JP2014130069A - 車輪形状計測装置及び車輪形状計測装置における座標変換テーブル作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カメラ及びレーザの相対位置を高精度で設置する必要がなく、また、測定レンジの複数種類を単一の測定プログラムにより変更することができる、光切断法による車輪形状計測装置を提供する。
【解決手段】左右の各車輪が通過するレール上において所定の仰角η方向に向けて配置されたホルダに取り付けられ、既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用の表示体と、左右の各照射部位の光切断面及びレーザ照射平面上に位置させたカメラで撮影し、表示体の基準模様群を撮影したカメラの座標データを抽出し、基準模様群の座標データと抽出された踏面外側カメラ及び踏面内側カメラ上の座標データとの対応関係を求めて座標変換テーブルを作成し、この座標変換テーブルを用いて車輪形状計測を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、座標変換方式を用いて車輪の車輪径やフランジ部幅、フランジ部角等の、車輪の形状に関する所定の計測項目および車輪間バックゲージを測定する車輪形状計測装置及び車輪形状計測装置における座標変換テーブル作成方法に関する。

鉄道列車などの車輪は、走行によって摩耗して列車の振動、ガタツキ等が発生する要因となる。このため、車輪の車輪径、フランジ部幅やフランジ部角等の車輪の形状を定期的に検査する必要がある。

そこで、本出願人は先に、光切断法により車輪形状を計測する装置を提案した（特許文献１）。この装置では、レーザ線条光をレールの内側および外側から車輪軸の中心付近に向けて照射し、外側のレーザ線条光は外側のカメラで、内側のレーザ線条光は内側のカメラでそれぞれ撮影した後、撮影された２つの画像を合成する画像処理を施して車輪形状等を求めている。

周知のように、光切断法は、レーザ線条光（「ラインレーザ光」とも称する）を測定対象に照射し、その線条光をカメラにて撮影して測定対象の形状等を測定する三次元測定方法である。

光切断法により形状等を測定する場合には、測定前にカメラのレンズ歪みを除去する等のキャリブレーション（校正）を行うのが一般的である。また、光切断法による三次元測定方法では、取得されたカメラ画像データをアフィン変換などの空間座標変換を用いて計測するが、カメラとレーザ（レーザ線条光）照射部との位置の精度が測定誤差に影響するため、カメラとレーザ光照射部の位置を精密に設置する必要がある。これを実現させるため、カメラとレーザ光照射部の位置を近づけ、相対距離の誤差を少なくする工夫がなされている。例えば、レーザ及びカメラを一つのシャーシに組み込み、精密に設置する方法が取られている。また、カメラのレンズ歪みを取る画像処理プログラムが広く用いられ、精度を向上させている。

特開２０１１−２４２２３９号公報 特開２００３−２４０５１６号公報

しかし、光切断法による車輪形状の測定等では、線路上の限られた設置箇所にカメラ及びレーザ光照射部を設置しなければならず、障害物などの測定周辺環境による制限が多くある。このため、カメラとレーザ光照射部の設置位置を広く離す場合、カメラとレーザ光照射部の相対位置関係を精密に設置する必要であるが、線路上の限られた環境では困難である、という課題がある。

また、カメラとレーザの位置が振動や経年によりずれた場合、元の位置に戻す、もしくは、ずれた設置位置を再測定し、精密な設置が必要である、という課題もある。

さらに、カメラが複数台あり、合成する場合、カメラ間の精密な設置が要求される、という課題もある。

一方、左右の車輪内面間の距離を示すバックゲージ（ＢＧ）を求める方法としては、従来、レーザ変位計を車輪内面側に配置し、レーザ変位計が配置された位置から車輪内面側までの距離をレーザにて測定することで、バックゲージを求めるものが知られている（特許文献２参照）。

しかし、従来におけるバックゲージ測定方法ではレーザ変位計を設置して測定する必要であり、多くの設備投資が必要であった。このため、レーザ変位計を不要とし、画像処理によってバックゲージを計測する装置の開発が望まれていた。

そこで、本発明は、光切断法による車輪形状計測において、カメラ及びレーザの相対位置を高精度で設置する必要がなく、車輪の車輪径やフランジ部幅、フランジ部角等の、車輪の形状に関する所定の計測項目と共に画像処理によってバックゲージを計測することができる車輪形状計測装置及び車輪形状計測装置における座標変換テーブル作成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の実施形態の第１の特徴は、レール上を通過する左右の車輪の外側から前記車輪の踏面に対し所定の仰角方向を向けそれぞれ設置され、前記各車輪の踏面にレーザ線条光を送信する踏面外側レーザ光送信部と、前記レール上を通過する左右の車輪の各内側から前記車輪の踏面に対し前記所定の仰角方向を向けそれぞれ設置され、各車輪の基準溝およびフランジ部に踏面外側レーザ光と同一平面になるレーザ線条光を送信する踏面内側レーザ光送信部と、車輪踏面からの正反射光を取得し、レーザ線条光が車輪の中心時に検知するレーザ光受信部と、前記各車輪の外側から前記車輪の踏面に対し前記所定の仰角方向を向け設置され、前記レーザ線条光が前記踏面外側レーザ光送信部および前記踏面内側レーザ光送信部から前記車輪の径中心に向かい送信され、車輪踏面からの正反射光を取得した受光器が検知信号を送信した時点で、前記車輪の踏面外側画像をそれぞれ撮影する踏面外側カメラおよび前記車輪の基準溝およびフランジ部を含む踏面内側画像をそれぞれ撮影する踏面内側カメラと、外側レーザ線条光および内側レーザ線条光がおりなすレーザ照射平面上の空間座標と前記各踏面外側カメラ及び前記各踏面内側カメラが撮影した各画像データとの対応関係を予め座標変換テーブルとして記憶する座標変換テーブル記憶部と、前記踏面外側カメラと前記踏面内側カメラが撮影した前記車輪の照射部位の各画像から、光切断面の点群を抽出し、抽出した点群座標を前記座標変換テーブル上の値に近似し、得られた各近似データから車輪踏面における照射部位の光切断面におけるプロフィール画像を生成する画像処理部と、前記画像処理部で生成されたプロフィール画像に基づいて前記車輪の形状に関する所定の計測項目を計測する車輪形状計測部と、を有する車輪形状計測装置である。

また、実施形態の第２の特徴は、既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用の表示体をレール上に配置されたホルダに取り付けて、地上面に設置された踏面外側レーザ光送信部及び踏面内側レーザ光送信部から所定の照射方向のレーザ線条光を照射し、前記表示体とレーザ照射平面を同一平面になるよう、レーザ光軸を調整する工程と、レーザ照射平面上に設置された踏面外側カメラ及び踏面内側カメラにより前記表示体を撮影する工程と、前記各カメラにより前記表示体を撮影して得られた各カメラ撮影画像を画像処理して基準模様群の座標データと前記基準座標抽出手段で抽出されたカメラ上の座標データとの対応関係を示す座標変換テーブルを作成する工程と、前記ホルダから前記表示体を取り外して、車輪の踏面形状を模した寸法既知のスライス車輪片を寸法既知の車輪間バックゲージの位置に取り付け、前記踏面外側レーザ光送信部及び踏面内側レーザ光送信部から前記スライス車輪片に対して前記所定の照射方向のレーザ線条光を照射して前記各カメラにより前記スライス車輪片の照射部位の光切断面を撮影し、得られたカメラ撮影画像を画像処理し、前記座標変換テーブルを用いて座標変換されたデータが正しく計測できるか否かを確認する工程と、前記スライス車輪片の照射部位の光切断面の車輪内面の位置よりバックゲージが正しく計測できるか否かを確認する工程と、を有する車輪形状計測装置における座標変換テーブル作成方法である。

