KR100628351B1 - 멀티라인 레이저를 이용한 차륜형상 측정장치 - Google Patents

Abstract

차륜에 둘 이상의 레이저라인을 조사함으로써 보다 정밀하게 차륜의 프로파일 및 직경을 측정할 수 있도록 구성되는 차륜형상 측정장치가 제공된다.

본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는, 둘 이상의 제1 레이저라인을 상기 차륜의 프로파일부 저면에 조사하여 촬영함으로써 차륜의 프로파일라인 이미지신호를 둘 이상 출력하는 프로파일 측정부; 둘 이상의 제2 레이저라인을 상기 차륜의 답면부 저면에 조사하여 촬영함으로써 차륜의 직경라인 이미지신호를 둘 이상 출력하는 직경 측정부; 및 상기 프로파일라인 이미지신호와 직경라인 이미지신호를 보정하여 차륜형상 데이터를 추출하는 데이터처리부를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는, 차륜이 수평 또는 수직 방향으로 틀어지거나 위치가 변경되더라도 각 부의 형상을 정확하게 측정할 수 있고, 정확한 직경 측정 지점으로부터 직경을 측정할 수 있으며, 촬영수단의 정확한 촬영 시점을 지정할 수 있고, 차륜의 직경 크기와 속도, 가속도에 관계없이 차륜의 형상을 정밀하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

차륜, 프로파일, 플랜지, 직경, 측정, 레이저라인, 촬영, 이미지, 트리거링

Description

멀티라인 레이저를 이용한 차륜형상 측정장치{Apparatus for measuring shape of wheel using multiline laser}

도 1은 종래 차륜 측정장치의 동작 구성을 도시하는 사시도이다.

도 2는 종래 차륜 측정장치를 이용하여 차륜의 형상을 조합하는 과정을 도시한다.

도 3은 종래 차륜 측정장치를 이용하여 직경이 서로 다른 차륜의 프로파일을 측정하는 형상을 도시하는 측면도이다.

도 4는 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치의 평면도이다.

도 5는 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치의 정면도이다.

도 6은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치의 측면도이다.

도 7은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치에 적용되는 내측거리 측정부의 결합위치를 도시하는 정면도이다.

도 8은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치에 적용되는 프로파일 측정부 및 직경 측정부의 위치를 도시하는 평면도이다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치를 이용하여 촬영한 프로파일라인 이미지를 도시한다.

도 11 및 도 12는 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치를 이용하여 촬영한 직 경라인 이미지를 도시한다.

도 13은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치에 적용되는 트리거링 장치부의 장착위치를 도시하는 측면도이다.

도 14는 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치에 적용되는 트리거링 장치부를 이용하여 차륜의 위치를 측정한 데이터이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 차륜 100 : 프로파일 측정부

110 : 프로파일용 촬영수단 120 : 프로파일용 발광수단

130 : 프로파일용 조정수단 200 : 직경 측정부

210 : 직경용 촬영수단 220 : 직경용 발광수단

230 : 직경용 조정수단 300 : 내측거리 측정부

310 : 반사광센서 400 : 트리거링 장치부

500 : 베이스프레임 510 : 보호커버

520 : 에어실린더 530 : 레일

540 : 가이드레일 550 : 레벨블록

600 : 데이터 처리부

본 발명은 차륜의 프로파일 및 직경을 측정하기 위한 차륜형상 측정장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 차륜에 멀티라인 레이저를 조사함으로써 보다 정밀하게 차륜의 프로파일 및 직경을 측정할 수 있도록 구성되는 차륜형상 측정장치에 관한 것이다.

열차의 차륜은 프로파일(Profile)이라는 특수한 형태를 지녀 주행 시 탈선되지 않도록 되어 있다. 차륜은 금속으로 제작되고 레일과 지속적으로 마찰되므로 프로파일은 마모되게 되며 마모가 일정이상이 되면 차륜의 탈선 방지 및 승차감 안정을 위하여 차륜을 원래의 프로파일 형태로 삭정해야 한다. 이러한 차륜의 관리를 위하여 차륜의 여러 가지 형상 데이터가 중요시 되며 이를 항시 측정하고 감시하여 관리하도록 되어 있다.

기존에는 차륜 관리를 위한 차륜 검사 방법으로는 주로 수게이지를 사용한 수동 검사법이 사용되어 왔으나 상시 검사가 불가능하고 작업자에 따라 측정편차가 발생하며, 데이터를 전산화하기 어려운 점 등의 문제점이 있었다.

근래에 이러한 차륜 검사 장치를 자동화하기 위한 여러 가지 방법이 고안되고 있으며 예를 들어 주행 중인 열차의 차륜을 검사하는 방법으로서 카메라와 레이저를 사용한 '차륜 측정장치(대한민국 등록특허 제10-0382577호)'가 사용되어져 왔다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 차륜 측정장치에 대하여 상세히 설명한 다.

도 1은 종래 차륜 측정장치의 동작 구성을 도시하는 사시도이고, 도 2는 종래 차륜 측정장치를 이용하여 차륜의 형상을 조합하는 과정을 도시하며, 도 3은 종래 차륜 측정장치를 이용하여 직경이 서로 다른 차륜의 프로파일을 측정하는 형상을 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 차륜 측정장치는 주행 중인 열차의 하부에 설치되며, 조사면이 차륜(10)의 폭방향으로 하나의 라인을 이루는 프로파일용 레이저(22)와, 프로파일용 레이저(22)에 의해 나타나는 프로파일라인(12)(도 2 참조)을 촬영하는 프로파일용 카메라(20)와, 차륜(10)의 내측면을 조사하는 직경용 레이저(32)와, 직경용 레이저(32)에 의해 나타나는 직경부라인(14)(도 2 참조)을 촬영하는 직경용 카메라(30)를 포함하여 구성된다. 이와 같이 차륜(10)의 프로파일라인(12)과 직경부라인(14) 이미지가 얻어지면, 이를 조합하고 해석함으로써 전체적인 차륜의 형상을 측정하며, 직경부 이미지에 의해 확인되는 차륜 내측을 기준으로 플랜지 두께 등을 측정한다. 이러한 검사방법을 광절단법이라고도 한다. 이와 같은 방법으로 측정되는 측정대상으로는 차륜 직경, 플랜지 높이, 플랜지 두께, 큐알, 플랜지 선단치수, 플랜지 각도, 답면구배, 내측거리 등이 있다. 모든 측정 데이터는 전산화되며 이를 기반으로 차륜의 삭정 여부 및 관리에 사용된다. 그 측정방법은 크게 직경부와 프로파일부로 구분되며 직경부에서 차륜 직경을 추출하며, 프로파일부에서 플랜지 높이 등 나머지 데이터를 추출하는 것이 일반적이다.

그러나 종래의 차륜 측정장치를 사용하는 경우, 차륜 진입시 수직 및 수평방 향으로 기울어지거나 수평방향의 일측으로 치우치게 되는 것을 검사할 수 없었다. 이로 인하여 발생되는 오차는 전체 측정 오차의 범위를 능가하게 되며 특히 반복오차는 만족하면서도 측정오차에서는 크게 오류가 발생하는 특징을 나타낸다. 반복 오차의 경우 동일한 차륜으로 동일한 방법에 의해 계속 검사하므로 오차가 드러나지 않으나 실제 측정시에는 각각의 차륜마다 수직 및 수평 방향으로 기울어질 뿐 아니라 수평방향으로 편위가 발생하므로 이에 대한 측정과 보정이 불가능한 기존 시스템에서는 이로 인한 오차가 그대로 반영될 수밖에 없었다. 이러한 문제점의 원인은 기존에는 상기 기울어짐 및 편위를 측정할 방법이 장비에 포함되어 있지 않은 점과 단선 레이저에 의한 측정방식 때문이다. 이미지를 해석하여 이러한 기울어짐을 반영하려는 여러 가지 노력이 있었으나 이미 이러한 오차를 반영하여 촬영된 단선 레이저에 의한 이미지로는 데이터의 부족으로 인하여 그 해석이 불가능하다.

