JP2019095228A - 車輪形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レール撓みの影響を受けず非接触で走行中の列車の車輪真断面を抽出可能とし、良好な精度で車輪各部の寸法算出を可能とする車輪形状測定方法を提供する。【解決手段】レール１００と、走行している車両の車輪１とに、レーザプロジェクタ２０、２１からラインレーザ光２０ａ、２１ａを照射して、その照射面を３Ｄプロファイルカメラ１０、１１で連続的に測定することで、複数の車輪断面プロファイルデータ１ａを取得し、その中からレール頭頂部とフランジ先端との間の被測定距離が基準値に近いフレームを選択して真断面プロファイルデータを決定し、車輪各部位の寸法算出を可能とする。【選択図】図５

Description

本発明は、車輪形状測定方法に関するものである。

鉄道車両の車輪は、車両走行時にレールとの接触で磨耗するが、特に車輪ロック時にレール上を滑走することによりフラット等が発生すると走行時の振動や騒音が高まり、乗り心地が悪化する。また、車輪が磨耗することで脱輪や脱線などの危険が高まるため、定期的に車輪の磨耗量、形状の確認を行い、必要に応じて転削による寸法修正や車輪の交換を行っている。

例えば鉄道車両の車輪各部（フランジ、踏面、内面距離（以降ＢＧと略す））の寸法測定や、磨耗や変形等の車輪の形状変化を測定する際には、車両静止状態で行う車輪の目視確認や、車輪に直接接触させて寸法を測定できる機器を用いて行う形状測定などが旧来から行われているが、極めて手間がかかるという問題がある。一方、測定装置を用いて走行している車両を非接触で測定する手法も開発され、測定効率が高いことから使用される機会が増えている。一例として、車輪にラインレーザ光を照射しカメラで撮影して車輪寸法を非接触で求める、いわゆる光切断法を用いた車輪形状測定装置が、特許文献１〜３に示すように知られている。

特開２００８−１８０６１９号公報 特開２０１４−１３００６９号公報 特開平１１−１１８４３５号公報

しかし、従来の光切断法を用いた測定装置による車輪形状測定は、例えばラインレーザ光が車輪中心軸を通ったときの切断面を求めて、車輪の形状や磨耗量を測定する必要があった。
このため、被測定物である車両が走行している状態で測定を行うためには、ラインレーザ光がちょうど車輪中心軸に一致したときのタイミングでカメラ撮影を行わなければならず、撮影タイミングや車輪の測定位置がずれた場合に測定値に誤差が生じ、精度の良い測定を行うことが困難であった。

また、従来の車輪形状測定の場合、車両が測定装置を通過する際にレールが撓み、車輪の測定位置がずれて誤差を生じる虞れもあった。

本発明の目的は、例えばレール撓み等の影響を受けず、良好な精度で車輪形状、各部寸法算出を可能とする車輪形状測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の車輪形状測定方法の一つは、
走行する車両の車輪の基準溝を含むバック面、フランジ先端及びレール頭頂部をカバーする内側範囲、および車輪のリム面、踏面、前記フランジ先端及び前記レール頭頂部をカバーする外側範囲に対して２方向から、少なくとも前記車輪の基準部を通過するようにして、レールに対し所定の仰角でライン状のレーザ光を照射するステップと、
走行する前記車輪を連続的に撮影し、前記レーザ光が照射された位置の車輪断面プロファイルデータをフレームごとに出力するステップと、
前記フレーム毎に前記レール頭頂部と前記基準部との間の被測定距離を求めるステップと、
前記複数のフレームのうち、前記被測定距離が基準値に対して所定範囲内に含まれるときに撮影されたフレームを選択するステップと、
前記選択されたフレームにおける車輪断面プロファイルデータに基づいて、車輪各部の寸法を算出するステップと、
を有することにより達成される。

さらに上記課題を解決するために、代表的な本発明の車輪形状測定方法の一つは、
走行する車両の車輪のバック面及びフランジ先端をカバーする内側範囲、および車輪のリム面、踏面および前記フランジ先端をカバーする外側範囲に対して２方向から、レールに対し所定の仰角でライン状のレーザ光を照射するステップと、
走行する前記車輪を連続的に撮影し、前記レーザ光が照射された位置の車輪断面プロファイルデータをフレームごとに出力するステップと、
前記複数のフレームのうち、前記レーザ光の伝搬面が前記車輪の中心位置に最も近くなるときに撮影されたフレームを選択するステップと、
少なくとも前記選択されたフレームにおける車輪断面プロファイルデータに基づいて、車輪各部の寸法を算出するステップと、
を有することにより達成される。

