JP5080356B2 - レールの頭面形状測定装置および測定方法 - Google Patents
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Description
レールの踏面等の測定は、現在のところ検測車あるいは牽引式の測定器などにより行われているが、高い精度が望めない上に測定時に線路閉鎖などが必要となり、測定場所や測定時間が限られることから、また、より精度の高い計測が必要となる場合などには、レール踏面あるいは頭面を個別に作業者(人手)によりレールに測定器を設置してレール頭面の測定が行われている。
そのための、レールの踏面形状あるいは頭面形状に対する各種の検測装置、検査装置、そして測定器が使用され、また開発されている。
この種のレール頭面の計測技術は、すでに公知になっている(特許文献1,2)。
一方、後者のレーザ変位センサによるものは、レールの頭面のうちその上面と側面とをそれぞれ個別の変位センサで測定して、測定結果をコンピュータで合成処理しなければならない。その関係で測定値に対するコンピュータでの処理ロードが大きくなることと、測定上重要となるレール上面と頭部側面との接続部分である、いわゆる踏面角部の測定精度が落ちる問題がある。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、作業者の勘に頼らなくても高い精度でレールの頭面形状が効率的かつ連続的に測定でき、データ処理装置におけるデータ処理ロードが低減できるレールの頭面形状測定装置および測定方法を提供することにある。
第1のクランプ機構によりレールに一時的に固定された直線移動機構において移動台を介してセンサ支持部材を移動させて第1および第2の二次元変位センサによりレールの頭面を測定するものである。
ここで、第1および第2の二次元変位センサから得られる所定の基準位置からの変位を示す二次元測定信号は、A/D変換して2つの踏面位置の画像データとして得て、これらを直線として合成することで容易にレールの頭面の断面画像に編集することができる。
しかも、レールの上面に沿って所定の長さで橋渡された直線移動機構の移動台をガイドとしてセンサ支持部材を移動させるので作業者の勘に頼らなくても高い精度でレール踏面の角部を中心とする測定信号を第1および第2の二次元変位センサから得られるので容易に画像生成をすることができる。
その結果、この発明は、作業者の勘に頼らなくても高い精度でレールの頭面形状が効率的かつ連続的に画像データとして得ることができ、データ処理装置におけるデータ処理ロードが低減できる。
図1において、10は、レールの頭面形状測定装置であって、1は、その直線移動機構である。直線移動機構1は、長手方向両側の端部に設けられた脚フレーム3,4を有し、脚フレーム3,4により両端で支持されたボールスクリュウ機構である。
直線移動機構1は、その直線移動機構本体2がレール11の上面と所定の距離をもって、レール11の上面に沿って所定の長さL、例えば、L=1000mmで橋渡され、レール11に対向するように下向きに俯せた形で設けられている。その結果、図示するように直線移動機構1の移動台2a(図2参照)は下側にある。
2は、スクリュウ2b(図3(a)参照)を回転可能に固定した直線移動機構本体であって、脚フレーム3,4は、この直線移動機構本体2の両端に垂下して固定されたチャネルフレームで構成されている。
3a,4aは、ローラであって、脚フレーム3,4のチャネルフレームの足部分内側に内装され、それぞれレール11の上面11aに当接されている。また、チャネルフレームの足部分側面には頭部側面11bを両側から挟む形でガイドローラ3b,3c,4b,4cがそれぞれ設けられている。
ローラ3a,4aがレール11の上面11aに接して転がり、ガイドローラ3b,3cとガイドローラ4b,4cは、レールの頭部側面11bに接して転がることで、直線移動機構本体2をレール11に沿って移動可能にこれらがガイドする。
直線移動機構のクランパ5,6は、それぞれL字クランプ板5a,5bとL字クランプ板6a,6b、そしてDCモータ5c,6cとカム機構5d,6d(図3(a)参照)とからなる。
