JP2015215267A - 車輪形状測定方法と車輪形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両に装備されている車輪の形状を車輪の回転中に測定可能な車輪形状測定方法と車輪形状測定装置を提案する。【解決手段】 車両の走行速度を計測し、計測された走行速度と等速で、当該車両と同方向に測定センサ及び速度差センサを含む測定系を移動させ、同方向等速移動中に速度差センサにより車両の走行速度と測定系の移動速度の速度差を検知し、検知された速度差に追従して前記測定系を車両に追従等速移動させ、追従等速移動中に測定センサのレーザ光源から回転中の車輪の少なくとも踏面にレーザ光を照射し、踏面から反射される反射光を前記測定センサの受光器で受光し、受光して得られた反射光信号の変動から車輪形状を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は車輪形状測定方法と車輪形状測定装置に関し、鉄道車両に装備されている鉄道車輪（以下「車輪」という。）の少なくとも踏面の形状（車輪形状）を測定して、車輪、特に、踏面の摩耗、欠落、歪み、亀裂等の異常を検知できるようにしたものである。

車輪は長距離走行によって、踏面が摩耗したり、欠落したり、亀裂が入ったりすることがある。それら摩耗、欠落、歪み、亀裂等（以下これらをまとめて「異常」という。）の状況によっては、車両の振動、ガタツキ等が大きくなって乗り心地が悪くなったり、急カーブで脱輪、脱線等の事故が発生したりするおそれがあり、人命事故に繋がる危険もある。これら危険や事故の予防、安全走行の確保等の面から、車輪形状を測定して、車輪の補修、交換といった保守、点検を行うことが必要不可欠である。

従来、車輪の測定方法、測定装置として、光切断法により車輪の断面形状を測定し、その結果を基準車輪のプロファイルと比較して、車輪の形状変化を測定する方法が知られている（特許文献１）。

特開２００８−１８０６１９号公報

前記特許文献１の車輪測定方法及び車輪測定装置は、測定センサが固定されているため、測定センサが対応する測定ポイント（車輪の周方向一箇所）しか測定できない。このため、特許文献１の測定方法、測定装置では車輪の保守点検データとしては不十分である。また、異常の有無、大きさ等だけでなく、異常の深さを検知することも必要である。安全確認の面から、少なくとも車輪の周方向１２０度間隔で三箇所の測定が望まれている。

前記特許文献１の車輪測定方法及び車輪測定装置では、車輪の周方向を多点測定するためにレールに沿って多数の測定センサを設置する必要がある。これでは測定センサの数が多くなってコストアップになる。また、多くの測定センサは間隔をあけて設置せざるを得ないため、回転中の車輪の全周を漏れなく測定することは困難である。また、車輪を斜め下から撮影すると歪んだ断面形状になるため、歪みを補正するための三次元変換が必要になる。このため、計測処理が面倒になり、応答スピードの速い高価なセンサも必要になる。

車輪の異常をカメラで撮影して目視確認する方法もあるが、カメラの撮影画像のみでは異常の深さが不明である。

本発明の解決課題は、車輪形状、特に、車輪全周の形状を測定するこができ、測定形状を分析処理（解析）することにより、車輪全周の摩耗、欠落、歪み、亀裂等の異常の有無、大きさ、深さを検知可能とし、車輪全周における異常箇所の特定も可能とすることにある。

［車輪形状測定方法］
本発明の車輪形状測定方法は、車両に装備されている車輪の形状を、車輪の回転中に測定することができる車輪形状測定方法において、車両の走行速度又は車両の走行により回転する車輪の回転速度（以下まとめて「走行速度」という。）を計測して、計測された走行速度と等速（略等速を含む。）で、当該車両と同方向に、レーザ光源及び受光器（以下「測定センサ」という。）及び速度差センサを含む測定系を移動させる。この同方向等速移動中に、速度差センサにより前記走行速度との速度差を検知し、検知された速度差に追従して前記測定系を車両に追従させて等速移動（以下「追従等速移動」という。）させる。この追従等速移動中に前記測定センサのレーザ光源から前記回転中の車輪の少なくとも踏面にレーザ光を照射し、踏面から反射されるレーザ反射光（以下単に「反射光」という。）を前記測定センサの受光器で受光し、受光して得られた反射光信号（電気信号）の変動から車輪形状を測定する方法である。この反射光信号をコンピュータ（ＰＣ）で演算処理して解析することにより、反射光信号の変動から車輪の異常を検知できるようにする。

前記車輪形状測定方法では、車輪形状測定後に、測定系を測定開始箇所に戻り移動させ、戻ってから、前記測定系の走行を再開させて同方向等速移動させ、走行車両に追従等速移動させて、後方車輪の測定を行うこともできる。この場合、一両の車両に装備されている前方二軸、計四個の車輪を同時に測定し、その測定後に、前記測定系の戻り→走行再開→同方向等速移動→追従等速移動により、一両の車両に装備されている後方二軸、計四個の車輪を測定することができる。

前記車輪形状測定方法では、車輪からの反射光を任意間隔（ピッチ）で検出することにより、検出された反射光信号と車輪の周方向の位置関係を特定することができる。

前記車輪形状測定方法では、車輪形状をカメラで撮影し、その撮影画像の目視確認及びと基準画像との照合によっても車輪形状の異常を検知し、測定センサによる形状測定と併用することもできる。

前記車輪形状測定方法では、車輪形状測定前に車輪外周のいずれかの箇所にマーキングしておく（例えば白ペンキを付しておく）ことにより、測定センサで測定された形状の異常箇所が車輪の周方向どの箇所であるかを特定することもできる。

