JP5427058B2 - 検測車の車体歪み測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、検測車の車体歪み測定方法および測定装置に関し、詳しくは、検測車の車体歪みによる軌道狂い測定における測定弦等の測定誤差を補正するために搭載されたレーザ基準装置の、車体歪みによる基準レーザ光の上下変動の範囲を抑えることで車両の床下と車体フレーム（シャーシ）との間に車体歪み測定装置（レーザ基準装置）を設置することが可能でかつ検測車の床上には多くの機器、測定装置を搭載するスペースを確保することができるような検測車の車体歪み測定方法および測定装置に関する。

鉄道におけるレール高さ狂い、変位、通り狂い等の軌道狂いを測定するために従来の軌道狂い測定装置にあっては、上下加速度計、左右加速度計、左右レール変位計等が必要とされ、これらのセンサが個々に軸箱、台車の測定枠等に取付けられている。さらにジャイロ等を使用する測定の場合には、車体側にジャイロが設けられている。なお、ここでの車体とは、走行台車に乗ったシャーシーと屋根を含めた部分をいう。
変位量等の軌道狂いは、通常、１０ｍ弦正矢の測定弦を用いて端部から５ｍの中央の測定値と両端部の測定値との関係で算出されるが、高い精度で測定を行うには測定弦自体が検測車の車体歪みにより狂うので、レーザ基準装置を搭載して車両の長さ方向における車体歪み量を基準レーザの受光位置の位置ずれ量として測定し、必要に応じ、車体の歪み量に応じて測定値が補正されている。

レーザ光の受光位置ずれ量による歪み量測定としては、ワークの歪み量をコーナキューブプリズムを用いて戻りビームの位置ずれ量として測定する測定装置が公知である（特許文献１）。
一方、変位量等の軌道狂いは、車体が上下左右に変動する走行車輪のばねより上のシャーシ等に変位検出器（２点に配置されたレーザ変位センサ）を左右のレールに対応してそれぞれ設けるものが公知である（特許文献２）。また、走行台車に検出ユニットを設け、この検出ユニットに各種センサを内蔵するものも公知である（特許文献３）。

特開２００１−２７２２１２号公報 特開２００３−２５４７４０号公報 特開２００１−６３５７０号公報

車両の長さ方向における検測車の車体歪みを検出するレーザ基準装置は、そのレーザ投光器のレーザビームを検測車の車体の長手方向に沿って照射し、その投光系と受光系とが走行方向の車体の両端部に配置される。そのため、車体の全長に近い距離に亙ってレーザ光が照射されることになる。
安全性を確保するためにレーザ光の通路は、管等により被覆することが必要であり、かつ、検測車の床には、データ処理装置、センサ制御装置，電源装置、前方監視画像制御装置、各種表示装置など多数の装置が設置される。しかも、レーザ基準装置は、左右のレールに対応して設けられ、さらに必要に応じて車両中心部にも設けられる。
そのため、レーザ基準の基準レーザ光の通路管の管径をできるだけ抑えることになるが、この管径を小さくなると、車体歪みにより端部に設けた受光部の受光領域から外れて車体の歪み量が測定できないという問題を生じる。
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、車体歪みによる基準レーザ光の上下変動の範囲を抑えることで車両の床下と車体フレームとの間に車体歪み測定装置を設置することが可能でかつ検測車の床上には多くの機器、測定装置を搭載するスペースを確保することができる検測車の車体歪み測定方法および測定装置を提供することにある。

このような目的を達成するためのこの発明の検測車の車体歪み測定方法および測定装置の特徴は、レーザ投光器から出射したレーザビームを検測車の車体の長手方向に沿って照射してこのレーザビームに沿って配列された第１および第２の受光器にレーザビームを順次受光させて少なくとも第２の受光器の受光状態により車体の歪みを測定する検測車の車体歪み測定方法において、
レーザ投光器と第１の受光器との間にレーザビームの光軸の角度を調整する角度調節器を設けるとともにこの角度調節器を含めてレーザ投光器と第１および第２の受光器とを検測車の車体フレーム上でかつ検測車の床下に配置し、車体の歪みにより第２の受光器がレーザビームを受光できなくなったときにこれより手前にある第１の受光器の受光状態によりレーザビームの角度を検出して第２の受光器がレーザビームを受光できるように角度調節器によりレーザビームの光軸の角度を補正するものである。