L字クランプ板5a,5bは、レール11の上面11aと頭部側面11bとを両側から挟むことで直線移動機構1をレール11に一時的に固定(クランプ)する。L字クランプ板5a,5bは、カム機構5dを介してDCモータ5cの駆動により開閉駆動される。L字クランプ板6a,6bもL字クランプ板5a,5bと同様な構造のものであって、直線移動機構1をレール11に一時的に固定(クランプ)するものであって、カム機構6dを介してDCモータ6cの駆動により開閉駆動される。
カム機構5d,6dは、回転を直線運動に変換してL字クランプ板をレール11の頭面に対して進退させて開閉動作をするものであって、例えば、楕円溝とこれに係合する2本のカムフォロアピンとの組合わせで構成することができる。楕円溝が回転して2本のカムフォロアピンが長径に沿って配置されるとき、L字クランプ板5a,5bあるいはL字クランプ板6a,6bは、それぞれ相互の距離が開き、開放状態になる。このときL字クランプ板5a,5bあるいはL字クランプ板6a,6bは、レール11の頭面から所定の距離離れて配置される。
一方、楕円溝が回転して2本のカムフォロアピンが短径に沿って配置されるとき、L字クランプ板5a,5bあるいはL字クランプ板6a,6bの相互の距離が狭くなり、L字クランプ板5a,5bあるいはL字クランプ板6a,6bは、レール11の頭面を加圧して閉成状態となる。
このような回転によるL字クランプ板あるいはチャックを開閉する開閉機構は一般的であるので、特にその内部は図示しない。
これにより、二次元レーザ変位センサ8a,8bは、レール11の頭面(上面11a+頭部側面11b)に対して断面V字型に配置され、測定光Ls(図2,図3(a)参照)がレール11の頭面に照射される。
二次元レーザ変位センサ8a,8bは、三角測量式のレーザビームセンサであって、レール11の頭面をレール横断方向に走査することによりZ方向(高さ方向)における所定の基準位置から高さを計測する。
なお、これらの間にはスライドベアリング等のスライド軸受あるいはスライド樹脂等が設けられてもよい。図ではそれらは省略してある。
この移動枠7には、上底7dの外側からレール11側に脚フレーム7eが垂下されて設けられている。脚フレーム7eの足部にはブラケット7fを介して移動枠クランパ(移動枠クランプ機構)9が取付けられていて、移動枠クランパ9は、直線移動機構のクランパ5,6と同様に、レール11の上面11aと頭部側面11bとを両側から挟むL字クランプ板9a,9b、そしてDCモータ9cとカム機構9dとからなり、L字クランプ板9a,9bがカム機構9dを介してDCモータ9cの駆動により開閉駆動される。
L字クランプ板9a,9bの開放時には、L字クランプ板9a,9bとレール11の頭面(上面11a+頭部側面11b)との間にクリアランスが確保されて移動枠7は直線移動機構1の移動台2aを固定ガイドとして移動可能な状態になる。
図2の詳細説明図に示すように、移動枠7は、移動台2aの移動に応じてスクリュウ2b(図3(a)参照)に沿って直線移動する。その移動制御は、図4に示す携帯用のデータ処理装置20によりモータ駆動回路90(図4参照)を介して直線移動機構1のモータ2c(図3(a),(b)参照)を駆動することで行われる。
このときの送り速度は、例えば、20mm/secである。直線移動機構1とデータ処理装置20とは、さらにPCカードインタフェース18b(図4参照)を介してデジタル入出力関係で接続されている。
なお、直線移動機構1における移動枠7の移動位置のデータは、移動枠7に固定されたエンコーダ(図示せず)を介して得られる移動データによりデータ処理装置20により管理されている。また、移動枠7がレール11に固定されたときには、これを固定ガイドとしてガイドローラ3a,4aと、ガイドローラ3b,3c、そしてガイドローラ4b,4cの案内の下で直線移動機構本体2を移動することが可能になる。そこで、後述するように、直線移動機構本体2が移動したときにはこれの移動量もここではデータ処理装置20により管理されている。
図3(a),図3(b)に示すように、実際には、脚フレーム3,4は、直線移動機構本体2の幅より少し大きい幅を持った倒立したL字型のチャネルフレームで形成され、その倒立した足部分が直線移動機構本体2の表面に跨って当接されて直線移動機構本体2の端部に表面側でねじにて固定されている。これにより脚フレーム3,4を足としてこれらと一体となった直線移動機構本体2とにより直線移動機構1が構成されている。
