JP3708794B2

JP3708794B2 - 断面形状の測定装置

Info

Publication number: JP3708794B2
Application number: JP2000150044A
Authority: JP
Inventors: 隆番匠谷; 浩仲尾; 憲一高田
Original assignee: 近畿日本鉄道株式会社
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2020-05-22
Also published as: JP2001330426A

Description

【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、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。補正手段は、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。このような補正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１８０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測定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１４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０．００２ｍｍ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２９の他に、タイミングプーリ３０，３０、アイドラー３１…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２７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）

Claims

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、被測定物を跨ぐように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おり、
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おり、
前記被測定物は鉄道レールであり、前記計測部は１８０度以上回転可能に形成されており、レール顎部の形状も含めて計測することで、レール顎部を基準に前記補正手段による補正処理がなされ、
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ベルトで引っ張られて回転し、前記放射部及び受信部は、前記ガイドレールに対して被測定物の長さ方向に離間して配置されており、
前記ベルトの移動量を計測するためのロータリーエンコーダを備え、このロータリーエンコーダの出力によって前記計測部の位置を把握する
ことを特徴とする断面形状測定装置。