(57)【要約】【要  約】【課  題】    車輪の半径方向のプロフィールを車両を停止させることなく高精度に測定できる車輪測定装置を提供する。【解決手段】  車輪２が計測位置に到達したことを検出する検出部３と、面状の広がりを有するビームを車輪２に向けて照射するライン照明部４と、その反射光画像を取り込む画像入力部５と、取り込んだ画像信号を座標変換して半径方向のプロフィールを得る画像処理部６と、これらを制御する制御部７および計算機部８により構成する。【選択図】    図１
2006118912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール（１）上を走行する鉄道車両の車輪（２）の半径方向の断面プロフィールを鉄道車両を停止させることなく測定する車輪測定装置であって、
前記車輪が計測位置に到達したことを検出する検出部（３）と、
この検出部（３）からレール方向に所定の距離を隔てて、前記車輪（２）の車軸に平行で、かつレール（１）に直角方向の平面状に拡がりを有するラインビームを前記車輪に向けて照射するライン照明部（４）と、
このライン照明部（４）からレール方向に所定の距離を隔てて、前記車輪（２）の外側で前記ラインビームの反射光の画像を撮影する画像入力部（５）と、
この画像入力部（５）に取り込まれた画像を処理して車輪（２）の半径方向の断面プロフィールに変換する画像処理部（６）と、
前記検出部（３）により車輪（２）が計測位置に到達したことを検出した時点で前記画像入力部（５）を作動させその入力信号を画像処理部（６）に送信する制御部（７）と、
前記画像処理部（６）における処理結果を車輪（２）毎に紐付けして表示・保存するモニタならびにデータ保存部を有する計算機部（８）と
から構成されることを特徴とする車輪測定装置。
【請求項２】
前記画像入力部（５）で入力した画像を、測定するすべての車輪（２）が通過する間保存した後画像処理部（６）に送信する画像保存部（61）を有する請求項１に記載の車輪測定装置。
【請求項３】
前記画像入力部（５）が、車輪（２）の全幅を視野内に納めるよう光軸が車輪（２）の踏面に向いている請求項１または２に記載の車輪測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レール上を走行する鉄道車両の車輪の形状を測定する車輪測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レール上を走行する鉄道車両の車輪は、高速走行における安全性能を維持するためリム端からフランジにかけての断面形状を高精度に管理することが重要であり、形状を測定して必要であれば削正等の処置をとる必要がある。車軸、あるいは台車を車体から取り外した状態であれば車輪径を機械的に実測することが可能であるが、近年、車両基地内において車両を走行状態のままで行う削正（転削）が一般的となっていることから、車輪形状の測定も通常の走行状態のまま行うことが好ましく、特許文献１、あるいは２に記載の車輪測定装置が提案されている。
【０００３】
特許文献１に記載の車輪測定装置の構成を図９の斜視図により簡単に説明する。１はレール、２は車輪、41は車輪の側面を照射する側面用光源、42は車輪の踏面を照射する踏面用光源、32は光電スイッチなどの受光部、51は側面用カメラ、52は踏面用カメラ、６は画像信号処理装置である。この車輪測定装置は、車輪内側側面部と車輪踏面とを照射する側面用光源41、踏面用光源42により照射された各部分を撮像する側面用カメラ51、踏面用カメラ52からの映像信号を画像信号処理装置６に入力し、車輪踏面の形状や車輪径寸法、車輪幅寸法を算出するものである。
【０００４】
しかしこの車輪測定装置は、車輪の断面形状を測定するための踏面用カメラ52および踏面用光源42がレール内側下部にあるため、レールあるいはフランジにさえぎられて、フランジ頂部からリム端までの連続したプロフィールを得ることができない。
【０００５】
つづいて特許文献２に記載の車輪測定装置を図１０の平面図により簡単に説明する。３は車輪２の中心が計測位置に到達したことを検出する光電センサなどの検出部、４は面状の広がりを有するビームを車輪２に向かって照射するライン照明部、５は照射ビームの反射光を画像信号として取り込むＣＣＤエリアセンサなどの画像入力部、5aはレンズ、5bは撮像面のＣＣＤである。
【０００６】
この車輪測定装置では、歪のない画像を得るために本来車輪踏面を直視する位置、すなわちレール上に、撮像面5bがレールと直角方向となるようにＣＣＤエリアセンサを設置したいところであるが、車輪の通過に支障となる設備限界エリア内には設置することができないから、図１０のように設備限界エリアの外側に撮像面5bがレールと直角方向となるように設置することとなり、カメラをアオリ機構を有する特殊構造としない限りカメラの視野に対して車輪の画像が小さく、高精度なプロフィールを得ることができない。