또한, 정확한 위치에서 이미지를 촬영하지 않으면 이미지를 형성하는 레이저의 해석에 오류가 발생하여 오차가 커지게 되어 사람이 수작업으로 검사하는 수준 정도의 정밀도를 지니게 된다는 문제점이 있다. 이러한 문제점의 근본은, 차륜(10)의 모든 형상 데이터는 차륜(10)의 센터를 기준점으로 측정되어야 하는데 차륜의 센터를 향한 상태에서 이미지를 추출할 수 있는 지점이 단 1개소뿐이라는 점 때문이다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 표준 규격의 차륜(10)을 측정하는 경우에는 (a)의 경우와 같이 프로파일용 카메라(20)가 차륜(10)의 회전 중심을 지나게 되지만, 표준 규격의 차륜(10)보다 크게 제작된 차륜(10a)을 측정하는 경우에는 (b)의 경우와 같이 프로파일용 카메라(20)가 차륜(10)의 회전 중심 아래 부분을 지나게 되고, 장시간 사용으로 인하여 표준 규격의 차륜(10)보다 작게 마모된 차륜(10b)을 측정하는 경우에는 (c)의 경우와 같이 프로파일용 카메라(20)가 차륜(10)의 회전 중심 윗부분을 지나게 되므로 프로파일을 정확하게 측정할 수 없다는 문제점이 있다.

즉, 그 정확한 지점에서 이미지를 획득하지 못한 경우 그 측정데이터는 센터점이 아닌 지점이 기준점이 되어 버려 결국 부정확한 측정이 되어 버린다. 더구나 주행 중인 차륜은 늘 동일한 위치에서 진입하는 것이 아니라 불특정한 위치 및 각도의 틀어짐을 지닌 채 진입하게 되므로 그 기준점 추출은 더욱 어려워진다.

기존의 프로파일 측정의 경우 프로파일용 촬영 이미지에 기준면이 나타나지 않으므로 직경부 촬영이미지와 조합하지 않으면 측정 자체가 불가능해진다. 그런데 전술하였듯이 기준 자체의 오차가 크므로 결과적으로 다른 모든 데이터의 측정 오차가 커질 수밖에 없다. 또한, 직경 측정의 경우 하나의 라인만을 해석하기 때문에 기준점인 차륜 내측면이 틀어지는 현상을 정확하게 반영할 수 없고 정확한 직경 측정점을 한정시킬 수 없었기 때문에 프로파일 측정부에 비하여 2배 이상 큰 측정오차가 발생할 수밖에 없었다.

또한, 종래의 차륜 측정장치는 도2와 같이 차륜의 내측면에 형성된 기준홈(16)을 기준점으로 하여 각 부의 크기 및 기울기 등을 측정하는데, 기준홈 자체가 이미 큰 가공오차를 지니고 있으며 국내에서 사용되는 차륜의 대부분은 기준홈(16)이 차륜 내측에 없기 때문에 사용이 불가하다는 문제점이 있다. 또한, 기준 좌표상 상대 비교 방법의 경우 직경이 10% 이상 차이가 나면 오차가 너무 커져 사용이 불가능하였다. 또한 기하학적 해석을 통하여 직경을 추출하더라도 실제 직경 측정지점의 프로파일 마모 상태를 반영할 수 없으므로 측정값과 실제값의 차이가 컸다. 뿐만 아니라, 하나의 레이저 라인에 측정을 의존하게 되므로 차륜 답면부 및 내측부 흠집, 조도 상태 및 이물질 등에 의하여 레이저 이미지의 끊김이 발생시 오차나 측정 불가의 원인이 되는 경우도 많고 이로 인해 측정 성공률이 낮아 전체적인 신뢰도에 문제점이 있었다.

이와 같이 신뢰도와 측정정밀도에 가장 큰 영향을 주는 요소는 두 가지가 있는데, 하나는 레이저 장치에 관한 것이고 다른 하나는 카메라의 트리거링 장치에 대한 것이다.

레이저 장치의 근본적인 문제는 지정된 정위치에서 촬영된 것인지 확인이 어렵다는 점과 차륜 진입 시 틀어짐을 반영할 수 없다는 점, 이미지가 일부구간 훼손되어 선 끊김 현상 발생시 데이터의 오류가 커진다는 점 등이 있다. 현재까지 레이저 장치는 단선 레이저를 사용을 기본으로 그 배치와 파워 등의 개선이 이루어지고 있다. 그러나 이러한 개선은 레이저 장치의 문제를 근본적으로 해결하는 것은 아니어서 큰 효과를 거두지 못하고 있다. 직경 측정을 위해서는 레이저를 두 대 사용한 경우도 있으나 이 경우 2가지 레이저의 이미지를 각각 계산하여 그 평균값이 사용될 뿐으로 상호 연관성이 없고 두 대의 레이저를 완전히 평행하게 위치시키는 것이 매우 어려워 실제 사용에는 한계가 있다.

내측거리 측정에 있어서도 별도의 센서를 두지 않고 표준 영상과 측정 영상 의 위치 차이로 간접적으로 계산하는 방법이 주로 사용되어 왔다. 그러나 이는 차륜 진입 시 틀어지는 경우가 전혀 고려되지 않고 한 점의 데이터만 사용되므로 측정오차가 컸다. 또한, 변위센서를 사용하여 측정하는 경우에도 내측거리 데이터만 측정할 뿐 차륜의 기울기 상태는 측정할 수 없었고 이를 프로파일 및 직경 측정 데이터의 보정에 사용하지는 않았다.

트리거링 장치의 경우 근본적인 문제는 차륜 진입 시 각각의 차륜 직경이 매번 상이하며 상이한 속도 조건, 즉 동일한 통과 속도와 가속도를 지니지 않는다는 점이다. 트리거링 장치는 대부분 플랜지 감지형이 쓰이나 플랜지 감지형의 경우 차륜의 직경이 직경값의 최대 10%(80mm이상) 차이가 있을 수 있기 때문에 도3과 같이 차륜 직경에 따른 트리거링 지점의 변화가 불가피하여 오히려 오차의 원인이 되고 있다.

따라서 종래 차륜 측정장치의 신뢰도 및 측정정밀도를 높이기 위해서는 2가지 장치에 대한 개선이 불가피한 상태이다. 뿐만 아니라 주행 중인 차륜 진입 시 각도 틀어짐과 수평좌표 변위량에 대한 보정도 있어야 하는데 기존의 방법은 수평좌표의 변위량은 확인가능하나 수평 및 수직 방향의 각도 틀어짐을 확인할 수 없다는 문제점도 있다.

