(57)【要約】  本発明は、固体（１）の表面形状（Ｐ）を非接触で動的に記録する方法に関する。この発明によれば、レーザ装置（２）によって発生され、少なくとも１つの線光帯（３）を形成するために拡げられた少なくとも１つの光ビームが、前記レーザ装置（２）を通過する前記個体（１、１ａ）の表面の少なくとも１つの領域上に投射され、前記個体（１、１ａ）から反射した光（ＲＬ）は画像装置（５）に集束するようになっており、前記画像装置（５）は、前記レーザ装置（２）の投射軸（Ｏ−Ｏ）に対して固定された三角測量角度（φ）にある光軸（Ａ−Ａ）を有し、当該光軸（Ａ−Ａ）が前記レーザ装置（２）の投射軸（Ｏ−Ｏ）から固定された基本距離（Ｂ）に位置しており、前記反射した光（ＲＬ）は、前記画像装置（５）の平面光吸収素子（６）によって、前記固体（１）の運動速度（ｖ）に対して高い周波数で検出される。その後、前記表面形状（Ｐ）の測定値（ｚＢ）が、処理装置において、三角法関係および固体（１）の運動割合に応じて決定される補正値の組み合わせによって、三角測量角度（φ）および基本距離（Ｂ）に応じて前記平面光吸収素子（６）により出力される信号からデータ処理装置によって得られ、前記測定値はプロフィログラム（ＰＧ）形態でデータ処理装置内に記憶される方法において、画像取り込み（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）の決定が、受信ループ（１００）内において行われ、そのために、前記平面受光素子（６）による出力信号が、前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚＢ）を得るために選択される。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体（１、１ａ）上に生じている摩耗の測定を目的とした、固体（１、１ａ）の表面形状（Ｐ）を非接触で動的に検出する方法であって、
レーザ装置（２）によって発生され、少なくとも１つの線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）を形成するために拡げられた少なくとも１つの光ビームが、前記レーザ装置（２）を通過する前記個体（１、１ａ）の表面の少なくとも１つの領域上に投射され、
前記個体（１、１ａ）の前記表面の前記領域から反射した光（ＲＬ）は画像装置（５）に集束するようになっており、前記画像装置（５）は、前記レーザ装置（２）の投射軸（Ｏ−Ｏ）に対して固定された三角測量角度（φ）にある光軸（Ａ−Ａ）を有し、当該光軸（Ａ−Ａ）が前記レーザ装置（２）の前記投射軸（Ｏ−Ｏ）から固定された基本距離（Ｂ）に位置しており、
前記反射した光（ＲＬ）は、前記画像装置（５）の平面受光素子（６）によって、前記固体（１、１ａ）の運動速度（ｖ）と比較して高い周波数で検出され、
前記表面形状（Ｐ）の測定値（ｚＢ）が、三角法関係を用いて前記三角測量角度（φ）および前記基本距離（Ｂ）の関数として前記平面受光素子（６）による出力信号からデータ処理装置によって得られた後、プロフィログラム（ＰＧ）として前記データ処理装置内に記憶される方法において、
画像取り込み（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）の決定が、受信ループ（１００）内において行われ、そのために、前記平面受光素子（６）による前記出力信号が、前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚＢ）を得るために選択されることを特徴とする前記方法。
【請求項２】
前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚＢ）は、前記固体（１、１ａ）の前記運動速度によって決定された補正値（Ｋｖ）と組み合わせて得られることを特徴とする請求項１に記載の前記方法。
【請求項３】
前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚＢ）は、前記固体（１、１ａ）の前記表面の前記領域に従って決められた補正値（Ｋｏ）と組み合わせて得られることを特徴とする請求項１または２に記載の前記方法。
【請求項４】
前記固体（１、１ａ）は、回転運動をすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の前記方法。
【請求項５】
前記固体（１、１ａ）は、車輪（１ａ）のような実質的に回転対称体であり、前記回転運動をすることを特徴とする請求項４に記載の前記方法。
【請求項６】
前記回転運動は、一定の角速度（ω）で行われる請求項４または５に記載の前記方法。
【請求項７】
前記固体（１、１ａ）の前記回転運動の前記角速度（ω）は、１５ｓ−１以下または６ｓ−１以下であることを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の前記方法。
【請求項８】
前記固体（１、１ａ）の前記表面の前記領域に従って決められる前記補正値（Ｋｏ）は、前記回転対称体の半径（Ｒ）の関数として決まるベクトル因子および／または加数であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の前記方法。
【請求項９】
前記固体（１、１ａ）の前記運動速度（ｖ、ω）に従って決められる前記補正値（Ｋｖ）は、前記運動速度（ｖ、ω）に比例するベクトル因子および／または加数であることを特徴とする請求項２ないし８のいずれかに記載の前記方法。
【請求項１０】
前記反射光（ＲＬ）の検出のための周波数（ｆ）と前記運動速度（ｖ、ω）の相関的な組み合わせは、前記運動速度（ｖ、ω）に従って決められる前記補正値（Ｋｖ）を決定するために行われることを特徴とする請求項２ないし９のいずれかに記載の前記方法。
【請求項１１】
前記プロフィログラム（ＰＧ）は、前記固体（１、１ａ）の前記表面の種々の側部にある領域上に前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）を投射する少なくとも３つの前記レーザ装置（２）を用いて複数の構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）として測定され、前記画像装置（５）は前記レーザ装置（２）に組み込まれ、前記構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）は前記データ処理システムで記憶され、全プロフィログラム（ＧＰＧ）は前記データ処理システムから得られることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の前記方法。
【請求項１２】
前記固体（１、１ａ）が車両車輪（１ａ）のような実質的に円筒形または環状である基本形状を有する場合において、前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）が投射される少なくとも３つの前記領域は、前記円筒形の前記固体（１、１ａ）または前記環状の前記固体（１、１ａ）の２つの端面（Ｄ１、Ｄ２）および外周面（Ｍ）上にあることを特徴とする請求項１１に記載の前記方法。
【請求項１３】
前記回転する固体（１、１ａ）の前記全プロフィログラム（ＧＰＧ）は、前記２つの端面（Ｄ１、Ｄ２）および前記外周面（Ｍ）によって、ある検出時点（ｔｋ）で同時に測定される３つの前記構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）から得られ、個々の前記構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）の検出時点（ｔｋ）は、この検出時点（ｔｋ）で測定される測定値（ｚｋ）が少なくとも３つの測定値（ｚ１、ｚ2、ｚ3）からの最大値をとるという方法で選択され、前記２つの端面（Ｄ１、Ｄ２）のうちの一方における半径の円弧上にあり、連続する時点（ｔ１、ｔ2、ｔ3）および前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）の各長さから一方向でそれぞれ測定され、そして、円弧を通る弦（ｓｌ１、ｓｌ2、ｓｌ3）の長さの半分にそれぞれ相当していることを特徴とする請求項１２に記載の前記方法。
【請求項１４】
前記プロフィログラム（ＰＧ）、前記構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）および／または前記全プロフィログラム（ＧＰＧ）は、１または複数の基準プロフィログラム（ＢＰ1、ＢＰ２）とそれぞれ比較され、そしてそれぞれの前記基準プロフィログラム（ＢＰ1、ＢＰ２）からそれぞれの偏差（ΔＰＧ）が求められることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載の前記方法。