本発明によれば、例えばレール撓みの影響等を受けず、良好な精度で車輪の形状を測定可能とし、車輪各部の寸法算出ができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態になる車輪形状測定装置における各センサや使用機器の設置状況とともにシステム構成を示す概略上面図である。 図１におけるラインレーザ光源、カメラ、車輪の配置関係を示す概略正面図である。 校正作業を示す概略図である。 車輪測定のための各機器の制御を行うために必要な各光電センサの設置位置を示す図である。 車輪真断面プロファイルデータを検出する際に用いる幾何学的関係を示す図である。 算出する車輪測定部位の数値関係を示す図である。 演算装置４１で行われる動作を示すフローチャート図である。 ３Ｄプロファイルカメラから出力された車輪断面プロファイルデータをフレームごとに可視化して示す図である。 制御コントローラ４０および演算装置４１で行われる動作を示すフローチャート図であり、（ａ）は撮影フローを示し、（ｂ）は演算フローを示す。 走行している車両の車輪１に車輪外側のラインレーザ光２１ａが連続的に照射された状態で、３Ｄプロファイルカメラ１１が車輪断面プロファイルデータ１ａを取得するタイミングを示す側面図である。 ３Ｄプロファイルカメラから出力された車輪断面プロファイルデータをフレームごとに可視化して示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。まず、実施形態を説明する際の各方向を定義する。車両の長手方向（レール方向）をＹ方向、車両の幅方向（枕木方向）をＸ方向、車両の高さ方向（重力加速度方向）をＺ方向とする。以下、単にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と記す場合がある。
ここで、「３Ｄプロファイルカメラ」とは、撮影した被写体の画素に対応して、座標情報（プロファイルデータという）を出力できるカメラをいう。
また、本明細書で用いる「真断面」とは、車軸の中心を通る面で車輪を切断した際に得られる車輪の仮想断面をいう。さらに、本明細書で用いる「レーザ光の伝搬面」とは、車輪の表面に投射されたラインレーザ光が車輪の内部まで透過すると仮定した場合における該レーザ光が伝搬する面をいう。

なお、本実施形態では「光切断法」により車輪断面形状を求めるものとする。光切断法とは、ライン状のレーザ光源を検査ワークに照射し、その反射光を高さデータ（プロファイル）として取得し、検査ワーク全体の計測を行って、３次元形状を取得するものである。

（測定装置の構成について）
本発明の車輪形状測定方法を実行する測定装置の構成について、以下に説明する。図１は、本発明になる鉄道車両用の車輪形状測定装置における各センサや使用機器の設置状況とともにシステム構成を示す概略上面図となっている。図２は、図１におけるレーザプロジェクタと３Ｄプロファイルカメラ、車輪との配置関係を示す概略正面図である。図３は、校正作業を示す概略図である。図４は、車輪測定のための各機器の制御を行うために必要な各光電センサの設置位置を示す図である。なお、図１〜３は、車両の検修場においてレール１００の下方に測定装置を設置した態様を示しているが、本実施形態にかかる測定装置は、検修場外のレールに沿って配置されていてもよい。

図１〜３において、測定装置は、センサ３１〜３３と、レーザ光源としての４個のレーザプロジェクタ２０、２１と、４個の３Ｄプロファイルカメラ１０，１１と、レーザプロジェクタ２０、２１及び３Ｄプロファイルカメラ１０，１１を制御する制御コントローラ４０と、プロファイルデータを演算する演算装置４１と、モニタ４３とを有する。制御コントローラ４０と演算装置４１は、単一のパソコンから構成されていてもよい。

図２に示されるように、一対のレーザプロジェクタ２０は、レール１００の内側にレールの幅方向に沿って配置されている。レーザプロジェクタ２０は、走行する車両の車輪１の基準溝２を含むバック面８からフランジ３先端とレール１００の頭頂部をカバーする内側範囲に、伝搬面が車軸と平行になるようにして細線状のラインレーザ光２０ａ（青色波長光）を、車輪に向けて照射する。

