、光切断法を用いて溶接点毎の溶接線の鉛直方向の位置ずれ量、ギャップ量、及び目違い量を第１のずれ量として求めるとともに、陰影法によって溶接点毎の溶接線の水平方向の位置ずれ量を第２のずれ量として求めて、第１及び第２のずれ量に応じて教示データを修正するようにすれば、精度よく溶接点の位置ずれを修正することができるという効果がある。
【００４１】
加えて、溶接中溶接点を撮像して溶接画像を得て、この溶接画像に応じて修正教示データをさらに修正するようにすれば、溶接中において溶接位置ずれを補正できる結果、より精度よく溶接を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による３次元形状物溶接装置の一例を示すブロック図である。
【図２】  本発明による３次元形状物溶接装置の駆動機構及び撮像装置の一例を示す図である。
【図３】  図１に示す３次元形状物溶接装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】  ３次元形状物の一例を分解してその部材を示す斜視図である。
【図５】  ３次元形状物の一例をその組み立て体で示す斜視図である。
【図６】  図１に示す３次元形状物溶接装置で用いられる溶接中の状態をセンシングする手法を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ａ  ディスプレイ装置（ＣＲＴ）
１１ｂ  モニター
１２  レーザスリット光照射部
１３  ＣＣＤカメラ
１４  カメラ制御器
１５  サーボモータ制御器
１６  画像処理装置
１７  全体制御装置
１８  記憶装置
１９  溶接機
２１  レーザヘッド
２２  支持装置
２３  ワイヤ送給ヘッド
３１  燃焼器尾筒
【図１】
0003806342.tif 000002
【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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