【請求項１５】
前記プロフィログラム（ＰＧ）、前記構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）、前記全プロフィログラム（ＧＰＧ）、前記各基準プロフィログラム（ＢＰ1、ＢＰ２）および／または前記各偏差（ΔＰＧ）は、非摩耗ホイールリム内径（２＊Ｒ）のような長期間不変の固定幾何学的基本寸法を参照して作成されることを特徴とする請求項１４に記載の前記方法。
【請求項１６】
前記基本寸法は、前記動いている固体（１、１ａ）の前記非接触の動的測定によって測定され、前記プロフィログラム（ＰＧ）の検出または前記構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）の検出と同様の方法で行われる少なくとも３つの前記測定値（ｚ１、ｚ2、ｚ3）から得られることを特徴とする請求項１５に記載の前記方法。
【請求項１７】
前記動いている固体（１、１ａ）の前記非接触の動的測定は、前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）を形成するために拡げられた単一の光ビームによって少なくとも３つの前記時点（ｔ１、ｔ2、ｔ3）で指定された時間間隔（Δｔ）で行われることを特徴とする請求項１６に記載の前記方法。
【請求項１８】
前記非接触の動的測定は、前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）が投射される前記固体（１、１ａ）の前記表面の前記領域の指定された間隔（Ｎ１、Ｎ２）と、前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）を形成するためにそれぞれ拡げられた少なくとも３つの前記光ビームによって、前記動いている固体（１、１ａ）上で同時に行われることを特徴とする請求項１６に記載の前記方法。
【請求項１９】
前記基本寸法は、回転する前記回転対称体の半径（Ｒ）であり、その半径（Ｒ）は以下の連立方程式
Ｒ２＝ｘ１２＋ｚ１２    （１）
Ｒ２＝ｘ２２＋ｚ２２    （２）
Ｒ２＝ｘ３２＋ｚ３２    （３）
ｘ１−ｘ２＝ｋ＊（ｘ２−ｘ３）            （４）
（式中、ｚ１、ｚ２、ｚ３は３つの測定値であり、それらの３つの測定値は、前記半径（Ｒ）の円弧上にあり、それぞれ一方向で測定され、デカルト座標系で前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）の長さの縦座標値（Ｚ）に相当し、そして、それぞれ円弧の前記弦（ｓｌ１、ｓｌ２、ｓｌ３）の半分の長さに相当し、ｘ１、ｘ２、ｘ３はｚ１、ｚ２、ｚ３の測定値にそれぞれ対応する横座標値（Ｘ）であり、ｋは指定された前記時間間隔（Δｔ）または前記固体（１、１ａ）の前記表面の前記領域の前記間隔（Ｎ１、Ｎ２）に相当する係数である。）
から求められることを特徴とする請求項１５ないし１８のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２０】
前記プロフィログラム（ＰＧ）、前記構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）、前記全プロフィログラム（ＧＰＧ）、前記各基準プロフィログラム（ＢＰ1、ＢＰ２）および／または前記各偏差（ΔＰＧ）は、ディスプレイのような表示装置に視覚化されることを特徴とする請求項１４ないし１９のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２１】
デジタル化された信号を供給するトリガ制御式ＣＣＤカメラのような装置が、前記平面受光素子（６）として使用されることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２２】
フォトダイオードアレイのような位置敏感型検出器または位置敏感型装置が、前記平面受光素子（６）として使用されることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２３】
前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）の光は、４００〜１０００ｎｍの範囲の波長または６５０〜７００ｎｍの範囲の波長を有することを特徴とする請求項１ないし２２のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２４】
前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）の光は、可視領域の波長を有し、前記レーザ装置（２）の使用できる放射（ＧＺＳ）の限界値は１ｍＷ以下であることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２５】
前記レーザ装置（２）の電力は、０．５〜５０ｍＷの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし２４のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２６】
前記レーザ装置（２）は、ＧａＡs、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＰ、ＰｂＳｎＴｅのような半導体材料からなるダイオード、ＶＬＤおよび可視レーザダイオードのようなｃｗ（連続波）固体ダイオードを含むことを特徴とする請求項１ないし２５のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２７】
前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）は、０．３〜６．５ｍｍの範囲内の幅（ｂ）、または０．８〜２．２ｍｍの範囲内の幅（ｂ）を有することを特徴とする請求項１ないし２６のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２８】
前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）は、５０〜７５０ｍｍの範囲内の長さ（ＬＢ）、または２００〜４００ｍｍの範囲内の長さ（ＬＢ）を有することを特徴とする請求項１ないし２７のいずれかに記載の前記方法。
【請求項２９】
前記三角測量角度（φ）は、１５〜４０°の範囲内の値、または２０〜３０°の範囲内の値を有することを特徴とする請求項１ないし２８のいずれかに記載の前記方法。
【請求項３０】
前記固体（１、１ａ）の前記表面で反射した前記光（ＲＬ）が前記平面受光素子（６）により検出される前記周波数（ｆ）は、２５Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲内、または１〜１０ｋＨｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし２９のいずれかに記載の前記方法。
【請求項３１】
前記固体（１、１ａ）の並進運動速度（ｖ）は、３．５ｍ／ｓ以下、または１．５ｍ／ｓ以下であることを特徴とする請求項１ないし３０のいずれかに記載の前記方法。
【請求項３２】
前記線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）が投射される前記固体（１、１ａ）の前記表面の前記領域から、前記レーザ装置（２）および／または前記画像装置（５）の平均動作距離（Ｌ）は、２０〜６５０ｍｍの範囲内、または１５０〜３５０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし３１のいずれかに記載の前記方法。
【請求項３３】
前記画像装置（５）は集束レンズ（４）を備えており、該集束レンズ（４）の中点と、前記レーザ装置（２）の前記光軸（Ｏ−Ｏ）との間の前記基本距離（Ｂ）は、３０〜４５０ｍｍの範囲内、または６０〜２７０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし３２のいずれかに記載の前記方法。
【請求項３４】