또한 기존에도 데이터처리부에 추출된 데이터에 대한 이력관리 기능과 한계치 추적 기능은 있었으나 이 경우 현재까지 검사된 상태에 따른 단순 외삽에 의한 추적 기능뿐이라 사용된 기간의 계절이나 날씨, 호선의 종류, 차륜의 재질 등 여러 가지 마모 상태에 영향을 미치는 요소들이 반영되어 있지 않아 마모 한계 추적 시 예상 데이터의 신뢰성을 부여하지 못하였다. 예를 들어 장마철에는 차륜의 마모량이 몇 배 이상 증가하므로 이전 데이터로 마모 한계치를 추정한 경우에 비하여 마모 속도가 훨씬 커지게 된다. 이러한 실제 운영 환경과 상이한 이력 관리 방식은 차륜의 수리 및 교체 주기에 대한 오류를 발생시키게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 차륜의 답면 및 플랜지 표면에 차축방향으로 복수개의 레이저라인을 형성시켜 각 라인을 해석하고 그 상관관계를 계산하여 플랜지 높이 등의 프로파일형상을 차륜의 틀어짐과 관련 없이 정확하게 측정할 수 있고, 차륜의 답면부 표면에 직경방향으로 복수개의 레이저라인을 형성시켜 각 라인을 해석하고 그 상관관계를 계산하여 직경부 형상 데이터를 차륜의 틀어짐과 관련 없이 정확한 직경 측정점에서 차륜 프로파일의 마모상태를 반영하여 정확하게 측정할 수 있으며, 내측거리 센서 등을 사용하여 차륜 진입 시 수평 및 수직 방향의 각도 틀어짐과 수평좌표 이동량을 계산하고 이를 측정결과에 반영할 수 있는 차륜형상 측정장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명은, 속도 및 가속도를 측정하고 이를 사용하여 카메라 트리거링 지점을 연산하여 정확한 동일 지점에서의 카메라 트리거링이 가능하고, 가중치 부여 방식의 한계치 추적이 가능하도록 구성되는 차륜형상 측정장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는,

차륜의 축방향으로 길이를 갖는 둘 이상의 제1 레이저라인을 상기 차륜의 프로파일부 저면에 조사하는 프로파일용 발광수단과, 상기 제1 레이저라인을 상기 차륜의 진행 방향으로 경사지게 촬영하는 프로파일용 촬영수단을 구비하여, 상기 차륜의 프로파일라인 이미지신호를 둘 이상 출력하는 프로파일 측정부;

차륜의 직경방향으로 길이를 갖는 둘 이상의 제2 레이저라인을 상기 차륜의 답면부 저면에 조사하는 직경용 발광수단과, 상기 제2 레이저라인을 상기 차륜의 진행 직각 방향으로 경사지게 촬영하는 직경용 촬영수단을 구비하여, 상기 차륜의 직경라인 이미지신호를 둘 이상 출력하는 직경 측정부; 및

상기 둘 이상의 프로파일라인 이미지신호를 보정하고 상기 둘 이상의 직경라인 이미지신호를 보정하여, 차륜형상 데이터를 추출하는 데이터처리부;

를 포함하여 구성된다.

상기 프로파일 측정부와 상기 직경 측정부는, 상기 차륜의 저면 중 상기 차륜의 축방향 중심과 수직을 이루는 지점을 중심으로 프로파일라인 이미지신호 및 직경라인 이미지신호를 출력하도록 구성된다.

상기 프로파일용 촬영수단은, 멀티라인 제너레이팅 옵틱스를 구비하여 하나의 광원으로 다수의 제1 레이저라인을 제공하도록 구성된다.

상기 직경용 촬영수단은, 멀티라인 제너레이팅 옵틱스를 구비하여 하나의 광원으로 다수의 제2 레이저라인을 제공하도록 구성된다.

쌍을 이루는 두 차륜의 내측면 중 동일 수직선상에 위치하는 상측부와 하측부의 내측거리를 측정하여, 상기 차륜의 차축 방향 기울기 및 수평 방향 틀어짐을 측정하는 내측거리 측정부를 더 포함한다.

상기 내측거리 측정부는, 상기 각 차륜 내측면으로 빛을 조사한 후 반사되는 빛을 감지하여 상기 각 차륜과의 거리를 감지하는 광센서를 한 쌍 이상 포함한다.

상기 차륜의 진입 속도와 가속도를 감지하여 상기 프로파일 측정부와 직경 측정부의 촬영시점을 지정하는 트리거링 장치부를 포함한다.

상기 트리거링 장치부는, 상기 차륜의 경로를 따라 이격되도록 배열되어 각각 상기 차륜이 통과하는 시점을 감지하는 셋 이상의 차륜위치 감지수단을 구비하여, 상기 차륜의 속도 및 가속도 측정이 가능한 구조로 구성된다. 이때 상기 프로파일 측정부와 상기 직경 측정부는 상기 차륜의 속도 및 가속도를 연산하여 상기 차륜이 측정지점을 지나는 시점에 동작되도록 구성된다.

상기 차륜위치 감지수단은, 차륜의 경로 좌우측에 각각 배치되어 차륜이 통 과함에 따라 신호전달이 차단 및 재개되도록 구성되는 발광센서와 수광센서를 포함한다.

상기 트리거링 장치부는, 상기 발광센서와 상기 수광센서 사이의 신호전달 차단시점과 신호전달 재개시점의 중간시점에서 차륜의 중심이 상기 발광센서와 상기 수광센서 사이를 통과하는 것으로 판단하고, 상기 차륜의 중심이 각 발광센서 및 수광센서 사이를 지나는 시점을 측정하여 상기 차륜의 속도 및 가속도를 측정하도록 구성된다.

상기 프로파일 측정부는, 상기 프로파일용 촬영수단의 위치를 정밀하게 조정하는 프로파일용 조정수단을 더 포함한다.

상기 직경 측정부는, 상기 직경용 촬영수단의 위치를 정밀하게 조정하는 직경용 조정수단을 더 포함한다.

상기 데이터처리부는, 상기 프로파일 측정부와 상기 직경 측정부에서 얻어진 이미지신호를 정상적인 프로파일라인의 이미지신호와 비교하여 마모량을 측정하고, 사용시간에 따른 마모량을 계산하여 차후 사용시간이 경과됨에 따라 변형되는 프로파일 데이터와 이미지를 예측하도록 구성된다.

상기 데이터처리부는, 상기 차륜의 마모에 영향을 주는 외부 조건에 따라 가중치를 두어 프로파일라인을 예측하도록 구성된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치의 실시예를 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치의 평면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치의 정면도이며, 도 6은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치의 측면도이고, 도 7은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치에 적용되는 내측거리 측정부의 결합위치를 도시하는 정면도이며, 도 8은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치에 적용되는 프로파일 측정부 및 직경 측정부의 위치를 도시하는 평면도이다.

본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 정지해 있는 차륜뿐만 아니라 주행 중인 차륜의 형상을 측정하기 위한 장치로서, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 열차의 주행방향에 대해 하부에 배치된다.

본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는, 차륜(10)의 프로파일 형상을 측정하기 위한 프로파일 측정부(100)와, 차륜(10)의 직경 형상을 측정하기 위한 직경 측정부(200)와, 쌍을 이루는 두 차륜(10)의 내측거리를 측정하기 위한 내측거리 측정부(300), 차륜(10)의 속도와 가속도가 반영되는 고정밀도 트리거링을 위한 트리거링 장치부(400)와, 상기 프로파일 측정부(100) 및 직경 측정부(200)와 트리거링 장치부(400)가 결합되는 베이스프레임(500) 및 차륜(10) 이미지와 각종 데이터를 처리하기 위한 데이터처리부(600)를 포함하여 구성된다.