【特許文献１】特開平６−１２３６０８号公報
【特許文献２】特開平１１−８３４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来の技術における前記の問題点を解消し、フランジ頂部からリム端までの連続したプロフィールをカメラの視野一杯に捕らえ、車両を停止させることなく車輪の正確なプロフィールを容易に計測することのできる車輪測定装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、レール上を走行する鉄道車両の車輪の半径方向の断面プロフィールを鉄道車両を停止させることなく測定する車輪測定装置であって、前記車輪が計測位置に到達したことを検出する検出部と、この検出部からレール方向に所定の距離を隔てて、前記車輪の車軸に平行で、かつレールに直角方向の平面状に拡がりを有するラインビームを前記車輪に向けて照射するライン照明部と、このライン照明部からレール方向に所定の距離を隔てて、前記車輪の外側で前記ラインビームの反射光の画像を撮影する画像入力部と、この画像入力部に取り込まれた画像を処理して車輪の半径方向の断面プロフィールに変換する画像処理部と、前記検出部により車輪が計測位置に到達したことを検出した時点で前記画像入力部を作動させその入力信号を画像処理部に送信する制御部と、前記画像処理部における処理結果を車輪毎に紐付けして表示・保存するモニタならびにデータ保存部を有する計算機部とから構成されることを特徴とする車輪測定装置であり、望ましくは前記画像入力部で入力した画像を、測定するすべての車輪が通過する間保存した後画像処理部に送信する画像保存部を有する前記の車輪測定装置であり、さらに、前記画像入力部が、車輪の全幅を視野内に納めるよう光軸が車輪の踏面に向いている前記の車輪測定装置である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の本発明によれば、機器を車輪の走行の妨げにならない位置に配置して車輪測定装置を構成することができるとともに、車両を停止させることなくかつ人手を要することなく車輪の形状を測定することができ、車輪の管理が容易となり管理精度が高まり車両運行上の安全性が向上するという、すぐれた効果を奏する。また請求項２に記載の本発明によれば、変換作業を測定時の車両の走行と関係なく行うことができ、高度なデータ処理が可能となるという効果を奏する。また、請求項３に記載の本発明によれば、カメラの設置が容易で、かつカメラの視野を一杯に活用して高精度な測定が可能となるという、すぐれた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明においては、スリット画像を撮影するカメラ（画像入力部）をレールの外側に設置し、斜め方向から、かつ光軸を車輪踏面に向けて撮像し、得られたスリット画像を座標変換によって半径方向のプロフィールに変換するようにしたので、画像入力部が車輪の通過に支障となることがなく、またカメラの視野をフルに利用して鮮明なプロフィールを得ることができ、車輪測定が効率化されるとともに測定精度が向上する。
【実施例】
【００１１】
本発明実施例を図面により詳細に説明する。図１は実施例の車輪測定装置の構成を示すブロック図で、１はレール、２は車輪、３はこの車輪が計測位置に到達したことを検出する光電センサなどの検出部、４は検出部３からレール方向に所定の距離を隔てて、前記車輪２の車軸に平行で、かつレール１に直角方向の平面状に拡がりを有する（以下「面状の」という）ラインビームを前記車輪２に向けて照射するライン照明部、５はこのライン照明部４からレール方向に所定の距離を隔てて、前記車輪２の外側で前記ラインビームの反射光の画像を撮影するＣＣＤエリアセンサなどの画像入力部、６はこの画像入力部５に取り込まれた画像を処理して車輪の半径方向の断面プロフィールに変換する画像処理部、61は追って説明する画像保存部、７は前記検出部３により車輪２が計測位置に到達したことを検出した時点で前記画像入力部５を作動させその入力信号を画像処理部６に送信する制御部、８は前記画像処理部６における処理結果を車輪毎に紐付けして表示するモニタ81、処理結果を保存するハードディスクなどのデータ保存部（図示せず）、各種計算を行うパソコン本体82、検査モード設定やパラメータ設定を行うキーボード83などを有する計算機部である。計算機部８は測定現場に設置する必要はなく、別室に設置して有線、あるいは無線の通信回線を介して制御部７を制御したり、画像処理部６からのデータを受信するようにすればよい。
【００１２】
33は、車両がＩＤタグを備えており、車両情報を自動的に読み取ることができる場合の読み取り用ＩＤアンテナである。測定結果をデータベース化するに際して、車両がＩＤタグを備えていない場合は必要な車両情報をキーボード83から入力する。