［車輪形状測定装置］
本発明の車輪形状測定装置は、車両に装備された車輪の形状を、車輪の回転中に測定することができる車輪形状測定装置において、車両の走行速度を計測できる速度計測器と、車両に装備されている車輪にレーザ光を照射して車輪からの反射光を受光できる測定センサと、速度差センサと、前記両センサを含む測定系を搭載して走行するスライダーと、スライダーを走行させる走行駆動体を備え、前記速度計測器はスライダーよりも車両走行方向手前に設置固定されて、車輪形状測定開始前に車両の走行速度を計測することができ、前記速度差センサは車両の走行速度とスライダーの移動速度との速度差を検知することができ、前記走行駆動体は速度差センサで検知された速度差に応じてスライダーの走行速度を変えて、スライダーを走行車両に追従等速移動させることができ、前記測定センサのレーザ光源は前記追従等速移動中に、走行車両に装備された回転中の車輪にレーザ光を照射することができ、前記測定センサの受光器は車輪から反射される反射光を受光することができ、反射光を受光して得られた反射光信号に基づいて車輪形状を測定できるようにした車輪形状測定装置である。

前記車輪形状測定装置は、車両走行レールの両側方に当該レールと平行（略平行を含む）に配置された走行ガイドを備え、この走行ガイドに前記スライダーを往復移動可能に設け、このスライダーに測定系を搭載することができる。測定センサは一つのスライダーに二つ搭載し、一両の車両に装備されている前方二軸、計四個の車輪を同時に測定することができる。スライダーは前記測定終了後に車両走行速度よりも高速で戻り移動して、後方車輪が測定開始箇所に到来する前に測定開始箇所に戻り、戻ってから、車両と同方向に走行を再開し、走行車両に追従等速移動して、前記一両の車両に装備されている後方二軸、計四個の車輪を測定することができるようにしてある。

前記車輪形状測定装置は、スライダーにカメラを搭載して、カメラがスライダーの走行により測定系と共に車両と同方向に追従等速移動して、回転中の車輪を撮影できるようにすることもできる。

前記車輪形状測定装置の走行駆動体はリニアモータとすることができる。

前記車輪形状測定装置は、測定センサの受光器で反射光を受光して得られた反射光信号を演算処理（解析）して、車輪の異常を検知可能なソフトを備えたコンピュータを備えることもできる。

本発明の車輪形状測定方法と車輪形状測定装置は次の効果がある。
（１）測定系を車両と同方向に移動しながら測定センサのレーザ光源からレーザ光を車輪に照射し、車輪からの反射光を受光器で受光するので、回転中の車輪の全周の形状測定を行って、車輪全周の異常を検知することができ、車輪の保守、交換等に必要且つ十分なデータを、効率良く得ることができる。しかも、測定系を車両と同方向移動及び追従等速移動させながら測定するため、車両の走行速度が変動しても車輪の全周形状を高精度に測定可能である。
（２）前方車輪の形状測定後に、測定系が測定開始箇所まで戻るので、一台で一両の車両の前方車輪と後方車輪を測定することができる。
（３）測定系をレールの左右両側に配置すれば、車両の左右の車輪を同時に計測することができ、作業効率が良い。
（４）測定センサによる形状測定と、カメラの撮影画像とを併用して車輪の異常を確認できるようにした場合は、目視確認もできるので、測定センサだけで測定する場合よりも異常確認精度が向上する。
（５）車輪にマーキングすることにより、車輪の周方向どの箇所が異常であるかを特定することもできる。
（６）走行駆動体をリニアモータにすれば、スライダーを高速移動させても追従応答が速く、スライダーに搭載された測定系の揺れも少なく測定精度が低下しない。

本発明の車輪形状測定装置の測定系をレールの両側に配置した場合の説明図。 本発明の車輪形状測定方法及び車輪形状測定装置の全体説明図。 本発明の車輪形状測定方法及び車輪形状測定装置の車輪付近の概要側面図。 本発明の車輪形状測定方法及び車輪形状測定装置の車輪付近の概要平面図。 本発明の車輪形状測定装置における測定センサの取り付け説明図。 （ａ）は車輪、レーザ光源、受光器、速度差センサ、カメラの説明図、（ｂ）は反射光形状の説明図、（ｃ）は（ｂ）の詳細図。 車両の走行速度計測時の一例を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はドップラセンサの原理説明図。 車輪速度検出装置であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は検出波形説明図。 （ａ）は車輪の回転速度とスライダーの速度差説明図、（ｂ）は速度差検出の波形説明図、（ｃ）は回転速度検出精度を高める場合の波形説明図、（ｄ）は検出された回転変動に測定系を追従等速移動させるための制御説明図。 本発明の車輪形状測定装置における追従移動の制御系の説明図。 本発明の車輪形状測定方法における追従等速移動の動作説明図。

（車輪形状測定方法の実施形態）
本発明の車輪形状測定方法は、車両Ｔ（図１）に装備された各車輪Ｗの全周の形状、特に、車輪の踏面の異常を測定して、その測定形状に基づいて車輪の異常を検知できるようにした方法である。

本発明の車輪形状測定方法は、車輪を一個ずつ測定することもできるが、通常、車輪Ｗは、図２のように、二つの車輪Ｗ１、Ｗ２を一組にして車輪ユニットＸとし、そのユニットＸが車両Ｔの幅方向両側先方と両側後方に装備されている（一車両に八個）。このため、実際の車輪形状測定は、図１のように車輪走行用レール（以下単に「レール」という。）Ｒの左右に設置した車輪形状測定装置１で車両の幅方向両側二個の車輪Ｗ１、Ｗ２、計四個の車輪を測定するのが作業効率の面から実用的である。

図１に示す車輪形状測定方法では、レールＲの左右両外側に配置してある車輪形状測定装置１で車両Ｔの先方左右の四個の車輪Ｗ１、Ｗ２の形状を同時に測定し、測定終了後に、前記測定装置１が測定開始箇所に戻り、その後に、車両Ｔと同方向に移動を再開して、更に追従等速移動して当該車両Ｔの後方左右の四個の後続車輪Ｗ１、Ｗ２の形状を同時に測定することができる。後続車両が連結されている場合は、前方車両Ｔの車輪測定と同様の測定を繰り返すことにより、後続車両の車輪形状を測定することができる。

図１のレールＲの左右に設置する車輪形状測定装置１は同じものであるため、以下の説明では、図２〜図４のようにレ―ルＲの片側に設けた車輪形状測定装置１で車両Ｔの幅方向片側二個の車輪Ｗ１、Ｗ２を測定する場合を一例として説明する。