３Ｄプロファイルカメラ１０は、レーザプロジェクタ２０と同様に、レール１００の内側にレールの幅方向に沿って配置されており、同方向から連続的に車輪内側面の断面形状を撮影して、車輪断面プロファイルデータを出力する。
なお、本出願において「連続的に撮影する」とは、図１０に示されるように、進行する車輪に対して、一定時間毎に、あるいは任意の時間間隔をおいて、複数の撮影タイミングで静止画像を連写、または動画を撮影することを意味する。

一方、一対のレーザプロジェクタ２１は、レール１００の外側にレールの幅方向に沿って配置されている。レーザプロジェクタ２１は、車輪１のリム面７から踏面４、フランジ３先端とレール１００の頭頂部をカバーする外側範囲に、伝搬面が車軸と平行になるようにして細線状のラインレーザ光２１ａ（赤色波長光）を、車輪に向けて照射する。

３Ｄプロファイルカメラ１１は、レーザプロジェクタ２１と同様に、レール１００の外側にレールの幅方向に沿って配置されており、同方向から連続的に車輪外側面の断面形状を撮影して、車輪断面プロファイルデータを出力するものである。

なお、レーザプロジェクタ２０、２１の照射するレーザ光の波長は、上記の波長に限られず、互いに異なる波長であればよい。レーザプロジェクタ２０、２１の照射するレーザ光の波長が共通であると、３Ｄプロファイルカメラ１０，１１が撮影を行った時に、外側範囲と内側範囲とでレーザ光の誤認混同を招き精度の良い車輪断面プロファイルデータが得られない虞れがある。これに対し、レーザプロジェクタ２０、２１の照射するレーザ光の波長を異ならせることで、かかる不具合を回避できる。

レーザプロジェクタ２０、２１は車両進行方向に対して、ラインレーザ光を照射するがその照射角度（ＹＺ面における仰角θ。図５参照）を４台同一角度に設定している。このように照射角度を同一としたことで、同一平面上の車輪断面形状データを４台の３Ｄプロファイルカメラから取得することができる。つまり、４台の３Ｄプロファイルカメラと、４台のレーザプロジェクタを用いることで、車軸で連結された対の車輪１の裏表を同時に撮影できることとなる。

制御コントローラ４０は、センサ３０、３１、３２の各光電センサのＯＮ／ＯＦＦ信号に応じて、３Ｄプロファイルカメラ１０，１１やレーザプロジェクタ２０，２１に制御信号を入出力するコントローラ（ＰＬＣ）である。演算装置４１は、各３Ｄプロファイルカメラ１０，１１の撮影に応じて出力された車輪断面プロファイルデータを取り込み、画像処理を行い、車輪各部の寸法を算出し、データ管理する演算装置（ＰＣ）である。その演算結果は、モニタ４３により表示され、検査者が視認できるようになっている。なお、本測定装置の構成機器はすべて建築限界を超えない位置または高さに設置することが望ましい。

本実施形態においては、光切断法を用いて、車輪の基準溝側端面からフランジをカバーする内側範囲と、車輪の踏面側端面からフランジをカバーする外側範囲に２方向から別々にラインレーザ光を照射して車輪表面に車輪の断面輪郭形状を表示し、断面輪郭形状を複数のラインレーザ光照射方向と同方向から別々の３Ｄプロファイルカメラで撮影し、撮影された夫々の撮影画像を３次元処理して合成画像を得ることとなる。光切断法の詳細については、例えば特許文献１に詳細が記載されているので、詳細な説明については省略する。

（３Ｄプロファイルカメラとレーザプロジェクタの校正について）
測定前に行う３Ｄプロファイルカメラ１０，１１及びレーザプロジェクタ２０，２１の校正について説明する。３Ｄプロファイルカメラから出力されるプロファイルデータは、個々の３Ｄプロファイルカメラを基準として画素ごとに座標を持っており、撮影されたフレーム上の画素間の距離を算出できる。但し、正しい距離を算出するには、この座標をカメラ共通の座標系に合わせて変換する必要がある。これを校正という。

図３において、３Ｄプロファイルカメラ１０，１１及びレーザプロジェクタ２０，２１を設置した状態で、レール（不図示）上に既知形状の基準体ＳＰを配置する。かかる状態で、４台のレーザプロジェクタ２０，２１から、ラインレーザ光２０ａ、２１ａを基準体ＳＰの同一平面に向かって同時に照射し、照射されたラインレーザ光が水平線ＳＬ上に一致するように設定する。かかる状態を４台の３Ｄプロファイルカメラ１０，１１で同時に撮影する。