前記プロフィログラム（ＰＧ）、前記構成プロフィログラム（ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ）、前記全プロフィログラム（ＧＰＧ）、前記各基準プロフィログラム（ＢＰ1、ＢＰ２）および／または前記各偏差（ΔＰＧ）は、２．０ｍｍ以下の解像度または０．５ｍｍ以下の解像度に基づいていることを特徴とする請求項１４ないし３３のいずれかに記載の前記方法。
【請求項３５】
前記受信ループ（１００）を実行するためにハードウェア構成を有し、該ハードウェア構成は、トラック（９）上またはトラック（９）の両側に置かれた試験台（８）内に組み込まれていることを特徴とする請求項３４に記載の前記方法。
【請求項３６】
前記方法は、空間的に離れたサーバを有するクライアントサーバシステムで実行されるようになっており、
前記受信ループ（１００）は、前記クライアントサーバシステムのクライアントにおいて、鉄道車両（１０）用の交通信号灯のようなシステム開始（９５）を作動させること、前記画像取り込み（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）用のトリガーを作動させること、および／または前記サーバからのリクエスト（９０）により作動する前記レーザ装置（２）のスイッチのＯＮ・ＯＦＦを実行することを特徴とする請求項３４または３５に記載の前記方法。
【請求項３７】
前記受信ループ（１００）は、該受信ループ（１００）を実行するために、レーザ距離センサ（１０１）と、該レーザ距離センサ（１０１）から供給される信号を受信する信号処理部（１０２）と、該信号処理部（１０２）から出力される距離信号（１０３）を受信しかつ評価する信号評価部（１０４）と、前記画像取り込み（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）のための開始プログラム（１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ）とを有し、
前記受信ループ（１００）において、前記開始プログラム（１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ）は、前記距離信号（１０３）が前記信号評価部（１０４）によって評価されることにより動作するようになっていることを特徴とする請求項３４ないし３６のいずれかに記載の前記方法。
【請求項３８】
前記信号評価部（１０４）は、種々の時間基準ロジックシーケンスを構築可能なＰＬＤを有しており、
該ＰＬＤは、前記距離信号（１０３）と前記画像取り込み（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）のための前記開始プログラム（１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ）との間のあらかじめ決められたロジックと、あらかじめ決められた一時的リンクとを設定することを特徴とする請求項３７に記載の前記方法。
【請求項３９】
前記画像取り込み（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）は、前記平面受光素子（６）のシーケンシアル画像メモリまたは循環型操作でバッファ（緩衝）される画像マトリクス（１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃ）を提供することを特徴とする請求項３４ないし３８のいずれかに記載の前記方法。
【請求項４０】
前記受信ループ（１００）は、該受信ループ（１００）を実行するために画像選択（ＩＳ）を有しており、
該画像選択（ＩＳ）は、前記固体（１、１ａ）の前記運動速度（ｖ）の関数を用いて、前記画像マトリクス（１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃ）から前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚＢ）を表す画像マトリクス（１０７）を選択することを特徴とする請求項３９に記載の前記方法。
【請求項４１】
前記受信ループ（１００）は、該受信ループ（１００）を実行するためにメモリ（１０８）を有し、
該メモリ（１０８）に記憶された前記画像データのような前記測定値（ｚＢ）は、前記レーザ装置（２）からの距離、使用された前記線光帯（３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）における測定点および／または前記画像取り込み（１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ）の時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３）のそれぞれの値とともに、前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚＢ）を得た後または画像記録の停止（１１２）の後に存在するサーバ（１１３）に送信されることを特徴とする請求項３６ないし４０のいずれかに記載の前記方法。
【請求項４２】
前記受信ループ（１００）は、アボート基準として、タイマおよび／または多数の所定の測定装置に接続される状態チェック手段（１１０、１１１）を含むことを特徴とする請求項３４ないし４１のいずれかに記載の前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に固体に生じている摩耗の測定を目的とした、固体の表面形状を非接触で動的に検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩耗の測定ために、いわゆるモデルテストスタンド（たとえばアムスー型、ラフォン−アイヒンガー型など）がしばしば使用される。そのモデルスタンド上で、サンプルの材料が特定のアプリケーションに生じている摩擦対におけるトライポロジー的性質（tribological properties）に関してテストされる。
しかしながら、特定のアプリケーション（たとえば、試料の寸法よりもはるかに大きい寸法の摩擦体）で測定された特性の転用は、そのテストが指向値のみを供給するという困難に直面する。なぜなら、摩耗に影響するパラメータがモデルテストスタンド上で現実の環境に正確に一致しない複合条件を構成するためである。
したがって、実サンプルのトライポロジー的測定が重要なアプリケーションに不可避である。しかし、摩耗が測定されるべき部品はある動作期間後取外されなければならず、その後、たとえば表面形状を測定することによって、その部品に生じている摩耗を調査しなければならないという問題にしばしば直面する。そして、これは一般的にかなりの出費を伴う。
【０００３】
固体の表面形状の検出、すなわち、固体表面のプロフィログラムを得ることができるということは知られている。そのような検出は、たとえば表面形状測定装置を使用した接触的（触覚的）な方法によって行われることが知られている。この方法は、固体とスタイラス（stylus）の接触に基づく方法である。たとえば、測定範囲がミリメートル以下である場合においては、センチメートルの範囲で測定値を得ることはできない。この場合の測定時間は、１測定点につき数秒である。この方法は、厳しい測定環境に不利かつ不適である。
【０００４】
固体の表面形状の静的検出のために、様々な非接触動作光学的方法が知られている。そのような方法とその方法に関連する装置は、「Bildverarbeitung und optische Messtechnik（Image processing and optical measurement techniques）（画像処理および光学測定技術）」(Munich:Franzis', 1993年、第6章)と題された、ベルント・ブロイクマン（Bernd Breuckmann）による専攻論文に「トポメトリック三次元測定学(topometric 3D metrology)」という用語で記載されている。
レーザ三角測量は、トポメトリック法の１つとして前記専攻論文にも同様に記載されている。ここで、レーザ三角測量は、測量学の目的のために１６１５年にSnelliusによって初めて開発された測定方法であり、測定されるべき測定値が三角法関係式を用いて他の測定値から間接的に測定される測定方法であるとして理解されている。
【０００５】
レーザ三角測量において、レーザは測定物体に光の点を照射するために使用される。物体から反射される光、特に散乱光は、位置敏感型検出器（ＰＳＤ（position-sensitive device）と称される。）のような受光素子上に画像（結像）される。