本発明は、回転中の車輪形状を測定するものであるため、正確な形状測定をするためには回転車輪の回転速度（車両走行速度）と等速移動しながら測定する必要がある。車輪Ｗの回転速度は車両Ｔの走行速度変動に伴って変動するため、本発明では車輪Ｗの回転速度と測定系の移動速度の差（速度差）を検知して、その差が零になるように追従等速移動させながら測定する。

図２〜図４に示す車輪形状測定装置１は、レールＲの外側に当該レールＲと平行に設置されている走行ガイド８に、走行体（スライダー）３が走行ガイド８の長手方向に往復移動可能に搭載されている。このスライダー３に二個の測定センサ４がスライダー３の走行方向に離して搭載されており、そのスライダー３が走行中の車両Ｔと同方向にほぼ等速で移動し、その移動中に、両測定センサ４により車両の前方片側二個の車輪Ｗ１、Ｗ２を同時に測定する。測定後に、スライダー３が戻って車両の後方片側二個の車輪Ｗ１、Ｗ２を同時に測定して、一両の車両Ｔの車輪形状を測定できるようにしてある。前記測定センサ４はレーザ光源５と受光器６を一つのケース内に収容してユニット化してある。

図２〜図４に示す車輪形状測定装置１では、スライダー３に搭載されている測定センサ４よりも車両Ｔ側（図２の右側）に速度計測器２が設置固定されており、その速度計測器２により走行中の車両Ｔの走行速度を計測できるようにしてある。スライダー３には、車輪の移動速度（回転速度）とスライダー３の移動速度を検知する速度差センサ７が搭載されており、その差が零になるようにスライダー３の速度を制御し、同期運転を行うようにしてあり、車両Ｔ及び車輪Ｗの速度が変動すると測定センサ４が追従変動して、車両Ｔと等速移動できるようにしてある。

［車輪形状測定］
前記車輪形状測定装置1を使用して車輪形状を測定するには次のようにする。
（１）速度計測器２（２ａ、２ｂ）により、走行中の車両Ｔの走行速度を計測し、スライダー３を計測された速度に合わせて、車両Ｔと同方向（図２の矢印方向）に移動させて、スライダー３に搭載されている測定センサ４及び速度差センサ７を含む測定系を同方向に移動（同方向移動）させる。

（２）スライダー３の同方向移動中に、スライダー３と車両Ｔ又は車輪Ｗの速度差を検知して、検知された速度にスライダー３の移動速度を追従させて、スライダー３が車両Ｔの走行速度と等速で、当該車両Ｔと同方向移動（追従等速移動）させる。

（３）スライダー３の前記追従等速移動中に、測定センサ４のレーザ光源５から出射されるレーザ光２０（図６（ａ））を、車両Ｔに装備されている車輪Ｗの中心に向けて投射（車輪Ｗに対して一定角度で投射）して、当該車輪ＷのフランジＦ及び踏面Ｂを含む車輪表面Ａに照射し、当該車輪表面Ａからの反射光２１（図６（ａ））を測定センサ４の受光器６で受光する。レーザ光２０はレーザ光源５から常時出射して、車両Ｔの走行により回転する車輪Ｗがレーザ光２０に差し掛かると、全周の車輪表面Ａに照射されるようにする。このレーザ光２０は図６（ａ）のように横広がりにして、車輪Ｗの車輪表面Ａを横断して照射されるようにする。図６（ａ）の照射形状Ｐは車輪表面Ａの横断形状に対応する。

（４）前記反射光２１を任意の一定間隔で取り出してモニタ画面Ｍ（図６（ｂ））に表示すると、図６（ａ）の照射形状Ｐと同じ形状の反射形状Ｏが一定間隔で一列に並ぶ。車輪表面Ａに異常があると、図６（ｃ）のように反射形状Ｏに乱れＮが生ずる。この乱れＮが車輪踏面Ｂの異常である。本発明ではこの反射形状Ｏを演算処理（解析）して車輪Ｗの異常の状態を検知することができる。モニタ画面Ｍ（図６（ｂ））に表示された反射形状Ｏは目視可能である。反射光２１の検知間隔は任意に設定可能であるが、検知間隔が狭いと測定精度（分解能）が高くなり、広いと測定精度（分解能）が低くなる。測定前に予め、車輪Ｗの所定箇所にペイントなどでマーキングしておくと、反射形状Ｏを確認することにより、異常が車輪Ｗのどの位置にあるかを認識することができる。

（５）前記車輪形状測定方法では、スライダー３に搭載されている二台の測定センサ４により、車両Ｔに装備されている先方車輪ユニットＸ１（図２）の二つの車輪（先方車輪）Ｗ１、Ｗ２を同時に測定する。先方車輪ユニットＸ１の二つの車輪Ｗ１、Ｗ２の全周測定が終了してから、スライダー３を車両Ｔの走行方向と反対側に戻り移動させて、測定センサ４を測定開始箇所Ｓ−Ｓ（図２）まで戻す。この場合、車両Ｔに装備されている後方車輪ユニットＸ２の二つの後方車輪Ｗ１、Ｗ２が測定開始箇所Ｓ−Ｓに到来する前に測定開始箇所に戻るようにするため、戻り速度を車両Ｔの走行（前進）速度よりも数倍高速にする。高速戻しの速度は、測定済みの先方車輪ユニットＸ１の二つの車輪Ｗ１、Ｗ２と、後方車輪ユニットＸ２の二つの車輪Ｗ１、Ｗ２との間隔によっても異なるが、車両走行速度の３〜５倍程度の高速にすると、後方車輪ユニットＸ２の二つの車輪Ｗ１、Ｗ２が測定開始箇所Ｓ−Ｓに到来する前に測定開始箇所Ｓ−Ｓに戻すことができる。

（６）スライダー３が測定開始箇所Ｓ−Ｓに戻ってから、後方車輪ユニットＸ２の車輪Ｗ１が速度計測器２を通過し、車輪Ｗの回転速度を測定し、その速度値になるようにスライダー３の走行を再開させ、後方車輪ユニットＸ２の二つの車輪Ｗ１、Ｗ２にレーザ光２０を照射して、それら車輪Ｗ１、Ｗ２の測定を行うことができる。後方車輪とは、一両の車両の数箇所に車輪が装備されている場合に、測定済みの車輪よりも後方の車輪をいう場合もあり、測定済み車両に連結されている後続車両の車輪の場合もある。