このとき、基準体ＳＰを３Ｄプロファイルカメラで撮影することにより得られたプロファイルデータを、横基準値（ｘ軸値）とレーザ断面における（カメラから見た）奥行き方向の基準値（ｚ_０軸値）に合わせて平行移動と座標回転を行い、４台の３Ｄプロファイルカメラの座標系を、水平方向をｘ軸、レーザ断面における奥行き方向をｚ_０軸とする共通の座標系（ｘ，ｚ_０）に変換する。以上で校正作業が終了する。尚、必ずしも４台の３Ｄプロファイルカメラ全ての座標系を共通の座標系に変換する必要はなく、例えば２台の３Ｄプロファイルカメラのみ合わせてもよい。

（センサについて）
図４において、一対のセンサ３０，３１は、車輪１のフランジが通過したことを検知して制御コントローラ４０に信号を出力するための光電センサであり、レール１００の長手方向に沿って配置されている。一方、センサ３２は車体６の進行方向端を検知して制御コントローラ４０に信号を出力するための光電センサであり、センサ３０，３１の中間位置に、それぞれに対してレール１００の長手方向に距離ａだけ離間して配置されている。かかるセンサ３１〜３３を設ける場合には、センサを挟んで上述の測定装置を２つ設けることとする（図１，４では一方のみ図示）。

車体６の前後方向に位置する複数の車輪１は、車体６の移動とともに速度に応じた時間差を持ってセンサ３０，３１の検知位置を通過することとなる。より具体的には、車両がセンサに接近してきた場合、まずセンサ３２が検知信号を出力し、ついでセンサ３０が検知信号を出力したときは、図４において車両が右側から進入してきたことがわかる（図４はセンサを車両６が通り過ぎた状態を示す）。これに対し、センサ３２が検知信号を出力し、ついでセンサ３１が検知信号を出力したときは、逆に車両が図４の左側から進入してきたことがわかる。これに応じて制御コントローラ４０は、センサより車両進行方向奥側にあるレーザプロジェクタと３Ｄプロファイルカメラを動作させることができる。

かかる場合において、車体検知用のセンサ３２と、車輪検出用のセンサ３０、３１の距離ａは、車体６の先端から車輪１軸目のフランジ検出までの距離ｂよりも短く（ｂ＞ａ）なるように設定すると好ましい。さらにセンサ３０とセンサ３１との間の距離２ａを車輪１が通過した時間を求め、通過速度を算出することもできる。

本実施の形態においては、車輪検出用のセンサ３０（または３１）が車輪１のフランジ進入を検出したタイミングで３Ｄプロファイルカメラ１０，１１の撮影を開始し、その後センサ３１（または３０）が車輪１のフランジ退出を検出したタイミングで撮影を終了する。また、後続の車輪１の撮影タイミングは、先行する車輪１と後続の車輪１との間隔と、車両の速度とから求めることができる。

なお、センサ３０とセンサ３１との間の距離２ａは、隣接する２軸の車輪１のフランジ間の距離ｃ以下にすることが好ましく、かつ、センサ３０（または３１）で車輪１のフランジ進入の検知から、フランジ退出の検知までの距離ｄ以上に設定する（ｃ≧２ａ、２ａ≧ｄ，但しｃ＞ｄ）と好ましい。

（第１の実施形態による測定方法）
第１の実施形態による測定方法を説明する。まず、車輪の幾何学的関係について説明する。図５は、車輪真断面プロファイルデータを検出する際に用いる幾何学的関係を示す図である。図６は、算出する車輪測定部位の数値関係を示す図である。

図５を参照して、レール１００に対するラインレーザ光２１ａの仰角をθ（たとえば４５度）とし、真断面におけるレール頭頂部からフランジ先端までの距離をαとし、レール頭頂部から車輪中心までの距離をβとし、車輪径をＤとし、フランジ径をｈとすると、幾何学的関係より以下の２式が得られる。
α＝β−ｈ／２ （１）
β＝Ｄ／（２・ｓｉｎθ） （２）