脚フレーム3のレール11側には、ローラ3aがレール11を横断する方向に橋渡されてチャンネルフレームに内装され、その側壁面に軸ピン12が挿着されてこの軸ピン12を介してL字のフレームに取付けられてローラ3aが回転する。同様に脚フレーム4のレール11側には、ローラ4aがレール11を横断する方向に橋渡されてチャンネルフレームに内装され、その側壁面に軸ピン13が挿入されてこの軸ピン13を介してL字のフレームに取付けられてローラ4aが回転する。
直線移動機構のクランパ5,6にはそれぞれDCモータ5c,6cが設けられ、移動枠クランパ9にはDCモータ9cが設けられている。各DCモータの先に結合されている5d,6d,9dのブロックがそれぞれカム機構である。
移動枠7の移動ストロークは、ここでは直線移動機構1の長さの半分の500mmの範囲にあって、図面右端にホームポジションHPが設定され、左側にはエンドポジションEPが設定され、移動枠7がこれらの間を移動する。ホームポジションHPとエンドポジションEPにはそれぞれ検出器が設置されあるいはエンコーダにより距離計測によりホームポジションHPとエンドポジションEPが検出される。
移動枠7に搭載された二次元レーザ変位センサ8a,8bの測定光Lsは、図3(a)に示すようにレール11の頭面に垂直に照射されて走査され、その反射光が二次元レーザ変位センサ8a,8bの受光部でそれぞれ受光される。
なお、図3(a),図3(b)に示す直線移動機構本体2の前後に設けられた15a,15b,16a,16bは、頭面形状測定装置10のレール設置用の取手である。
ここで、二次元レーザ変位センサ8(二次元レーザ変位センサ8a,8bを代表して)の内部にはコントローラとメモリとが内蔵されている。
二次元レーザ変位センサ8は、走査型投光系81と二次元CCD受光部82、そしてコントロール回路83、A/D84,そしてメモリ85とで構成されている。
二次元CCD受光部82は、例えば、各画素位置が2分割された受光エリアをXY方向(Xは走査方向,Yは高さZ方向に応じた受光方向)に二次元配列して、2分割された受光エリアの信号が差動増幅回路等を介して変位信号を各画素位置対応に出力する。なお、受光素子としては、例えば、走査方向XとZ方向に応じた受光方向とにそれぞれPSD(ポジショニングセンサ)が配置されて用いられてもよい。
メモリ85の画素位置対応の変位データは、コントロール回路83により読出されて、USBインタフェースコントローラ18aに転送され、USBインタフェースコントローラ18aを介してデータ処理装置20にUSBケーブルを経て送出される。
これとは別に移動枠7にヘッドが設けられ移動枠7の移動量を検出するリニアエンコーダ86がPCカードインタフェース18bを介してデジタルの入出力でデータ処理装置20に接続されている。また、PCカードインタフェース18bを介してクランプ用のDCモータ5c,6c,9cのDCモータ駆動回路87へ駆動信号が供給される。
さらに、データ処理装置20と直線移動機構ドライブ回路18cとがRS232Cインタフェースを介して接続され、直線移動機構ドライブ回路18cがモータ駆動回路88を駆動してこれを介して直線移動機構1のモータ2cが駆動される。
なお、RS232Cインタフェースについては、USBインタフェースコントローラを設けてUSBインタフェースを介してデータ処理装置20に接続するようにしてもよい。逆に、USBインタフェースコントローラ18aは、RS232CインタフェースとしてRS232Cインタフェースでデータ処理装置20に接続されてもよい。
図5は、この場合の二次元レーザ変位センサ8a,8bの測定光Lsとレール11の頭面との関係の説明図であって、二次元レーザ変位センサ8a,8bの測定光Lsは、レール11の頭面に対して断面V字型に配置になるように図2に示すように、移動枠7の傾斜面に取付けられている。