前記車輪形状の測定フローは、図１１のようになる。

［カメラ撮影併用］
本発明の車輪形状測定方法では、車輪形状をカメラＣ（図６（ａ））で撮影して、反射光２１（図６（ａ））に基づく測定と、カメラＣによる撮影画像との双方で車輪形状の異常を検知することもできる。カメラＣによる撮影はレーザ光照射方向と同じ方向又は異なる方向から行うことができるが、車輪Ｗに対するレーザ光２０の照射箇所と、カメラＣによる撮影箇所との位置関係を特定しておくことにより、反射光２１に基づく車輪形状測定箇所とカメラＣでの撮影画像との位置関係を特定することができ、反射光２１に基づいて検知された車輪Ｗの異常を、撮影画像を目視して確認することもできる。カメラ撮影はビデオカメラによる動画撮影であってもよい。カメラを使用する場合も、ビデオカメラを使用する場合も、照明光（例えば、ストロボ）を投射する場合は、照明光が、車輪Ｗに投射されるレーザ光２０に悪影響が及ばないようにする。これらカメラＣもスライダー３に搭載して車両Ｔと同方向に追従等速移動しながら撮影できるようにする。カメラＣは撮影する車輪Ｗの数だけ搭載する。撮影された画像は目視できるため、前記反射光測定と併用して車輪Ｗの異常を検知することができる。

［車両速度計測方法１］
本発明の車輪形状測定方法では、前記のように、走行車両の走行速度を計測する必要がある。その計測方法は、車両Ｔの走行速度を計測できればどのような方法であってもよい。その一例としてレーザドップラ方式による方法がある。レーザドップラ方式は、図７（ａ）（ｂ）のように、レールＲの側方に設置したレーザドップラセンサＤから車両Ｔにレーザビームを照射し、その反射光（散乱光）を光学系で受信して光電変換し、その検出信号からドップラ周波数成分を抽出し、その抽出値に基づいて、車両Ｔの移動速度を算出する方法である。

レーザドップラ方式には各種方式があるが、一例として、差動型レーザドップラ速度計（ＬＤＶ）を用いた速度計測方法の原理を以下に説明する。図７（ｃ）は差動型ＬＤＶを用いた速度計測装置の一般的な構成である。図７（ｃ）では、レーザ光源５０から出射されるレーザビームをビームスプリッタ５１で二方向に分割し、一方のレーザビーム（照射光１）はそのまま直進して車両Ｔに照射され、他方のレーザビーム（照射光２）はミラー５２で反射されて交差角φで車両Ｔに照射される。車両Ｔからの散乱光（２本の照射光に対応した散乱光）が受光素子ＡＰＤに受光される。２本の散乱光は正負同じ量のドップラシフトを起こす。この２本の散乱光を受光素子ＡＰＤにおいて重ね合わせて、ドップラ周波数ｆｄを検出する。これが差動型ＬＤＶである。散乱光はレンズで集光して受光素子ＡＰＤで受光することもできる。

二つの反射光のドップラ周波数（受光素子面で受光したドップラ周波数）ｆｄ_１、ｆｄ_２は、
ｆｄ_１＝２／λ ｓｉｎ（４／φ）・Ｖ・ｃｏｓ（θ−φ／４）・・・（１）
ｆｄ_２＝２／λ ｓｉｎ（４／φ）・Ｖ・ｃｏｓ（θ＋φ／４）・・・（２）
で表される。
λ：レーザ波長
φ：２本のレーザ光のなす角度
Ｖ：移動物体の移動速度
θ：２本のレーザ光の接線からの傾き角

前記のように、周波数が異なる２種類の散乱光がヘテロダイン検波されて、ビート周波数ｆｄが検出される。
ｆｄ＝｜ｆｄ_１−ｆｄ_２｜＝２／λ・Ｖ・ｓｉｎ（φ／２）・ｃｏｓθ・・・（３）
この式から分かるように、車両Ｔの速度Ｖに比例した周波数が検出される。また、式の中に受光位置の角度成分がないため、受光面に対する位置の制約がなく、車両Ｔからの散乱光をどの位置で受光してもよく、レンズなどで散乱光を集光しても速度を正確に捉えることができる。従って、移動する車両Ｔに差動型ＬＤＶから照射すれば車両Ｔの走行速度を計測することができる。

［車両速度計測方法２］
本発明における車両走行速度の計測は図２に示すように、スライダー３に搭載されている測定センサ４よりも車両Ｔの走行方向手前に設置固定されている速度計測器２（２ａ、２ｂ）で計測する方法である。具体的には図８（ａ）（ｂ）に示す方法で行うこともできる。この方法は、レールＲの外側に設けた台（例えば、コンクリート製）の上にベースＧ（例えば、Ｈ型鋼）を設置し、そのベースＧに二つの検知器（先端検知器２ａ、後端検知器２ｂ）をレールＲに沿って間隔をあけて取り付け、その間隔を所定長（例えば、５０ｃｍ、１ｍ等）に設定し、ベースＧに反射板Ｈを取り付ける。反射板ＨはレールＲを挟んで検知器２ａ、２ｂと対向配置する。検知器２ａ、２ｂからはレーザ光を投射する。車輪Ｗがないときはそのレーザ光が反射板Ｈで反射され、検知器２ａ、２ｂで受光されて、それらの受光信号が図８（ｃ）のように１（ＯＮ）になる。車両Ｔの走行が進行して車輪Ｗが先端検知器２ａに差し掛かると、先端検知器２ａから投射されているレーザ光が遮断されて反射板Ｈからの反射光がなくなって、先端検知器２ａの受光信号が図８（ｃ）のように０（ＯＦＦ）になる。車両Ｔの走行が更に進行して車輪Ｗが後端受光器２ｂに差し掛かると、後端受光器２ｂから投射されているレーザ光が遮断されて反射板Ｈからの反射光がなくなって後端受光器２ｂの受光信号が図８（ｃ）のようになる。このとき、検知器２ａ、２ｂ間の間隔をｓ、両検知器２ａ、２ｂが遮断された時間差をｔ（図８（ｃ））、車両の走行速度をｖとすれば、ｖ＝ｓ／ｔとして計測（算出）することができる。