ここで、一般的な車輪の場合、そのフランジ径はφ８５０ｍｍ〜φ９３０ｍｍ（車輪径：φ７８０ｍｍ〜８６０ｍｍ）である。よって、その中間値であるフランジ径φ８９０ｍｍ（車輪径：φ８２０ｍｍ）を基準としたときに、真断面における距離αは、角度θを４５度とした時に約１３５ｍｍとなるから、これを基準値ＳＶとする。すなわち、３Ｄプロファイルカメラ１０，１１から得られる車輪断面プロファイルデータから、レール頭頂部からフランジ先端までの距離α（被測定距離という）を求めたときに、被測定距離αが基準値ＳＶ＝１３５ｍｍになったときが、真断面の位置ということとなる。但し、ここでは誤差を考慮して、被測定距離αがＳＶ±δ内（所定範囲内）である場合には、真断面であるとみなすものとする。

更に、値α、βに基づけば、基準溝２を基準に演算を行うことで、図６に記載の車輪各部（車輪径ｄｗ、フランジ高さｆｈ、フランジ厚さｆｔ、内面距離ＢＧ）の寸法を算出することができる。ただし、踏面測定基準点ＳＰ１とフランジ厚さ測定基準点ＳＰ２との車輪径方向間隔Ｋ＝１０ｍｍとする。以上の演算手法はよく知られているので、詳細は記載しない。

（測定装置の動作について）
以下、本実施の形態の測定装置の動作について説明する。図７は、演算装置４１で行われる動作を示すフローチャート図である。図８は、３Ｄプロファイルカメラから出力された車輪断面プロファイルデータをフレームごとに可視化して示す図である。

制御コントローラ４０は、車体検知用のセンサ３２が車体６を検知したタイミングで、レーザプロジェクタ２０、２１を駆動制御して、ラインレーザ光２０ａ、２１ａを走行する車輪１の外側範囲と内側範囲とに照射する。

更に制御コントローラ４０は、車輪検知用のセンサ３０または３１が車輪を検知したタイミングで、３Ｄプロファイルカメラ１０、１１を駆動制御して、光切断法により車輪断面プロファイルデータ１ａを連続的に取得し、演算装置４１の内部メモリ（不図示）に随時保存する。ここでは、Ｎ枚のフレームが得られたものとする。演算装置４１は、Ｎ枚のフレーム毎に、図８に示すように、レール頭頂部とフランジ先端までの被測定距離α（１）〜α（Ｎ）を予め求めて記憶する。

以下、図７のフローチャートを用いて、具体的な演算を説明する。

演算装置４１は、各フレームから得られた被測定距離を基準値ＳＶと比較してゆく。具体的には、演算装置４１は、図７のステップＳ１１にてｍ＝１とし、ステップＳ１２において、│α（ｍ）―ＳＶ│＜δであるか否かを判断する。ここでδは誤差量である。演算装置４１が│α（ｍ）―ＳＶ│＜δでないと判断すれば（ステップＳ１２の判断Ｎｏ）、α（ｍ）が真断面での値ではないから比較動作を継続する必要があることがわかる。

更にステップＳ１３において、演算装置４１はｍ＝Ｎか否かを判断する。ｍ≠Ｎであれば（ステップＳ１３の判断Ｎｏ）、最終サンプルまでフランジ像高さの比較を終えていないとして、続くステップＳ１４でｍ＝ｍ＋１とした上で、フローをステップＳ１２に戻して比較動作を続行する。

これに対し、ステップＳ１３でｍ＝Ｎであれば（ステップＳ１３の判断Ｙｅｓ）、Ｎフレーム内の撮影では真断面における距離αが得られず、すなわち撮影タイミングが不適切である（又はδが小さすぎた）虞れもあると判断し、ステップＳ１５で、演算装置４１は、モニタ４３にアラーム表示を出力させ再測定（又はδを変えて再演算）を促すことができる。その後、演算動作は終了する。

これに対し、ステップＳ１２で、│α（ｍ）―ＳＶ│＜δであると判断すれば（ステップＳ１２の判断Ｙｅｓ）、被測定距離α（ｍ）が真断面における値であるとみなせるので、ステップＳ１６にて、演算装置４１は被測定距離α（ｍ）を真断面位置の値として決定し、ｍ番目のフレームを真断面に対応して撮影されたフレームであると決定する。

