JP2001330426A

JP2001330426A - 断面形状の測定装置

Info

Publication number: JP2001330426A
Application number: JP2000150044A
Authority: JP
Inventors: Takashi Banshiyouya; 隆番匠谷; Hiroshi Nakao; 浩仲尾; Kenichi Takada; 憲一高田
Original assignee: Kinki Nippon Railway Co Ltd
Current assignee: Kinki Nippon Railway Co Ltd
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2001-11-30
Anticipated expiration: 2020-05-22
Also published as: JP3708794B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レールの断面形状を簡易かつ精度良く測定で
きる装置を提供する。【解決手段】データ計測装置１とデータ処理装置２と
からなる。データ計測装置１には、装置の基準点を回転
中心として被測定物の回りを回転する計測部７と、装置
を被測定物に固定する取付け部６とを有する。データ処
理装置２は、データ計測装置１を制御すると共に、デー
タ計測装置１から出力された信号を取得する。計測部７
は、被測定物に検査波を放射する放射部と、被測定物の
表面からの反射波を受信する受信部と、受信波の受信位
置を示す信号を出力する出力部とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電車のレールのよ
うな軌道面の断面形状を、非接触で正確に測定できる断
面形状の測定装置に関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】レールの断面形状を正
確に把握することは、単にレールが磨耗限界を超えてい
るか否かを判定するだけでなく、車輛との接触面の形状
を常に監視し、車輛の走行性能に悪影響を及ぼす恐れが
ある場合には直ちに削正などの処理を施すという観点か
らも重要である。

【０００３】しかしながら、従来は、レールの断面形状
を、簡易でありながら正確に計測できる装置が存在しな
かった。本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもの
であって、レールの断面形状を精度良く測定できる装置
を提供することを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る断面形状測定装置は、本装置の基準点
を回転中心として、被測定物の回りを回転可能に形成さ
れた計測部と、本装置を被測定物に固定して保持する固
定部と、前記計測部の動作を制御すると共に前記計測部
からの信号を取得する制御部とを備え、前記計測部は、
被測定物に検査波を放射する放射部と、被測定物の表面
からの反射波を受信する受信部と、前記受信波の受信位
置を示す信号を出力する出力部とを備え、前記計測部を
回転させつつ被測定物の表面位置を計測して、被測定物
の表面形状を特定するようにしている。

【０００５】本発明において、計測部と固定部とは一体
に構成するが、制御部はこれらと一体にしても別体にし
てもよい。本装置における測定対象は特に限定されない
が、典型的には車輛のレールである。そして、計測部
は、レールなどの被測定物の回りを回転する一方、受信
波の受信位置を示す信号を出力するので、制御部では適
宜な演算によってレールの表面形状を確実に把握するこ
とができる。そして、このような計測を定期的に行え
ば、被測定物の磨耗の過程を知ることができ、レールな
どの交換計画などを立案する上でも有効な資料となる。

【０００６】検査波は、特に限定されないが、簡易性や
計測精度においてレーザ光が好適である。また、放射部
と受信部の位置関係も特に限定されないが、好ましくは
被測定物の長さ方向に離間して配置すべきである。そし
て、被測定物の長さ方向に傾斜させて（角度α）レーザ
光を放射すれば、放射部と被測定物の表面との距離に応
じてレーザ光の受信位置が変化し、このレーザ光の受信
位置に基づいて被測定物の表面位置を特定することがで
きる。

【０００７】図１は、測定原理を極めて単純に図示した
ものである。実際には、鏡面反射光が得られるとは限ら
ず、散乱反射光となるが、便宜上、最も単純な測定原理
について説明する。計測部と装置中心点Oとの距離Ｒ０
は予め定まっているので、計測部と被測定物表面との距
離Ｈは、図示の場合には、Ｈ=Ｌ／２×ｔａｎ（α）の
式で算出でき、装置中心点Ｏと被測定物表面との距離ｒ
はｒ＝Ｒ０−Ｌ／２×ｔａｎ（α）の式から算出でき
る。また、計測部の基準位置からの変位量θは、計測部
の回転に対応して別に計測できるので、結局、被測定物
表面の座標（ｒ，θ）は（Ｒ０−Ｌ／２×ｔａｎ
（α），θ）と特定できる。

【０００８】そして、本装置は、被測定物の輪郭形状を
問題にするので、本装置を被測定物に固定する際にも特
に位置決めする必要がない。つまり、装置を取り付けた
際、例えば、計測部の回転中心が被測定物の中心からず
れていても、被測定物の輪郭形状を示す各座標（ｒ，
θ）の原点は、装置の原点として一意的に決まるので何
の問題も生じない。なお、計測部は、必要な輪郭を特定
できるだけの角度を、被測定物の回りを回転する必要が
あるが、ここで回転とは、必ずしも円弧を描いて移動す
ることを意味するものではなく、楕円形状でもその他の
形状でも良い。