［車両とスライダーの同期移動：追従等速移動］
走行中の車輪Ｗの踏面形状を正確に測定するためには、測定センサ４が搭載されているスライダー３の移動速度を、車両Ｔの走行速度変動（車輪Ｗの回転速度変動）に合わせて追従等速移動（同期移動）させる必要がある。そのためには車輪Ｗの回転速度とスライダー３の移動速度の差（速度差）を検知して、その差が零になるようにする。追従等速移動させる方法の一例を図６（ａ）、図９（ａ）に基づいて説明する。図６（ａ）、図９（ａ）の７は速度差センサであり、スライダー３に搭載されており、レーザビームＬＢを車輪ＷのフランジＦ（図６（ａ））に向けて照射し、フランジＦからの反射光を受光するものである。速度差センサ７は図９（ａ）のように、測定センサ４の側方に配置してあり、速度差センサ７と測定センサ４との距離Ｋ（図９（ａ））を調節することにより、測定センサ４のレーザ光照射面から車輪Ｗの踏面Ｂまでの距離を測定センサ４の焦点距離（例えば３００ｍｍ）に設定する。この速度差センサ７からレーザビームＬＢを車輪ＷのフランジＦに向けて照射しておく。車輪ＷがレーザビームＬＢに差し掛からないときはフランジＦからの反射光がないため、速度差センサ７の出力は図９（ｂ）のように「０」になるが、車輪ＷがレーザビームＬＢに差し掛かるとフランジＦからの反射光があるため速度差センサ７の出力は図９（ｂ）のように「１」になる。この出力を検出して、「０」の場合（車輪がない場合：車輪の回転速度よりもスライダーの移動速度が遅い場合）はスライダー３の移動速度を速くし、「１」の場合（車輪がある場合：車輪の回転速度よりもスライダーの移動速度が速い場合）はスライダー３の移動速度を遅くすることにより、スライダー３の移動速度を制御して、スライダー３を車両Ｔの走行に追従させて等速移動（同期移動）させることができる。この場合、速度差センサ７の出力である「０」「１」の間隔を狭くすれば（検出間隔を狭くすれば）、車両Ｔに対するスライダー３の追従（同期）精度が向上し、測定センサ４のレーザ光出射面から車輪Ｗの踏面Ｂまでの距離変動が少なくなり、初期設定値である３００ｍｍに保持され、測定センサ４での車輪形状測定精度を一定或いはほぼ一定に維持できる。

（車輪形状測定装置の実施形態）
本発明の車輪形状測定装置の一例を、図面を参照して詳細に説明する。図１〜図６に示した車輪形状測定装置１は、速度計測器２と、スライダー３と、スライダー３に搭載された測定センサ４及び速度差センサ７と、スライダー３の走行を案内する走行ガイド８と、スライダー３を走行ガイド８に沿って走行させる走行駆動体３２と、コンピュータ（ＰＣ）を備える。

[測定センサ]
図２の車輪形状測定装置１の測定センサ４はレーザ光源５と受光器６（図６（ａ））を一つの筐体に内蔵してある。この測定センサ４を一台のスライダー３に前後に離して搭載して、一つの車輪ユニットＸの二つの車輪Ｗ１、Ｗ２を同時に測定できるようにしてある。詳しくは、前記二つの測定センサ４は、図２、図５のように、スライダー３の上に設けた支持具９に支持されている。二つの測定センサ４の間隔は夫々の測定センサ４のレーザ光源５から出射されるレーザ光２０（図６（ａ））が、車両Ｔの先方車輪ユニットＸ１の二つの車輪Ｗ１、Ｗ２（図２）の夫々に同時に照射できる間隔にしてある。これら測定センサ４の出射面から車輪Ｗの踏面Ｂまでの距離は、測定センサ４の焦点距離に合わせて設定する。この実施形態では３００ｍｍにしてある。

本発明では図９（ａ）のように測定センサ４からレーザ光２０を車輪Ｗの中心に向けて出射して車輪ＷのフランジＦ及び踏面Ｂに照射する。車輪Ｗ１、Ｗ２に照射されたレーザ光２０は図６（ａ）に示す形状になる。この形状は車輪表面Ａの横断形状の変形である。先方車輪ユニットＸ１の二つの車輪Ｗ１、Ｗ２から反射する反射光２１は測定センサ４の受光器６で受光される。受光波形は図６（ｂ）のようになる。

［レーザ光源］
測定センサ４のレーザ光源５は図６（ａ）のように車輪Ｗの横幅よりも横広がりのレーザ光２０を出射して、車輪表面Ａの全幅を横断して照射できるようにしてある。レーザ光源５はレーザ光２０を連続出射して車輌Ｔの走行により回転する車輪Ｗが一回転するとその車輪Ｗの全周に照射される。照射されたレーザ光２０は車輪Ｗが一回転すると車輪全周から反射されて反射光２１となって測定センサ４の受光器６に受光される。レーザ光２０が連続出射であることから、反射光２１も連続反射光となる。しかし、そのままでは、受光した反射光２１が車輪Ｗの全周の何処の箇所から反射されたものであるかの判断（車輪における反射位置の特定）が困難であるため、この実施形態では、受光器６で受光した車輪全周からの反射光２１を図６（ａ）ように任意の間隔（例えば、車輪全周を１００等分した場合の間隔３．６度）で間欠的に取り出して、反射光２１が車輪Ｗのどの箇所から反射されたものであるかを特定（判別）できるようにする。

［受光器］
測定センサ４の受光器６は車輪Ｗに照射されて、当該車輪Ｗから反射されるレーザ反射光（反射光）２１（図６（ａ））を受光するものである。受光して得られた反射光信号の波形Ｏをモニタ画面Ｍに表示すると図６（ｂ）のようになる。この反射形状Ｏは車輪表面Ａへの照射形状Ｐ（図６（ａ））と同じ形状である。車輪Ｗが摩耗していたり、欠損していたりする（車輪に異常がある）と、反射形状Ｏに図６（ｃ）のように乱れＮが生ずる。