車輪形状計測装置の全体を示す説明図である。 車輪の形状に関する所定の計測項目とその判定基準の一例を示す図である。 図２に示す車輪の形状に関する所定の計測項目の判定基準の一例を示す説明図である。 右車輪を上方から見た場合における車輪形状計測装置のカメラやセンサの配置等の一例を示す説明図である。 右車輪をその内側下方から見た場合における車輪形状計測装置のカメラやセンサの配置等の一例を示す説明図である。 径の異なる２種類の車輪（大径、小径）と、仰角ηとの関係を示す説明図である。 車輪形状計測装置の動作例を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｄ）は、車輪形状計測装置における各センサやカメラの動作タイミングを示すタイミングチャートである。 車輪形状計測装置のレーザ光受信部における受信レベルの一例を示す説明図である。 画像処理部による踏面外側画像と、踏面内側画像との合成画像の一例を示す説明図である。 車輪形状計測部による合成画像に基づく計測処理の手順の一例を示す説明図である。 車輪形状計測装置を座標変換テーブル作成に使用した場合の構成例を示すブロック図である。 座標変換テーブル作成用印刷表示板の配置構成を示す説明図である。 座標変換テーブル作成処理で使用されるホルダの構成説明図である。 座標変換テーブル作成用印刷表示板における表示面の構成を示す説明図である。 座標変換テーブル作成処理における表示板の配置と校正処理におけるスライス車輪片の配置構成を示す説明図である。 処理手順を示すフローチャートであり、（ａ）は座標変換テーブル取得処理、（ｂ）は座標変換テーブルを用いた形状取得処理を示す。 表示面とカメラ画像とを並べた説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。 基準模様の基準点αと、カメラ画像での基準模様のカメラ画像基準点Αの位置を示した説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。 基準点間を格子状に結んだ説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。 表示面とカメラ画像の基準点間との関係を示す説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。 表示面基準点αとカメラ画像の基準点Αとの対応を表した座標変換テーブル２２を示す構成図である。 基準模様間のピッチを短くした座標変換テーブル２２を作成する説明図である。 被測定物にレーザ線条光を照射して照射カメラで撮影したカメラ画像の一例を示す説明図である。 図２４の撮影画像のレーザ軌跡をライン処理し、線上の輝度の高い点群を抽出して点の集合体にすることを示す説明図である。 抽出した点の座標をカメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの座標のいずれか最も近い点に置換する様子を示した説明図である。 座標テーブルによりデータを変換する状態を示す説明図である。 車輪形状計測処理の全体を示す説明図である。 校正処理の概要を示す説明図である。 校正処理に使用されるスライス車輪片を示す説明図である。 外側プロフィール画像と内側プロフィール画像とを合成する際の頂点合わせ法の説明図である。 外側プロフィール画像と内側プロフィール画像とを合成する際の共通部合わせ法の説明図である。 アタック角がない場合のバックゲージＢＧ計測の説明図である。 スライス車輪片を用いたバックゲージ計測の説明図である。 アタック角が存在する場合における車輪上の位置関係を示す説明図である。 アタック角が存在する場合のバックゲージＢＧの補正を示す説明図である。 アタック角が存在する場合のバックゲージＢＧ測定の説明図である。

始めに、本発明が適用される車輪形状計測装置の構成及びその作用効果について説明する。図１は、車輪形状計測装置１Ａの構成例を示すブロック図である。

図１において、車輪形状計測装置１Ａは、列車の右左の車輪１０ａ，１０ｂ毎に、それぞれ、外側通過センサ１１ａ，１１ｂ、内側通過センサ１２ａ，１２ｂ、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂ、レーザ光受信部１４ａ，１４ｂ、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂ、踏面内側レーザ光照射部１６ａ，１６ｂ、踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂを有すると共に、画像処理部１８、車輪形状計測部１９、外部Ｉ／Ｆ部２０と等を有する。

外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂは、それぞれ、列車の右左車輪１０ａ，１０ｂの両側に設けられ、車輪１０ａ，１０ｂの通過を検出する。

踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂは、レーザ光送信部および踏面外側レーザ光送信部として機能するもので、後述するように、それぞれ、列車の右左車輪１０ａ，１０ｂそれぞれの外側から、図２に示すように、車輪１０ａ（１０ｂ）の踏面１１０ａ（１１０ｂ）と、フランジ部１２０ａ（１２０ｂ）とに向かい、所定の仰角η方向で、光切断法による形状計測のためのスリットレーザ光としてレーザ線条光を送信する。ここで、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂは、照射するレーザ線条光を、光切断法による形状計測のためのレーザ線条光として使用するだけでなく、車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂ等に対し所定の仰角η方向で車輪の径中心を検出するための中心検出信号として送信する。なお、照射するレーザ線条光を中心検出信号として送信するレーザ光送信部としての機能を、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂではなく、踏面内側レーザ１６ａ，１６ｂに持たせるようにしても良い。

レーザ光受信部１４ａ，１４ｂは、中心検出信号受信部として機能するもので、それぞれ、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂが送信し車輪１０ａ，１０ｂそれぞれの踏面１１０ａ，１１０ｂにより反射され、前記所定の仰角η方向から入射するレーザ線条光を受信する。

踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂは、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の電子カメラであり、それぞれ、所定の仰角η方向で列車の車輪１０ａ，１０ｂそれぞれの外側から車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂやフランジ部１２０ａ，１２０ｂ等を含む踏面外側画像を、車輪１０ａ，１０ｂの外側から撮影する。

踏面内側レーザ光照射部１６ａ，１６ｂは、踏面内側レーザ光送信部として機能するもので、それぞれ、列車の右左車輪１０ａ，１０ｂそれぞれの内側から、踏面１１０ａ，１１０ｂに向け、所定の仰角η方向に、光切断法による形状計測のためのスリットレーザ光としてレーザ線条光を送信する。

踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂは、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の電子カメラであり、それぞれ、所定の仰角η方向で列車の車輪１０ａ，１０ｂそれぞれの内側のフランジ部１２０ａ，１２０ｂや基準溝１３０ａ，１３０ｂ等を含む踏面内側画像を、車輪１０ａ，１０ｂの内側から撮影する。

画像処理部１８は、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂが撮影した踏面外側画像と、踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂが撮影した踏面内側画像とを画像処理および画像合成して、踏面１１０ａ，１１０ｂ、フランジ部１２０ａ，１２０ｂ、基準溝１３０ａ，１３０ｂ等を含む合成画像を生成する。