【０００９】本発明では、補正手段を更に備えるのが好
ましく、補助手段は、内部に登録されている基準形状
と、計測された被測定物の表面形状とを画像的に対比し
て、必要に応じて被測定物の画像を回転及び移動させる
ことを可能にしている。このような補助手段を設けた場
合には、画像を回転や移動させて被測定物本来の画像に
重ね合わせることによって、被測定物の磨耗状態などを
数値的に把握できる。ここでは、被測定物において磨耗
や変形などすることのない部分を、基準の画像に重ね合
わせるのが好適である。なお、補正手段についても、制
御部と一体に設けても別体に設けても良い。

【００１０】本発明は、被測定物を車輛の軌道面にする
と特に好適であり、この場合には、軌道の顎部を利用し
て本装置を固定することができる。また、計測部が１８
０度以上回転可能に形成されている場合には、前記顎部
の輪郭も計測できるので、基準画像と重ね合わせる場合
に、磨耗などの恐れのない顎部を基準にすることができ
て好適である。

【００１１】また、本発明に係る計測部は、略円弧状に
形成されたガイドレールに沿って回転し、放射部及び受
信部は、前記ガイドレールに対して被計測物の長さ方向
に離間して配置されるのが好ましい。このような構成を
採った場合には、ガイドレールに連設された固定部によ
って本装置を被測定物に取付けても、固定部に邪魔され
ることなく自由に計測範囲（角度）をとることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の態様】以下、実施例に基づいて、この発
明を更に詳細に説明する。図２は、データ計測装置１と
データ処理装置２とからなる断面形状測定装置を図示し
たものである。この実施例では、データ計測装置１を鉄
道レールＲに取付け、データ計測装置１からの信号がデ
ータ処理装置２に取り込まれるようになっている。デー
タ処理装置２は、ノート型パソコンＰＣ、Ａ／Ｄ変換カ
ード、ＤＩ／Ｏカードを備えており、データ処理装置２
の動作をコントロールしている。

【００１３】図２に示すように、データ計測装置１は、
前板３と後板４と両者を連結する２枚の底板５，５とで
筐体が構成されており、前板３及び後板４から軸方向外
向きに突設された取付け部６と、後板４の内側に取り付
けられた計測部７とを備えている。前板３と後板４の下
部には、それぞれＵ字状の欠落部８が形成されることに
より、前後の欠落部８の間にトンネル状の空隙が形成さ
れ、その空隙にレールＲを位置させて測定作業を行うよ
うになっている。

【００１４】以下、前板３から突設された取付け部６に
ついて説明するが、後板５にも同一構造の取付け部６が
設けられている。取付け部６には、レールの軸方向に突
出する第１と第２の取付け腕９，１０と、前記２つの取
付け腕９，１０の上側に位置する第３の取付け腕１１と
が形成されている。第１取付け腕９には、レールＲの幅
方向に螺進可能な第１固定軸１２が螺合され、第２取付
け腕１０には、第２固定軸１３が固定されている。そし
て、各固定軸１２，１３の先端には、レールＲの顎部１
４を把持するよう形成されたコ字型の把持片１５，１５
が取付けられている。

【００１５】第３取付け腕１１には、垂直方向に螺進可
能な第３固定軸１６が螺合されている。取付け部６は、
以上の構成を備えるので、計測時には、第１固定軸１２
を後退させた状態において、レールＲを跨ぐようにデー
タ計測装置１を降下させ、その後、第１固定軸１２を後
退位置から螺進させ、２つの把持片１５，１５によって
レールＲの顎部１４を両側から押圧する。その状態で、
第３固定軸１５を螺進させてレールＲの頂面を限界まで
押圧すると、レールＲが三箇所から支持され前板３がレ
ールＲに対して位置決めされる。そして、同様の操作を
後板４側の取付け部６についても行えば、データ計測装
置１がレールＲに対して位置決めされることになる。

【００１６】後板４の背面側には、図３に示すような計
測部７が取付けられている。計測部７は、後板４に固定
された円形ガイド２１と、円形ガイド２１に沿って移動
する計測ヘッド部２２と、計測ヘッド２２をベルト２３
で引っ張る駆動部２４とで構成されている。計測ヘッド
２２は、円形ガイド２１に沿って滑動する軸受け部２４
と、軸受け部２４からレール軸方向に延設された平板状
の連設部２５と、連設部２５に固定されたレーザ変位計
２６とで構成されている。

