JP2020126020A - レール計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に、且つ確実にレールの状態を計測できるレール計測装置を提供する。【解決手段】レール計測装置１０は、少なくともレール２の幅方向Ｄ２に沿った所定範囲について非接触で対象物との相対位置を測定することで、レール２の上面２ａの形状を検出する形状検出部１２を備える。レール計測装置１０は、形状検出部１２によって上面２ａの形状が検出される箇所の、絶対位置を検出する位置検出部１３を備える。これにより、レール２の上面２ａの形状と、当該形状を有する箇所の絶対位置とを紐付けた情報を記憶部２４に記録しておくことができる。このように記録された情報を組み合わせた三次元モデル（図６参照）を作成することで、レール２の状態を長手方向Ｄ１にわたって正確に評価することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、レール計測装置に関する。

レール上を走行するクレーンとして、特許文献１に記載されたものが知られている。このようなクレーンでは、走行性能を確保するために、レールの状態を計測する必要があった。レールの状態を計測する方法として、レールに沿って張ったピアノ線を基準に、トランジェットを利用して、レールの長手方向に沿って垂直な面に対して基準からの距離を多点測定する方法が挙げられる。

特開２０１７−２０２９１２号公報

しかしながら、上述のような計測方法は、人手がかかる上、ピアノ線の設置などに時間を要し、当該計測中はクレーンを利用できないなどの問題が生じる。従って、より簡易に、且つ確実にレールの状態を計測することが求められていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、簡易に、且つ確実にレールの状態を計測できるレール計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係るレール計測装置は、クレーンが走行するレールの状態を計測するレール計測装置であって、少なくともレールの幅方向に沿った所定範囲についてレーザスキャナで対象物との相対位置を測定することで、レールの上面の形状を検出する形状検出部と、形状検出部によって上面の形状が検出される箇所の、絶対位置を検出する位置検出部と、を備える。

レール計測装置は、少なくともレールの幅方向に沿った所定範囲についてレーザスキャナで対象物との相対位置を測定することで、レールの上面の形状を検出する形状検出部を備える。このような形状検出部は、レールの上面の幅、高さ、位置などの情報を形状データとしてレーザスキャナで検出することができる。また、レール計測装置は、形状検出部によって上面の形状が検出される箇所の、絶対位置を検出する位置検出部を備える。これにより、レールの上面の形状と、当該形状を有する箇所の絶対位置とを紐付けた情報を記録しておくことができる。このように記録された情報を組み合わせた三次元モデルを作成することで、レールの状態を長手方向にわたって正確に評価することができる。また、これらの情報は、ピアノ線などの特殊な道具を正確に位置合わせして設置しなくとも、レール計測装置をレールに沿って走行させるだけで、容易に記録することができる。以上により、簡易に、且つ確実にレールの状態を計測できる。

レール計測装置において、形状検出部は、レールの上面の形状に基づいて、レールの継ぎ目の状況を検出してよい。例えば、レールの継ぎ目において食い違いが生じていればレールの上面の幅が急激に変化し、レールの継ぎ目において隙間が形成されているとレールの上面に途切れが生じる。このように、継ぎ目の状況はレールの上面の形状に表れる。従って、形状検出部は、レールの上面の形状に基づくことで、レールの継ぎ目の状況を検出することが可能となる。

レール計測装置において、形状検出部は、レールの上面の形状に加え、クレーンの車輪の形状を検出することができる。この場合、クレーンの車輪とレールとの位置関係を把握することも可能となる。これにより、車輪のレールに対する片当たり等により生じる摩耗の状況などを評価することができる。