検測車の車体歪みは、例えば、２４°Ｃの外気温度を基準として考えたときに、外気温度の上昇に応じて屋根上温度が上昇することにより車体フレームの歪みが大きくなる。このときには、車体が伸びて車体は走行方向に沿って山形に湾曲してレーザ基準装置（そのレーザ投光器）のレーザ光は、受光器の受光面において上側に向かって徐々に時間をかけて移動する。そして歪み量がある程度以上に達するとその受光面から外れ、受光できなくなる。レーザ光が受光器の受光面から外れると歪み量の測定はできない。
逆に外気温度が２４°Ｃより低くなり、屋根上温度が下がったときには、車体が縮むが、車体フレームの下側には走行台車があるので谷形に湾曲する歪み量は多少とも抑えられる。これにより受光器が受光しなくなるようなことはほとんどない。
また、走行方向に直交する左右方向の歪みは車体の幅方向が短いので車体の構造上からその歪み量は走行方向ほど大きなものではなく、この方向の歪みにより受光器での受光ができなくなるということはない。

そこで、この発明にあっては、レーザ基準装置を検測車の床下に設けるために、レーザ投光器と第１の受光器との間にレーザビームを受けてその光軸の角度を調整する角度調節器を設けることで歪みによるレーザビームの光軸の変動、特に、上側への変動を角度調節器で調節できるようにして第１，第２の受光器の高さを低く抑える。これにより、この角度調節器とレーザ投光器と第１および第２の受光器とを検測車の車体フレーム上でかつ検測車の床下に配置することができる。
さらに、プリズムを用いてレーザ光の光軸を下側にシフトさせるようにすれば、車体歪みにより生じる第２の受光器が受けるレーザ光の上側へシフトする範囲を制限することができる。これにより第２の受光器の受光範囲を狭めることができ、さらにレーザ光の受光器に受光がされなくなったときには手前にある第１の受光器の受光状態でレーザ光の角度を検出して第２の受光器が受光できるようにレーザ光の光軸を調整することができるので、基準レーザ光の通路の変動範囲が抑えられ、レーザ基準装置を車両の床下に配置しても車体の長さ方向の歪み量を測定することが可能になる。
その結果、検測車の床上には多くの機器、測定装置を搭載するスペースを確保することができる。

図１は、この発明の検測車の車体歪み測定方法を適用した一実施例のレーザ基準装置におけるレーザビームを角度制御するシステムの説明図である。 図２（ａ）は、受光部の内部構造の説明図、図２（ｂ）は、光位置センサ（二次元ＰＳＤ）の検出信号についての説明図である。 図３は、この発明の検測車の車体歪み測定方法を適用した一実施例の車体歪み測定装置（レーザ基準装置）の検測車の床下配置の斜視説明図である。 図４は、その制御装置を中心とするブロック図である。 図５は、レーザビームの光軸についての照射角制御の仕方の説明図である。

図１において、１０は、車体歪み測定装置であって、レーザ角度制御・測定光学系（レーザ基準装置）１と制御装置９とからなり、レーザ角度制御・測定光学系１は、レーザ基準の投光部２と、受光部３、受光部４、そして受光部５とからなる。
図３に示すように、レーザ角度制御・測定光学系１は、左右のレール２０，２１に対応してそれぞれ車体フレーム（シャーシ）８上に設けられている。なお、２２〜２４は、それぞれ投光部２から出射されるレーザビーム２ａを通す通路管である。
図１に示すように、レーザ基準の投光部２は、レーザ光源（レーザ管）６とレーザ照射角度調節器７とからなり、これらがベース６ａ上に載置されている。
レーザ照射角度調節器７は、光軸を下側にシフトするプリズム７１とこのプリズム７１を載置する首振り台座７２、そして駆動モータ７３とからなる。首振り台座７２と駆動モータ７３とは、プリズム７１を傾斜させるプリズム傾斜機構を構成している。
これにより、レーザ照射角度調節器７は、レーザビーム２ａが最後段の受光部５に受光されなくなったときに制御装置９により制御されて手前にある受光部３の受光状態に応じてレーザビーム２ａの光軸２ｂの角度を点線で示すように調整してこれより後段の受光部４、受光部５にレーザビーム２ａが受光されるようにする。
レーザ光源６は、レーザヘッド（レーザ発光管）を有し、これの先に光学フィルター、コリメータレンズ等が設けられ、これらを介してレーザビーム２ａを出射する。

