JP3094051B2 - 車輪測定装置 - Google Patents

車輪測定装置

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JP3094051B2 JP05239326A JP23932693A JP3094051B2 JP 3094051 B2 JP3094051 B2 JP 3094051B2 JP 05239326 A JP05239326 A JP 05239326A JP 23932693 A JP23932693 A JP 23932693A JP 3094051 B2 JP3094051 B2 JP 3094051B2
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良明 伊藤
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、たとえば鉄道車両の
車輪を測定する車輪測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】鉄道車両の車輪の形状や車輪径寸法、車
輪幅寸法は、従来はその形状に応じて作られた測定治具
を用いて測定されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このため、これら測定
治具を用いた測定では停止した車両の車輪しか測定でき
ず、測定に際しては多くの人手を要するとともに測定す
る人による差が生じやすいという問題点がある。この発
明は上記問題点を解決した車輪測定装置を提供すること
を目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】この発明に係る車輪測定
装置は、車輪の踏面と車輪の中心軸とを結ぶ線上に一対
の第1の光源から細帯状の第1の光を照射し、さらに車
輪の内側の側面に踏面と車輪の中心軸とを結ぶ線上に一
対の第2の光源から細帯状の第2の光を照射し、第1の
光により照射された踏面の像を一対の第1の撮像装置で
撮像し、第2の光により照射された車輪の内側の側面を
一対の第2の撮像装置で撮像し、各撮像装置により得ら
れる映像信号をもとに画像信号処理装置で車輪の踏面の
寸法及び直径を算出し、車輪の前後の踏面画像データか
ら車輪の蛇行を算出し、車輪の蛇行による車輪の踏面の
寸法及び直径の補正を行うものである。
【0005】
【作用】この発明に係る車輪測定装置は、移動中の車両
の車輪の形状や寸法を短時間で測定する際に列車の蛇行
による測定誤差を除去することが可能となり、ひいては
高精度の測定が可能となる。
【0006】
【実施例】図1は、車輪1の踏面及び内側側面2の輪郭
を示している。車輪1の形状は、車輪径α、踏面勾配
ψ、フランジ厚さβおよびフランジ高さγによって表さ
れる。図において、点A,点Bおよび点Cは測定基準位
置であり、以下の様に決められている。すなわち、点A
は、内側側面2から車輪厚さ方向に所定距離l、たとえ
ば65mm離れた踏面4上の点である。点Bは、点Aから車
輪径方向に所定距離m、たとえば12mm離れた踏面4上の
点である。点Cは、フランジ3の頂点である。車輪径α
は、点Aを通る車輪の直径である。踏面勾配ψは、点A
における踏面の勾配である。フランジ厚さβは、点Bか
ら内側側面2までの車輪厚さ方向の距離である。フラン
ジ高さγは、点Aから点Cまでの車輪径方向の距離であ
る。なお、フランジ内側側面2にはD点に車輪の基準径
Nを読取ることのできる基準線、たとえばφ780 mmの基
準線が彫り込まれている。
【0007】図2は本発明に係る車輪測定装置の車輪前
側部の構成図、図3は車輪部に細帯状の光が照射されて
いる状態を示す説明図、図4は各構成機器の車輪前側部
の配置の一例を示す説明図である。地上に設置された光
源5から出射された細帯状光5aは、車輪1のフランジ3
および踏面4に照射される。地上に設置された光源6か
ら照射された細帯状光6aは、車輪1の内側側面2に照射
される。車輪踏面4に光が照射されている部分は、地上
に設置された撮像装置7により撮像され、車輪1の内側
側面2の光が照射されている部分は、内側側面2から撮
像装置8により撮像される。撮像装置7,8から出力さ
れる映像信号は、画像信号処理装置9に送られる。画像
信号処理装置9は、入力された映像信号にもとづいて、
車輪径α、踏面勾配ψ、フランジ厚さβおよびフランジ
高さγを算出する。なお、光源5,光源6から照射され
る2本の細帯状光5a,6aは、図3に示すように車輪の中
心1aと踏面4とを結ぶ直線上に一致していることが必要
であり、光電スイッチ10により車輪が検出されたタイミ
ングに従い撮像装置7,8により映像入力が行なわれ
る。車輪1が測定ポイントに到来したことを光電スイッ
チ10により検出し、検出したタイミングに従い撮像装置
7,8により映像入力が行なわれる。したがって、車輪
径が変化しても車輪踏面4に照射される第1の光5aと内
側側面に照射される第2の光6aとが、踏面4と車輪の中
心1aを結ぶ直線からずれることはない。
【0008】また、車輪径の変化により第1の光5aと第
2の光6aとの線が車輪の中心1aと踏面4とを結ぶ直線か
らずれるという現象が生じ、これが測定誤差の要因とな
るが、図4に示した機器の位置配置では、図5に示すよ