レール計測装置において、位置検出部は、ＧＰＳを用いて絶対位置を検出してよい。この場合、位置検出部は、絶対位置を容易に且つ正確に検出することができる。

本発明によれば、簡易に、且つ確実にレールの状態を計測できるレール計測装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレール計測装置が適用されるクレーン設備を示す概略図である。 レール計測装置及びその周辺構造を長手方向から見た概略構成図である。 レール計測部及びその周辺構造を幅方向から見た概略構成図である。 二次元の距離計によって構成される形状検出部が継ぎ目における上面の形状を検出するときの様子を示す概略構成図である。 位置検出部の構成の一例を示す概略構成図である。 三次元モデルの一例を示す図である。 レール計測装置で計測を行っているときの様子を示す概念図である。 レールの状態の評価項目を示す図である。 車輪とレールとの相対位置関係を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施形態に係るレール計測装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレール計測装置が適用されるクレーン設備を示す概略図である。図１に示すように、クレーン設備１００は、対象物を吊り下げて搬送するクレーン１と、クレーン１が走行する一対のレール２と、を備える。クレーン１は、レール２上をそれぞれ走行する一対の走行部３と、一対の走行部３間で延びるガーダー部４と、ガーダー部４に沿って横行するトロリ５と、を備える。なお、レール２が延びる方向をレール２の長手方向Ｄ１と称し、長手方向Ｄ１と直交する水平方向をレール２の幅方向Ｄ２と称する場合がある。本実施形態に係るレール計測装置１０は、少なくとも一方の走行部３に設けられる。なお、クレーン設備１００は、屋内の設備、又は屋外の設備のいずれであってもよい。また、クレーン１の種類は特に限定されず、レール２上を走行するものであれば、本実施形態に係るレール計測装置１０によって計測可能である。

次に、図２及び図３を参照して、レール計測装置１０の構成について説明する。図２は、レール計測装置１０及びその周辺構造を長手方向Ｄ１から見た概略構成図である。図３は、レール計測装置１０及びその周辺構造を幅方向Ｄ２から見た概略構成図である。

レール計測装置１０は、レール２の状態を計測する装置である。レール計測装置１０は、形状検出部１２と、位置検出部１３と、制御装置２０と、を備える。形状検出部１２及び位置検出部１３は、走行部３の端部６に設けられた台座１１に取り付けられている。なお、走行部３の端部６には、車輪７が回転可能に設けられている。車輪７は、走行部３の端部６に設けられた軸受部１５によって回転可能に軸支されている。車輪７は、レール２の上面２ａと接触する円柱状の本体部７ａと、本体部７ａの幅方向Ｄ２における両端側に設けられる一対の拡径部７ｂと、を備える。レール計測装置１０は、レール２及び車輪７の上方に配置されている。

形状検出部１２は、少なくともレール２の幅方向Ｄ２に沿った所定範囲について非接触で対象物との相対位置を測定することで、レール２の上面２ａ及び車輪７の形状を検出する。形状検出部１２は、多次元（二次元または三次元）の距離計によって構成される。形状検出部１２は、当該形状検出部１２と、測定対象となる対象物との間の距離を検出する。形状検出部１２は、例えば、レーザスキャナによって構成される。形状検出部１２は、測定範囲ＭＥ内でレーザを走査させ、対象物に反射して戻ってきた光を検出することで、対象物との距離を検出する。このように、形状検出部１２は、非接触で複数箇所の距離の測定が可能であるため、機械的な誤差の影響を低減でき、また、レール２に傷を付ける事などを防止できる。

形状検出部１２は、レール２の上方であって、レーザが遮られない位置に配置されている。形状検出部１２は、下方へ向けてレーザを照射し、少なくとも幅方向Ｄ２の方向成分を有して広がる測定範囲ＭＥの範囲で走査する。レーザのうち、レール２以外の箇所ではレール２が設置された地面で反射する。レーザのうち、レール２が設置された箇所では、レール２の上面２ａで反射する。

従って、形状検出部１２は、周囲よりも高さが高くなっている箇所をレール２の上面２ａとして検出することができる。また、形状検出部１２は、レール２の上面２ａの寸法情報、形状検出部に対する相対位置情報、湾曲具合などを、上面２ａの形状として検出することができる。