その後、ステップＳ１７で、演算装置４１は、上述した方法によって、選択されたｍ番目のフレームの車輪断面プロファイルデータに基づいて車輪の諸寸法を演算し、車輪の形状を求める。その後、演算動作を終了する。車輪形状測定の結果、車輪に許容値を超える摩耗が確認されたときは転削が行われる。かかる転削は、車輪のフランジ及び踏面を切削するものである。
なお、本実施の形態では、比較的検出しやすいことから基準部としてフランジ先端とレール頭頂部との間の距離を用いて真断面に対応するフレームを求めたが、例えば基準部の別例として基準溝２（図６参照）とレール頭頂部との間の距離を用いてもよい。

以上の実施の形態では、ノイズの影響や、誤差量δの大きさによっては│α（ｍ）―ＳＶ│＜δの条件を満たすフレームが複数枚生じる恐れがあり、その場合、真断面における距離αを求められないこともある。かかる場合、対象となる複数枚のフレームのそれぞれの距離αを平均化した上で、その平均値から各部の演算を行ってもよい。

（第２の実施形態による測定方法）
さらに以下に述べる第２の実施の形態では、より精度良く真断面の位置を求めることができる。第２の実施の形態は最初から実行してもよいが、第１の実施の形態の測定において│α（ｍ）―ＳＶ│＜δの条件を満たすフレームが複数枚生じたとき、かかる条件を満たすフレームのみ、図９（ｂ）に示す演算を行ってもよい。尚、本実施形態でも、図１〜３に示す測定装置を用いることとし、その構成および校正についての説明は省略する。

（画像処理について）
本実施形態の画像処理の説明を行う。図９は、制御コントローラ４０および演算装置４１で行われる動作を示すフローチャート図である。図１０は、走行している車両の車輪１に車輪外側のラインレーザ光２１ａが連続的に照射された状態で、３Ｄプロファイルカメラ１１が車輪断面プロファイルデータ１ａを取得するタイミング（点線または一点鎖線）を示す側面図である。図示していないが、その他の３Ｄプロファイルカメラとレーザプロジェクタの関係も同様である。図１１は、３Ｄプロファイルカメラから出力された車輪断面プロファイルデータをフレームごとに可視化して示す図である。

図６を参照して、フランジ高さｆｈは、踏面４上における車輪１のバック面８から６５ｍｍの位置を踏面測定基準点ＳＰ１としたときに、踏面測定基準点ＳＰ１からフランジ３先端までの距離をいうものとする。ここで、撮影されたフレームごとに、車輪１と３Ｄプロファイルカメラ１０，１１との相対距離が変化するから、撮影されるフランジ高さ（以下、フランジ像高さという）が変化する。すなわち、図１０に示すように、車輪１との相対位置関係に応じて撮影タイミングがｔ１〜ｔ５と変化するから、３Ｄプロファイルカメラから見たフランジ像高さが変化する。具体的には、レーザプロジェクタと３Ｄプロファイルカメラとが近接配置されているとして、カメラ軸線がレーザ光が照射されたフランジ先端の法線に近ければ（ｔ５）、フランジ像高さは低くなり、その法線から離れるにつれ（ｔ４〜ｔ１）、フランジ像高さは相対的に高くなる。以下、ｎ番目のフレームにおけるフランジ像高さを、ｆｈ（ｎ）で表すものとする。

（測定装置の動作について）
以下、本測定装置の動作について説明する。
制御コントローラ４０は、車体検知用のセンサ３２が車体６を検知したタイミングで、レーザプロジェクタ２０、２１を駆動制御して、ラインレーザ光２０ａ、２１ａを走行する車輪１の外側範囲と内側範囲とに照射する。

更に制御コントローラ４０は、車輪検知用のセンサ３０または３１が車輪を検知したタイミングで、３Ｄプロファイルカメラ１０、１１を駆動制御して、光切断法により車輪断面プロファイルデータ１ａを連続的に取得し、演算装置４１の内部メモリ（不図示）に随時保存する。

以下、図９のフローチャートを用いて、具体的な演算を説明する。

（撮影フローについて）
図９（ａ）のステップＳ０１において、３Ｄプロファイルカメラ１０、１１によりＮフレームの撮影を行った後、ステップＳ０２において、演算装置４１は、車輪断面プロファイルデータに基づいて、各フレームごとにフランジ像高さを求める。ここではサンプル数がＮフレーム（車両の速度が遅ければＮは増大する）であるので、図１１に示すように、Ｎ個のフランジ像高さ（ｆｈ（１）〜ｆｈ（Ｎ））が得られることとなるから、これらを記憶する。以上で撮影動作を終了する。