その測定光Lsは、レール11の頭面に対して図5に示すような関係になる。レール11の中央に立てた垂線17に対して二次元レーザ変位センサ8a,8bの測定光Lsの中心線17a,17bがそれぞれ25°の角度に設定される。これにより、レール11の上面11aの両側角部11c,11dを測定中心として測定光Lsがレール11の両側からそれぞれにレール11の頭面(上面11aと頭部側面11b)に照射されてレール11の頭面を走査する。
まず、二次元レーザ変位センサ8a,8bから得られた二次元変位データから二値化処理、輪郭スムージング処理をして図6(a)に示す2枚の画像24a,24bを垂直方向から搭載角度θ=25°傾斜したレール頭面の二値化測定画像として得る。そして、レール頭面画像合成処理プログラム22cをMPU21が実行して、図6(a)に示す画像24a,24bの画像データにおけるレール11の上面11aの画像成分25a,25bが水平となるように、まず、25°時計方向と反時計方向にそれぞれ回転させる。さらに、レール11の上面11aの画像成分25a,25bの垂直方向の座標位置を一致させてこれら2枚の画像24a,24bを合成する。その結果として図6(b)に示すレール頭面の合成画像24を得ることができる。
この場合に最後の100枚目の画像と次の100枚のうちの最初の1枚目との3点a,b,cが一致するようにすることで多数の連続する画像をレール11の頭面の画像として得ることができる。
なお、図7(a)に示すように3点a,b,cは、レールが曲折する特徴点に採ることが好ましい。
その結果、図7(b)のようなレール11の頭面の三次元画像を得ることが可能になる。
図8(a)に示すように、頭面形状測定制御プログラム22dをMPU21が実行して、まず、直線移動機構1をクランプしてレール11に固定しておき、移動枠7のクランプを解除してホームポジションHPから左に移動枠7が所定のピッチ、例えば、1mmピッチで移動して1mm移動ごとにレール11の頭面の測定をしてホームポジションHPから500mm移動してエンドポジションEPする(図8(b)参照)。測定画像データが採取されると、図8(b)のエンドポジションEPから移動枠7が100mmだけ後退して移動枠7がレール11にクランプされて固定される(図8(c)参照)。
次に、図8(c)に示すように、レール11に固定された直線移動機構1のクランプを解除してレール11に固定された移動枠7をガイドとして直線移動機構本体側2を左に移動させて移動枠7を直線移動機構1のホームポジションHPに位置決めして直線移動機構1をレール11にクランプする。
次に、図8(a)に示した位置から400mm移動した位置をホームポジションHPとして、直線移動機構1をクランプしてレール11に固定しておき、移動枠7のクランプを解除してホームポジションHPから左に移動枠7を所定のピッチ、例えば、1mmピッチで移動して1mm移動ごとにレール11の頭面の測定をして500mm移動させる。
これにより100mm分の測定画像を重ねて採取することが可能になる。
以上の動作を繰り返すことによりレール11の頭面を順次測定してレール11の頭面の測定画像を連続的に得てデータ処理装置20にHDD23に順次記憶していくことができる。
実施例では、二次元レーザ変位センサを使用しているが、これは、例えば、赤色LED等を使用した二次元変位センサ一般であってもよいことはもちろんである。
実施例では、直線移動機構をレールにクランプするクランプ機構が各脚に対応してそれぞれに設けられているが、クランプ機構はいずれか一方の脚にだけ設けられてもよい。
また、実施例では移動枠の移動をボールスクリュウ送り機構により行っているが、この発明の移動枠の移動あるいは直線移動機構本体2の移動は、ボールスクリュウ送り機構に限定されるものではない。
さらに、実施例では、ボールスクリュウ送り機構により移動枠を所定のピッチで自動送りするようにしているが、この発明は、作業員の手動により移動枠を移動させてもよいことはもちろんである。
3,4,7e…脚フレーム、3a,4a…ローラ、
3b,3c,4b,4c…ガイドローラ、
5,6…直線移動機構のクランパ(直線移動機構クランプ機構)、
5a,5b,6a,6b,9a,9b…L字クランプ板、
5c,6c,9c…DCモータ、5d,6d,9d…カム機構、
7…移動枠、8,8a,8b…二次元レーザ変位センサ、
9…移動枠クランパ(移動枠クランプ機構)、
10…レールの頭面形状測定装置、
11…レール、12,13…軸ピン、