光学構造の形状と、照射方向と観察方向との間の角度は、検討中の物体の位置（特に高さ位置）を三角測量によって測定するために使用される。レーザ三角測量法は、数メートルまでの距離レンジで実施される非接触測定をμｍレンジまでの粗さ解像度で可能にしている。
【０００６】
レーザ三角測量から開発された方法は公知であり、前記専攻論文にも記載されている。これによれば、レーザ光ビームが線光帯、いわゆる光断面を形成するように拡げられる。この方法では、たとえば、ビデオカメラのような平面検出器が反射した光を検出する場合に使用される。そして、三角測量に基づいて評価が行われる。この方法の特徴は、１ｍｍから１ｍまでの表面形状高さの測定範囲であり、その範囲の約１０００分の１から１０００分の５０までの解像度である。前記専攻論文は、連続的に動いている物体に使用するための光切断法の基本的適性が前提とされている。しかし、使用可能性と限界の詳細は記載されていない。しかしながら、動的方法の実施において、すなわち、動いている固体の表面形状のリアルタイム検出は、次のような問題に直面する。すなわち、固体の動きが古典的な三角測量法を用いた手順では表せない測定対象表面のゆがみを引き起こし、それによって実体に合った測定値を得ることができないという問題に直面する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、最初に述べたタイプの固体の表面形状を非接触で動的に検出する方法を提供することである。これにより、短い測定時間が可能となり、１０分の１ミリメートル、ミリメートルおよびセンチメートルのような規模の少なくとも３つのオーダーにわたる測定範囲で測定でき、高い測定精度が保証されるとともに、厳しい動作条件下でも、特に部品の摩耗測定に使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、前記目的は、レーザ装置によって発生され、少なくとも１つの線光帯を形成するために拡げられた少なくとも１つの光ビームが、レーザ装置を通過する個体の表面の少なくとも１つの領域上に投射され、個体の表面の領域から反射した光は画像装置に集束するようになっており、画像装置は、レーザ装置の投射軸に対して固定された三角測量角度にある光軸を有し、当該光軸がレーザ装置の投射軸から固定された基本距離に位置しており、反射した光は、画像装置の平面受光素子によって、固体の運動速度と比較して高い周波数で検出され、表面形状の測定値）が、三角法関係を用いて三角測量角度および基本距離の関数として平面受光素子による出力信号からデータ処理装置によって得られた後、プロフィログラムとしてデータ処理装置内に記憶される方法において、画像取り込みの決定が、受信ループ内において行われ、そのために、平面受光素子による出力信号が、表面形状の測定値を得るために選択されるという方法によって達成される。
【０００９】
ここで、固体は、並進運動または回転運動、好ましくは転動運動を実行する回転対称体（特に車両車輪）であってもよい。したがって、本発明による方法は、通過するような車輪の表面形状を測定し、それから摩耗を導き出すために極めて有利な可能性を構成している。
【００１０】
固体の運動速度によって決められる補正値との組み合わせは、速度によってぼやけない表面形状の測定を好適に可能とする。加えて、好ましい場合において、表面形状の測定値は、歪みなく、プロフィログラムを測定するような固体の表面の領域に応じて決められる補正値との組み合わせで得られる。
【００１１】
表面形状の完全な測定の目的のためには、固体表面の種々の側にある領域に光帯を投射する少なくとも３つのレーザ装置と、前記レーザ装置に組み込まれた画像装置とを用いて、多数のプロフィログラムが、構成プロフィログラムとして測定されたとき、構成プロフィログラムはデータ処理システムに記憶され、全プロフィログラムはそこから得られるということが好ましい。
車両車輪のような実質的に円筒状または環状である基本形状の固体の場合において、光帯が投射される少なくとも３つの領域は、２つの端面上ならびに円筒もしくは円の側面上にあることが好ましい。
プロフィログラム、構成プロフィログラムおよび／または全プロフィログラムは、各ケースにおいて、１または複数の基準プロフィログラムと比較されることができる。そして、それぞれの基準プロフィログラムからのそれぞれの偏差を求めることができる。これは、発生している摩耗の指標または発生している摩耗が未だ許容される範囲内にあるかどうかに関する指標を構成する。
これに関連して、どの程度の負荷期間で異論がないか、またはいつ新たなテストが必要であるかに関する予側は、発生した固体の負荷期間と得られた摩耗との間の相関的な組み合わせを用いてなされることもできる。
【００１２】
さらに、プロフィログラム、構成プロフィログラム、全プロフィログラム、各基準プロフィログラムおよび／または各偏差が非摩耗ホイールリム内径のような固定された長期間不変の幾何学的基礎値を参照されることが好ましい。
これにより、たとえば、表面形状の高さが適切な表示手段を用いた基礎値に対して表わされるように摩耗領域を表すことができる。
たとえば、プロフィログラム、構成プロフィログラム、全プロフィログラム、各基準プロフィログラムおよび／または各偏差は、ディスプレイのような表示装置に視覚化される。
【００１３】
この場合において、基礎値は少なくとも３つの測定値から好ましく測定される。それらの３つの測定値は、動いている固体を非接触で動的な測定によって得られ、プロフィログラムの検出または構成プロフィログラムの検出と同様な方法で行われる。
この目的のため、動いている固体の測定は、線光帯を形成するために拡げられた１つの光ビームによって、少なくとも３つの時点で指定された時間間隔で実行することができる。また、動いている固体の測定は、光帯が投射される固体の表面の領域の指定された距離と、線光帯を形成するために拡げられた少なくとも３つの光ビームとによって同時に実行することもできる。
【００１４】
このような測定は、トリガ制御ＣＣＤカメラのようなデジタル化された信号を供給する装置、またはフォトダイオードアレイのような位置敏感型検出器（位置敏感型装置）の受光素子を使用して行われてもよい。
ここで、その装置は、受光素子が光強度に敏感であるという第１の場合において保証されるべきである。一方、光量が適切な信号を供給するという第２の場合においても保証されるべきである。
【００１５】
本発明に使用されるレーザ装置に関し、以下の特に優れた特性が証明された。
−  結果の高い再現性および高い測定精度の観点に関し、発生した光帯の波長は４００〜１０００ｎｍの範囲内であり、特に、６５０〜７００ｎｍの範囲内である。
−  同様に、この観点に関し、レーザ装置の電力は０．５〜５０ｍＷの範囲内である。
−  高い職業安全性（ＤＩＮ  ＥＮ  ６０８２５−１：２００１−１１によるレーザクラス２）の観点に関し、光帯の波長は可視領域にあり、接触可能な放射の限界値（ＧＺＳ）は１ｍＷ以下である。レーザ電力が１ｍＷ以上の場合、接触可能な放射の限界値は適切な測定によって要求される値に低下されるようになっている。
−  本方法の経費削減の観点に関し、例えば、ＧａＡs、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＰ、ＰｂＳｎＴｅなどのような半導体材料を含むｃｗ（連続波）固体ダイオードが使用される。好ましくは、レーザポインタに使用されるものと同様なＶＬＤ（可視レーザダイオード）が使用される。加えて、波長が可視光帯にあることから、測定されるべき固体に対するレーザ装置の調節が容易になる。
【００１６】
本発明による方法の測定条件に関し、以下の特性が摩耗テストを目的とした形状測定（profilometry）にとって、有利および／または最適であることが証明された。すなわち、測定されるプロフィログラム、構成プロフィログラムおよび全プロフィログラムが２．０ｍｍ以下の解像度、特に、０．５ｍｍ以下の解像度を実現できるという特性が証明された。
−  光帯の幅は、０．３〜６．５ｍｍの範囲内であり、特に０．８〜２．２ｍｍの範囲内である。光帯の幅が上限値を超えると、測定精度は低下するが、平均動作距離（測定距離）の求められる増大とともに、光帯の幅は拡大する。
−  光帯の長さは、固体の表面の測定される領域の形状によって、５０〜７５０ｍｍの範囲内、特に２００〜４００ｍｍの範囲内である。
−  三角測量角度は、１５〜４０°の範囲内、特に２０〜３０°の範囲内である。角度が拡大されると測定精度が向上するが、固体の表面の不均一な照射および影の発生の危険性も高まる。
−  画像装置、特に画像装置の集束レンズの中心点とレーザ装置の光軸との間の基本距離は、３０〜４５０ｍｍの範囲内、特に６０〜２７０ｍｍの範囲内である。