車輪形状計測部１９は、画像処理部１８が画像処理および合成して得た合成画像に基づいて、車輪１０ａ，１０ｂの形状に関する、後述する所定の計測項目を計測する。

外部Ｉ／Ｆ部２０は、車輪形状計測部１９が計測した車輪１０ａ，１０ｂの形状に関する、後述する所定の計測項目を、外部の監視装置等や、表示装置、印刷装置、データベース等の外部装置に出力し通信する。

図２は、車輪形状計測部１９が計測する列車の右車輪１０ａの踏面を含む下側部分を、列車正面（列車前方）から見た場合の正面図であり（左車輪１０ｂについても、右車輪１０ａと同様であるが、図示は省略する。）、図３は、車輪形状計測部１９が計測する計測項目とその判定基準の一例を示している。

まず、図２に示すように、右車輪１０ａでは、レールに接触する面を踏面１１０ａ、レールから外れないように踏面１１０ａより高くなっている部分をフランジ部１２０ａ、車輪１０ａ，１０ｂの内側面に形成された溝を基準溝１３０ａという。

そして、図３に示すように、車輪形状計測装置１Ａの車輪形状計測部１９による計測項目には、例えば、車輪１の車輪径（大車輪径）Ｄと、車輪径（小車輪径）Ｄと、バックゲージＢＧと、フランジ厚さＦと、フランジ部高さＨと、フランジ部角度θと、フランジ部先端寸法（直接摩耗限度）Ｓ等があり、それぞれ判定基準が予め決められている。

例えば、車輪１の車輪径Ｄが大車輪径であるときの判断基準は８６５ｍｍ〜７８０ｍｍ、車輪径Ｄが小車輪径であるときの判断基準は７６５ｍｍ〜６８０ｍｍである。また、フランジ厚さＦの判定基準は２２．５ｍｍ〜２８．５ｍｍ、フランジ部高さＨの判定基準は２５．０ｍｍ〜３５．０ｍｍ、フランジ部角度θの判定基準は２７．０度以上、フランジ部先端寸法（直接摩耗限度）Ｓの判定基準は７．０ｍｍ以下等と決められている。

図４は、右車輪１０ａを上方から見た場合における車輪形状計測装置１Ａのカメラやセンサの配置等の一例を示す説明図である。

なお、図４は、列車の右車輪１０ａを上方から見た場合の正面図である。なお、左車輪１０ｂについても同様に配置されている。

図４において、矢印３０は、列車の右車輪１０ａの進行方向を示している。

列車の右車輪１０ａの両側には、外側通過センサ１１ａと、内側通過センサ１２ａとが、対向するように設けられている。

そして、外側通過センサ１１ａと、内側通過センサ１２ａの進行方向側には、踏面外側カメラ１５ａ，踏面内側カメラ１７ａ，踏面外側レーザ光照射部１３ａ，レーザ光受信部１４ａ，踏面内側レーザ光照射部１６ａが、図４に示すような位置および水平角度で設けられている。

図５は、右車輪１０ａをその内側下方から見た場合における車輪形状計測装置１Ａのカメラやセンサの配置等の一例を示す説明図である。なお、左車輪１０ｂについても同様に配置されている。

ここで、図５では、説明の便宜上、外側通過センサ１１ａと、内側通過センサ１２ａとは、省略しているが、本来は、存在している。

図５に示すように、車輪形状計測装置１Ａの踏面外側レーザ光照射部１３ａ、レーザ光受信部１４ａ、踏面外側カメラ１５ａ、踏面内側レーザ光照射部１６ａ、踏面内側カメラ１７ａは、全て、右車輪１０ａの径中心１４０ａに向け、所定の仰角ηの方向で取り付けられている。

その際、レール上を列車が走行して来て、踏面外側レーザ光照射部１３ａから所定の仰角ηで照射されたレーザ線条光が、車輪１０ａの径中心に向いたときに、車輪の踏面１１０ａ等にて反射されたレーザ線条光が、レーザ光受信部１４ａに所定の仰角ηで入射するように，レーザ光受信部１４ａの角度および位置を設定して設置する。

図６は、径の異なる２種類の車輪（大径、小径）と、仰角ηとの関係を示す説明図である。

図６において、レーザ光照射部またはカメラの位置を（ｘ，ｚ）とおき、車輪（小径）の径中心座標を、（φ／（２ｔａｎη），φ／２）とおくと、
ｘ（＝Ｌ＝（φ／（２ｔａｎη））―φｃｏｓη／２）
ｚ（＝Ｌｔａｎη＝（φ／２）―φｓｉｎη／２）
となる。仰角ηが小さい程、２種類の車輪（大径、小径）のレーザ位置が離れることがわかる。

ここで、車輪（大径）の直径を８６２ｍｍ、車輪（小径）の直径を７６２ｍｍ、仰角ηを３０度とした場合、２種類の車輪（大径、小径）は、それぞれ、ｘ軸方向に４３．３ｍｍ、２５ｍｍずれることになる。また、車輪（大径）の直径を８６２ｍｍ、車輪（小径）の直径を７６２ｍｍ、仰角ηを６０度とした場合、２種類の車輪（大径、小径）は、それぞれ、ｘ軸方向に３．９ｍｍ、６．７ｍｍずれることになる。

このように、仰角ηが６０度では、仰角ηが３０度の場合と比べ、被写体深度が浅く、ボケが少ない。ボケが少ないほど画像処理における精度が向上するが、仰角ηをさらに増やしていくとレールが邪魔になり、車輪の踏面が見えにくくなる。そのため、仰角ηはこれらを考慮した値としている。

次に、車輪形状計測装置１Ａの動作について、フローチャートおよびタイミングチャートを参照して説明する。

図７は、車輪形状計測装置１Ａの動作例を示すフローチャートである。

図８（ａ）〜（ｄ）は、車輪形状計測装置１Ａにおける各センサやカメラの動作タイミングを示すタイミングチャートである。

まず、図８（ａ）に示すように、車輪１０ａ，１０ｂがそれぞれ外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂの間に入ると、外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂはオンし、車輪１０ａ，１０ｂが外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂの間を過ぎると、外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂはオフする（ステップＳ１）。

なお、図８（ａ）では、外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂのオン・オフ周期を、Ｔｗとしている。

外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂがオンになると、車輪検出信号を、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂに出力する。

また、外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂがオンになると、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂは、図８（ｂ）に示すように、外側通過センサ１１ａ，１１ｂおよび内側通過センサ１２ａ，１２ｂのオンの間、レーザ線条光を、各レーザ線条光が作成する面が同一面になるように、車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂに対し、所定の仰角ηで照射する（ステップＳ２）。

レーザ光受信部１４ａ，１４ｂは、車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂから反射される踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂからのレーザ光を受信すると（ステップＳ３）、中心検出信号受信部として機能して、そのレーザ光の受信レベルが、図９（ａ）に示すように、所定のスレショルドレベルＲｓ以上に上がるか否か、すなわちピーク点を過ぎるか否かを判断する（ステップＳ４）。