測定センサ４には高速３次元測定できるものであれば各種センサを使用することができるが、この実施形態では２次元レーザ変位センサを使用した。車輪Ｗが３次元形状であるため、２次元レーザ変位センサで計測した形状には歪みがあり、実際の形状とはずれがある。このため、２次元レーザ変位センサを使用した場合は、得られたデータを３次元に変換する必要がある。この変換には汎用の３次元変換コントローラ（図１０）を使用することができる。

［速度計測器］
本発明の車輪形状測定装置は、走行中の車輪Ｗの全周形状を測定するものであるため、測定センサ４（それが搭載されているスライダー３）を車輪Ｗ（車両Ｔ）の走行方向と同方向移動させる必要がある。この実施形態では、前記のように、速度計測器２で走行速度を計測できるようにしてある。速度計測器２はスライダー３に搭載されている測定センサ４よりも車両Ｔの走行方向手前側に設置固定されている。速度計測器２の一例はレーザドップラ方式によるものであり、その測定原理は前記したとおりである。速度計測器２により走行速度が検出されると、制御回路３３（図１０）がその速度に合わせて走行駆動体（スライダードライバ）３２（図１０）を制御して、スライダー３の移動速度を走行速度に合わせて、スライダー３を車両Ｔと同方向に等速移動させることができるようにしてある。

［速度差センサ］
車両Ｔの走行速度は変動する。これに伴って、車輪Ｗの回転速度も変動する。車両Ｔを車庫（ピット）に収納したり、ピットから出庫したりする場合は速度が変動する。これら変動に応じて走行駆動体３２（図１０）を制御して、スライダー３の移動速度を走行速度に追従させる必要がある。そこで本発明では測定センサ４が搭載されているスライダー３に速度差センサ７（図２〜図５、図６（ａ）、図９（ａ））をも搭載して、速度差センサ７で変動を検知し、その検知出力に応じて、制御回路３４（図１０）によりスライダー３の移動速度を制御して、車両Ｔに追従等速移動できるようにしてある。

速度差センサ７の一例として図９（ａ）に示すものは反射型である。それをレールＲの外側に配置して、車輪ＷのフランジＦに向けてレーザビームＬＢを常時投射して、フランジＦがある（車両Ｔの走行速度よりもスライダー３の走行速度が速い）とレーザビームＬＢがフランジＦで反射して速度差センサ７の出力が図９（ｂ）のように「１」となり、フランジＦがないと（車両Ｔの走行速度よりもスライダー３の走行速度が遅い）とレーザビームＬＢがフランジＦで反射せず、速度差センサ７の出力が図９（ｂ）のように「０」となる。この出力に合わせて、「１」のときはスライダー３の走行速度を遅くし、「０」のときはスライダー３の走行速度を速くして、スライダー３に搭載されている速度差センサ７の走行速度を車両Ｔの走行速度又は車輪Ｗの回転速度に追従移動（追従等速移動）できるようにする。

［スライダー、走行ガイド：測定系］
スライダー３はレ―ルＲと並行に配置された走行ガイド８（図２）に沿って往復移動して、スライダー３に搭載された測定センサ４及び速度差センサ７等の測定系を往復移動させるものである。走行ガイド８は細長ケース状である。スライダー３は走行ガイド８の上にセットされており、走行ガイド８のケース８ａ（図５）内に収容されている走行駆動体３２（図１０）と連動させて、走行駆動体３２の作動により走行ガイド８に沿って往復移動できるようにしてある。

スライダー３の戻り移動速度は、前進移動速度よりも高速にして、車両Ｔの後方車輪ユニットＸ２の二つの車輪Ｗ１、Ｗ２が測定開始箇所Ｓ―Ｓに到来する前に、測定開始箇所Ｓ―Ｓに戻るようにしてある。

［走行駆動体］
走行駆動体３２（図１０）はスライダー３を走行ガイド８に沿って往復移動走行させるものであり、例えば、モータとその回転により回転するスプラインシャフトとの組み合わせ、或いはリニアモータ等を使用することができる。スプラインシャフトやリニアモータ等は走行ガイド８のケース８ａ（図５）内に収容しておくことができる。走行駆動体３２は車両Ｔの走行速度又は車輪Ｗの回転速度に応じて制御回路３３、３４（図１０）で制御されて、スライダー３を車両Ｔの走行速度又は車輪Ｗの回転速度と等速で車両Ｔに追従等速移動させることができる。

走行駆動体３２は、スライダー３を車両Ｔに追従等速移動させて車輪Ｗの全周の測定を終了した後に、作動が切り替わって、スライダー３を車両Ｔの走行方向と反対側に戻り走行させ、スライダー３に搭載されている測定系を測定開始箇所Ｓ−Ｓまで復帰させ、測定開始箇所Ｓ−Ｓから新たに同方向移動を再開させ、追従等速移動させて車輪形状の測定を開始し、繰り返し車輪測定を行うことができるようにしてある。

走行駆動体３２がスプラインシャフトやその他の正逆回転するものの場合は、その正逆回転によりスライダー３を走行ガイド８に沿って往復走行させることができ、リニアモータの場合は、リニアモータの磁石に流れる電流の切り換えによって、スライダー３を走行ガイド８に沿って往復走行させることができる。リニアモータはスライダー３を高速走行させてもスライダー３が殆んど振動せず、長くなってもスプラインシャフトのように撓むこともないため、スライダー３を安定した状態で、静かに高速走行させることができるという利点がある。

［カメラ］
スライダー３には車輪表面Ａを撮影可能なカメラＣ（図６（ａ））を搭載することもできる。カメラＣの設置個所は任意箇所とすることができる。いずれの箇所に設置した場合も、撮影箇所とレーザ光照射位置との位置関係を把握できるようにする。例えば、異なる方向から撮影できるように設置する場合は、車輪Ｗへのレーザ光照射位置と１８０度ずれた箇所、９０度ずれた箇所といったように設置すると、車輪Ｗの反射光検知箇所とカメラＣでの撮影箇所の対応関係を把握し易くなり、反射光検知に基づく形状測定箇所の状況を、撮影画像で目視確認することができる。カメラＣは静止画撮影用であっても動画撮影用であってもよい。本発明では、カメラＣを搭載した場合は、このカメラＣも測定系に含まれる。