−  光帯が投射される固体の表面の領域からレーザ装置および／または画像装置までの平均動作距離は、２０〜６５０ｍｍの範囲内、特に１５０〜３５０ｍｍの範囲内である。
−  固体の並進運動の速度は、３．５ｍ／ｓ以下、好ましくは１．５ｍ/ｓ以下である。
−  固体の回転運動の角速度は、１５-１以下、好ましくは６-１以下、より好ましくは一定（不変）である。
−  受光素子によって検出される固体の表面から反射した光の波長は、２５Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲内、好ましくは１〜１０ｋＨｚの範囲内である。
【００１７】
周波数に関し、周波数は固体の運動速度に合わせられなければならない。すなわち、比較的高い周波数が、平面受光素子の信号の歪みにより固体の速度の影響を減少させる。したがって、反射光の検出周波数と運動速度との相補的な組み合わせは、運動速度に従って決定される補正値を決定するために行われる。特に、その組み合わせは、運動速度に比例し、プロフィログラムの測定値の性質に対応するベクトル係数および／または加数であってもよい。
この場合において、固体の運動速度の指定された範囲を考慮して非線形性を有する必要はない。
【００１８】
固体の表面の領域によって決められる補正値は、回転対称体の半径の関数として決定されるベクトル係数および／または加数であってもよい。その半径は、プロフィログラムを測定するための基準値として使用される長期間不変の同じ幾何学的基礎値であってもよい。
【００１９】
本発明の好ましい形態が従属請求項および以下の詳細な説明に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面によって示された具体的実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２１】
図面の様々な図における同一の部品には、常に同じ参照符号が付されており、したがって、一般に、それぞれの場合にについて一回のみ記述されている。
【００２２】
本発明の方法によれば、まず、速度ｖで動いている固体１の測定物体に関し、図１の二次元図に示されているように、レーザ装置２から放射される光ビームは、ビームの幅ｂが、深さまたは表面形状の高さｚの最大限測定可能な値（最大値）ｚｍａｘと最小限測定可能な値（最小値）ｚｍｉｎとの間の差にあたる測定範囲ＤＺ内の所定の範囲内にあるように、光学機器（図示せず）によって集束される。この場合、光ビームは、図２の三次元図で示されているように、光帯３を形成するように拡げられる。
【００２３】
測定点は、固体１の表面と光帯３との衝突位置（光帯３が固体１の表面に当たる位置）ｚＡであり、そこにおける拡散光（反射光ＲＬ）の散乱によって形成される。この測定点は、レーザ装置２の光軸Ｏ−Ｏによって決定される入射方向からそれた方向から認識することもできる。
【００２４】
ここで、測定点が三角測量角度Φで画像装置５の集束レンズ４を経由して、平面受光素子６に画像（結像）されると、該平面受光素子６上の画像点（結像点）の位置ｘＡは、最小値ｚｍｉｎと最大値ｚｍａｘとの間の衝突位置ｚＡに応じて設定される。
【００２５】
本発明による方法に使用される装置の構造の配置関係は、不変に設定された三角測量法角度Φに加え、（レーザ装置２の光軸Ｏ−Ｏによって固定された）レーザ装置２の位置から画像装置５の集束光学機器（集束レンズ）４の光軸Ａ−Ａの固定された基本距離Ｂによって決定される。
【００２６】
三角法の関係を適用することにより、レーザ装置２から衝突位置ｚＡの距離、つまり、レーザ装置２から固体１の表面までの距離は、測定された画像点の位置ｘＡから等式
ｚＡ＝Ｈ／（１−Ｂ／ｘＡ）（１）
を用いて測定することができる。ここで、Ｈとは、図１に例示されているように、画像装置５の平面受光素子６から集束レンズ４の中心までの距離（すなわち、衝突位置ｚＡから平面受光素子６までの高さと、衝突位置ｚＡから画像装置５の集束レンズ４の中点までの高さの差に相当する距離）を表わす。
【００２７】
この場合、相対測定精度ｄｚＡ／ｚＡは、
ｄｚＡ／ｚＡ＝１／（１−ｘＡ／Ｂ）＊ｄｘＡ／ｘＡ    （２）
となる。ここで、画像点位置ｘＡの相対解像度ｄｘＡ／ｘＡは、反射光ＲＬが画像受光要素（平面受光素子）６によって受信される周波数ｆに対する固体の速度ｖに依存する。また信号ノイズおよび平面受光素子６の種類にも依存する。ここで、等式（２）の変数ｄｚＡは、測定精度の絶対値を構成する。
【００２８】
解像度を上げるために、表面形状の最終測定値ｚＢ（図１および図２にＰで表されている）は、測定値ｚＡと、固体１の移動速度ｖ、特に、移動速度ｖに比例するベクトル因子および／または加数に従って決まる補正値Ｋｖとを組み合わせることによって得られる。ここで、移動速度ｖと反射光ＲＬの検出周波数ｆとを相関的に組合せるのは、移動速度ｖに従って決まる補正値Ｋｖを求めるために行われる。
【００２９】
上述した形状寸法、特に、基本距離Ｂ、三角測量角度Φ、および／または光帯３が投射される固体１の表面の領域から画像装置５またはレーザ装置２の平均動作距離（図１に長さＬで例示されている）を変えることにより、構造の幾何学的変数を適切に選択して、測定範囲Ｄｚ、および測定範囲Ｄｚと関連した測定精度ｄｚＡ／ｚＡを簡単な方法で自由に設定することができる。この場合、図１に示されるように、個々の装置は、必ずしも共通のハウジング７に囲まれる必要はない。この場合、測定範囲Ｄｚを拡大すると、測定精度が減少する。またその逆も同様である。
【００３０】
例示されている設計において、ＳＯＮＹ（登録商標）  ＨＣＣ  ４００カメラが平面受光素子６として使用される。前述したように、解像度は、測定範囲、つまり測定範囲Ｄｚの大きさに依存する。そのため、本発明による方法を行う装置の寸法を決めるにあたっては、測定範囲Ｄｚが重要であり、検出するカメラヘッドの数が、要求されるまたは選択された解像度に直接依存する。
【００３１】
図２に例示され、既に説明されているように、これまで二次元のみで見てきたシステムを、三次元の固体１のトポグラフィを記録するために、三次元で見ることとする。つまり、光帯３を形成するために拡げられたレーザビームを使用して、作業が行われる。いわゆる「光切断法」が使用される。反射光ＲＬが、平面受光素子６、およびＰＣのようなデータ処理装置（図示せず）によって検出された後、表面形状Ｐの測定値が、平面受光素子６によって出力された信号、および三角測量角度Φと基本距離Ｂとを考慮することにより求められる。そして、前記測定値は、プロフィログラムＰＧとしてデータ処理システム内に記憶される。このようなプロフィログラムＰＧは、図２の概略図に、平面受光素子６上に示されたポリラインで表されている。実測定からのプロフィログラムは、図７と図８に異なるタイプで示される。
【００３２】
たとえば、３００ｍｍの線長ＬＢ（図２）、１．５ｍｍの線幅ｂ（図１）、３０ｍＷのレーザ電力および可視赤色光（波長６８０ｎｍ）を有する市販の線形レーザモジュールＬ２００が、光帯３を固体１の表面にある領域に投射するレーザ装置２として使用される。
【００３３】
上述したように、図３は、本発明による方法の代表的な適用形態である摩耗を測定する例を示している。この例は、レール９上を回転し、かつ並進速度ｖおよび角速度ωで通過する測定されるべき固体としての車輪１ａのために考案された磨耗試験台８を示す斜視図である。
【００３４】
この磨耗試験台８は、３つのレーザ装置２を使用して、構成プロフィログラムＰＧ（図７にＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃとして示される）として、多数のプロフィログラムＰＧを測定するために使用されることが図から分かる。それらのレーザ装置２は、固体１の表面の様々な側部Ｄ１、Ｄ２、Ｍにある領域に光帯３ａ、３ｂ、３ｃを投射する。そして、多数のプロフィログラムＰＧは、レーザ装置２に組み込まれた画像装置５によって測定される。構成プロフィログラムＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃは、データ処理装置内に記憶され、全プロフィログラムＧＰＣはそこから得られる。
【００３５】
鉄道車両１０の車輪１ａは、その基本形状が実質的に円筒形または環状である軸対称の固体１を構成し、光帯３ａ、３ｂ、３ｃが投射される３つの領域は、円筒形の固体１または環状の固体１の２つの端面Ｄ１、Ｄ２上および側面Ｍ上にある。図３〜５に示すように、３つの光帯３ａ、３ｂ、３ｃは、全プロフィログラムＧＰＧを測定するためにクローズドポリライン（closed polyline）を形成する必要はない。また、光帯３ｂが車輪１ａの軸に対して平行な側面Ｍ上に投射される必要はない。軸平行からのずれは、固体の表面の領域によって決められる補正値Ｋｏと組み合わせた表面形状Ｐの測定値ｚＢを得ることにより補償される。