상기 프로파일 측정부(100)는 레일(530)하부에 있는 베이스프레임(500)에 설치되어 있으며 좌우 차륜(10)을 각각 검사할 수 있도록 좌측과 우측에 각각 개별로 구성되어 있다. 각각의 상기 프로파일 측정부(100)는, 차륜(10)의 축방향으로 길이를 가지며 상호 평행한 둘 이상의 제1 레이저라인을 상기 차륜(10)의 프로파일부 저면에 조사하는 프로파일용 발광수단(120)과, 상기 제1 레이저라인을 상기 차륜(10)의 진행 방향으로 경사지게 촬영하는 프로파일용 촬영수단(110)을 구비하여, 상기 차륜(10)의 프로파일라인 이미지(122)신호를 둘 이상 출력하도록 구성된다.

상기 프로파일용 촬영수단(110)은, 이미지 촬영을 위한 카메라와, 상기 카메라를 보호하기 위한 카메라 하우징을 포함하여 구성되어 있다. 이때 상기 프로파일용 촬영수단(110)은 본 실시예에 도시된 구조에 한정되지 아니하고 상기 프로파일용 발광수단(120)에 의해 차륜(10)의 저면에 나타나는 제1 레이저라인을 측정할 수 있는 구성이라면 어떠한 구조로도 변경될 수 있다.

상기 프로파일용 광원수단은, 둘 이상의 광원을 이용하여 하나의 광원에서 하나의 제1 레이저라인이 조사되도록 구성될 수도 있고, 하나의 광원으로 다수의 제1 레이저라인을 조사할 수 있도록 멀티라인 제너레이팅 옵틱스가 장착될 수도 있다. 상기 멀티라인 제너레이팅 옵틱스를 사용하면, 하나의 광원 세팅을 통해 각 레이저라인의 세팅이 완료되므로 유지보수가 매우 용이해지고, 레이저라인을 조사하는 대상물까지의 거리 조정을 통해 각 레이저라인 사이의 거리를 광원의 크기 이하로 좁힐 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 하나의 광원에서 나오는 빛을 다수의 레이저라인으로 변경시키는 멀티라인 제너레이팅 옵틱스는, 여러 광학분야에서 상 용화되어있는 부품이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 프로파일용 촬영수단(110)은 외란광을 최소화하여 노이즈를 줄일 수 있도록 필터가 부착될 수 있는데, 이와 같은 필터를 사용하는 경우 촬영 형상이 어두워질 우려가 있으므로 상기 프로파일용 광원수단은 보다 밝은 고출력의 광원이 적용됨이 바람직하다. 상기 프로파일용 광원수단은 본 실시예에서 3개의 제1 레이저라인을 조사하고 있으나, 제1 레이저라인의 개수는 차륜(10)의 특성이나 기타 여러 가지 측정조건에 따라 2개 또는 4개 이상으로 변경될 수 있다.

또한 상기 프로파일용 광원수단은, 차륜(10)의 직경이 변경되더라도 항상 차륜(10)의 회전축을 지나는 방향으로 제1 레이저라인을 조사할 수 있도록, 차륜(10)의 직하부에 위치되어 수직 상향으로 제1 레이저라인을 조사하도록 구성된다. 이와 같이 제1 레이저라인이 조사되면 차륜(10)의 직경 차이에 상관없이 프로파일 형상을 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 프로파일용 촬영수단(110)을 수동으로 조작하면 정밀한 조정이 어렵고 조정된 위치에 대한 정확한 정보를 알 수 없으므로, 상기 프로파일 측정부(100)는 상기 프로파일용 촬영수단(110)의 위치를 정밀하게 조정하는 프로파일용 조정수단(130)을 더 포함한다. 상기 프로파일용 조정수단(130)에는 자동 위치 인식 기능, 위치 좌표 정보에 대한 저장 기능 및 자동 복원 기능이 구비되어 있어, 상기 프로파일용 촬영수단(110)을 보다 편리하고 정확하게 세팅 및 조정할 수 있게 된다.

직경 측정부(200)는 레일(530)하부에 있는 베이스프레임(500)에 설치되어 있 으며 좌우 차륜(10)을 각각 검사할 수 있도록 좌우 측정부가 개별로 구성되어 있다. 각각의 직경 측정부(200)는, 차륜(10)의 축방향과 직각을 이루는 방향 즉, 차륜(10)의 진행방향으로 길이를 가지며 상호 평행한 둘 이상의 제2 레이저라인을 상기 차륜(10)의 답면부 저면에 조사하는 직경용 발광수단(220)과, 상기 제2 레이저라인을 상기 차륜(10)의 진행 직각방향으로 경사지게 촬영하는 직경용 촬영수단(210)을 구비하여, 상기 차륜(10)의 직경라인 이미지(222)신호를 둘 이상 출력하도록 구성된다.

상기 직경용 발광수단(220)은 상기 프로파일용 발광수단(120)과 마찬가지로 멀티라인 제너레이팅 옵틱스가 장착될 수 있고, 상기 직경용 촬영수단(210)은 상기 프로파일용 촬영수단(110)과 마찬가지로 외란광을 최소화하여 노이즈를 줄이기 위한 필터가 부착될 수 있다.

또한 상기 직경용 광원수단은 상기 프로파일용 광원수단과 마찬가지로, 차륜(10)의 직경이 변경되더라도 항상 차륜(10)의 회전축을 지나는 방향으로 제2 레이저라인을 조사할 수 있도록, 차륜(10)의 직하부에 위치되어 수직 상향으로 제2 레이저라인을 조사하도록 구성된다.

또한 상기 직경 측정부(200)에도 상기 직경용 촬영수단(210)의 위치를 정밀하게 조정하는 직경용 조정수단(230)을 더 포함한다.

상기 직경 측정부(200)에 적용되는 멀티라인 제너레이팅 옵틱스 및 필터는 상기 프로파일 측정부(100)에 적용되는 제너레이팅 옵틱스 및 필터와 동일하고, 상기 직경용 조정수단(230)은 상기 프로파일용 조정수단(130)과 동일한 구성을 가지 므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 쌍을 이루는 두 차륜(10) 사이의 내측거리를 측정하는 내측거리 측정부(300)를 더 포함하며, 상기 내측거리 측정부(300)는 레일(530)하부에 있는 베이스프레임(500)에 설치된다.

상기 내측거리 측정부(300)는 쌍을 이루는 두 차륜(10) 사이의 상측 내측거리와 하측 내측거리를 측정하여 상기 차륜(10)의 수평 및 수직방향 기울기를 판단하기 위한 것으로서, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 각 차륜(10) 내측면으로 빛을 조사한 후 반사되는 빛을 감지하여 상기 각 차륜(10)과의 거리를 감지하는 반사광센서(310)를 두 쌍 이상 포함한다.

동일한 차륜(10)의 내측면으로 빛을 조사하는 두 개의 반사광센서(310)는 동일 수직선상에 위치하며, 각 반사광센서(310)와 차륜(10) 사이의 거리와 두 반사광센서(310) 사이의 거리를 합하여 차륜(10) 간의 내측거리가 산출된다. 이때 각 반사광센서(310)는 차륜(10)의 축보다 높게 설치되는 경우 차륜(10)이 지날 때 축과 간섭될 우려가 있으므로, 차륜(10)의 축보다 낮은 위치에 설치됨이 바람직하다.

종래의 경우 두 차륜(10)의 내측거리를 측정하는 별도의 센서가 없고 기준 프로파일과의 비교를 통한 간접 검사 방법이 사용되었으나, 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 일렬로 배치되어 차륜(10) 간의 내측거리를 측정하는 반사광센서(310)가 구비됨으로써 보다 정확하게 차륜(10) 간의 내측거리를 측정할 수 있게 된다.