図２（ａ）に示すように、受光部３、受光部４は、それぞれビームスプリッタ１１とレンズ１２、そして受光器１３とを有し、レーザビーム２ａをビームスプリッタ１１に受けて、このビームスプリッタ１１により２分割されたビームのうちの反射光２ｃをレンズ１２を介して受光器１３で受ける。透過光は、後段の受光部４あるいは受光部５に送られる。
受光部５は、車体フレーム８の他方の端部に配置された受光部であって、この最後の受光部５は、図２（ａ）に示す構造の受光部において、ビームスプリッタ１１がなく、直角レンズ１２を介して受光器１３で受ける構成となっている。
これにより、レーザ光源６のレーザビーム２ａを検測車の車体の長手方向に沿って照射してこのレーザビーム２ａに沿って配列された受光器３，４，５に順次受光させて各受光器の受光状態により車体フレーム８の歪み量を測定することができる。

各受光部の受光器１３は、二次元ＰＳＤの光位置センサ１４で構成されている。ＰＳＤ（位置検出素子）は、フォトダイオードの表面抵抗を利用した素子であり、その受光位置に応じて両端から得られるピークを持つ２つの検出信号の発生タイミングにより受光位置を算出する。光位置センサ（二次元ＰＳＤ）１４は、ＰＳＤ素子を面として形成したもので、図２（ｂ）に示すように縦方向（＝高さ方向／Ｙ軸方向）と横方向（＝レール横断方向／Ｘ軸方向）の端子からそれぞれに検出信号が得られる。
受光器１３からの検出信号は、演算ユニット１５を介して制御装置９に入力される。演算ユニット１５は、受光器１３からの検出信号を受けて縦方向（Ｙ軸方向）の変位量ｙと横方向（Ｘ軸方向）の変位量ｘを算出し、さらに受光光量ｔを算出して、それぞれの算出値に対応する信号を制御装置９に出力する。

受光器１３の受光面１４ａは、図２（ｂ）に示すように受光位置に対応して検出されるＸ軸方向の中央位置（レーザビーム２ａのビームスポットＳの位置）を基準とした受光位置をｘとし、Ｙ軸方向の中央位置（レーザビーム２ａのビームスポットＳの位置）を基準とした受光位置をｙとして、Ｙ軸方向とＸ軸方向の各両端子の検出信号の値をａ，ｂ，ｃ，ｄとしたときに、変位量ｘ，変位量ｙは、両端子の出力値の比として受光位置ｘ，ｙが算出される。
例えば、ｘ＝Ｋ1×（ｃ−ｄ）／（ｃ＋ｄ） ｙ＝Ｋ2×（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）
である。ただし、Ｋ1，Ｋ2は、対象物からの距離、レンズの拡大率、受光面積などにより決定される係数である。
また、受光光量ｔは、ｔ＝ａ＋ｂあるいはｔ＝ｃ＋ｄにより算出される。
演算ユニット１５は、このような式に基づいて変位量ｘ，ｙと光量ｔを算出して制御装置９に送出する。