【００１３】
図２は検出部３を示すレール方向から見た正面図で、発光部31と受光部32とが車輪をはさんで一直線上にレールと直角方向に配置されている。車輪２が光軸上に存在するときには発光部31から発射された光が遮られ、光軸の前を通過して所定位置（以下測定位置という）へ移動すると再び光が受光部32に到達するので、測定中発光部31は常に光を発射し、受光部32は光が一旦遮られてから再び受光するタイミングを待つ。制御部７は受光状態を常に監視し、再受光のタイミングで画像入力部５のシャッタを作動させ、取り込んだ画像信号を画像処理部６または画像保存部61に送信するよう制御する。
【００１４】
図３はライン照明部４を示すレールと直角方向の側面図および正面図である。ライン照明部４はレーザ発光体のような点光源を使用し、特に図示しないがレンズおよびプリズムからなる光学系を使用して垂直方向に広がる面状のビームを発射するように構成されている。車輪２の中心から踏面部までの距離をＬ2とするとき、車輪２が前記の検出部３の前を通過して、車輪２の中心がＬ2よりも短い距離Ｌ1にまで接近すると、あたかも面状のビームによって車輪２が切断されるように配置されているから、切断面の輪郭と同じ輪郭線ｂが車輪２の踏面上に現れる。ただしこの輪郭線ｂは、これをレール方向から見ると、車輪外周の真のプロフィールである図３の輪郭線ａに対して、車輪の曲面に投影された分だけひずんだ像となっている。
【００１５】
図４はライン照明部４と画像入力部５の位置関係を示す車輪測定装置の平面図である。画像入力部５はＣＣＤエリアセンサで構成され、車輪２が前記の測定位置到達を検知したタイミングで車輪２に照射されたビームが形成する車輪２のリム端部21から踏面部22を経てフランジ頂部に至る２次元画像を画像信号に変換して出力する。モニタに表示された２次元画像の一例を図５に示す。21はリム端部、22は踏面部、23はフランジ頂部である。
【００１６】
画像入力部５の設置位置は、レールの外側の、しかも車輪下方の設備限界エリアの外側である。しかし本発明では追って説明するように前記の２次元画像に対して座標変換を行うため、画像入力部５の受像面をレールと直角方向に配置する必要がなく、図４に示したように車輪２の全幅を視野内に納めるよう光軸を車輪２の踏面に向けて設置することができ、ＣＣＤ撮像面を有効利用した高分解能画像を得ることができる。
【００１７】
なお、鉄道車両を停止させることなく各車輪が次々にこの車輪測定装置を通過して行くため、１つの車輪にかかわる処理は次の車輪が到着するまでの短い時間内に限定されることになる。そこで本発明では、車両の通過中は車輪の画像を画像保存部61に蓄える処理のみを行い、測定するすべての車輪が通過した後に蓄えられた画像を取り出して画像処理部６に出力するようにすることがより好ましい。
【００１８】
図６は画像処理部６における画像処理、すなわち座標変換の作業を説明する説明図である。まず図５に示したような２次元画像から各点の座標を抽出する。抽出された座標は、丸みを持つ車輪踏面をＣＣＤエリアセンサが下方から撮像していることにより、本来の踏面形状に比較してひずんでいる。そこで、抽出された座標を画像処理部６において処理して、ＣＣＤエリアセンサを原点とするカメラ座標（以下視点座標系という）からライン照明部４のレーザラインマーカを原点とするワールド座標に変換し、つぎに車輪を切断したレーザ光の投影方向から車輪の放射断面方向（半径方向）に座標を再変換して実際の車輪形状プロフィールを求める。
【００１９】
画像入力部５でＣＣＤエリアセンサの撮影面に結ばれ、取り込まれた画像は、カメラ視点を投影始点として光切断ラインを撮影面に透視投影されたものである。画像処理部６ではまずこの投影面座標をワールド座標に変換する。
【００２０】
図６において、
ａ）ワールド座標系  Ｏ−ＸＹＺ：Ｘ軸  レール方向
Ｚ軸  地面の法線方向
原点はレーザラインマーカ位置
ｂ）視点座標系      Ｅ−ｘｙｚ：カメラ視点のワールド座標を（Ｘe，Ｙe，Ｚe）
レール方向に対する方位角をμ
レール面に対する仰角をψ
ｃ）投影面座標系      ｏ−ｕｖ：カメラ視線のｘ軸方向に垂直な面で
ｕをｙ軸方向、ｖをｚ軸方向にとり正規化する
とするとき、
一般に空間上の任意の点Ｐがワールド座標系で（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表わされるとき、点Ｐの視点座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
【００２１】
【数１】
2006118912.tif 000003
【００２２】
で表わされる。
ここで、
【００２３】
【数２】
2006118912.tif 000004
【００２４】
である。
点Ｐが撮影面上に投影された点Ｐ’の座標（ｕ，ｖ）は、視点から撮影面までの距離をfとすると、
ｕ ＝ −f・ｙ／ｘ