【００３６】
図５は、プロフィログラムＰＧ、構成プロフィログラムＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃおよび全プロフィログラムが参照される固定された長期間不変の幾何学的基礎値として、車両１ａのリム内径Ｒを測定する前述した第１の可能性を説明する。そして、図６はその第２の可能性を説明する。
ここで、第１の可能性および第２の可能性の両方の場合において、半径Ｒは少なくとも３つの測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3から決定される。それら３つの測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3は、動いている車両１ａを非接触で動的な測定によって測定され、構成プロフィログラムＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃの検出またはプロフィログラムＰＧの検出と同様の方法で測定される。
【００３７】
図５によれば、回転する車輪１ａの非接触動的測定は、少なくとも３つの光ビームによって同時に行われる。その３つの光ビームは、線光帯３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３を形成するために拡げられ、線光帯３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３は固体１の表面の領域で所定の間隔Ｎ１、Ｎ２となるよう投射される。
【００３８】
図６によれば、回転する車輪１ａの非接触動的測定は、線光帯３ｃを形成するために拡げられた単一の光ビームによって所定の時間間隔Δｔで少なくとも３つの時点ｔ１、ｔ２、ｔ３で行われる。
【００３９】
したがって、測定は一方向の方法で行われる。すなわち、３つの点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のそれぞれの点において、各光帯３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３は同じ配列状態となっている。そして、半径Ｒの円弧上にある３つの測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3は直交座標の縦座標の３つの点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３として得られる。
図６に示す方法で、点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対応する測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3は、線光帯３ｃまたは３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３の測定長さにそれぞれ対応する。線光帯３ｃまたは３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３の測定長さは、この測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3が、円弧の弦ｓｌ１、ｓｌ２、ｓｌ３の半分の長さをそれぞれ表すように、問題なく、変換することができる。
３つの測定値ｚ１、ｚ２、ｚ３のそれぞれに対応する横軸の値ｘ１、ｘ２、ｘ３（図６に示すように、３つの時点ｔ１、ｔ２、ｔ３における光帯３ｃから円の中心Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３までの距離としてそれぞれ表される。）は、第１の場合において、図５に示した間隔Ｎ１、Ｎ２に由来するか、第２の場合において、角速度ωで時間間隔Δｔを乗じることで、測定の３つの時点ｔ１、ｔ２、ｔ３によって規定される時間間隔Δｔに由来する。
この場合において、角速度ωは不変に設定されるか、１以上の線光帯３によって回転する車輪１ａの非接触動的測定で決定される。
速度が一定であると、すなわち、車輪１ａの回転速度および並進速度が一定であると、評価が容易になる。
【００４０】
測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3の測定後、回転する車輪１ａの基準半径Ｒは、以下の連立方程式から求めることができる。
Ｒ２＝ｘ１２＋ｚ１２ （３）
Ｒ２＝ｘ２２＋ｚ２２ （４）
Ｒ２＝ｘ３２＋ｚ３２ （５）
Ｘ１−ｘ２＝ｋ＊（ｘ２−ｘ３）          （６）
【００４１】
各式中、変数Ｒ、ｘ１、ｘ２、ｘ３は未知数を表している。式（６）における変数ｋは、規定された時間間隔Δｔか、または車輪１ａの表面の領域の間隔Ｎ１、Ｎ２に相当する既知の係数である。そして、変数ｋは、一定の時間間隔Δｔおよび等距離間隔Ｎ１、Ｎ２の好ましい場合に値１とみなされる。
【００４２】
車輪１ａの側面Ｍ上から得られる半径Ｒは、表面形状Ｐの高さの測定値ｚＢの基線として働き、他方、補正値Ｋｏを決定するためにこの半径Ｒを使用することができる。その補正値Ｋｏは、光帯３または３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３によって照射される固体１の表面の領域に応じて考慮がなされる。
そのような補正値Ｋｏの考慮の必要性は、たとえば、図６における弦ｓｌ１、ｓｌ２、ｓｌ３が、それぞれの場合において、異なる中心角を規定し、これによって異なった局部的な表面形状の歪みを生ずるという事実に由来する。
ここで、中心角は０°と１８０°との間にある。０°は、光帯３ｃが検討中の車輪１ａの円弧の周の接線を形成するという第１の極端な場合であり、１８０°は、光帯３ｃが検討中の車輪１ａの円弧の直径２Ｒと一致するという他の極端な場合である。
最大の弦ｓｌ３の長さは、測定されるべき表面形状に関連するほとんどの情報を含み、最小の局部的な歪みを有する。
【００４３】
したがって、これらの理由のため、図７に示される回転する固体１、すなわち車輪１ａの全プロフィログラムＧＰＧが、測定時点ｔｋで２つの端面Ｄ１、Ｄ２および側面Ｍから同時に測定される３つの構成プロフィログラムＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃから得られるということが極めて好ましい。個々の構成プロフィログラムＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃの測定時点ｔｋは、この測定時点ｔｋで測定される平均値ｚｋ（本実施形態でｚ３）が少なくとも３つの測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3の最大値をとるように選択される。これら３つの測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3は、それぞれ、その円弧の弦ｓｌ１、ｓｌ２、ｓｌ３の長さの半分に相当する。そして、その弦ｓｌ１、ｓｌ２、ｓｌ３は、端面Ｄ１、Ｄ２の一方における半径Ｒの円弧上にあり、連続した時点ｔ１、ｔ２、ｔ３でそれぞれ測定され、線光帯３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３のそれぞれの長さＬＢから一方向で測定される。
もちろん、測定時点ｔｋの選択基準の適用は、３つの測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3に限定されない。３つの測定値ｚ1、ｚ2、ｚ3以上を基礎とすると、測定される最大の弦ｓｌ３の半分の長さが半径Ｒからほとんどずれないかまたは、半径Ｒとして同じ値をとっても、よりよい結果を達成することができる。
【００４４】
図７は、各プロフィログラムＰＧ、構成プロフィログラムＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃおよび／または全プロフィログラムが、それぞれ、１または２以上の基準プロフィログラム（図においては、表面形状Ｐの最大測定値ｚＢの基準プロフィログラムＢＰ１と表面形状Ｐの最小測定値ｚＢの基準プロフィログラムＢＰ２）と比較されるということを示している。また、図７は、各基準プロフィログラムＢＰ１、ＢＰ２からの各偏差ΔＰＧが求められるということを示している。