18…インタフェース回路・制御ブロック、
18a…USBインタフェースコントローラ、
18b…PCカードインタフェース、
18c…直線移動機構ドライブ回路、
19…電源装置、19a…発動発電機、19b…DC電源、
20…携帯型のデータ処理装置、
81…走査型投光系、82…二次元CCD受光部、
83…コントロール回路、84…A/D、85…メモリ。
Claims (9)
- 両端に脚が設けられレールに沿って移動可能に前記レールに支持された所定の長さの直線移動機構と、前記脚の少なくとも1つに設けられこの直線移動機構を前記レールにクランプする第1のクランプ機構と、前記直線移動機構の移動台に固定されたセンサ支持部材と、このセンサ支持部材に取付けられ前記レール踏面の両側角部を測定中心としてそれぞれに前記レールの頭面に対してレール横断方向に測定光を照射する第1および第2の二次元変位センサとを備え、
前記第1のクランプ機構により前記レールに一時的に固定された前記直線移動機構において前記移動台を介して前記センサ支持部材を移動させて前記第1および第2の二次元変位センサにより前記レールの頭面を測定するレールの頭面形状測定装置。 - 前記第1および第2の二次元変位センサは、それぞれ二次元レーザ変位センサであり、前記センサ支持部材は、前記第1および第2の二次元レーザ変位センサを前記レールの頭面に対して前記レール横断方向において断面V字型に配置する傾斜面を有している請求項1記載のレールの頭面形状測定装置。
- 前記移動台は下向きに配置され、前記傾斜面は、前記直線移動機構の両側に沿って外に開く上向きのフレームとされ、前記センサ支持部材は、前記フレームが前記移動台に取付けられた移動枠である請求項2記載のレールの頭面形状測定装置。
- 前記移動枠は、底辺が前記移動台に固定され前記直線移動機構が貫通する、前記直線移動機構の横断方向において倒立台形の断面形状を有し、前記倒立台形のそれぞれの斜辺に沿って前記第1および第2の二次元レーザ変位センサがそれぞれ取付けられている請求項3記載のレールの頭面形状測定装置。
- 前記移動枠は、さらに前記センサ支持部材を前記レールにクランプして支持する第2のクランプ機構を有し、前記第2のクランプ機構により前記移動枠が移動した位置で前記レールに一時的に固定された前記移動枠を介して前記移動台を固定側として前記第1のクランプ機構の固定が解除された前記直線移動機構の本体側が前記レールに沿って移動可能に支持される請求項4記載のレールの頭面形状測定装置。
- 前記第1および第2の二次元レーザ変位センサは携帯型のデータ処理装置に接続される請求項5記載のレールの頭面形状測定装置。
- 両端に脚が設けられレールに沿って移動可能に所定の長さの直線移動機構を前記レールに支持し、前記脚の少なくとも1つに設けられた第1のクランプ機構により前記直線移動機構を前記レールにクランプし、前記直線移動機構の移動台に取付けられたセンサ支持部材を移動して前記センサ支持部材に取付けられた前記レール踏面の両側角部を測定中心としてそれぞれに前記レールの頭面に対してレール横断方向に測定光を照射する第1および第2の二次元変位センサにより前記レールの頭面の形状を測定するレールの頭面形状測定方法。
- 前記第1および第2の二次元変位センサは、それぞれ二次元レーザ変位センサであって、前記センサ支持部材を前記レールにクランプして支持する第2のクランプ機構により前記センサ支持部材をこれが移動した位置で前記レールに一時的に固定し、前記第1のクランプ機構による前記直線移動機構の前記レールに対する固定を解除し、解除された前記直線移動機構の本体側を前記レールに固定された前記センサ支持部材を介して前記移動台をガイドとして前記レールに沿って移動する請求項7記載のレールの頭面形状測定方法。
- 前記第1のクランプ機構と前記第2のクランプ機構とで交互に前記直線移動機構の本体側と前記センサ支持部材のいずれか一方を前記レールに一時的に固定し、固定されていないいずれか他方を前記レールに沿って移動させて前記第1および第2の二次元レーザ変位センサにより前記レールの頭面を順次測定する請求項8記載のレールの頭面形状測定方法。
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