（演算フローについて）
次に、演算装置４１は、記憶したフランジ像高さ同士を比較してゆく。より具体的には、演算装置４１は、図９（ｂ）のステップＳ０３にてｎ＝１とし、ステップＳ０４において、ｆｈ（ｎ）＜ｆｈ（ｎ＋１）であるか否かを判断する。演算装置４１がｆｈ（ｎ）＜ｆｈ（ｎ＋１）でないと判断すれば（ステップＳ０４の判断Ｎｏ）、ｆｈ（ｎ）が最小値ではないから比較動作を継続する必要があることがわかる。

更にステップＳ０５において、演算装置４１はｎ＝Ｎか否かを判断する。ｎ≠Ｎであれば（ステップＳ０５の判断Ｎｏ）、最終サンプルまでフランジ像高さの比較を終えていないとして、続くステップＳ０６でｎ＝ｎ＋１とした上で、フローをステップＳ０４に戻して比較動作を続行する。

これに対し、ステップＳ０５でｎ＝Ｎであれば（ステップＳ０５の判断Ｙｅｓ）、最終フレームにおけるフランジ像高さｆｈ（Ｎ）が最小値となるため、Ｎフレーム内の撮影では最小のフランジ像高さが得られず、すなわち撮影タイミングが不適切であった虞れもあると判断し、ステップＳ０７で、演算装置４１は、モニタ４３にアラーム表示を出力させ再測定を促すことができる。その後、演算動作は終了する。

これに対し、ステップＳ０４で、ｆｈ（ｎ）＜ｆｈ（ｎ＋１）であると判断すれば（ステップＳ０４の判断Ｙｅｓ）、フランジ像高さｆｈ（ｎ）が最小値となる。フランジ像高さｆｈ（ｎ）が最小値である時は、図１０において一点鎖線で示すようにラインレーザ光２１ａが、車輪１の中心（または近接位置）を通過すると推定される。かかる場合、ラインレーザ光２１は略真断面で車輪１を仮想的に輪切りにすることとなる。そこで、演算装置４１はステップＳ０８にて、ｎ番目のフレームの車輪断面プロファイルデータに表れたフランジ像高さｆｈ（ｎ）を、真断面位置に対応するフランジ像高さとして決定し、ｎ番目のフレームを真断面に対応するフレームとして選択する。

その後、ステップＳ０９で、演算装置４１は、以下に述べる方法によって、選択されたｎ番目のフレームの車輪断面プロファイルデータに基づいて車輪の諸寸法を演算し、車輪の形状を求める。その後、演算動作を終了する。車輪形状測定の結果、車輪に許容値を超える摩耗が確認されたときは転削が行われる。かかる転削は、車輪のフランジ及び踏面を切削するものである。

特に本実施形態の測定方法によれば、従来技術と異なり、レール撓み等の影響を受けずに、誤差を抑えつつ車輪真断面プロファイルデータを抽出可能である。

本測定方法により、使用前後の車輪において車輪真断面プロファイルデータを求めることで、その差から形状変化すなわち各部の摩耗量を精度よく検出することができる。

（変形例）
以上の実施の形態では、ｎ番目のフレームにおけるフランジ像高さｆｈ（ｎ）に基づいて真断面を決定していたが、真断面の位置に対して撮影タイミングがわずかにずれる可能性があり、また車輪真断面プロファイルデータにノイズが生じる可能性もある。かかる不具合を解消もしくは緩和するため、フランジ像高さｆｈ（ｎ）が最も低い場合、ｎ番目のフレームを基準として、その前後のフレームの車輪断面プロファイルデータを平均化した値を用いて、車輪寸法算出を行ってもよい。平均化に用いるフレーム数は任意である。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１ …車輪
１ａ …車輪断面プロファイルデータ
２ …基準溝
３ …フランジ
４ …踏面
５ …車輪中心
６ …車体
７ …リム面
８ …バック面
１０ …車輪内側の３Ｄプロファイルカメラ
１１ …車輪外側の３Ｄプロファイルカメラ
２０ …車輪内側のレーザプロジェクタ
２０ａ …車輪内側に向かう細線状のレーザ光（ラインレーザ光）
２１ …車輪外側のレーザプロジェクタ
２１ａ …車輪外側に向かう細線状のレーザ光（ラインレーザ光）
３０ …車輪検知用の光電センサ
３１ …車輪検知用の光電センサ
３２ …車体検知用の光電センサ
４０ …制御コントローラ（ＰＬＣ）
４１ …演算装置（ＰＣ）
１００ …レール
ｈ …フランジ径
Ｄ …車輪径
θ …レールに対するラインレーザ光の仰角
β …レールから車輪中心までのラインレーザ光照射距離
α …フランジ先端からレール頭頂部までの距離
ｄｗ …車輪径
ｆｈ …フランジ高さ
ｆｔ …フランジ厚さ
ＢＧ …内面距離