形状検出部１２は、レール２の継ぎ目においては、図８（ｅ）に示す継ぎ目の食い違いや、図８（ｆ）に示す隙間なども、レール２の上面２ａの形状として検出することができる。形状検出部１２が三次元の距離計によって構成されている場合、測定範囲ＭＥは、長手方向Ｄ１にも所定の広がりを有しているため、継ぎ目の食い違いや隙間などを検出可能である。

一方、形状検出部１２が二次元の距離計によって構成されている場合、図４に示すように、形状検出部１２は、長手方向Ｄ１に対して傾斜するように配置される。図４では、形状検出部１２の幅方向における中心線ＣＬ１が長手方向Ｄ１に延びる基準線ＳＬに対して角度θだけ傾斜している。これにより、測定範囲ＭＥは、幅方向Ｄ２に対して傾斜する。すなわち、測定範囲ＭＥは、幅方向Ｄ２における方向成分に加えて、長手方向Ｄ１における方向成分の広がりを有する。形状検出部１２は、継ぎ目を跨いでレール２のエッジ部を特徴点Ｐとして検出し、特徴点Ｐの形状検出部１２からの角度及び距離を形状情報として測定する。制御装置２０は、これらの特徴点Ｐの角度及び距離を台座１１の基準点からの相対位置に換算することで、継ぎ目の状態を取得することができる。

形状検出部１２は、車輪７の内側面７ｃを検出可能な位置に配置される。内側面７ｃは、一対の拡径部７ｂの主面のうち、レール２を挟んで互いに対向する面である。図３に示すように、測定範囲ＭＥは、長手方向Ｄ１において本体部７ａの外周面の端部ＥＧ１と、拡径部７ｂの外周面の端部ＥＧ２との間を通過する。これにより、図２に示すように、レーザは、本体部７ａに遮られることなくレール２の上面２ａに到達すると共に、車輪７の内側面７ｃの一部にも到達する。形状検出部１２は、内側面７ｃの幅方向Ｄ２における相対位置などを、内側面７ｃの形状として検出できる。これにより、車輪７のつば部の摩耗量状況を検出することができる。また、レーザの光軸と車輪外径の間の距離を測定することにより、車輪７の径方向摩耗状況を検出することもできる。

位置検出部１３は、形状検出部１２によって上面２ａの形状が検出される箇所の、絶対位置を検出する。絶対位置とは、少なくともクレーン設備１００内で固定された絶対座標系の中における位置を示す。位置検出部１３は、当該位置検出部１３が配置されている台座１１の基準点の位置を検出し、当該基準点の位置とレール２の上面２ａの形状検出部１２との相対位置とを足し合わせることで、上面２ａの形状が検出された箇所の絶対位置を検出する。なお、当該演算は、制御装置２０によって行われてよい。

位置検出部１３は、クレーン設備１００内の構造物を基準位置とした絶対位置を検出してよい。例えば、図５に示すように、クレーン設備１００が設けられる建屋の壁Ｗなど、クレーン設備１００のレール２に対して不動な構造物を基準位置としてよい。この場合、図５に示すように、壁Ｗの原点となる箇所にレーザ発振器３４を設ける。レーザ発振器３４は、長手方向Ｄ１に平行にレーザを発振する。

台座１１側の位置検出部１３は、レーザ発振器３４の光を受ける半透明スクリーン３１と、半透明スクリーン３１に映されたレーザの点ＬＰを検出するカメラ３２と、台座１１から壁Ｗまでの距離を測定する距離計３３と、を備える。台座１１の絶対位置に変化があった場合、半透明スクリーン３１及びカメラ３２が台座１１と共に移動する。従って、半透明スクリーン３１に映される点ＬＰの位置が変化する。これにより、位置検出部１３は、半透明スクリーン３１の点ＬＰに基づいて、幅方向Ｄ２及び上下方向における台座１１の絶対位置を検出できる。また、位置検出部１３は、距離計３３の測定結果に基づいて、長手方向Ｄ１における台座１１の絶対位置を検出できる。