この場合において、そのような偏差は、図７に一点鎖線で表わされている領域に生じる。
基準プロフィログラムＢＰ１、ＢＰ２は、許容できる所望の寸法であることが好ましい。しかし、基準プロフィログラムＢＰ１、ＢＰ２は、初期の測定から測定値ｚＢの記憶されたデータ記録であることができる。その結果、各偏差ΔＰＧが事前の測定から生じた摩耗の範囲の情報を提供することができる。
【００４５】
図７における表面形状Ｐの図は、表面形状Ｐの測定値ｚＢが車輪１ａの断面Ｑのポリライン（ベクトルｘ、ｚ）として表わされる２次元図である。図８における表面形状Ｐの図は、本発明の方法の３次元の特徴を表している。
図８は、前記半径Ｒを用いて判定された車輪１ａの端面Ｄ１の進行に伴う表面形状Ｐの測定値をベクトルｘ、ｙ、ｚとして、種々の灰色の明度で表わしている。式（２）による解像度ｄｚＡの絶対値は、０．５ｍｍ以下であり、たとえば、０．４ｍｍ以下である。ここで、Ｑによって表わされ、円で囲まれた線は、図７に示される車輪１ａの断面Ｑを示している。図７における構成プロフィログラムＰＧａは、この点（線）に存在している。明確性の向上のため、灰色の明度の代わりに適したディスプレイで説明するために複数の色を使用することもできる。
【００４６】
本発明による方法は、極端に短い判定時間で表面形状Ｐを好適に検出することができる。したがって、３次元全プロフィログラムＧＰＣは、鉄道車両１０が通過するレール９の両側に配置されているレーザ装置２および画像装置５を用いて、５秒間で、５つの回転枠、すなわち１０組の車輪（２０個の車輪１ａ）のそれぞれについて作成されることができる。
【００４７】
本発明による方法に適用する図９に示されるプログラム手順は、特に、鉄道車両車輪のような鉄道車両の車輪の表面形状Ｐの非接触な検出に適用することができる。前述したように、車輪は参照符合１ａで鉄道車両１０の例として図３に示される。
【００４８】
プログラム手順は、特に固体１または１ａの表面形状Ｐの動的検出のための受信ループ１００を含んでいる。この受信ループ１００は、システム起動処理のためのサーバからのリクエスト９０後、稼動する。このシステム起動処理は、図９に参照符合９５が付されたボックスで表されている。そして、システム起動処理は、鉄道車両１０用の交通信号灯を作動させること、平面受光素子６における画像取り込みのためのトリガーを作動させること、およびレーザ装置２のスイッチをＯＮとすることなどが含まれる。
【００４９】
この場合、受信ループ１００内において、信号処理１０２の後の距離信号１０３は、レーザ距離センサ１０１、特に平面受光素子６によって供給される。すなわち、レーザ装置２からの距離や、この距離における時間変動(temporal variation in this distance)のような固体１、１ａの状態についての判断がなされる。前記距離における時間変動は、第１の導関数（微分関数）（速度）として、また加速された運動の場合に、必要であれば時間に対する経路の第２の導関数（微分関数）として、受信ループ１００内で使用される。
この場合において、電気的電圧は、信号処理１０２におけるレーザ距離センサ１０１によるアナログ提供の結果として特徴付けられることができる。
【００５０】
固体１、１ａの判定（測定）された初期状態によれば、特に距離信号１０３からの「信号評価」１０４の方法ステップにおいて、検出時点または少なくとも３つの時点ｔ１、ｔ２、ｔ３のいずれかの判定（測定）が行われる。図５に示される方法を参考に、その検出時点で、３つの信号、平面受光素子６からの３つの異なった光帯３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３の出力が最初に受信され、さらに表面形状Ｐの測定値ｚＢを得るために表される。一方、図６に記載されている方法を参考に、少なくとも３つの時点ｔ１、ｔ２、ｔ３で、平面受光素子６から１つの光帯３ｃのみの信号出力が最初に受信され、さらに表面形状Ｐの測定値ｚＢを得るために使用される。
【００５１】
詳細にいえば、画像取り込み１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃのそれぞれは、方法によるが、１つの平面受光素子（たとえば、カメラ）６または３つの平面受光素子６において、開始プログラム１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃの作動によって行われる。この場合において、記録された画像は、フレームバッファにおいてバッファリングされる。このフレームバッファは、カメラのシーケンシャル（sequential）画像メモリ（好ましくは、循環型（周期的）オペレーティング（cyclically operating））などが挙げられる。
【００５２】
この場合において、画像取り込み１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃは、固体１、１ａの初期状態の判定（測定）が実行される時点と出来るだけ近い時点で評価されることが好ましい。なぜなら、信号評価１０４の好ましい方法において、存在する個々の信号は、この時点の信号と若干異なるからである。すなわち、レーザ装置２からの距離は若干変化している。
【００５３】
ここで、好ましくは距離信号１０３の信号評価１０４は、特に、データ処理装置内に統合されることが好ましいいわゆる簡単なロジックによって行われる。簡単なロジックは、種々の時間基準ロジックシーケンスを構築可能なプログラム装置として、ここでは理解される。そのような装置には、ＰＬＤ（プログラムロジック装置（Programmable Logic Devices））、ＳＰＬＤ（単純プログラムロジック装置（Simple Programmable Logic Devices））などの装置を組み込むことができる。
また、そのような装置は、１または複数の入力（本実施形態において、距離信号１０３）と１または複数の出力（本実施形態において、開始プログラム１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ）との間の、所望の方法で予め決められたロジックと、所望の方法で予め決められた一時的な関係（リンク）とを、（たとえば、プログラムシステム内（ISP）による）リレイラダーロジック（relay ladder logic）のような適切なソフトウエアを用いて設定することもできる。
したがって、本発明による方法を行うために、画像記録が予測される画質の観点から許容でき、最適になるよう時間範囲を簡単なロジックで定めることができる。この時間範囲は、例えば、補正値Ｋｏおよび／または補正値Ｋｖが変化する範囲である。その補正値Ｋｏは、固体１、１ａの表面の領域から決定され、補正値Ｋｖは、固体１、１ａ（好ましくは不変に規定された値、すなわち増強しない値）の運動速度ｖによって決定される。
個々のロジック装置と比較して、簡単なロジックの使用は、回路（システム）を作るとき、ハードウェア経費（プリント回路、プラグ、接続）を削減し、取り付け経費を削減し、よりコンパクトなデザインを可能にする。
【００５４】
画像選択（特に固体１、１ａの速度に依存する。）は、画像取り込み１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃの後で要求される画像、特に画像マトリクス１０７Ａ、１０７Ｂ，１０７Ｃを用いて行われる。その画像選択は、プログラム手順において、参照符合“ＩＳ”（Image Selection）で表わされている。
その画像マトリクス１０７は、画像選択（selection）ＩＳの結果として存在し、表面形状Ｐの測定値ｚＢとして表わされる。画像マトリクス１０７は、距離または測定点および／または時間（たとえば、時点ｔ１、ｔ２、ｔ３の１つ）にそれぞれ関する値とともに、メモリ１０８に送信される。
ここで、タイマは、同時にリセット１０９である。前述した動作が受信ループ１００によって表わされるように再び行われる。
【００５５】
参照符号１１０および１１１で表されているボックスに示されている状態チェックは、受信ループ１００内の処理のためのアボート基準(abort criteria)として働く。ここで、タイマが既に１０秒以上動作しているかどうかに関してボックス１１０でチェックされ、一方、鉄道車両１０のすべての車軸が記録されているかどうかに関してボックス１１１でチェックされる。これらの条件の１つが当てはまると、画像記録は停止する（ボックス１１２）。タイマが既に１０秒以上動作しているかどうかに関するチェックは、固体１または１ａが停止しているかどうかを確認するために行われる。画像記録の停止１１２後、メモリ１０８に記憶されている画像データがサーバに送信される（ボックス１１３）。それと同時に、「トリガー用のスイッチを切る」「レーザ装置２のスイッチを切る」、および「鉄道車両１０用の交通信号灯を駆動する」といったシステム停止オペレーションを実行することができる。これらは、参照符号１９５が付されたボックスで表されている。