ｖ ＝ −f・ｚ／ｘ
で求められる。
【００２５】
実際には、投影面のカメラ画像を画像処理して三次元曲線である車輪踏面の光切断ラインを投影面に投影した二次元の座標列（ｕi,ｖi）を求め、それを前記の変換の逆変換により、光切断ラインの各点のワールド座標（Ｘi,Ｙi,Ｚi）を求める演算を行う。この逆変換は、二次元から三次元への線形変換であるから、（Ｘi,Ｙi,Ｚi）は一意には決められないが、ワールド座標系の光切断ラインの各点（Ｘi,Ｙi,Ｚi）はレーザ光でできる平面に含まれており、レーザスリットでできる平面はワールド座標系のＺＹ平面と平行であることから光切断ラインの各点のＸ座標は一定（０）であるという条件を用いることにより、
ｙ ＝ −（ｕ・ｘ）／f
ｚ ＝ −（ｖ・ｘ）／f
から次の（１）式が得られる。
【００２６】
【数３】
2006118912.tif 000005
【００２７】
これをＸ，Ｙ，Ｚを未知数として解くことにより（２）式が得られ、撮影面（カメラ画像）上の座標（ｕ，ｖ）からワールド座標（Ｏ，Ｙ，Ｚ）が一意に求められる。
【００２８】
【数４】
2006118912.tif 000006
【００２９】
【数５】
2006118912.tif 000007
【００３０】
図7はカメラ画像による見かけの車輪形状プロフィールＰ1を半径方向の断面プロフィールＰ2に変換する手順を説明する説明図である。前記のようにレーザラインマーカの軌跡をワールド座標に変換した後、車輪を半径方向の放射断面座標に再変換する。車輪の踏面のうち、リム端部とフランジ頂部はほとんど通常の走行によって摩耗しないと考えられるので、これらの部位の情報を基準として踏面部の半径方向の断面プロフィールＰ2を比例計算、あるいは三平方の定理等によって求めることができる。
【００３１】
画像処理部６では、こうして得られた断面プロフィールから、図８に示すような車輪形状の各部の数値データを定義し、その値を求める。
【００３２】
車輪の踏面の初期形状は複数のテーパを組み合わせた円錐面で定義されている。軌間1067ｍｍのＪＲ在来線車両を例にとると、車軸中心から560ｍｍのところを踏面位置、この位置の直径を車輪径、これから半径で10ｍｍ大きい部分の車軸中心からの距離をフランジ外面距離と定義する。図１０において、得られた断面プロフィールから、踏面位置における車輪径Ｄ、フランジ高さＨ、フランジ外面距離Ｓを求め、ＩＤタグの読み取り情報を紐付けして計算機部８のハードディスクなどの記憶装置にデータベースを蓄積し、要求にしたがって測定結果をモニタに表示し、削正をはじめとする車輪管理を行う。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例の車輪測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例の車輪測定装置の検出部を示す正面図である。
【図３】実施例の車輪測定装置のライン照明部を示す側面図および正面図である。
【図４】実施例の車輪測定装置の平面図である。
【図５】実施例の車輪測定装置による二次元画像の一例である。
【図６】実施例の車輪測定装置における座標変換を説明する説明図である。
【図７】実施例の車輪測定装置におけるプロフィールを変換手順を説明する説明図である。
【図８】実施例の車輪測定装置における数値データの定義を示す説明図である。
【図９】従来の技術における車輪測定装置の構成を示す斜視図である。
【図１０】他の従来の技術における車輪測定装置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    レール
２    車輪
３    検出部
４    ライン照明部
５    画像入力部
5a    レンズ
5b    ＣＣＤ
６    画像処理部（画像信号処理装置）
７    制御部
８    計算機部
21    リム端部
22    踏面部
23    フランジ頂部
31    発光部
32    受光部
33    ＩＤアンテナ
41    側面用光源
42    踏面用光源
51    側面用カメラ
52    踏面用カメラ
61    画像保存部
81    モニタ
82    パソコン本体
83    キーボード
84    データ保存部
【図１】
2006118912.tif 000008
【図２】
2006118912.tif 000009
【図３】
2006118912.tif 000010
【図４】
2006118912.tif 000011
【図５】
2006118912.tif 000012
【図６】
2006118912.tif 000013
【図７】
2006118912.tif 000014
【図８】
2006118912.tif 000015
【図９】
2006118912.tif 000016
【図１０】
2006118912.tif 000017