次に、図１に戻り、レーザ照射角度調節器７について説明すると、これの首振り台座７２は、底面円柱面ブロック７２ａとこれを受けて底面円柱面ブロック７２ａに円弧運動をさせる円柱面受ブロック７２ｂ、そして駆動モータ７３とからなる。
底面円柱面ブロック７２ａと円柱面受ブロック７２ｂとは図ではみえていない背面側に設けられたギヤ部において噛み合い結合していて駆動モータ７３により円柱面に沿って底面円柱面ブロック７２ａを回動させることで底面円柱面ブロック７２ａが円弧運動をすることによりプリズム７１を前後に傾斜させる。
プリズム７１は、底面円柱面ブロック７２ａの上部に載置されている。これは、２個の直角プリズム７１ａ，７１ｂからなる。これら直角プリズム７１ａ，７１ｂは、斜面が対向するように上下に積み重ねられて配置され、入射光を上側のプリズム７１ａの斜辺で受けて垂直方向へとレーザビーム２ａを反射させて垂直下側へと落とし、それを下側のプリズム７１ｂの斜辺で受けて水平方向に反射する。これによりレーザビーム２ａの光軸２ｂを下側にシフトする。これにより、レーザビーム２ａは、光軸が段差をもって入射光に平行になるように出射される。

その結果、レーザビーム２ａの位置を低く抑えて車体フレーム８の歪みにより発生するレーザビーム２ａの上側への移動を制限することができる。さらに、レーザ照射角度調節器７により光軸２ｂを上下に振るように制御をするので、受光器１３の受光面１４ａの高さを低く抑えても最終段の受光部５の受光器１３が受光できるようになる。
このように構成することで、図３のように、レーザ角度制御・測定光学系（レーザ基準装置）１を検測車の床下へ配置することが可能になる。
図３は、車体歪み測定装置１０の検測車の床下配置の斜視説明図である。
左右のレール２０，２１に対応して車体フレーム８（シャーシ）上にそれぞれ設けられたレーザ角度制御・測定光学系１の上には、検測車の床８ａがある。この床８ａ上にレーザ照射角度調節器７を制御してレーザビーム２ａの角度調整をする制御装置９が設置されている。さらに、車体フレーム８の上部には屋根を含む車両枠体が載せられている。
なお、１６，１７は、それぞれ走行台車に設けられた前後の走行車輪である。走行台車は図では省略してある。

図４は、制御装置９を中心とするブロック図である。
制御装置９は、手前にある受光部３の受光位置からレーザ照射角度調節器７のプリズム首振り量を制御してレーザビーム２ａが受光部３、受光部４、受光部５に受光されるように制御する。
この制御装置９は、コントロールブロック９０とＡ／Ｄ変換回路ブロック（Ａ／Ｄ）９３、そしてモータ駆動回路９４とを内蔵している。
コントロールブロック９０は、ＭＰＣ（マイクロプロセッシングコントローラあるいはＭＰＵ）９１とメモリ９２とからなり、これらがバスで相互に接続され、Ａ／Ｄ９３もコントロールブロック９０にバス接続されている。

ここで、Ａ／Ｄ９３は、受光部３、受光部４、受光部５からそれぞれの検出信号の値として変位量ｘ，ｙと受光光量ｔを各受光部対応に受けてそれらをデジタル値に変換する。
モータ駆動回路９４は、レーザ照射角度調節器７の駆動モータ７３を駆動制御する。これにより、プリズム７１の傾斜し、この傾斜を介してレーザビーム２ａの光軸２ｂの照射角θ（図５参照）が調整される。
メモリ９２には、受光レーザ位置判定プログラム９２ａ、角度算出プログラム９２ｂ、光軸角度補正プログラム９２ｃ、補正歪み量算出プログラム９２ｄ等が格納され、作業領域９２ｅとパラメータ領域９２ｆとが設けられている。

図５は、レーザビーム２ａの光軸２ｂについての照射角制御の仕方の説明図である。以下、これについて説明する。
ＭＰＣ９１は、所定の周期で定期的に受光レーザ位置判定プログラム９２ａをコールして実行しあるいは車体歪み量算出処理をするときにコールされて実行する。
受光レーザ位置判定プログラム９２ａがＭＰＣ９１に実行されると、Ａ／Ｄ９３から出力される検出値ｘ，ｙ，ｔ（デジタル値）を作業領域９２ｅにそれぞれ各受光部対応に記憶する。そして、最終段の受光部５における受光器１３の受光面１４ａの受光光量ｔが所定値以上であるか否かを判定する。これにより、受光部５が受光状態にあるか否かを判定する。ここで、受光部５が受光状態にないと判定されたときには、角度算出プログラム９２ｂがコールされてＭＰＵ９１により実行される。
受光部５が受光状態にあるときにはここで処理が終了し、次の受光レーザ位置判定プログラム９２ａのコールを待つ。