そして、レーザ光受信部１４ａ，１４ｂは、車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂから反射される、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂからのレーザ光が、所定のスレショルドレベルＲｓ以上に上がると（ステップＳ４“ＹＥＳ”）、レーザ光の受信レベルがピーク点を過ぎ、中心検出信号としても機能させているレーザ光の照射方向線上に、車輪１０ａ，１０ｂの径中心１４０ａ，１４０ｂが来たものと判断して、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂ、踏面内側レーザ光照射部１６ａ，１６ｂ、および踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂに対し動作開始信号を出力する（ステップＳ５）。

つまり、図５等に示すように、中心検出信号送信部としての踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂ、および中心検出信号受信部としてのレーザ光受信部１４ａ，１４ｂの双方は、車輪１０ａ，１０ｂの径中心１４０ａ，１４０ｂに向けて仰角ηにて設置されているので、レーザ光受信部１４ａ，１４ｂにレベルＲｓを超える反射光が受信されたということは、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂ等の仰角ηの延長線上に車輪１０ａ，１０ｂの径中心が位置して、入射光の仰角ηと同角度で反射光が反射され、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂからのレーザ光が車輪１０ａ，１０ｂの径中心１４０ａ，１４０ｂに向けて照射されたということになる。

ただし、厳密に言うと、車輪中心位置と、受信レベルが所定のスレショルドレベルＲｓ以上となる位置とは必ずしも一致しない。すなわち、中心検出信号受信部には、車輪中心位置からの光のみならず、中心からずれた光も入射しているので、一定の広がりを持った光が入射されることとなる。このため、図９（ｂ１）に示すように、中心位置からｄだけずれたなだらかな山形の波となってしまう。山の波形を急峻にすれば、中心ずれｄを０に近づける、つまり中心を捉えることができる。そこで、受信センサである中心検出信号受信部の受光端近傍にスリットを設け、中心からずれた入射光をカットすることで、山の波形が急峻になり、図９（ｂ２）に示すように、中心ずれｄを０に近づけることが可能となる。スリット幅を絞ることにより、計測誤差が図３に示すような仕様範囲内になる。

レーザ光が車輪１０ａ，１０ｂの径中心１４０ａ，１４０ｂに向けて照射されると、踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂからのレーザ線条光だけでなく、踏面内側レーザ光照射部１６ａ，１６ｂからのレーザ線条光も、各レーザ線条光が作成する面と同一面になるように、車輪１０ａ，１０ｂの径中心１４０ａ，１４０ｂに向けて照射され、車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂやフランジ部１２０ａ，１２０ｂ等にて反射される。

そして、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂおよび踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂは、その動作開始信号の入力によりシャッタを下ろし、車輪１０ａ，１０ｂの径中心１４０ａ，１４０ｂに向かって所定の仰角ηにて、車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂやフランジ部１２０ａ，１２０ｂ等およびそれらに映るレーザ線条光を所定の露光時間Ｔｓだけ撮影する（ステップＳ６）。

つまり、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂおよび踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂは、レーザ光受信部１４ａ，１４ｂからの動作開始信号に基づき、図８（ｄ）に示すように、所定の時間Ｔｓだけ露光し，レーザ線条光が照射されている、それぞれの撮影部位を撮影する。

そして、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂおよび踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂは、所定の露光（撮影）時間Ｔｓの間、連続撮影した画像を、画像処理部１８へ出力する。

なお、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂが撮影する画像は、後述する図１０に示すように、少なくとも車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂ、フランジ部１２０ａ，１２０ｂ等を含む踏面外側画像であるのに対し、踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂが撮影する画像は、少なくとも車輪１０ａ，１０ｂの基準溝１３０ａ，１３０ｂやフランジ部１２０ａ，１２０ｂの内側面側等を含む踏面内側画像である。ただし、これは、あくまで一例であり、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂだけでも、踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂだけでも良いし、これらのカメラが撮影する撮影部位も任意である。

画像処理部１８では、踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂおよび踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂからの所定の露光（撮影）時間Ｔｓの間、連続撮影された踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂからの踏面外側画像と、踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂからの踏面内側画像とを入力すると、図１０に示すように、入力した踏面外側画像と踏面内側画像とについて所定の画像処理、例えば、レーザ線条光の照射部位のみ画像をトリミング処理等し、その後合成して、少なくとも車輪１０ａ，１０ｂの踏面１１０ａ，１１０ｂからフランジ部１２０ａ，１２０ｂ、基準溝１３０ａ，１３０ｂ等が写った合成画像を生成する（ステップＳ７）。

すなわち、画像処理部１８では、踏面外側カメラ１５ａおよび踏面内側カメラ１７ａが撮影した踏面外側画像１５ａ１（図１０（ａ））と、踏面内側画像１７ａ１（図１０（ｂ））とを入力して合成し、合成画像１５０を生成する（図１０（ｃ））。なお、図１０は、一例として右車輪１０ａについての画像合成を示しているが、左車輪１０ｂについても同様である。

次に、後述するプロフィール微調整処理を実行した後（ステップＳ８）、車輪形状計測部１９は、画像処理部１８によって合成された合成画像を参照して、図１１に示すように、車輪１０ａ，１０ｂの形状に関する所定の各計測項目（図３参照）について計測を行い（ステップＳ９）、必要あれば、外部Ｉ／Ｆ部２０を介して、車輪形状計測部１９が計測した車輪１０ａ，１０ｂの形状に関する所定の計測項目を、外部の監視装置等や、表示装置、印刷装置、データベース等の外部装置に出力する。

また、合成画像が生成される（ステップＳ７）と、後述するバックゲージ計測処理が実行される（ステップＳ１０Ａ，Ｓ１０Ｂ）
図１１は、車輪形状計測部１９による合成画像に基づく計測処理の手順の一例を示す説明図である。

なお、図１１は、例えば、右車輪１０ａの合成画像を示しており、左車輪１０ｂの合成画像についても同様に所定の各計測項目について計測が行われる。所定の各計測項目については、図３に示す所定の各計測項目と同じである。

図１１において、右車輪１０ａのフランジ部１２０ａの頂点をＰ１、頂点Ｐ１から基準溝１３０ａまでの距離をＣとする。また、基準溝１３０ａ側の内側面からＢ（６２ｍｍ）だけ外側へ移動した、車輪プロフィール（形状）ラインの踏面１１０ａとの交点をＰ３とする。そして、Ｐ３から車輪１０ａ，１０ｂ内側に向け直線を引いたときの車輪プロフィール（形状）ラインとの交点をＰ２とする。

すると、Ｐ１とＰ２との高低差が、フランジ部高さＨ（図２、図３参照）となる。

また、Ｐ３（踏面）から１３ｍｍ下げた点をＰ４とし、Ｐ４とＰ２との図上水平方向の差がフランジ厚さＦ（図２、図３参照）となる。

また、Ｐ４における接線と、基準溝１３０ａが形成された内側面との延長線との角度を、フランジ部角θ（図２、図３参照）として求める。

ここで、フランジ部１２０ａの曲面がＰ４を通る接線から離れる点を、Ｐ５とする。フランジ部１２０ａの頂点Ｐ１と、Ｐ５との差が、フランジ部先端寸法（直立摩耗度限度）Ｓ（図２、図３参照）となる。