【００１７】レーザ変位計２６には、レール頂面に向け
てレーザ光を所定角度αで放射する放射部と、レール頂
面からの反射光を受信する受信部とが、レールＲの長さ
方向に離間して設けられている（図１参照）。受信部に
は、レーザ反射光を検出するセンサが、レール軸方向の
所定長さにわたって設けられている。そして、レーザ変
位計２６からは、レーザ反射光を検出したセンサ位置を
示すアナログ信号が出力される。なお、分解能は０．０
０２ｍｍであり、機械的な誤差も含めて０．０５ｍｍの
精度を確保している。

【００１８】図１に関して先に説明したように、レーザ
光を検出したセンサの位置によって放射点と受信点の距
離Ｌが決定され、レール頂面とレーザ変位計２６との距
離Ｈが、鏡面反射の場合にはＨ＝Ｌ／２×ｔａｎ（α）
…（式１）により算出される。但し、実際のレール表面
には、細かな傷があり、散乱反射光となるので、式１の
ように単純にはいかないが、例えば、統計的な処理によ
ってレール頂面とレーザ変位計２６との距離Ｈを算出す
ることができる。

【００１９】駆動部２４は、ベルト２３の移動を案内す
るベルトガイド２７と、ベルト２３を移動させるための
ＤＣモータ２８と、ベルト２３の移動量を計測するため
のロータリーエンコーダ２９などで構成されている。ベ
ルト２３の始端と終端は、それぞれ計測ヘッド２２に固
定されており、ベルト２３は、ロータリーエンコーダ２
９の他に、タイミングプーリ３０，３０、アイドラー３
１…３１、第２タイミングプーリ３２を通って移動す
る。なお、第２タイミングプーリ３２とＤＣモータ２８
とは、平歯車３３を介して結合されている。ベルト２３
の移動によって、計測ヘッド部２２は、円形ガイド２１
に案内されて滑動するが、不図示のリミットスイッチに
よって限界位置が検出されるようになっている。

【００２０】続いて、上記の構成からなる計測装置１の
使用方法を説明する。計測装置１は、その全ての動作が
データ処理装置２によって制御されるが、最初、データ
処理装置２は、リミットスイッチの出力を監視しつつ、
ＤＣモータ２８を動作させ、計測ヘッド部２２を原点位
置にセットする。なお、計測ヘッド２２は、取付け部６
からレール軸方向に離間しているので、計測ヘッド２２
の原点位置をレール顎部１４より下側に設定することが
でき、その結果、レール顎部１４の形状も含めて計測で
きるようになっている。

【００２１】計測ヘッド２２を原点位置に設定したら、
その後、データ処理装置２は、ＤＣモータ２８を所定方
向に回転させると共に、ロータリーエンコーダ２９の出
力によって計測ヘッド部２２の位置を把握する。また、
データ処理装置２は、レーザ変位計２６を動作させる。
そして、ロータリーエンコーダ２９からのパルス（回転
角０．０６°ごとに１パルスを発するよう設定）ごとに
レーザ変位計２６の出力を記憶する。なお、レーザ変位
計２６からはアナログ信号が出力されるので、Ａ／Ｄ変
換カードで変換された後のデジタルデータをメモリに記
憶する。

【００２２】このようにして、０．０６°ごとの計測を
行うが、計測ヘッド２２が反対側のレール顎部１４を越
えたことがリミットスイッチの出力によって検出される
と、データ処理装置２はデータの収集を終え、ＤＣモー
タ２８を逆転させて計測ヘッド２２を原点位置に戻す。

【００２３】続いて、データ処理装置２は、計測したデ
ータについてのデータ処理動作を行う。なお、データ処
理装置２には、上記したと同じ要領で予め計測した、磨
耗のない基準レールについての基準データも登録されて
いる。

【００２４】データ処理装置２は、計測したデータにつ
いて前記した式（１）の演算を行ない、更に、図４に示
す基準線Ｏ−Ｘからの時計方向の角度θに基づき、レー
ル頂面の回転中心Ｏからの距離ｒを（式２）から求め
る。ｒ＝Ｒ０−Ｌ／２×ｔａｎ（α）……（式２）ここで、Ｒ０は、図４に示す回転中心Ｏから計測ヘッド
２２までの距離である。なお、回転中心Ｏは、計測装置
１のレールＲへの取付け状態と無関係に、円形ガイド２
７の中心点として機械的に決まるので、計測装置１の取
付け精度を問題にする必要はない。

【００２５】次に、算出した極座標（ｒ，θ）に基づ
き、（式３）（式４）によってレール頂面のＸ−Ｙ座標
を算出する。Ｘ＝ｒ×ｃｏｓ（θ）……（式３）Ｙ＝ｒ×ｓｉｎ（θ）……（式４）以上の処理によって、レール頂面の表面位置が０．０６
°ごとに極座標（ｒ，θ）と直交座標（Ｘ，Ｙ）によっ
て確定される。