受光部５が受光状態にないと判定されたときに、ＭＰＣ９１は、角度算出プログラム９２ｂをコールして実行し、作業領域９２ｅを参照して受光部３の変位量ｘ，ｙに基づいて、プリズム７１の位置を基準とした光軸２ａの水平状態から傾斜した照射角θ（図５参照）を算出してパラメータ領域９２ｆに記憶する。そして、光軸角度補正プログラム９２ｃをコールして実行する。
なお、水平状態から傾斜した照射角θは、図２（ｂ）においてレーザビーム２ａのビームスポットＳの位置（中央位置）からの変位量ｙとプリズム７１（プリズム７１ｂの斜面の反射位置）から受光部３（ビームスプリッタ１１の反射位置）までの距離とにより算出される。
次にＭＰＣ９１は、光軸角度補正プログラム９２ｃコールして実行し、モータ駆動回路９４を駆動してレーザ照射角度調節器７の駆動モータ７３を駆動制御して−θ分、逆方向にプリズム７１を駆動して新しい受光部３の変位量ｘ，ｙを得て、受光部３におけるＹ軸側（高さ方向）の変位量ｙが“０”になるように調整する。これにより図５に点線で示すレーザビーム２ａの光軸２ｂを実線で示す状態にする。
なお、前記の角度算出プログラム９２ｂの実行において、すでに、パラメータ領域９２ｆに角度補正した照射角θが記憶されているときには、これの次に別にそのときの算出された新しい照射角θを記憶していく。
以上の処理においては、各処理プログラムが順次実行されるだけであるので、これらの処理のフローチャートについては割愛する。

最後の補正歪み量算出プログラム９２ｄは、軌道狂いの各測定値を車体フレーム８により歪みに応じて補正する補正処理、すなわち、車体歪み量算出処理をするときにコールされてＭＰＣ９１に実行される。
補正歪み量算出プログラム９２ｄがＭＰＣ９１に実行されると、ＭＰＣ９１は、受光部３、受光部４、受光部５において検出された各変位量ｙに対して光軸角度を角度θ分角度補正したことによる受光位置のずれ量をそれぞれの受光部３、受光部４、受光部５について算出する。それをパラメータ領域９２ｆに記憶された角度θの個数分を行い、高さ方向（Ｙ軸方向）における受光位置のトータルずれ量を算出する。
次に、現在の各変位量ｙに対してずれ量分の加減算演算を行い、高さ方向（Ｙ軸方向）における正しい歪み検出量を受光部３、受光部４、受光部５対応にそれぞれ算出する。
ここで算出された各変位量ｙに対する歪み量は、作業領域９２ｅに記憶されて各測定値の補正処理に利用される。なお、レール横断方向（Ｘ軸方向）の歪み量は補正なしに使用される。
また、車体歪み量算出処理を終了したときには、パラメータ領域９２ｆに記憶された照射角θはクリアされる。

以上説明してきたが、実施例では、レーザ基準の投光部２に対して受光部３、受光部４、受光部５と３段の受光部を設けて、一番手前の受光部３における受光位置で照射角度θを算出しているが、これは、受光部４における受光位置で角度を算出してもよい。要するに、この発明は、受光外れを検出する受光部の手前に受光部が１つあればよく、歪み量を測定する受光器は、受光外れを検出する受光部のみであってもよい。
また、受光部は、実施例のように３個設ける必要はなく、受光外れを検出する最終段の受光部５の手前に１つだけあればよい。
さらに、実施例では受光レーザ位置判定プログラム９２ａをＭＰＣ９１が実行して受光部５が受光状態にないと判定しているが、この発明は、このような判定プログラムに換えて受光部５が受光状態にないことを検出する検出回路を設けてもよい。