うに誤差分は微小であり測定精度に影響を与えるもので
はない。たとえば、図5に示すように車輪径が700 mmか
ら900 mmまで変化するとした場合、車輪踏面に向けて45
度の仰角で帯状光を照射し、車輪の真下で車輪踏面の映
像を撮像したとする。この場合、車輪の中心と踏面とを
結ぶ直線と細帯状光のラインとのズレは約5度で、これ
により生じる寸法誤差は車輪のフランジ高さ方向に対し
て約0.3 %となる。本測定装置では車輪内側の基準溝か
ら求められた基準径寸法にフランジ高さ寸法を加算し車
輪径寸法を算出する方式を採用しているため、車輪径全
体の寸法で考えれば車輪径変化による角度ズレから生じ
る測定誤差は十分小さく、必要とされる測定精度に対し
て十分無視できるものである。
【0009】図6は車輪測定装置のブロック図を示して
いる。撮像装置7,8から出力される映像信号は、それ
ぞれA/D変換器13,14に送られ、ディジタル信号に変
換される。ディジタル信号に変換された画像データはC
PU15によりフレームメモリ16に格納され、2値化処理
やエッジ成分抽出処理が行なわれ車輪各部の形状や寸法
が算出される。また、フレームメモリ16に格納された画
像データは必要に応じてD/A変換器17を介して出力さ
れ、モニタ18に表示される。
【0010】フレームメモリ16に格納された画像データ
をモニタ18に表示した車輪踏面の輪郭像を図7に,車輪
内側側面部の画像を図8にそれぞれ示す。図7におい
て、フランジ端面から一定距離だけ離れたポイントをA
m 点とし、Am 点からある一定距離mm だけ離れたポイ
ントをBm とする。また、フランジの先端部をCm 点と
する。Am 点の勾配を算出することによりψm を、フラ
ンジ端面からBm 迄の距離を算出することによりβ
m を、フランジ先端部Cm からAm までの距離を算出す
ることによりγm をそれぞれ算出することができる。
【0011】次に、図8においてフランジ先端から基準
線までの距離σm を算出することができる。車輪内側側
面で照射される細帯状光のラインと車輪踏面で照射され
る細帯状光のラインとが車輪中心と車輪外周面とを結ぶ
直線上に一致するよう光軸を一致させ、車輪内側側面の
画像入力タイミングと車輪踏面の画像入力タイミングと
を一致させているため車輪径算出においては、図8で算
出したσm から図7で算出したγm を引き、車輪の基準
径Nを加算することにより車輪径αm を算出することが
できる。ただし、図7,図8に示したように、フレーム
メモリに格納された画像データにおいては、照明装置と
撮像装置および車輪との位置関係により実際の踏面形状
に比べて歪んだ画像となっている。上記の形状測定にお
いては、この歪を補正することが必要となる。撮像装置
により入力された踏面部の画像データをもとに実際の車
輪各部の寸法に補正する方法を以下に示す。
【0012】図9は車輪踏面の画像撮像用の機器配置を
示しており、細帯状光の作る平面をL,撮像装置7の中
心軸に垂直な平面をC,平面Lと平面Cとのなす角度、
すなわち撮像装置7の傾斜角をθとする。フレームメモ
リ16上の座標Xf,Yf平面、平面L上の座標をXl,
Yl座標、平面C上の座標をXc,Yc平面とすると、
フレームメモリ上の座標xf,yfから平面C上の座標
xc,ycへの変換は数1および数2によって行なわれ
る。
【0013】
【数1】
【0014】
【数2】
【0015】ここで、xmO,ymOはXc,Yc座標
の原点座標に対応するXm,Ym座標のx,y座標であ
る。また、Mx、Myはそれぞれフレームメモリ画面に
おけるXf,Yf方向の1画素あたりの長さ(mm)を表
している。C平面上の座標(xc,yc)のL平面上の
座標(xl,yl)への変換は数3および数4によって
行なわれる。
【0016】
【数3】
【0017】
【数4】
【0018】ここで、hはC平面の座標の原点から撮像
装置までの距離である。数1〜数4より、フレームメモ
リ上の座標から実際の車輪踏面の座標を求める式は数5
および数6となる。
【0019】
【数5】
【0020】
【数6】
【0021】図10は車輪内側側面部の画像撮像用の機器
配置を示しており、車輪の方線軸方向と撮像装置の軸と
を同一とした場合にはフレームメモリ上の画像データの
座標と実際の車輪上の座標とは単純にMh倍されている
に過ぎず、車輪上のσの値と画像データ上のσm の値と
の関係は数7で示される。
【0022】
【数7】
【0023】ここで、Mhは車輪上の単位長と画像メモ
リ上の単位長との比較係数である。
【0024】以上説明した車輪測定装置を車輪の前後に
それぞれ設置し、車両の蛇行による寸法測定誤差を除去
する方法について示す。図11は車輪1の前後方向に車輪
測定装置を配置した説明図で、図4に示す機器が車輪の
進行方向の前後に配置されることを示している。図12は
車輪1がレールに対して角度ξだけ蛇行した状態を示す
説明図、図13及び図14は車輪前後の踏面用カメラ7上で
入力した車輪踏面の画像を示す説明図である。車輪1の
基準径は図1よりNで与えられており、車輪の蛇行によ
る内側側面の位置ズレ量D(=Df+Db)は位置ズレ
角をξとすれば数8で与えられる。
【0025】
【数8】
【0026】ここで、Df:車輪前部の蛇行量(車軸方
向のズレ量) Db:車輪後部の蛇行量(車軸方向のズレ量) D :車輪の蛇行量(Df+Db) ξ :車輪の蛇行角 なお、ここでDf,Dbの蛇行量(車軸方向のズレ量)