また、車輪形状計測部１９は、車輪１０ａの径中心１４０ａから基準溝１３０ａまでの距離である基準溝径と、（Ｃ−Ｈ）とを加算して車輪径Ｄ（図２、図３参照）を求め、さらに、車輪１０ａの内側面のプロフィールより、バックゲージＢＧ（図２、図３参照）等を求める。

以上が車輪形状計測装置１Ａの構成、及び作用効果である。次に、座標変換テーブルの作成処理と、この座標変換テーブルを使用した車輪形状計測について説明する。

＜座標変換テーブルの作成＞
図１２は、図１に示した車輪形状計測装置１Ａを座標変換テーブル作成に使用した場合のブロック図を示している。なお、車輪形状計測装置１Ａを座標変換テーブル作成に使用した図１２においては、便宜上、レーザ線条光照射部を２３、カメラを２４として記載しているが、レーザ線条光照射部２３は、図１における踏面外側レーザ光照射部１３ａ，１３ｂ及び踏面内側レーザ光照射部１６ａ，１６ｂを示し、カメラ２４は、図１における踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂ及び踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂを示している。

図１２に示すように、車輪計測計測装置１Ａは、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６０にレーザ線条光を照射するレーザ線条光照射部２３と、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６０を撮影するカメラ２４と、画像処理部１８と、車輪形状計測部１９を備えている。

レーザ線条光照射部２３は、図１３に示すように、被測定物である右車輪１０ａ（左車輪１０ｂ）の表面にレーザ線条光を照射し、光切断法により車輪踏面の光切断面形状を測定する。また、座標変換テーブル作成時には、車輪の中心Ｃ１（小輪の中心、Ｃ２は大輪の中心）位置に向けて所定の仰角ηでレーザ線条光が向くよう、かつレーザ照射面と同一平面に位置するように座標変換テーブル作成用印刷表示板１６０を置き、この座標変換テーブル作成用印刷表示板１６０の表示面１６１に向けてレーザ線条光照射部２３からレーザ線条光１２２を照射する。なお、１６２は表示板１６０を取り付けるホルダ（後述する）である。

カメラ２４は、車輪踏面を撮像する踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂ、踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂであるが、座標変換テーブル作成時には、表示板１６０の表示面１６１を撮影する。また、座標変換テーブル作成時には、所定の位置に置かれた座標変換テーブル作成用印刷表示板１６０を撮影する。表示板１６０の撮像データは座標変換テーブルの作成に使用される。

画像処理部１８は、基準座標抽出プログラムで構成される基準座標抽出手段１８１と、座標細分化プログラムで構成される座標細分化手段１８２と、座標変換テーブル２２と、ライン処理プログラムで構成されるライン処理手段１８３と、近似処理プログラムで構成される近似処理手段１８４と、バックゲージ計測プログラムで構成されるバックゲージ計測処理部１８５とを有し、座標変換テーブル２２を作成すると共に、作成された座標変換テーブル２２を用いて車輪踏面の形状、及びバックゲージを計測する。

基準座標抽出手段１８１は、カメラ２４で表示板１６０の表示面１６１を撮影し、カメラ２４からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出する。座標細分化手段１８２は、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すためのものである。カメラ２４でレーザ線条光照射部２３から照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル２２にて変換し、車輪踏面の光切断面の光切断面形状を求めるものである。バックゲージ計測処理部１８５は、カメラ２４（各踏面外側カメラ１５ａ，１５ｂ及び前記各踏面内側カメラ１７ａ，１７ｂ）が撮影した車輪の照射部位の画像を座標変換テーブルを用いて座標変換して得られた画像データから左右の車輪間の距離をバックゲージＢＧとして求める。

表示板１６０は、座標変換テーブル作成用印刷表示板である。この座標変換テーブル作成用印刷表示板１６０の表面には、図１５に示すように、矩形の表示面１６１が設けられ、この表示面１６１には、例えば、１ｍｍ間隔で縦横１００×１００個の基準模様１６１ａから成る基準模様群１６１ａａが形成されている。

この表示板１６０は図１３、図１６に示すように、左右の各車輪が通過するレール上において所定の仰角η方向に向けて配置されたホルダ１６２に取り付けられている。

ホルダ１６２は、図１４に示すように、額縁状の外枠１６３に表示板１６０を取り付けるものである。外枠１６３は、表示板１６０の表示面１６１との間に間隔が１ｍｍ程度のスリット１６４が形成されるように、移動可能になっている。例えば、楔状の部材を外枠１６３と表示面１６１の間に挟み込むことでスリット１６４を形成することができる。このスリット１６４をレーザ線条光１２２が通過することで、表示面１６１とレーザ平面とが同一平面となるように位置決めが確定される。外枠１６３は取付板１６５によって背面を支持され、図１３に示すように、取付板１６５を介してレール２６ａ（２６ｂ）上に設置された台座１６６に所定の仰角ηで取り付けられる。

≪座標変換テーブル取得処理≫
図１７（ａ）は座標変換テーブルを取得するフローチャート、図１７（ｂ）は形状計測のフローチャートである。

図１７（ａ）における座標変換テーブル取得処理では、左右のレール上に設けられたホルダ１６２に表示板１６０を取り付け、位置決めを確定させた後、表示板１６０の表示面１６１に形成された基準模様群１６１ａａをカメラ２４で撮影する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。次いで、撮影画像上の基準模様群１６１ａａの中心点群（基準点群）の座標を取得する（ステップＳ１３）。そして、基準模様の基準点αと、カメラ画像基準点Αの座標を座標変換テーブル２２に登録する（ステップＳ１４）。次いで、座標変換テーブル２２を座標細分化手段１８２の細分化プログラムによって座標を細分化する（ステップＳ１５）。細分化されたテーブルは座標変換テーブル２２として登録される（ステップＳ１６）。

次に、座標変換テーブル２２の作成処理の各ステップを詳述する。

ステップＳ１１の処理では、図１３、図１６に示すように、左右のレール上に設けられたホルダ１６２に表示板１６０を取り付ける（ステップＳ１１）。ホルダ１６２の外枠１６３を移動させて１ｍｍ程度のスリットを形成し、この状態でホルダ１６２を台座１６６に所定の仰角ηを向くように取り付ける。そして、スリット１６４にレーザ線条光１２２を通過させて位置決めを確定させる。これにより、表示面１６１とレーザ線条光１２２は同一平面となり、この位置で、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６０の表示面１６１に形成された基準模様群１６１ａａをカメラ２４で撮影する。

図１８は、表示面１６１とこの表示面１６１のカメラ画像とを並べたものであり、図１８（ａ）は表示面、図１８（ｂ）は表示面を撮影したカメラ画像を示す。

また、図１９（ａ）に示すように、基準模様１６１ａの基準点αは、カメラ画像では、図１９（ｂ）に示すように、基準模様１１１ａのカメラ画像基準点Αとなる。カメラ画像基準点Αは、例えば、基準模様１１１ａを楕円とみなし、楕円の２焦点間の中点とする。