［マーカー］
車輪Ｗにはペンキなどで目印を付しておく（マーキングする）と、車輪Ｗの異常が検知された場合、異常箇所が車輪Ｗのどこにあるかを把握することができる。

［ケーブルガイド］
前記スライダー３には帯状のケーブルガイド１１（図５）が連結されている。ケーブルガイド１１は支持台１２の上に設置するとか、一端（移動端）側１３をスライダー３と共に往復移動する連結具１４に固定し、他端（固定端）側１５を支持台１２の終端部１２ａに固定して、スライダー３が前進移動すると連結具１４と共に同方向に移動し、スライダー３が戻り移動すると連結具１４と共に同方向に戻り移動できるようにしてある。スライダー３はケーブルガイド１１と前記のように連結されることにより安定走行でき、走行時の行き過ぎや戻り過ぎが規制されるようにしてある。

コンピュータ（ＰＣ）には汎用のパソコンを使用することができる。このパソコンは、速度計測器２、測定センサ４、速度差センサ７等で得られた信号を演算処理（解析）して、車輪の異常の検知、異常箇所の特定、入力データや処理データ等の記憶、記憶された蓄積データの加工、レーザ光源５、受光器６の動作、スライダー３の走行開始、戻り開始、戻り後の走行再開等といった各種制御、入力された車両データを基にして、保守、整備等の管理も可能な機能のソフトを備えている。

［形状測定説明］
本発明の車輪形状測定装置は、営業車両に装備されている車輪Ｗであっても、その他の車両（例えば、測定専用車両）に装備されている車輪Ｗであっても測定することができる。営業車両に装備されている車輪Ｗの測定は、例えば、車両Ｔを車庫入れする時（通常走行速度１０ｋｍ／ｈ）或いは車庫から出すとき（走行速度の遅いとき）に行うと測定し易い。この場合は、図２のように、本発明の車輪形状測定装置１を、車庫の入り口側（車庫内）のレールＲの側方に設置しておく。

[車輪形状測定装置の使用例]
本発明の車輪形状測定装置は次のようにして使用することができる。図２において、車両Ｔが矢印方向に走行して車両先端が速度計測器２に差し掛かると車両Ｔの走行速度が計測される。

前記走行速度の計測が終了すると、その速度情報を受けて、走行駆動体（リニアモータや通常のモータ等）３２（図１０）が作動して、スライダー３を車両Ｔと同方向にほぼ等速移動させる。移動中に車両速度又は車輪の回転速度を検知し、検知した速度に追従させてスライダー３−を車両Ｔに追従等速移動させて、スライダー３に搭載されている測定センサ４、速度差センサ７、カメラＣ等の測定系を車両と同方向に追従等速移動させる。この走行中に、測定センサ４のレーザ光源５から連続出射されるレーザ光２０が車輪Ｗに照射され（図６（ａ））、車輪Ｗから反射するレーザ光（反射光）２１が測定センサ４の受光器６に受光される。速度差センサ７により、常時、車両Ｔの走行速度又は車輪Ｗの回転速度とスライダー３の移動速度との速度差が検出される

車両Ｔが走行して、測定開始箇所Ｓ―Ｓ（図２）から測定終了箇所Ｅ−Ｅ（図２）までの間（形状測定箇所）を通過すると、車両Ｔの車輪Ｗが一回転以上回転する。このとき、レーザ光２０が車輪Ｗに照射され続け、その反射光２１が受光器６に受光される。受光される反射光２１は連続するが、受光した反射光２１を任意の時間間隔で間欠的に検知してモニタ画面Ｍ（図８（ａ））に表示することができる。

車輪表面Ａに異常があると反射光信号の形状Ｏが図６（ｃ）のように乱れる。この乱れは車輪Ｗの異常である。この反射光信号がＰＣにより演算処理（解析）されて異常の有無、以上の状況が検出（判別）される。

レーザ光２０による前記車輪形状測定中に、測定センサ４と共に車両Ｔと同方向に等速で移動するカメラＣにより車輪Ｗを撮影することもできる。撮影画像を確認することにより、反射光測定で検知された車輪Ｗの異常箇所の状況確認をすることができる。この場合、撮影画像をモニタ画面Ｍに表示することができ、その画像を、異常が存在しない基準車輪の撮影画像と照合して、形状の不一致箇所を異常として検知することもできる。

車両Ｔの先方四個の車輪Ｗの測定終了後に、スライダー３が戻り移動する。この場合、スライダー３は、車両Ｔに装備されている後方四個の車輪Ｗが測定開始箇所Ｓ−Ｓに到来する前に、測定開始箇所Ｓ−Ｓに戻り、車両Ｔと同方向に移動を再開し、更には、車両Ｔと追従等速移動する。この移動中、車両Ｔの後方四個の車輪Ｗにレーザ光２０を照射して前記と同様に反射光２１を受光し、車輪形状を測定する。必要に応じて、写真撮影もする。

（他の実施形態）
前記説明はあくまでも一例であり、一両の車両Ｔの先方車輪ユニットＸ１の車輪Ｗ１、Ｗ２と後方車輪ユニットＸ２の車輪Ｗ１、Ｗ２を二回に分けて測定する場合であるが、可能であれば一両の車両Ｔの先方車輪ユニットＸ１の車輪Ｗ１、Ｗ２と後方車輪ユニットＸ２の車輪Ｗ１、Ｗ２を同時に測定することもできる。この場合も測定終了後は測定開始箇所Ｓ―Ｓに戻って次の測定に備える。本発明では、可能であれば、車輪Ｗを一個ずつ測定することもできる。本発明の目的を達成できる範囲で、測定方法、測定装置の構成等を変えることができる。

本発明の車輪形状測定方法及び車輪形状測定装置は、主として鉄道車両の車輪の測定に適したものであるが、これら以外の車輪、例えば、ロープウェイやゴンドラの車輪、或いは、車輪以外の回転体の形状測定にも利用することができる。