その他、位置検出部１３は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）によって構成されてよい。これにより、位置検出部１３は、台座１１の基準点の緯度及び経度を検出することができる。このように、位置検出部１３は、クレーン設備１００外を基準として絶対位置を検出してよい。

制御装置２０は、プロセッサ、メモリ、ストレージ、通信インターフェース及びユーザインターフェースを備え、一般的なコンピュータとして構成されている。プロセッサは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算器である。メモリは、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶媒体である。ストレージは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶媒体である。通信インターフェースは、データ通信を実現する通信機器である。ユーザインターフェースは、液晶やスピーカなどの出力器、及び、キーボードやタッチパネルやマイクなどの入力器である。プロセッサは、メモリ、ストレージ、通信インターフェース及びユーザインターフェースを統括し、後述する機能を実現する。制御装置２０では、例えば、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。制御装置２０は、複数のコンピュータから構成されていてもよい。

制御装置２０は、位置検出制御部２１と、形状検出制御部２２と、演算部２３と、記憶部２４と、を備える。

位置検出制御部２１は、位置検出部１３による位置検出の動作を制御する。位置検出制御部２１は、位置検出部１３が位置検出を行うタイミングを設定する。また、位置検出制御部２１は、位置検出部１３での位置検出に必要な演算を行う。位置検出制御部２１は、請求項における「位置検出部」の一部を構成する。

形状検出制御部２２は、形状検出部１２による形状検出の動作を制御する。形状検出制御部２２は、形状検出部１２が位置検出を行うタイミングを設定する。また、形状検出制御部２２は、形状検出部１２での形状検出に必要な演算を行う。形状検出制御部２２は、請求項における「形状検出部」の一部を構成する。

演算部２３は、各種演算を行う。演算部２３は、レール計測装置１０によるレール２の状態を把握するために必要な各種演算を行う。記憶部２４は、位置検出部１３によって検出された位置情報と形状検出部１２によって検出されたレール２の上面２ａの形状情報とを、互いに紐付けた状態で記憶する。記憶部２４は、各位置におけるレール２の上面２ａの形状を蓄積してゆく。

次に、上述のレール計測装置１０を用いてレールの状態を評価するレール評価方法の手順について説明する。

まず、クレーン１の走行部３にレール計測装置１０を設ける。このとき、図７（ａ）に示すように、一方の走行部３に対してのみレール計測装置１０を設けてよい。この場合、一方のレール２の状態についてレール計測装置１０での計測を行って、記憶部２４にデータを蓄積する。その後、他方のレール２の状態についてレール計測装置１０での計測を行って、記憶部２４にデータを蓄積する。この場合、一つのレール計測装置１０だけで両方のレール２の状態を計測することができる。または、図７（ｂ）に示すように、両方の走行部３に対してそれぞれレール計測装置１０を設けてよい。この場合、一度に両方のレール２の状態を計測できる。

レール計測装置１０を取り付けられた走行部３は、レール２の一端から他端の全域にわたって走行する。このとき、レール計測装置１０は、レール２の各位置において、形状検出及び位置検出を行う。形状検出及び位置検出は、レール２の長手方向Ｄ１に沿って所定のピッチで行われてよい。例えば、走行部３が一定速度で走行し、形状検出部１２が一定の時間間隔で形状検出を行い、形状検出が行われたタイミングで位置検出部１３が位置検出を行ってよい。または、位置検出部１３が常時位置検出を行い、レール計測装置１０が一定ピッチとなるような位置に到達したタイミングで、形状検出部１２が形状検出を行ってよい。