図２０は、基準点間を格子状に結んだ説明図である。図２０（ａ）は表示面、図２０（ｂ）はカメラ画像である。図２０（ａ）に示す表示面の基準点αと図２０（ｂ）に示すカメラ画像の基準点Αとは、図２１に示すような１対１の関係になる。すなわち、表示面の基準点αは、カメラ画像上の基準点Αに映る。α１１はΑ１１に、α１２はΑ１２に、αｍｎはΑｍｎ（ｍ、ｎは自然数）に対応しており、それぞれ１点につき、対応する点は唯一の1点であり、一意的に決まる。逆に、あるカメラ基準点Αｍｎは、表示面の唯一の点αｍｎに対応する。すなわち、表示板１６０を外し、被測定物を設置し、あるカメラ基準点Αｍｎが光っている場合、それに対応する基準点αｍｎの位置に被測定物が存在していることを意味している。

このようにして、表示面基準点αとカメラ画像の基準点Αとの対応を示す座標関係をテーブル化して、図２２に示すような座標変換テーブル２２が作成される。なお、表示面の基準点間のピッチは任意に変えることが可能であり、図２３に示すように、基準模様間のピッチを短くして、座標変換テーブル２２を作成することが可能である。

≪形状計測処理≫
図１７（ｂ）に示す“形状計測処理”においては、先ず、車輪踏面にレーザ線条光１２２を照射してカメラ２４で撮影し（ステップＳ２１）、撮影画像のレーザ軌跡をライン処理し、ラインを点の集合対として点群座標データを取得する（ステップＳ２２）。点群座標データを座標変換テーブル２２の変換座標に近似する（ステップＳ２３）。座標変換テーブル２２を用いて座標変換、光切断形状を取得し（ステップＳ２４）、形状計測データを出力する（ステップＳ２５）。

次に、上述のようにして作成された座標変換テーブル２２を用いて、車輪踏面を撮影してカメラ画像を所得してから形状測定データを得るまでの処理を具体的に説明する。

車輪踏面にレーザ線条光１２２を照射し、カメラ２４で撮影したカメラ画像を得る。ここでは、便宜上、円状部分を撮影したカメラ画像について図２４以下の図面で説明する。図２５は、カメラ画像のレーザ軌跡をライン処理して、線上の輝度の高い点群を抽出し、点の集合体にすることを示している（ステップＳ２２）。同図（ｂ）はその拡大表示の一例である。カメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈ点間の領域に、抽出した点１１１１ａがあることが理解できる。

図２６は、ステップＳ２３に示すように、抽出した点１１１１ａの座標とカメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの座標より、カメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈとの距離を比較し、いずれかに最も近い点に置換する様子を示した説明図である。

例えば、１１１１ａのある点をΒ₁（ｘ₁,ｙ₁）、Ｅ点の座標を（Ｘ_Ｅ,Ｙ_Ｅ）とすると、１１１１ａとＥ点の距離は、

となる。同様にＦ点の座標を（Ｘ_Ｆ,Ｙ_Ｆ）、Ｇ点の座標を（Ｘ_Ｇ,Ｙ_Ｇ）、Ｈ点の座標を（Ｘ_Ｈ,Ｙ_Ｈ）とすると、

となる。

そして、式(１)、(２)、(３)、(４)の中で最小値になる点に近似、置換する。つまり例えば、

が最小値であれば、点Β₁は、Ｅ点に置換される。

図２７は、ステップＳ２４の処理において、前述のようにして置換した座標を座標変換テーブル２２で変換した結果を示しており、実際の車輪踏面の光断面形状を近似し、求めたものである。誤差は、理論上、基準点間のピッチを小さくするほど、高精細に光断面形状を計測し、計測データを取得することができる（ステップＳ２５）。図２８は、以上の車輪形状計測処理の全体手順の概略を示したものである。

≪スライス車輪片を用いた校正処理≫
上述のようにして作成された座標変換テーブル２２を用いて実際の形状計測処理を実行するに際しては、スライス車輪片を用いた校正処理を実行する必要がある。この校正処理は、左右のカメラで撮像された画像を座標変換テーブル２２を用いて合成する場合に正確に合成できるかどうかを判断するための処理である。

カメラ画像から得られた外側プロフィール画像と内側プロフィール画像とを重ね合わせたプロフィール画像から正確な車輪形状計測画像を得られるのが望ましい。しかし、左右のカメラで撮像された画像を座標変換テーブル２２を用いて合成する場合、テーブルデータを取得する際の、部材の位置精度等から必ずしも実際の車輪形状を正確に測定できるとは限らないので、実際の運用の前に校正処理を実行する。

この校正処理では、図１６（ｃ）、図２９に示すように、ホルダ１６２から表示板１６０を取り外して、車輪の踏面形状を模した寸法既知のスライス車輪片１６７を取り付ける。スライス車輪片１６７は、図３０（ａ）の平面図、同（ｂ）の斜視図に示すように、車輪形状を模して平板状に形成されたものであり、その寸法も図２に示したような実際の車輪寸法と同一に形成されている。

すなわち、図３０に示すスライス車輪片１６７は正しく計測できるかを確認するためのアイテムであり、あらかじめ寸法計測されたスライス車輪片１６７を本装置で測定して、その差が許容値に入っているかを確かめる。確認しないで運用した場合、座標変換が正しければ、結果的にはなんら問題はないものの、正しいと確認していない計測装置を運用するため、この装置が正しく計測しているかは未確認であり、校正としては未完成なものとなる。そこで、スライス車輪片１６７の形状および寸法（フランジ厚さ、フランジ高さ、フランジ角度、車輪幅、車輪径）を測り、既データと比較しておくことにより、座標変換テーブル２２を用いて合成画像を得た場合でもこれを修正することができる。これにより、合成画像上で生じる両画像が正確に重ならない部分が生じてしまうのを未然に防止することが可能となる。

具体的な測定方法としては、レーザ線条光照射部を２３（踏面外側レーザ光送信部及び踏面内側レーザ光送信部）からスライス車輪片１６７に対して所定の照射方向のレーザ線条光を照射して各カメラ２４（踏面外側カメラ及び踏面内側カメラ）によりスライス車輪片１６７を撮影する。得られたカメラ撮影画像を座標変換テーブル２２を用いて座標変換してプロフィール画像を得るが、その際、正しく形状計測できるか否かを確認する。

また、踏面外側プロフィール画像と踏面内側プロフィール画像とを合成して合成画像を生成する手法としては、図３１に示す頂点合わせ法と図３２に示す共通部分合わせ法がある。

図３１に示すように、（ａ）の踏面外側プロフィール画像と（ｂ）の踏面内側プロフィール画像とを合成して（ｃ）の合成画像を生成する際、合成前のプロフィール画像が傾斜している場合がある。例えば、図３１（ａ）に示すように、直線部Ｌ１がＱ１だけ傾斜した外側プロフィール画像と、同図（ｂ）に示すように、直線部Ｌ２に対してＱ２だけ傾斜した内側プロフィール画像を合成する場合、同図（ｃ）、（ｄ）に示すように、夫々の画像をＱ１、Ｑ２だけ回転させた後、両画像を同図（ｅ）に示すように合成する。しかし、同図（ｅ）から理解できるように、座標変換時の近似による誤差などにより、図中破線円で示すように、両画像の重ね合わせ部分が正確に重ならないことがある。重なっていない部分は、例えば、その平均の位置にプロットすることやスムージング、不要部分をカットするなどの微調整処理を行い、プロフィールを求める。