１ 車輪形状測定装置
２ 速度計測器
２ａ 先端検知器
２ｂ 後端検知器
３ スライダー（走行体）
４ 測定センサ
５ レーザ光源
６ 受光器
７ 速度差センサ
８ 走行ガイド
８ａ （走行ガイドの）ケース
９ 支持具
１１ ケーブルガイド
１２ 支持台
１２ａ （支持台の）終端部
１３ （ケーブルガイドの）一端（移動端）側
１４ 連結具
１５ （ケーブルガイドの）他端（固定端）側
２０ レーザ光
２１ 反射光
３２ 走行駆動体（スライダードライバ）
３３ 制御回路
３４ 制御回路
５０ レーザ光源
５１ ビームスプリッタ
５２ ミラー
Ａ 車輪表面
Ｂ （車輪の）踏面
Ｃ カメラ
Ｄ レーザドップラセンサ
Ｅ 測定終了箇所
Ｆ （車輪の）フランジ
Ｇ ベース
Ｈ 反射板
ＬＢ レーザビーム
Ｋ 距離
Ｍ モニタ画面
Ｎ 乱れ
Ｏ 反射形状
Ｐ 照射形状
ＰＤ 受光素子
Ｒ レール
Ｓ 測定開始箇所
Ｔ 車両
Ｗ 車輪
Ｗ１ （車輪ユニット先方の）車輪
Ｗ２ （車輪ユニット後方の）車輪
Ｘ 車輪ユニット
Ｘ１ 先方車輪ユニット
Ｘ２ 後方車輪ユニット

Claims (12)

1. 車両に装備されている車輪の形状を、車輪の回転中に測定することができる車輪形状測定方法において、
   車両の走行速度を計測し、
   計測された走行速度と等速で、当該車両と同方向に測定センサ及び速度差センサを含む測定系を移動させ、この同方向等速移動中に速度差センサにより車両の走行速度と測定系の移動速度との速度差を検知し、検知された速度差に追従して前記測定系を車両に追従等速移動させ、
   前記追従等速移動中に測定センサのレーザ光源から回転中の車輪の少なくとも踏面にレーザ光を照射し、踏面から反射される反射光を前記測定センサの受光器で受光し、受光して得られた反射光信号の変動から車輪形状を測定する、
   ことを特徴とする車輪形状測定方法。
2. 請求項１記載の車輪形状測定方法において、
   車輪形状測定後に、測定系を測定開始箇所に戻り移動させ、戻ってから、前記測定系の走行を再開させて同方向等速移動させ、走行車両に追従等速移動させて、後方車輪の測定を行う、
   ことを特徴とする車輪形状測定方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の車輪形状測定方法において、
   車輪からの反射光を任意間隔で検出することにより、検出された反射光信号と車輪の周方向の位置関係を特定する、
   ことを特徴とする車輪形状測定方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車輪形状測定方法において、
   車輪形状をカメラで撮影し、
   その撮影画像の目視確認及び基準画像との照合によって車輪形状の異常を検知し、
   測定センサによる形状測定と併用する、
   ことを特徴とする車輪形状測定方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車輪形状測定方法において、
   車輪形状測定前に車輪外周のいずれかの箇所にマーキングしておくことにより、測定センサで測定された形状の異常箇所が車輪の周方向のどの箇所であるかを特定する、
   ことを特徴とする車輪形状測定方法。
6. 車両に装備された車輪の形状を、車輪の回転中に測定することができる車輪形状測定装置において、
   車両の走行速度を計測できる速度計測器と、車両に装備されている車輪にレーザ光を照射して車輪からの反射光を受光できる測定センサと、速度差センサと、前記両センサを含む測定系を搭載して走行するスライダーと、スライダーを走行させる走行駆動体を備え、
   前記速度計測器はスライダーよりも車両走行方向手前に設置固定されて、車輪形状測定開始前に車両の走行速度を計測することができ、
   前記速度差センサは車両の走行速度とスライダーの移動速度との速度差を検知することができ、
   前記走行駆動体は速度差センサで検知された速度差に応じてスライダーの走行速度を変えて、スライダーを走行車両に追従等速移動させることができ、
   前記測定センサのレーザ光源は前記追従等速移動中に、走行車両に装備された回転中の車輪にレーザ光を照射することができ、
   前記測定センサの受光器は車輪から反射される反射光を受光することができ、反射光を受光して得られた反射光信号に基づいて車輪形状を測定する、
   ことを特徴とする車輪形状測定装置。
7. 請求項６記載の車輪形状測定装置において、
   車両走行レールの両側方に当該レールと平行に配置された走行ガイドを備え、
   前記走行ガイドにスライダーを往復移動可能に設け、
   前記スライダーに測定系を搭載する、
   ことを特徴とする車輪形状測定装置。
8. 請求項６又は請求項７記載の車輪形状測定装置において、
   測定系を一つのスライダーに二つ搭載し、
   一両の車両に装備されている前方二軸、計四個の車輪を同時に測定できる、
   ことを特徴とする車輪形状測定装置。
9. 請求項６から請求項８のいずれか1項に記載の車輪形状測定装置において、
   スライダーは車輪形状測定後に車両走行速度よりも高速で戻り移動して、後方車輪が測定開始箇所に到来する前に形状測定箇所に戻り、戻ってから、車両と同方向に走行を再開し、走行車両に追従等速移動して一両の車両に装備されている後方二軸、計四個の車輪を測定できる、
   ことを特徴とする車輪形状測定装置。
10. 請求項６から請求項９のいずれか1項に記載の車輪形状測定装置において、
    スライダーにカメラを搭載して、カメラがスライダーの走行により測定系と共に車両と同方向に追従等速移動して、回転中の車輪を撮影できる、
    ことを特徴とする車輪形状測定装置。
11. 請求項６から請求項１０のいずれか1項に記載の車輪形状測定装置において、
    走行駆動体がリニアモータである、
    ことを特徴とする車輪形状測定装置。
12. 請求項６から請求項１１のいずれか1項に記載の車輪形状測定装置において、
    測定センサの受光器で反射光を受光して反射光信号を演算処理（解析）して、
    車輪の異常を検知可能なソフトを備えたコンピュータを備えた、
    ことを特徴とする車輪形状測定装置。

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