１…レーザ角度制御・測定光学系、２…投光部、２ａ…レーザビーム、
２ｂ…光軸、３，４，５…受光部、６…レーザ光源、
７…レーザ照射角度調節器、８…車体フレーム、８ａ…床、
９…制御装置、１０…車体歪み測定装置、
１１…ビームスプリッタ、１２…直角レンズ、１３…受光器、
１４…二次元ＰＳＤ光位置センサ、１５…演算ユニット、
１６，１７…走行車輪、
２０，２１…レール、７１…プリズム、
７２…首振り台座、７３…駆動モータ、
９０…コントロールブロック、
９１…ＭＰＣ、９２…メモリ、
９２ａ…受光レーザ位置判定プログラム、
９２ｂ…角度算出プログラム、
９２ｃ…光軸角度補正プログラム、
９２ｄ…補正歪み量算出プログラム、
９２ｅ…作業領域、９２ｆ…パラメータ領域、
９３…Ａ／Ｄ変換部（Ａ／Ｄ）、９４…バス、
９４…モータ駆動回路。

Claims (6)

1. レーザ投光器から出射したレーザビームを検測車の車体の長手方向に沿って照射してこのレーザビームに沿って配列された第１および第２の受光器に前記レーザビームを順次受光させて少なくとも前記第２の受光器の受光状態により前記車体の歪みを測定する検測車の車体歪み測定方法において、
   前記レーザ投光器と前記第１の受光器との間に前記レーザビームの光軸の角度を調整する角度調節器を設けるとともにこの角度調節器を含めて前記レーザ投光器と前記第１および第２の受光器とを前記検測車の車体フレーム上でかつ前記検測車の床下に配置し、前記車体の歪みにより前記第２の受光器が前記レーザビームを受光できなくなったときにこれより手前にある前記第１の受光器の受光状態により前記レーザビームの角度を検出して前記第２の受光器が前記レーザビームを受光できるように前記角度調節器により前記レーザビームの光軸の角度を補正する検測車の車体歪み測定方法。
2. 前記角度調節器は、プリズムとプリズム傾斜機構とを有し、前記プリズムにより前記光投光器から照射されたレーザビームの光軸を一旦垂直方向に降下させて降下した前記レーザビームの光軸を水平方向にして入射した前記レーザビームを段差をもって平行に出射する請求項１記載の検測車の車体歪み測定方法。
3. プリズムは、２個の直角プリズムからなり、そのうちの１個の直角プリズムが前記光投光器から照射された前記レーザビームの光軸を一旦垂直方向に降下させ、残りの１個の前記直角プリズムが降下した前記レーザビームの光軸を水平方向に戻して入射した前記レーザビームを段差をもって平行に出射させる請求項２記載の検測車の車体歪み測定方法。
4. レーザ投光器から出射したレーザビームを検測車の車体の長手方向に沿って照射してこのレーザビームに沿って配列された第１および第２の受光器に前記レーザビームを順次受光させて少なくとも前記第２の受光器の受光状態により前記車体の歪みを測定する検測車の車体歪み測定装置において、
   前記レーザ投光器と前記第１の受光器との間に設けられ前記レーザビームの光軸の角度を調整する角度調節器を有し、
   前記レーザ投光器と前記第１および第２の受光器と前記角度調節器とが前記検測車の車体フレーム上でかつ前記検測車の床下に設けられ、
   前記車体の歪みにより前記第２の受光器が前記レーザビームを受光できなくなったときにこれより手前にある前記第１の受光器の受光状態により前記レーザビームの角度を検出して前記第２の受光器が前記レーザビームを受光できるように前記角度調節器により前記レーザビームの光軸の角度を補正する検測車の車体歪み測定装置。
5. 前記角度調節器は、プリズムとプリズム傾斜機構とを有し、前記プリズムにより前記光投光器から照射されたレーザビームの光軸を一旦垂直方向に降下させて降下した前記レーザビームの光軸を水平方向にして入射した前記レーザビームを段差をもって平行に出射する請求項４記載の検測車の車体歪み測定装置。
6. プリズムは、２個の直角プリズムからなり、そのうちの１個の直角プリズムが前記光投光器から照射された前記レーザビームの光軸を一旦垂直方向に降下させ、残りの１個の前記直角プリズムが降下した前記レーザビームの光軸を水平方向に戻して入射した前記レーザビームを段差をもって平行に出射させる請求項５記載の検測車の車体歪み測定装置。

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