図３２は、図３１（ａ）〜（ｂ）に示すような傾斜された画像を回転させた後、図３２（ａ）に示す踏面外側プロフィール画像と、図３２（ｂ）に示す踏面内側プロフィール画像とを合成して図３２（ｃ）に示す合成画像を生成する際に、両画像の共通部分を合わせて合成画像を形成する例を示している。この場合も共通部分を重ね合わせた際に、座標変換時の近似による誤差などにより、図中破線円で示すように、両画像が正確に重ならない部分が生じてしまうことがある。重なっていない部分は、例えば、重なっていない１６１１ｘ座標（図２８のレーザ平面を参照）の同一座標の２点は、１６１１ｙ座標（図２８のレーザ平面を参照）の点間の中点の位置としてプロットする、また、不要部分をカットするなどの手法を用いて微調整処理を行い、プロフィールを求める。

しかし、本装置は、車輪形状を正しく計測できることを確認していない。

そこで、予め既知の形状寸法を持つスライス車輪片１６７を用いて正しく計測できるか確認しておき、本装置が正しく計測できることを確認する。確認しないで運用した場合、座標変換が正しければ、結果的にはなんら問題はないものの、正しいと確認していない計測装置であるため、この装置が正しく計測しているかは未確認であり、校正としては未完成なものとなる。そこで、スライス車輪片１６７の形状および寸法（フランジ厚さ、フランジ高さ、フランジ角度、車輪幅、車輪径）を測り、既データと比較し、誤差範囲であることを確認する。もし、誤差範囲外であれば、微調整処理に用いた手法やパラメータを修正し、適切な手法を求める。

＜バックゲージの計測処理＞
≪アタック角ψがある場合のバックゲージ測定処理≫
経年劣化等に起因して車輪が垂直方法に対して傾斜して走行する場合がある。この垂直方向に対して傾斜している角度を“アタック角”と称している。

バックゲージＢＧの測定では、左右のレーザは、同一平面に設置し、左右同一タイミングでレーザが照射されることが肝要である。得られた車輪形状のプロフィール画像から左右車輪の所定部位における絶対位置座標を求め、左右車輪の所定部位における絶対位置座標間の距離をバックゲージＢＧとして以下のようにして計測される。

アタック角のない理想形では、左右の基準点間の距離をバックゲージＢＧを以下のようにして求めることができる。

すなわち、図３３に示すように、左右の車輪のレーザ平面上のプロフィール画像上の右左の基準溝１３０ａ，１３０ｂのエッジ部分（点ＰＰ１と点ＰＰ２）の絶対座標を求め、点ＰＰ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）と、点ＰＰ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２）との間の距離をバックゲージＢＧとすると、以下の（５）式で求められる。

ＢＧ＝√〔（ｘ１−ｘ２）^２＋（ｙ１−ｙ２）^２＋（ｚ１−ｚ２）^２〕・・・（５）
（５）式において、アタック角が無い場合には、ｘ１＝ｘ２，ｚ１＝ｚ２であるから、ＢＧ＝｜ｙ１−ｙ２｜で求めることができる。

ところが、左右の車輪が傾斜してアタック角が存在すると、正確なバックゲージＢＧを求めることはできない。そこで、この実施形態では、以下のような算出法で、バックゲージＢＧを求めている。以下の処理は、図７のフローチャートのステップＳ１０Ａ，Ｓ１０Ｂの処理である。

図３４は図１６（ｂ）を詳細に示すものであり、右左のレール上に設けられたホルダ１６２に表示板１６０を取り付け、カメラ２３で撮像したカメラ画像を示している。なお、右左の表示板１６０は、同一平面上に置かれており、それぞれの座標は、同一平面座標として既知であり、両表示板１６０間の距離Ｌも既知の値であるものとする。

先ず、座標変換テーブル２２を参照して基準溝１３０ａ，１３０ｂの座標Ｍ１，Ｍ２を読込み、次いで、座標Ｍ１と座標Ｍ２間の距離ＬＭ12を演算により求める（ステップＳ１０Ａ）。なお、バックゲージの算出では、必ずしも、座標Ｍ１と座標Ｍ２間の距離ＬＭ12に基づかなくてもよく、前述したレーザ平面上の１６１１ｘ座標間の距離に基づいて算出してもよい。

次に、傾きＱ１，Ｑ２よりアタック角ψ１，ψ２を算出し、両アタック角ψ１，ψ２の平均を求め、アタック角ψとする。

アタック角ψが求まると、ＢＧ＝ＬＭ12／ｃｏｓψで求めることができる（ステップＳ１０Ｂ）。

画像の傾き（傾斜角）Ｑからアタック角ψは以下のようにして求めることができる。

図３５は、アタック角が存在する場合における車輪上の位置関係を示す説明図である。

車輪１０ａ，１０ｂがレール２６ａ，２６ｂに対し平行でない場合、すなわちレール２６ａ，２６ｂに対し車輪１０ａ，１０ｂが傾き、アタック角ψを生じている場合、図３５に示すように、Ｘ−Ｙ平面上の車輪位置座標は、（Ｒｃｏｓψ，Ｒｓｉｎψ，０）で表され、この点のレーザ平面（ＬＰ）上の座標は、レーザ仰角をηとすると、（Ｒｃｏｓψ，Ｒｓｉｎψ，Ｒｃｏｓψ・ｔａｎη）で表される。この場合に、得られるプロフィール画像（１次プロフィール画像）は、傾斜角Ｑを持っているものとする。

アタック角ψと傾斜角Ｑとの関係は、以下の（６）式で求めることができる。

ｔａｎＱ＝ｓｉｎψ／√（ｃｏｓ^２ψ（１＋ｔａｎ^２η））
Ｑ＝Ｔａｎ^−１・ｔａｎψ／√（１＋ｔａｎ^２η）
＝Ｔａｎ^−１（ｔａｎψ・ｃｏｓη）・・・（６）
ψ＝３°、η＝４０°のとき、
Ｑ＝Ｔａｎ^−１（ｔａｎ３°・ｃｏｓ４０°）
＝２．３°
また、ψの式で表すと、
ｔａｎＱ＝ｔａｎψ・ｃｏｓη
ｔａｎψ＝ｔａｎＱ／ｃｏｓη
ψ＝Ｔａｎ^−１（ｔａｎＱ／ｃｏｓη）・・・（７）
となる。