次に、レール２の上面２ａの形状、及び当該上面２ａの形状が検出された箇所の絶対位置に基づいてレール２の三次元モデルを作成する。例えば、図６に示すように、建屋の壁Ｗ（図７参照）の所定の基準点ＳＰを原点とし、高さ、クレーン１の走行位置、及び幅方向の位置を軸とした座標系を設定する。記憶部２４から検出されたデータを読み出し、上面２ａ及び車輪７の内側面７ｃの形状データを紐付けられた絶対位置と対応するように座標中に並べる。各位置における上面２ａの中心を結んだラインＴＬは、レール２の上面２ａの中心の軌跡を示す。当該軌跡を示すラインＴＬは、一対のレール２に対してそれぞれ作成される。なお、図６では、ラインＴＬの様子を示すために、上面２ａ及び内側面７ｃの形状データの一部を省略している。

なお、図７（ａ）に示すように、一方の走行部３に対してのみレール計測装置１０を設けて一回目の計測を行い、別のタイミングで他方の走行部３に対してレール計測装置１０を設けて二回目の計測を行った場合の三次元モデルの作成方法について説明する。このとき、一回目の計測結果に基づいて作成されたレール２の三次元モデルと、二回目の計測結果に基づいて作成されたレール２の三次元モデルとが合成されることで、図６に示すような三次元モデルが作成される。

図７（ｂ）に示すように、両方の走行部３に対してそれぞれレール計測装置１０が設けられた場合、一度に両方のレール２の計測データが得られる。従って、図６に示すような三次元モデルを一度に作成することができる。

次に、三次元モデルを用いてレール２の状態を評価する。評価内容を図８に示す。図８（ａ）に示すように、一対のレール同士の幅方向Ｄ２における離間距離を示すスパンＳ１が評価される。スパンＳ１は、各レール２について作成されたラインＴＬ間の距離を測定することで求めることができる。スパンＳ１の評価は、レール２の長手方向Ｄ１における各位置について行われる。図８（ｂ）に示すように、両方のレール２の高低差ｈ１が評価される。高低差ｈ１は、一方のレールのラインＴＬと他方のレール２のラインＴＬとの間の高さの差によって求められる。高低差ｈ１の評価は、レール２の長手方向Ｄ１における各位置について行われる。

図８（ｃ）に示すように、一本のレール２のレール勾配が評価される。レール勾配ｈ２は、単位長さＬにおけるラインＴＬの端部間高さの差で求められる。また、図８（ｄ）に示すように、一本のレール２のレール直線度Ｗ１が評価される。レール直線度Ｗ１は、単位長さＬの中において、ラインＴＬの幅方向Ｄ２における振幅の大きさを示している。

図８（ｅ）に示すように、レール２の継ぎ目における食い違いが評価される。食い違いの大きさＷ２は、継ぎ目での上面２ａの幅方向Ｄ２の端部のずれ量によって求められる。また、図８（ｆ）に示すように、レール２の継ぎ目における隙間が評価される。隙間ＧＰは、継ぎ目において上面２ａが途切れている箇所の大きさによって求められる。

レール２の上面２ａの形状データの中には、上面２ａの幅寸法のデータも含まれる。従って、図９に示すように、各位置における上面２ａの幅寸法を評価することで、レール２の摩耗具合を評価することができる。例えば、レール２の一部が摩耗した場合（図中、ＦＰで示す）、当該箇所でのレール２の上面２ａの幅寸法は、規定のレール２の上面２ａの幅寸法より短くなっている。また、レール計測装置１０は車輪７の内側面７ｃの形状も検出しているため、車輪７とレール２との相対位置関係を評価することができる。例えば、レール２の中心線ＣＬ２と車輪７の中心線ＣＬ３がどの程度ずれているかを評価できる。また、車輪７の一方の内側面７ｃがレール２に片当たりしている箇所も特定することができる。