차륜(10)의 내측면 중 어느 한 지점만을 측정하면 측정지점에 이물질이 묻어있거나 흠집이 있는 경우 측정지점을 차륜(10)의 내측면 전체로 인지하게 되므로 측정 오차가 너무 커진다는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에 적용되는 내측거리 측정부(300)는 반사광센서(310)의 측정경로를 지나는 차륜(10)의 내측면 전체를 측정한 후, 측정된 데이터의 평균값을 차륜(10)의 내측거리로 판단하도록 구성된다. 이때 차륜(10) 이미지의 특성상 데이터의 양끝부분 즉, 플랜지 부위는 내측거리 측정에 사용할 수 없으므로 기울기 감지에 의한 필터링을 시행해야 한다.

또한 본 발명에 적용되는 내측거리 측정부(300)를 이용하면, 동일한 차륜(10)에 대응되는 각 반사광센서(310)와 상기 차륜(10)의 내측면 사이의 거리를 비교하여 차륜(10)의 차축 방향 기울기 즉, 차륜(10)이 어느 일측으로 기울어져 있는지를 판단할 수 있고, 반사광센서(310)와 차륜(10)의 내측면 사이의 거리변경 유무를 감지하여 차륜(10)의 수평 방향 틀어짐 즉, 차륜(10)이 진행방향을 기준으로 좌측이나 우측으로 틀어져 있는지의 여부를 판단할 수 있다. 즉, 동일한 차륜(10) 내측면으로 빛을 조사하는 두 반사광센서(310)로부터 상기 차륜(10) 내측면까지의 수평 거리가 같은 경우 상기 차륜은 수직으로 세워져 있는 것으로 판단되고, 상기 두 반사광센서(310)로부터 상기 차륜(10) 내측면까지의 수평 거리가 상이한 경우 상기 차륜은 일측으로 기울어져 있는 것으로 판단된다. 또한, 상기 차륜(10)이 반사광센서(310)를 지나는 동안 반사광센서(310)와 차륜(10)의 내측면 사이의 거리가 일정하게 유지되면 상기 차륜(10)은 진행방향과 나란하게 위치된 것으로 판단되고, 반사광센서(310)와 차륜(10)의 내측면 사이의 거리가 점차적으로 좁아지거나 넓어지 는 경우 상기 차륜(10)은 진행방향을 기준으로 좌측 또는 우측으로 틀어져 있는 것으로 판단된다.

트리거링 장치부(400)는 레일(530)하부에 있는 베이스프레임(500)의 전단부에 설치되어 있으며 좌우 차륜(10)을 각각 검사할 수 있도록 좌우 장치부가 개별 구성되어 있다. 상기 트리거링 장치부(400)는, 상기 차륜(10)의 경로를 따라 이격되도록 배열되어 각각 상기 차륜(10)이 통과하는 시점을 감지하는 셋 이상의 차륜위치 감지수단을 구비하여, 상기 차륜(10)의 속도 및 가속도 측정이 가능한 구조로 구성된다. 이때 상기 프로파일 측정부(100)와 상기 직경 측정부(200)는 상기 차륜(10)의 속도 및 가속도를 연산하여 상기 차륜(10)이 측정지점을 지나는 시점에 동작되도록 구성된다.

상기 차륜위치 감지수단은, 차륜(10)의 경로 좌우측에 각각 배치되어 차륜(10)이 통과함에 따라 신호전달이 차단 및 재개되도록 구성되는 발광센서와 수광센서를 포함한다. 상기 차륜위치 감지수단의 구성 및 동작은 이하 도 13 및 도 14를 참조하여 상세히 설명한다.

베이스프레임(500)은, 내부에 장착되는 프로파일 측정부(100)와 직경 측정부(200)를 외부로부터 보호하기 위한 보호커버(510)와, 이미지 취득 시에만 상기 프로파일 측정부(100) 및 직경 측정부(200)가 개방되도록 상기 보호커버(510)를 개폐시키는 에어실린더(520)와, 차륜(10)의 이동 경로를 안내하는 레일(530) 및 가이드 레일(540)과, 각 부의 수직 높이를 조절하기 위한 레벨블록(550)을 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 상기 보호커버(510)를 개폐시키기 위한 개폐수단으로 에어실린더(520)가 사용되고 있으나, 상기 개폐수단은 이에 한정되지 아니하고 전기모터를 이용하는 구조 등 사용자의 선택에 따라 상기 보호커버(510)를 개폐시킬 수 있는 구조라면 어떠한 구조로도 변경될 수 있다.

이때 상기 레일(530)은 도 8에 도시된 바와 같이 프로파일 측정부(100) 및 직경 측정부(200)에 의해 측정되는 차륜(10)의 저면이 하측으로 노출되도록 일부 구간이 길이방향으로 이격되어 있으며, 상기 가이드레일(540)은 이와 같이 레일(530)이 이격된 구간을 지나는 차륜(10)을 지지할 수 있도록 레일(530)의 일측면에 결합되어 있다. 따라서 프로파일용 발광수단(120)과 직경용 발광수단(220)은 차륜(10)의 직하면을 수직방향으로 조사할 수 있고, 프로파일용 촬영수단(110)과 직경용 촬영수단(210)은 차륜(10)의 직하면을 촬영할 수 있게 된다.

데이터처리부(600)는 이미지 획득을 위한 이미지 보드와 화면취득용 컴퓨터, 획득한 이미지를 해석하기 위한 데이터처리용 컴퓨터 등으로 구성된다. 화면취득용 컴퓨터와 데이터처리용 컴퓨터가 분리되어 있지만 측정 대상 차륜(10)이 적은 경우 한대의 컴퓨터로도 구성 가능하다.

또한, 데이터처리부(600)에는 차륜(10)직경, 플랜지 높이 및 두께 등 측정 검사 항목에 대한 이력 관리 프로그램이 설치되어 있다. 즉, 상기 프로파일 측정부(100)와 상기 직경 측정부(200)에서 얻어진 이미지신호를 정상적인 프로파일라인의 이미지신호와 비교하여 마모량을 측정하고, 사용시간에 따른 마모량을 계산하여 차후 사용시간이 더 경과되었을 때 프로파일라인이 어느 정도로 마모가 되는 지를 예측할 수 있도록 구성된다. 이와 같이 예측되는 프로파일라인을 통해 차륜(10)의 한계치 추적이 가능해진다. 이때 예측된 프로파일라인은 데이터값으로 출력될 수도 있고 이미지로 출력될 수도 있다.

또한 상기 데이터처리부(600)는, 종래와 같은 데이터상의 외삽법에 의한 한계치 추적 기능과 함께 상기 차륜(10)의 마모에 영향을 주는 외부 조건에 따라 가중치를 두어 프로파일라인 데이터와 이미지를 예측하도록 구성된다. 즉, 상기 데이터처리부(600)는 차륜(10)의 마모를 가중시키는 특이상황별로 차륜(10)이 얼마나 오랫동안 사용 가능한지를 예측하는 한계치 추적 기능이 포함된다. 상기 가중치의 항목에는 계절과 우천 상태와 같은 날씨 항목과 함께, 호선과 운행거리, 차륜의 재질 등 각각의 치수 변위에 영향을 미칠 수 있는 요소들이 있으며, 가중치 부여 항목에 따라 각각 다른 가중치를 부여함에 의해 실제 운영 환경에 가장 근접한 한계치 추적이 가능하도록 구성된다.