すなわち、図３６（ｂ）に示すように、ＢＧ測定値ｘ（＝｜ｙ１−ｙ２｜）とＢＧ真値との間には、
ＢＧ真値＝ＢＧ測定値／ｃｏｓψ・・・（８）
の関係式がある。

図３７に示すように、アタック角が存在する場合には、（７）式、（８）式より、
ＢＧ真値＝ｘ／ｃｏｓψ
＝ｘ／ｃｏｓ｛（Ｔａｎ^−１（ｔａｎＱ／ｃｏｓη））・・・（９）
となる。例えば、アタック角ψ＝３°の場合には、プロフィール画像上から求められるＢＧ測定値ｘは１３６０．１３３ｍｍと計算されるが、（９）式からＢＧ真値＝１３６２ｍｍとして求めることができる。

このように、実施形態では、アタック角が存在する場合にあっても、画像処理により求めたプロフィール画像の傾斜角ＱとＢＧ測定値とから容易にバックゲージＢＧを求めることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 車輪形状計測装置
１０ａ，１０ｂ…車輪
１１ａ，１１ｂ…外側通過センサ
１２ａ，１２ｂ…内側通過センサ
１３ａ，１３ｂ…踏面外側レーザ光照射部（中心検出信号送信部）
１４ａ，１４ｂ…レーザ光受信部（中心検出信号受信部）
１５ａ，１５ｂ…踏面外側カメラ（撮影部）
１６ａ，１６ｂ…踏面内側レーザ光照射部
１７ａ，１７ｂ…踏面内側カメラ（撮影部）
１８…画像処理部
１９…車輪形状計測部
２０…外部Ｉ／Ｆ部
２２…座標変換テーブル
２６ａ，２６ｂ…レール
３１ａ，３１ｂ…内側面レーザ光照射部
３２ａ，３２ｂ…内側面カメラ（撮影部）
４１ａ，４１ｂ…中心検出信号送信部
４２ａ，４２ｂ…中心検出信号受信部
４３ａ，４３ｂ…踏面外側レーザ光照射部
１６０ 座標変換テーブル作成用印刷表示板
１６１ 表示面
１６２ ホルダ
１６４ スリット
１６７ スライス車輪片

Claims (5)

1. レール上を通過する左右の車輪の外側から前記車輪の踏面に対し所定の仰角方向を向けそれぞれ設置され、前記各車輪の踏面にレーザ線条光を送信する踏面外側レーザ光送信部と、
   前記レール上を通過する左右の車輪の各内側から前記車輪の踏面に対し前記所定の仰角方向を向けそれぞれ設置され、各車輪の基準溝およびフランジ部に踏面外側レーザ光と同一平面になるレーザ線条光を送信する踏面内側レーザ光送信部と、
   車輪踏面からの正反射光を受信し、レーザ線条光が車輪の中心時に検知するレーザ光受信部と、
   前記各車輪の外側から前記車輪の踏面に対し前記所定の仰角方向を向け設置され、前記レーザ線条光が前記踏面外側レーザ光送信部および前記踏面内側レーザ光送信部から前記車輪の径中心に向かい送信され、車輪踏面からの正反射光を受信した前記レーザ光受信部が検知信号を送信した時点で、前記車輪の踏面外側画像をそれぞれ撮影する踏面外側カメラおよび前記車輪の基準溝およびフランジ部を含む踏面内側画像をそれぞれ撮影する踏面内側カメラと、
   外側レーザ線条光および内側レーザ線条光がおりなすレーザ照射平面上の空間座標と前記各踏面外側カメラ及び前記各踏面内側カメラが撮影した各画像データとの対応関係を予め座標変換テーブルとして記憶する座標変換テーブル記憶部と、
   前記踏面外側カメラと前記踏面内側カメラが撮影した前記車輪の照射部位の各画像から、光切断面の点群を抽出し、抽出した点群座標を前記座標変換テーブル上の値に近似し、得られた各近似データから車輪踏面における照射部位の光切断面におけるプロフィール画像を生成する画像処理部と、
   前記画像処理部で生成されたプロフィール画像に基づいて前記車輪の形状に関する所定の計測項目を計測する車輪形状計測部と、
   を有することを特徴とする車輪形状計測装置。
2. 請求項1に記載の車輪形状計測装置において、
   前記画像処理部で生成された左右の車輪のプロフィール画像に基づいて、左右両車輪に設定された基準点間の距離を計測してバックゲージを算出する
   ことを特徴とする車輪形状計測装置。
3. 請求項１に記載の車輪形状計測装置において、
   前記座標変換テーブルは、
   前記左右の各車輪が通過するレール上において前記所定の仰角方向に向けて配置されたホルダに取り付けられ、既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用の表示体と、
   前記左右の各照射部位の光切断面及びレーザ照射平面上に位置させた前記踏面外側カメラ及び踏面内側カメラで撮影し、前記表示体の基準模様群を撮影した前記踏面外側カメラ及び踏面内側カメラ上の座標データを抽出し、基準模様群の座標データと抽出された前記踏面外側カメラ及び踏面内側カメラ上の座標データとの対応関係を求めて座標変換テーブルを作成する座標変換テーブル取得手段と、
   により作成されることを特徴とする車輪形状計測装置。
4. 請求項３に記載の車輪形状計測装置において、
   前記表示体を取り外した前記ホルダに取り付けられ、前記車輪の踏面形状を模した寸法既知のスライス車輪片と、
   スライス車輪片に対して前記踏面外側レーザ光送信部及び踏面内側レーザ光送信部からレーザ線条光を照射して前記踏面外側カメラ及び踏面内側カメラで得られた各カメラ画像を取り込むスライス車輪片画像取り込み手段と、
   取り込まれたスライス車輪片画像から、前記座標変換テーブルを用いてスライス車輪片のプロフィール画像を生成し、このプロフィール画像に基づいて前記座標変換テーブルによる座標変換結果を校正する校正手段と、
   を更に有することを特徴とする車輪形状計測装置。
5. 既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用の表示体をレール上に配置されたホルダに取り付けて、地上面に設置された踏面外側レーザ光送信部及び踏面内側レーザ光送信部から所定の照射方向のレーザ線条光を照射し、前記表示体とレーザ照射平面を同一平面になるよう、レーザ光軸を調整する工程と、
   レーザ照射平面上に設置された踏面外側カメラ及び踏面内側カメラにより前記表示体を撮影し、前記各カメラにより前記表示体を撮影して得られた各カメラ撮影画像を画像処理して基準模様群の座標データと前記基準座標抽出手段で抽出されたカメラ上の座標データとの対応関係を示す座標変換テーブルを作成する工程と、
   前記ホルダから前記表示体を取り外して、車輪の踏面形状を模した寸法既知のスライス車輪片を寸法既知の車輪間バックゲージの位置に取り付け、前記踏面外側レーザ光送信部及び踏面内側レーザ光送信部から前記スライス車輪片に対して前記所定の照射方向のレーザ線条光を照射して前記各カメラにより前記スライス車輪片の照射部位の光切断面を撮影する工程と、
   得られたカメラ撮影画像を画像処理し、前記座標変換テーブルを用いて座標変換されたデータが正しく計測できるか否かを確認する工程と、
   前記スライス車輪片の照射部位の光切断面の車輪内面の位置よりバックゲージが正しく計測できるか否かを確認する工程と、
   を有することを特徴とする車輪形状計測装置における座標変換テーブル作成方法。

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