Claims (9)

1. 走行する車両の車輪の基準溝を含むバック面、フランジ先端及びレール頭頂部をカバーする内側範囲、および車輪のリム面、踏面、前記フランジ先端及び前記レール頭頂部をカバーする外側範囲に対して２方向から、少なくとも前記車輪の基準部を通過するようにして、レールに対し所定の仰角でライン状のレーザ光を照射するステップと、
   走行する前記車輪を連続的に撮影し、前記レーザ光が照射された位置の車輪断面プロファイルデータをフレームごとに出力するステップと、
   前記フレーム毎に前記レール頭頂部と前記基準部との間の被測定距離を求めるステップと、
   前記複数のフレームのうち、前記被測定距離が基準値に対して所定範囲内に含まれるときに撮影されたフレームを選択するステップと、
   前記選択されたフレームにおける車輪断面プロファイルデータに基づいて、車輪各部の寸法を算出するステップと、
   を有すること
   を特徴とする車輪形状測定方法。
2. 前記基準部とは前記フランジ先端であること
   を特徴とする請求項１に記載の車輪形状測定方法。
3. 前記被測定距離が前記基準値に対して前記所定範囲内に含まれるときに撮影されたフレームが複数枚存在するときは、前記車輪断面プロファイルデータに基づいて、前記フレームごとに前記踏面から前記フランジ先端までのフランジ像高さを算出し、前記フランジ像高さが最も短くなるフレームを選択すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の車輪形状測定方法。
4. 走行する車両の車輪のバック面及びフランジ先端をカバーする内側範囲、および車輪のリム面、踏面および前記フランジ先端をカバーする外側範囲に対して２方向から、レールに対し所定の仰角でライン状のレーザ光を照射するステップと、
   走行する前記車輪を連続的に撮影し、前記レーザ光が照射された位置の車輪断面プロファイルデータをフレームごとに出力するステップと、
   前記複数のフレームのうち、前記レーザ光の伝搬面が前記車輪の中心位置に最も近くなるときに撮影されたフレームを選択するステップと、
   少なくとも前記選択されたフレームにおける車輪断面プロファイルデータに基づいて、車輪各部の寸法を算出するステップと、
   を有することを特徴とする車輪形状測定方法。
5. 前記車輪断面プロファイルデータに基づいて、前記フレームごとに前記踏面からフランジ先端までのフランジ像高さを算出し、前記フランジ像高さが最も短くなるフレームを、前記レーザ光の伝搬面が前記車輪の中心位置に最も近くなるときに撮影されたフレームとして選択すること
   を特徴とする請求項４に記載の車輪形状測定方法。
6. 前記外側範囲に照射されるレーザ光の波長と、前記内側範囲に照射されるレーザ光の波長とを異ならせていること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の車輪形状測定方法。
7. 前記車輪断面プロファイルデータは、水平方向をｘ軸とし、前記撮影を行うカメラから見た奥行き方向をｚ_０軸とした座標系の数値に変換されて用いられること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の車輪形状測定方法。
8. 前記レーザ光を照射する複数のレーザ光源と、前記撮影を行う複数のカメラとを、同一の基準体を用いて校正し、それにより得られた共通の座標系に基づいて前記車輪断面プロファイルデータを処理すること
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の車輪形状測定方法。
9. 前記レールに沿って配置された、前記車輪を検出する２つのセンサと、前記車両を検出する１つのセンサとを用いて、前記車両の進行方向を検出すること
   を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の車輪形状測定方法。

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