이미지를 획득하여 이를 해석하는 데이터처리부(600)의 구성 및 해석방법은 종래의 차륜(10) 측정장치에 화상신호 처리장치의 구성 및 해석방법과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하고, 각 촬영수단에 의해 촬영된 이미지를 처리하는 방법은 이하 도 9 내지 도 12를 참조하여 설명한다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치를 이용하여 촬영한 프로 파일라인 이미지(122)를 도시하고, 도 11 및 도 12는 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치를 이용하여 촬영한 직경라인 이미지(222)를 도시한다.

종래의 차륜(10) 측정장치는 단선 방식의 레이저를 사용하였다. 즉, 1개의 레이저라인만이 사용되었기 때문에, 레이저라인이 조사되는 지점의 차륜(10)에 이물질이 묻어있거나 차륜(10)의 위치 관계, 직경 차이, 답면의 흠집 및 트리거링 위치에 대해 큰 오차를 내재할 수밖에 없었으나 본 발명과 같이 다수의 레이저라인을 사용하면 이러한 문제점을 해결할 수 있다.

다수의 제1 레이저라인을 차축방향으로 투사하고 이를 프로파일용 촬영수단(110)으로 촬영하면 도 9와 같은 다수의 프로파일라인 이미지(122)가 발생하게 된다. 이러한 프로파일라인 이미지(122)를 데이터 처리하고 컴퓨터로 분석함으로써, 플랜지 높이와 두께 등 각종 프로파일 관련 데이터를 추출해낼 수 있다. 이러한 프로파일라인 이미지(122)는 3개의 제1 레이저라인으로 인해 3개가 형성되므로, 차륜(10)이 진입할 때 틀어짐이 발생하면 도 10에 도시된 바와 같이 각 프로파일라인 이미지(122)가 평행하게 일렬로 배열되지 아니하고 프로파일라인 이미지(122) 사이에 갭(G)이 발생하여 바로 확인 가능하며 트리거링 시의 오차도 보정할 수 있다. 즉, 3개의 제1 레이저라인을 사용함으로써 3개의 프로파일라인 이미지(122)를 얻을 수 있는 바, 각 프로파일라인 이미지(122) 간의 거리 및 각각의 연관관계를 해석함으로써 차륜(10)의 틀어짐 및 트리거링 오차를 감지하고 보정할 수 있다.

예를 들어 도 10에 도시된 바와 같이 상측에 위치하는 프로파일라인 이미지(122)가 하측에 위치하는 프로파일라인 이미지(122)에 비하여 우측으로 치우친 경 우, 차륜(10)이 좌측으로 틀어져 있음을 알 수 있다. 따라서 상기 데이터처리부(600)는 프로파일라인 이미지(122)가 틀어진 각도를 측정하여 차륜(10)이 어느 정도 틀어져 있는 지를 감지한 후, 차륜(10)이 틀어진 각도를 감안하여 다수의 프로파일라인 이미지(122)를 보정하게 된다.

또한 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 어느 하나의 기준점으로부터 차륜(10) 각 부의 형상 및 치수를 측정하는 것이 아니라 차륜(10)의 형상 전체를 직접 측정하는 방식이므로, 기준홈이나 기준 프로파일 자체에 오차가 있더라도 이에 영향을 받지 아니하고 플랜지 높이, 플랜지 두께, 큐알, 플랜지 선단 치수, 플랜지 각도, 답면 구배 등 국내외에서 사용되는 모든 프로파일 데이터의 측정이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 다수의 제2 레이저라인을 직경방향으로 투사하고 이를 직경용 촬영수단(210)으로 촬영하면 도 11과 같은 다수의 직경라인 이미지(222)가 발생하게 된다. 이러한 직경라인 이미지(222)를 데이터 처리하고 컴퓨터로 분석함으로써, 차륜(10)의 직경에 관련 데이터를 추출해낼 수 있다.

차륜(10)의 직경 측정원리는, 상기 직경라인 이미지(222)의 양단을 연장하여 가상원을 형성하고 가상원으로부터 라인을 추출한 후 상기 라인으로부터 직경에 관련된 각종 데이터를 추출하는 방법을 이용한다. 이때 차륜(10) 직경 측정은 차륜(10) 내측으로부터 70mm(고속철도 기준) 또는 75mm(고속철도 외 일반철도 기준) 지점에서의 직경값을 사용하므로 차륜(10) 내측면의 상태와 위치 정보가 측정 데이터 의 정밀도를 좌우하는데, 기존에는 차륜(10) 진입 시 차륜(10)이 틀어지는 각도와 수평변위를 정확하게 측정할 수 없었으므로 정확한 직경 측정지점(70mm 또는 75mm)을 선정할 수 없어 직경에 관련된 데이터의 신뢰성과 정밀도가 낮아진다는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 상기와 같은 차륜(10)이 틀어지는 각도와 수평 변위를 감지할 수 있으므로 직경 측정 시 상기와 같은 차륜(10)의 상태를 반영하여 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

또한 단순히 평균을 구하는 방법이 아니라 프로파일 측정부의 측정 데이터를 사용하여 차륜 내측으로부터 정확한 직경측정지점(75mm 또는 70mm)의 직경을 추출해 낼 수 있으므로 차륜 프로파일 표면에 이상 마모가 있거나 이물질이 부착되어 있어도 가장 정확한 데이터를 얻을 수 있다.

또한 도 12에 도시된 바와 같이 차륜(10)에 이물질이 묻거나 흠집이 생겨, 직경라인 이미지(222)의 일부가 비선형으로 형성되거나 끊어지도록 형성되더라도 정상적으로 형성된 직경라인 이미지(222)를 이용하여 각 부의 형상을 보완함으로써 차륜(10)의 직경에 관련된 데이터를 추출할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 종래의 기준 좌표상 상대 비교 방법을 사용하는 경우에는 직경이 10% 이상 차이가 나면 오차가 너무 커져 사용이 불가능하였으나, 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 다수의 레이저라인을 이용하여 원호 추출 및 기하학적 해석 방법으로 차륜(10)의 직경을 측정하므로 차륜(10) 종류 및 직경의 크기에 관계없이 차륜(10)의 직경을 측정할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에 의한 차륜형상 측정장치를 사용하였을 때의 장점을 정리하여 보면 다음과 같다.

첫째, 차륜(10) 진입 시 차륜(10)이 틀어진 각도와 수평 및 수직 방향 변위를 정확히 계산하여 데이터 해석에 반영할 수 있다.

주행에 사용된 차륜(10)의 플랜지와 답면부는 레일(530)과의 마찰로 인하여 마모가 되므로 일정한 치수를 가질 수 없으므로, 차륜(10)이 틀어진 각도와 수평 및 수직 방향 변위량의 기준은 장시간 주행을 하더라도 마모가 발생하지 아니하는 차륜(10) 내측이 되는데, 종래와 같이 차륜(10)의 내측면 중 어느 한 지점을 측정하여 차륜(10) 간의 내측 거리를 측정하는 방법으로는 차륜(10)이 수평 및 수직 방향으로 틀어진 각도를 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 차륜(10)의 형상은 프로파일부와 직경부의 이미지를 조합함으로써 얻어지게 되는데, 이와 같이 종래의 차륜(10) 측정장치를 이용하면 차륜(10)이 틀어진 상태에서는 정확한 차륜(10) 형상을 얻을 수 없다. 즉, 종래의 차륜(10) 측정장치는 하나의 레이저라인을 이용함에 따라 차륜(10)의 2차원적 정보만을 얻을 수 있으므로 상기와 같이 차륜(10)이 틀어져 있더라도 틀어져 있는 상태를 정상상태로 인지하게 된다는 문제점이 있다.