次に、本実施形態に係るレール計測装置１０の作用・効果について説明する。

レール計測装置１０は、少なくともレール２の幅方向Ｄ２に沿った所定範囲についてレーザスキャナで対象物との相対位置を測定することで、レール２の上面２ａの形状を検出する形状検出部１２を備える。このような形状検出部１２は、レール２の上面２ａの幅、高さ、位置などの情報を形状データとしてレーザスキャナで検出することができる。また、レール計測装置１０は、形状検出部１２によって上面２ａの形状が検出される箇所の、絶対位置を検出する位置検出部１３を備える。これにより、レール２の上面２ａの形状と、当該形状を有する箇所の絶対位置とを紐付けた情報を記憶部２４に記録しておくことができる。このように記録された情報を組み合わせた三次元モデル（図６参照）を作成することで、レール２の状態を長手方向Ｄ１にわたって正確に評価することができる。また、これらの情報は、ピアノ線などの特殊な道具を正確に位置合わせして設置しなくとも、レール計測装置１０を走行中のクレーン１に設けるだけで、容易に記録することができる。例えば、ピアノ線を設置して測定を行う場合、当該設置に時間がかかることに加え、測定中はクレーン１を運転することができない。すなわち、レール２の検査のためにクレーン１を運転できない時間が長期化する。これに対し、レール計測装置１０は、クレーン１自体に設けた上で測定を行うことができる上、測定自体も短時間で行う事ができる。以上により、簡易に、且つ確実にレール２の状態を計測できる。

レール計測装置１０において、形状検出部１２は、レール２の上面２ａの形状に基づいて、レール２の継ぎ目の状況を検出する。例えば、レール２の継ぎ目において食い違いが生じていればレール２の上面２ａの幅が急激に変化し、レール２の継ぎ目において隙間が形成されているとレール２の上面２ａに途切れが生じる。このように、継ぎ目の状況はレール２の上面２ａの形状に表れる。従って、形状検出部１２は、レール２の上面２ａの形状に基づくことで、レール２の継ぎ目の状況を検出することが可能となる。

レール計測装置１０において、形状検出部１２は、レール２の上面２ａの形状に加え、クレーン１の車輪７の形状を検出する。この場合、クレーン１の車輪７とレール２との位置関係を把握することも可能となる。これにより、車輪７のレール２に対する片当たり等により生じる摩耗の状況などを評価することができる。

レール計測装置１０において、位置検出部１３は、ＧＰＳを用いて絶対位置を検出してよい。この場合、位置検出部１３は、絶対位置を容易に且つ正確に検出することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、レール計測装置の各構成要素の配置は特に限定されるものではなく、形状検出部１２と位置検出部１３との位置関係は適宜変更されてもよい。

また、レール計測装置は、車輪の形状を検出しなくともよい。この場合、クレーンの走行部の車輪付近にレール計測装置を設けなくともよい。または、レール計測装置は、クレーンの走行部とは独立した台車を有しており、クレーンから独立してレール上を走行してもよい。

１…クレーン、２…レール、７…車輪、１０…レール計測装置、１２…形状検出部、１３…位置検出部、２１…位置検出制御部（位置検出部）、２２…形状検出制御部（形状検出部）。

Claims (4)

1. クレーンが走行するレールの状態を計測するレール計測装置であって、
   少なくとも前記レールの幅方向に沿った所定範囲についてレーザスキャナで対象物との相対位置を測定することで、前記レールの上面の形状を検出する形状検出部と、
   前記形状検出部によって前記上面の形状が検出される箇所の、絶対位置を検出する位置検出部と、を備えるレール計測装置。
2. 前記形状検出部は、前記レールの前記上面の形状に基づいて、前記レールの継ぎ目の状況を検出する、請求項１に記載のレール計測装置。
3. 前記形状検出部は、前記レールの前記上面の形状に加え、前記クレーンの車輪の形状を検出する、請求項１又は２に記載のレール計測装置。
4. 前記位置検出部は、ＧＰＳを用いて前記絶対位置を検出する、請求項１〜３の何れか一項に記載のレール計測装置。

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