【００５６】
ここで、図９によるプログラムフロー（特に受信ループ１００）に示されるオペレーションを実行するために、図３における試験台８に適切なハードウェアを組み込むことができる。この場合において、クライアントがトラック９上に位置し、サーバが空間的に離れた位置に置かれているクライアントサーバ回路を提供することができる。
【００５７】
本発明は、例示されている実施形態に制限されるものではなく、本発明において同じ作用を有する、すべての手段および対策も保護されるものである。したがって、構築され、コードされた照明を使用するいわゆるストリップ照射方法に適用することもできる。これらの方法は、三角測量法に基づいている。そして、固体１の全体は、計算的に規定された光パターンを用いたレーザ装置２（プロジェクタ）によって照射される。記録中、その光パターンは、トポグラフィーが記録された画像の強度分布の結果から判定されることができるように、特別な方法で変化される。
【００５８】
さらに、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる好ましい対策により、本発明を改良することができる。したがって、適切なソフトウェアモジュールは、データ処理装置における式（１）から（６）のようなすべての演算オペレーションを実行するために使用されることができる。
【００５９】
さらに、本発明は、請求項１に定義されている特徴の組合せに制限されるものではなく、全体的に開示されている特定の特徴の他の所望の組合せによっても特徴付けられる。つまり、原則として、請求項１のほとんどの個々の特徴が、省略されおよび／または本願の別の箇所に開示されている少なくとも１つの個々の特徴と取り替えられることができる。この点において、請求項１は、本発明を表すための最初の試みに過ぎないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明による方法を説明するための原理を示す概略側面図である。
【図２】本発明による方法を説明するためのさらなる基礎的条件を示すための概略斜視図である。
【図３】本発明による方法が適用される、鉄道車輪のような鉄道車両の車輪のための摩耗試験台を示す斜視図である。
【図４】運動方向に対して前方から見て図３に相当する車輪の外側を詳細に示す拡大図である。
【図５】運動方向に対して後方から見て図３に相当する車輪の内側を詳細に示す拡大図である。
【図６】本発明によって測定されるプロフィログラムに対して形状基礎値を測定する手順の様式の模式図である。
【図７】本発明によって測定されたプロフィログラムの例を示す図である。
【図８】本発明によって測定されたプロフィログラムの例を示す図である。
【図９】本発明による方法を適用するためのプログラム手順を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１                      固体
１ａ                    車輪
２                      レーザ装置
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３      光帯
４                      集束レンズ
５                      画像装置
６                      平面受光素子
７                      ハウジング
８                      磨耗試験台
９                      レール
１０                    鉄道車両
９０                    サーバからのリクエスト
９５                    システム開始
１００                  受信ループ
１０１                  レーザ距離センサ
１０２                  信号処理
１０３                  距離信号
１０４                  信号評価
１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ                    開始プログラム
１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ                    画像取り込み
１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃ                    画像マトリクス
１０７                  画像マトリクス
１０８                  メモリ
１０９                  タイマリセット
１１０、１１１          アボート条件のチェック手段
１１２                  画像記録停止
１１３                  サーバへのデータ伝送
１９５                  システム停止
Ａ−Ａ                  光軸
Ｂ                      基本距離
ｂ                      光帯の幅
ＤＺ                    ｚの測定範囲
ｄｚＡ                  ｚＡの解像度
Ｄ１、Ｄ２              固体の端面
ｆ                      周波数
ＧＰＧ                  全プロフィログラム
Ｈ                      受光素子から集束レンズまでの距離
ＩＳ                    画像セレクション
Ｋｖ                    並進速度、各速度に相当する補正値
Ｋｏ                    光帯の領域、位置に相当する補正値
ｋ                      Ｎ１、Ｎ２、Δｔに相当する係数
Ｌ                      作動距離
ＬＬ                    光帯の線長
Ｍ                      固体の外周面
Ｎ１、Ｎ２              光帯間の間隔
Ｏ−Ｏ                  光軸
Ｐ                      表面形状
ＰＧ                    プロフィログラム
ＰＧａ、ＰＧｂ、ＰＧｃ  構成プロフィログラム
Ｒ                      半径
ＲＬ                    反射光
ｖ                      並進速度
ｔｋ、ｔ１、ｔ２、ｔ３  測定時点
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３        外接円周Ｒ上の点
ｘ                      長さ座標
ｘＡ                    画像点位置
ｘｍａｘ                ｘの最大値
ｘｍｉｎ                ｘの最小値
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３        長さの測定値
ｙ                      長さ座標
ｚ                      高さ座標
ｚＡ                    測定値、衝突位置
ｚＢ                    最終測定値、ｚＡからの補正された測定値
ｚｍａｘ                ｚの最大値
ｚｍｉｎ                ｚの最小値
ｚ1、ｚ2、ｚ３        高さの測定値
ΔＰＧ                  表面形状偏差
Δｔ                    時間間隔
Φ                      三角法角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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