그러나 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는, 차륜(10)의 내측 거리 및 수평 및 수직 방향의 틀어진 각도를 측정하는 별도의 감지수단을 구비하므로, 차륜(10)이 틀어진 각도와 수평 방향 변위를 정확히 계산하고 이를 반영하여 차륜(10)의 형상을 보다 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

둘째, 종래의 차륜(10) 측정장치는 하나의 레이저라인을 이용하므로 데이터 해석을 2차원적으로 하지만, 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 다수의 제1 레이저라인 및 제2 레이저라인을 이용하므로 3차원적으로 데이터를 추출한다는 효과가 있다. 따라서 2차원적 측정으로 인한 오차 예를 들어 차륜(10)의 측정지점에만 흠집이 있는 경우 이와 같이 흠집이 있는 형상을 차륜(10)의 전체 형상으로 인지하는 측정 오차를 최소화할 수 있다.

셋째, 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치를 이용하면 이물질이나 이상마모상태의 판별이 가능하다는 효과가 있다.

기존의 단선레이저의 경우 데이터의 튀어 오름이 있을 때 실제 차륜(10)의 마모 상태가 그러한 것인지 아니면 이물질에 의한 것인지 판별할 수 없었으나, 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 여러 개의 제1 레이저라인 및 제2 레이저라인을 이용하여 입체적인 이미지와 데이터를 제공하므로 표면에 이물질이 부착된 것인지 아니면 실제 마모 상황인지의 판별이 가능하게 된다.

또한 직경 측정시 프로파일 측정부의 측정 데이터를 사용하여 차륜 내측으로부터 정확한 직경측정지점(75mm 또는 70mm)의 표면 상태를 데이터에 직접 반영하여 직경을 추출해 낼 수 있으므로 차륜 프로파일 표면에 이상 마모가 있거나 이물질이 부착되어 있어도 가장 정확한 데이터를 얻을 수 있다.

넷째, 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치를 이용하면 트리거링 오차를 보정 할 수 있다. 하나의 레이저라인을 이용하는 종래의 방식으로는 트리거링이 틀어지더라도 이러한 것을 확인할 방법이 없었으나, 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는 다수의 레이저라인을 사용하기 때문에 트리거링 위치가 틀어진 경우 도10과 같이 각각의 레이저라인 간의 상호 위치 관계에 의해 차륜(10)의 틀어짐 상태를 파악할 수 있고 이를 데이터 보정에 사용함으로써 더욱 정밀한 측정이 가능하다.

다섯째, 프로파일라인 이미지(122) 및 직경라인 이미지(222)가 여러 개 형성되므로 어느 하나의 이미지의 데이터가 노이즈 등으로 매우 불안정하게 나타나더라도 정상적으로 나타나는 다른 이미지들을 사용하여 데이터 측정이 가능하다. 즉, 하나의 레이저라인을 이용하는 방식의 경우 단 하나의 이미지만을 해석하므로 이미지의 데이터에 오류가 있는 경우 측정 실패가 되지만, 다수의 레이저라인을 이용하는 방식의 경우에는 여러 개의 이미지 중 단 하나의 이미지만이라도 정상이면 측정이 가능하므로 그 만큼 높은 인식률과 검사 성공률을 갖게 된다는 장점이 있다.

도 13은 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치에 적용되는 트리거링 장치부(400)의 장착위치를 도시하는 측면도이고, 도 14는 본 발명에 의한 차륜형상 측정장치에 적용되는 트리거링 장치부(400)를 이용하여 차륜(10)의 위치를 측정한 데이터이다.

상기 트리거링 장치부(400)는, 상기 발광센서와 상기 수광센서 사이의 신호전달 차단시점과 신호전달 재개시점의 중간시점에서 차륜(10)의 중심이 상기 발광 센서와 상기 수광센서 사이를 통과하는 것으로 판단하고, 상기 차륜(10)의 중심이 각 발광센서 및 수광센서 사이를 지나는 시점을 측정하여 상기 차륜(10)의 속도 및 가속도를 측정하도록 구성된다.

하나의 센서를 이용하여 단순히 차륜(10)이 지나감을 감지하는 센서로는 차륜(10)의 직경이 변경되는 경우 차륜(10)의 중심이 지나는 시점을 정확하게 측정할 수 없으므로,차륜(10)의 중심부에서 프로파일 및 직경을 촬영할 수 없고 이로 인해 오차가 발생됨이 불가피했다. 또한 센서를 측정부보다 일정거리를 떨어뜨리고 적당한 딜레이 타임을 주어 이미지를 촬영하는 방식도 사용되었지만 대부분의 경우 센서를 하나만 사용하거나 두개만 사용하므로 차륜(10) 통과시의 속도와 가속도를 정밀하게 계산해 낼 수 없었고 결국 통과 시 속도와 가속도가 달라지면 오차가 크게 발생할 수밖에 없었다. 이에 비하여 본 발명에 적용되는 속도 가속도 반영 방식의 트리거링 장치부(400)는 4개의 센서를 사용하므로, 앞쪽에 위치하는 제1 차륜위치 감지수단(410) 및 제2 차륜위치 감지수단(420)으로 속도 V₁을 계산하고 뒤쪽에 위치하는 제3 차륜위치 감지수단(430) 및 제3 차륜위치 감지수단(430)으로 V₂를 각각 계산한 후, 그 시간 차이를 계산하여 가속도까지 측정하므로, 가장 마지막에 위치하는 차륜위치 감지수단 즉, 제4 차륜위치 감지수단(440)으로부터 촬영지점까지의 거리와 측정된 속도, 가속도를 사용하여 매우 정확한 트리거링 시점을 예측할 수 있다. 그 계산과정은 다음과 같다.

본 실시예에서 차륜위치 감지수단은, 차륜(10)의 경로 좌우측에 각각 배치되 어 차륜(10)이 통과함에 따라 신호전달이 차단 및 재개되도록 구성되는 발광센서와 수광센서를 포함하여 구성된다. 즉, 상기 차륜위치 감지수단은 차륜(10)이 상기 발광센서와 수광센서 사이로 차륜(10)이 지나갈 때 상기 발광센서와 수광센서 사이의 광경로가 차륜(10)에 의해 가려져 신호전달이 차단되기 시작하는 시점과, 차륜(10)이 상기 발광센서와 수광센서 사이를 통과하여 차륜(10)에 의한 상기 발광센서와 수광센서 사이의 광경로 가려짐이 종료되어 신호전달이 재개되는 시점을 측정할 수 있도록 구성된다.