【００２６】続いて、データ処理装置では、データの補
正処理を行うこともできる。ここで、補正とは、測定し
たレールの画像と基準画像とを対比して測定したレール
の姿勢を補正することをいう。本装置では、このような
補正処理を行うので、データ計測装置１がレールＲに対
してθ方向に傾いて取付けられても問題がない。

【００２７】補正処理においては、レールの断面形状の
うちでレール顎部１４が基準になる。すなわち、レール
顎部は、車輛の車輪が接触せず磨耗していないので、図
５の破線で示す計測レールの画像と、図５の実線で示す
基準画像とを対比して互いの顎部が重なり合うように計
測レールの画像を回転移動及び平行移動すれば良い。な
お、平行移動は（式５）（式６）によってデータを変換
し、回転移動は（式７）（式８）によってデータを変換
し、変換後のデータにしたがって計測したレールを改め
て描画すれば良い。なお、変位量δｘ，δｙや、回転量
βはマウスなどで指示する。Ｘ’＝Ｘ−δｘ……（式５）Ｙ’＝Ｙ−δｙ……（式６）Ｘ’＝ＳＱＲ（（Ｘ＋Ｘ０）²＋Ｙ²）×ｃｏｓ（β＋γ）−Ｘ０……（式７）Ｙ’＝ＳＱＲ（（Ｘ＋Ｘ０）²＋Ｙ²）×ｃｏｓ（β＋γ）……（式８）なお、γ＝ｔａｎ^-1（Ｙ／（Ｘ＋Ｘ０））である。

【００２８】このようにして補正されたデータは、鉄道
の線名、キロ程（基準位置からの距離）、上下いずれの
線かの区別、レールの左右の区別、レール種別などのデ
ータとともに記憶される。そして、必要に応じて磨耗量
を算出する。図６（ｂ）のように、補正後のデータは基
準レールと顎部が重なっている。そして、基準レールの
極座標（ｒ０，θ）に基づき、磨耗量Ｗは、Ｗ＝ｒ０−
ＳＱＲ（Ｘ’²＋Ｙ’²）として求まる。このようにして
計測したレールの磨耗量を知ることができるが、一本の
レールにつき１〜２箇所の計測を定期的に行えば、磨耗
の過程を正確に知ることができ、レールの交換などの計
画立案にも寄与する。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レールの断面形状を簡易かつ精度良く測定できる装置を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定原理を図示したものである。

【図２】本発明の一実施例である断面形状の測定装置を
図示したものである。

【図３】図２のデータ計測装置の構成を説明する図面で
ある。

【図４】図２のデータ計測装置の動作原理を説明する図
面である。

【図５】座標及びデータの補正を説明する図面である。

【図６】データの補正を説明する図面である。

【符号の説明】Ｏ回転中心Ｒ被測定物（レール）２制御部（データ処理装置）７計測部６固定部（取付け部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高田憲一大阪府大阪市天王寺区上本町６丁目１番55 号近畿日本鉄道株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA52 CC35 FF09 FF66 GG04 HH12 JJ02 JJ25 MM15 MM25 MM28 PP01 UU03 UU06 2F069 AA62 BB25 GG07 GG08 GG09 GG62 HH04 HH09 HH15 JJ10 MM04 MM26 MM32 NN08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本装置の基準点を回転中心として、被測
定物の回りを回転可能に形成された計測部（７）と、本
装置を被測定物に固定して保持する固定部（６）と、前
記計測部の動作を制御すると共に前記計測部からの信号
を取得する制御部（２）とを備え、前記計測部は、被測定物に検査波を放射する放射部と、
被測定物の表面からの反射波を受信する受信部と、前記
受信波の受信位置を示す信号を出力する出力部とを備
え、前記計測部を回転させつつ被測定物の表面位置を計
測して、被測定物の表面形状を特定するようにしている
断面形状測定装置。
【請求項２】内部に登録されている基準形状と、計測
された被測定物の表面形状とを画像的に対比して、必要
に応じて、被測定物の画像を回転及び移動させる補正手
段を更に備えている請求項１に記載の断面形状測定装
置。
【請求項３】前記被測定物は車輛の軌道面であり、前
記計測部は１８０度以上回転可能に形成されている請求
項１又は請求項２に記載の断面形状測定装置。
【請求項４】前記計測部は、略円弧状に形成されたガ
イドレールに沿って回転し、前記放射部及び受信部は、
前記ガイドレールに対して被計測物の長さ方向に離間し
て配置されている請求項１ないし請求項３のいずれかに
記載の断面形状測定装置。