とは、校正用車輪を車輪測定装置の測定位置に配置した
際に決まる車輪内側側面の位置座標(基準座標位置)か
らの移動量である。図13及び図14に示したように、車輪
前後用の踏面用カメラ7により入力された車輪踏面画像
から求められる画像上でのフランジ先端および車輪内側
側面の横軸方向のズレ量d(=df+db)と、実空間
上でのズレ量Dとの関係は数式1に示したように数9に
示したようになる。
【0027】
【数9】
【0028】ここで、df:画像上における車輪前部の
蛇行量 db:画像上における車輪後部の蛇行量 d :画像上における車輪の蛇行量(df+db) 数8,数9より、車輪1の蛇行角ξは数10により与えら
れる。
【0029】
【数10】
【0030】ここで、Mxは数1で示される、車輪上の
単位長と画像メモリ上の単位長との比較係数である。以
上より、車輪の蛇行(蛇行角ξ)という誤差要因も含め
た車輪踏面座標は数11〜数12に示す通りとなる。
【0031】
【数11】
【0032】
【数12】
【0033】また、図1より、蛇行により車輪内側側面
2と車輪内側側面用カメラ8との距離はN*sin ξ/2
だけ変化する事となる。すなわち、基準状態における車
輪内側側面2と車輪内側側面用カメラとの距離をS、車
輪の輪軸と車輪内側側面用カメラの法線ベクトルとの交
差角をωとすると、車輪の蛇行(蛇行角ξ)という誤差
要因も含めた車輪前後の内側側面距離は数13で表され
る。
【0034】
【数13】
【0035】ここで、複号は蛇行の方向を示し、車輪側
面がカメラに近付く時は−,遠ざかる時は+となる。
【0036】
【発明の効果】以上の様にこの発明によれば、移動中の
車両の車輪の形状や寸法を短時間で測定し、列車の蛇行
により生ずる測定誤差を補正することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】車輪の踏面および内側側面の要部を示す車輪の
正面図である。
【図2】この発明の一実施例の要部を示す車輪測定装置
の構成図である。
【図3】図2において車輪に照射される細帯状光の照射
位置を示す説明図である。
【図4】図2の各機器の配置を示す説明図である。
【図5】図2において車輪径変化により発生する誤差の
説明図である。
【図6】図2の要部を示すブロック図である。
【図7】図2において細帯状光が照射された踏面の画像
を示す。
【図8】図2において細帯状光が照射された車輪の内側
側面の画像を示す説明図である。
【図9】図2において実平面とフレームメモリ上の平面
との関係を示す説明図である。
【図10】図2において車輪の内側側面の画像を撮像す
る撮像装置と光源,車輪との位置関係を示す説明図であ
る。
【図11】他の発明の一実施例を示す構成図である。
【図12】図11において車輪が蛇行した位置関係を示す
説明図である。
【図13】図11において車輪の前側の踏面を撮像装置に
より入力した画像を示す説明図である。
【図14】図11において車輪の後側の踏面を撮像装置に
より入力した画像を示す説明図である。
【符号の説明】
1 車輪 2 車輪内側側面 4 踏面 5 第1の光源 6 第2の光源 7 第1の撮像装置 8 第2の撮像装置 9 画像信号処理装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本多 隆一 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三菱電機株式会社内 (72)発明者 伊藤 良明 名古屋市中村区名駅一丁目1番4号 東 海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 金谷 晴夫 名古屋市中村区名駅一丁目1番4号 東 海旅客鉄道株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−123608(JP,A) 特開 昭63−127376(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 B61K 9/02 G01M 17/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 車軸に装着された一対の車輪のうち一方
    の上記車輪の前後に配置し、上記車輪の踏面と上記車輪
    の中心軸とを結ぶ線上に細帯状の第1の光を照射する一
    対の第1の光源と、一方の上記車輪の前後に配置し、上
    記車輪の内側の側面に上記踏面と上記車輪の中心軸とを
    結ぶ線上に細帯状の第2の光を照射する一対の第2の光
    源と、上記第1の光により照射された上記踏面の像を撮
    像する一対の第1の撮像装置と、上記第2の光により照
    射された上記車輪の内側の側面を撮像する一対の第2の
    撮像装置と、上記各撮像装置により得られる映像信号を
    もとに上記車輪の踏面の寸法及び直径を算出し、上記車
    輪の前後の踏面画像データから上記車輪の蛇行を算出
    し、上記車輪の蛇行による上記車輪の踏面の寸法及び直
    径の補正を行う画像信号処理装置を備えた車輪測定装
    置。
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