제1 차륜위치 감지수단(410)은 차륜(10)이 제1 차륜위치 감지수단(410)의 광경로를 가리기 시작하는 시점인 t₁과 광경로가 다시 확보되는 시점인 t₂를 측정하는데, 이때 차륜(10)은 측면 형상이 원형을 이루므로 제1 차륜위치 감지수단(410)의 광경로를 가리기 시작하는 지점과 제1 차륜위치 감지수단(410)의 광경로 가림이 종료되는 지점은 차륜(10)의 축방향 중심점으로부터 동일한 수평거리를 갖게 되므로, t₁과 t₂의 중간값인 t₁₂에서 차륜(10)의 축방향 중심점이 제1 차륜위치 감지수단(410)의 수직선상에 위치됨을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명에 적용되는 차륜위치 감지수단은 차륜(10)의 통과 시작시점과 차륜(10)의 통과 종료시점을 감지하므로, 차륜(10)의 크기가 변경되더라도 차륜(10)의 측면 형상이 원형을 유지하기만 한다면 차륜(10)의 축방향 중심점이 통과하는 시점을 정확하게 판단할 수 있다. 이하 제2 차륜위치 감지수단(420)과 제2 차륜위치 감지수단(420), 제3 차륜위치 감지수단(430) 역시 상기와 같은 방법으로 차륜(10)의 축방향 중심점이 통과하는 시점을 판단한다.

제1 차륜위치 감지수단(410)과 제2 차륜위치 감지수단(420) 사이 구간(S1)의 통과 속도 V₁은 [식 1]에 의해 계산된다. 이때 사용되는 시간은 도 14의 t₁이나 t₂가 아니라 그 평균점인 t₁₂ 데이터가 사용되므로 차륜(10) 직경의 변화에도 전혀 영향을 받지 않는다. 이는 직경이 큰 차륜(10)이 통과하는 경우 t₂와 t₁ 사이의 간격만이 커질 뿐이고 t₂와 t₁ 사이의 중간 값은 동일하기 때문이다.

[식 1]

V₁ = S₁ / (t₃₄ - t₁₂)

동일한 방법으로 제3 차륜위치 감지수단(430)과 제4 차륜위치 감지수단(440) 사이 구간(S₂)의 통과 속도 V₂는 [식 2]에 의해 계산된다.

[식 2]

V₂ = S₂ / (t₇₈ - t₅₆)

한편 차륜(10)이 제1 차륜위치 감지수단(410)과 제2 차륜위치 감지수단(420) 사이를 지날 때의 시점과 제3 차륜위치 감지수단(430)과 제4 차륜위치 감지수단(440) 사이를 지날 때의 시점의 시간차를 Δt라고 하면, 차륜(10)의 가속도 a는 [식 3]과 같다.

[식 3]

a = (V₂-V₁) /Δt

따라서 본 발명에 적용되는 상기 트리거링 장치부(400)를 이용하면, 차륜(10)의 속도뿐만 아니라 가속도까지 측정할 수 있으므로 차륜(10)이 언제 촬영구간에 위치하게 되는지를 정확하게 판단할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 의한 차륜형상 측정장치는, 다수의 레이저라인을 이용하므로 차륜이 틀어지거나 위치가 변경되더라도 각 부의 형상을 한 개의 레이저 라인을 사용한 경우보다 정확하게 측정할 수 있고, 상하배열 방식의 복렬 내측거리 측정장치를 사용하여 차륜의 차축방향 상하 틀어짐을 측정 및 보정할 수 있고, 속도와 가속도를 반영하는 트리거링 장치의 채용에 의해 촬영수단의 정확한 촬영 시점을 지정할 수 있으며, 차륜의 직경 크기에 관계없이 차륜의 형상을 정밀하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (12)

1. 차륜(10)의 축방향으로 길이를 갖는 둘 이상의 제1 레이저라인을 상기 차륜(10)의 프로파일부 저면에 조사하는 프로파일용 발광수단(120)과, 상기 제1 레이저라인을 상기 차륜(10)의 진행 방향으로 경사지게 촬영하는 프로파일용 촬영수단(110)을 구비하여, 상기 차륜(10)의 프로파일라인 이미지(122)신호를 둘 이상 출력하는 프로파일 측정부(100);

   차륜(10)의 직경방향으로 길이를 갖는 둘 이상의 제2 레이저라인을 상기 차륜(10)의 답면부 저면에 조사하는 직경용 발광수단(220)과, 상기 제2 레이저라인을 상기 차륜(10)의 진행 직각 방향으로 경사지게 촬영하는 직경용 촬영수단(210)을 구비하여, 상기 차륜(10)의 직경라인 이미지(222)신호를 둘 이상 출력하는 직경 측정부(200); 및

   상기 둘 이상의 프로파일라인 이미지(122)신호를 보정하고 상기 둘 이상의 직경라인 이미지(222)신호를 보정하여, 차륜형상 데이터를 추출하는 데이터처리부(600);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 프로파일 측정부(100)와 상기 직경 측정부(200)는,

   상기 차륜(10)의 저면 중 상기 차륜(10)의 축방향 중심과 수직을 이루는 지점을 중심으로 프로파일라인 이미지(122)신호 및 직경라인 이미지(222)신호를 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 프로파일용 촬영수단(110)은,

   멀티라인 제너레이팅 옵틱스를 구비하여 하나의 광원으로 다수의 제1 레이저라인을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 직경용 촬영수단(210)은,

   멀티라인 제너레이팅 옵틱스를 구비하여 하나의 광원으로 다수의 제2 레이저라인을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
5. 제1항에 있어서,

   쌍을 이루는 두 차륜(10)의 내측면 중 동일 수직선상에 위치하는 상측부와 하측부의 내측거리를 측정하여, 상기 차륜(10)의 차축 방향 기울기 및 수평 방향 틀어짐을 측정하는 내측거리 측정부(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 내측거리 측정부(300)는,

   상기 각 차륜(10) 내측면으로 빛을 조사한 후 반사되는 빛을 감지하여 상기 각 차륜(10)과의 거리를 감지하는 반사광센서(310)를 두 쌍 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 차륜(10)의 진입 속도와 가속도를 감지하여 상기 프로파일 측정부(100)와 직경 측정부(200)의 촬영시점을 지정하는 트리거링 장치부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 트리거링 장치부(400)는, 상기 차륜(10)의 경로를 따라 이격되도록 배열되어 각각 상기 차륜(10)이 통과하는 시점을 감지하는 셋 이상의 차륜위치 감지 수단을 구비하여, 상기 차륜(10)의 속도 및 가속도 측정이 가능한 구조로 구성되고;

   상기 프로파일 측정부(100)와 상기 직경 측정부(200)는, 상기 차륜(10)의 속도 및 가속도를 연산하여 상기 차륜(10)이 측정지점을 지나는 시점에 동작되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 차륜위치 감지수단은,

   차륜(10)의 경로 좌우측에 각각 배치되어 차륜(10)이 통과함에 따라 신호전달이 차단 및 재개되도록 구성되는 발광센서와 수광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 트리거링 장치부(400)는,

    상기 발광센서와 상기 수광센서 사이의 신호전달 차단시점과 신호전달 재개시점의 중간시점에서 차륜(10)의 중심이 상기 발광센서와 상기 수광센서 사이를 통과하는 것으로 판단하고, 상기 차륜(10)의 중심이 각 발광센서 및 수광센서 사이를 지나는 시점을 측정하여 상기 차륜(10)의 속도 및 가속도를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
11. 제1항에 있어서,

    상기 데이터처리부(600)는,

    상기 프로파일 측정부(100)와 상기 직경 측정부(200)에서 얻어진 이미지신호를 정상적인 프로파일라인의 이미지신호와 비교하여 마모량을 측정하고,

    사용시간에 따른 마모량을 계산하여 차후 사용시간이 경과됨에 따라 변형되는 프로파일라인 데이터와 이미지를 예측하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 데이터처리부(600)는,

    상기 차륜(10)의 마모에 영향을 주는 외부 조건에 따라 가중치를 두어 프로파일라인 이미지를 예측하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차륜형상 측정장치.

Images