(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本形状が円筒状またはリング状で回転対称体である車両車輪（１ａ）として形成された固体（１，１ａ）に生じた摩耗の測定を目的とした、前記固体（１，１ａ）の輪郭形状（Ｐ）の非接触式動的検出を行うために、
レーザ装置（２）によって発生させられて少なくとも１つのライン状光ビーム帯（３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３）に拡げられた少なくとも１つのビームがレール（９）上を通過する固体（１，１ａ）の表面の少なくとも１つの領域に照射され、前記固体（１，１ａ）の表面によって反射された光（ＲＬ）は前記レーザ装置（２）に組み込まれている結像装置（５）内で集束され、この結像装置（５）は、その光学軸（Ａ−Ａ）が前記レーザ装置（２）の照射方向（Ｏ−Ｏ）に対して固定的な三角測量角度（φ）をなしているとともに前記レーザ装置（２）に対して固定的な基準距離（Ｂ）をもって配置されており、
前記集束された反射光（ＲＬ）は固体（１，１ａ）の運動速度（ｖ）に比して高い周波数（ｆ）でエリア型の受光素子（６）によって検出され、その後に、前記受光素子（６）によって出力された信号から、データ処理装置内で、三角測量角度（φ）と基準距離（Ｂ）とに基づいて、三角法関係式の利用及び前記固体（１，１ａ）の運動速度（ｖ）に応じて決定される補正値（Ｋｖ）との演算で輪郭形状（Ｐ）の補正測定値（ＺＢ）が得られ、この補正測定値（ＺＢ）が前記データ処理装置にプロフィログラム（ＰＧ）として格納され、
前記車両車輪（１ａ）の長期的に不変な幾何学的基礎値を基礎とする複数の部分プロフィログラム（ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ）を求め、これらの部分プロフィログラムから総プロフィログラム（ＧＰＧ）が得られる方法において、
前記車両車輪（１ａ）の運動速度（ｖ）に応じて決定される補正値（Ｋｖ）は前記運動速度（ｖ）に比例したベクトルであり、
前記輪郭形状（Ｐ）の補正測定値（ＺＢ）が、さらに前記車両車輪（１ａ）の表面の領域に応じて決定される補正値（Ｋｏ）との演算で補正され、
前記車両車輪の表面の領域に応じて決定される補正値（Ｋｏ）は、前記車両車輪（１ａ）の被観測円弧の弦（ｓｌ１，ｓｌ２，ｓｌ３ ）がそれぞれ異なった中心角を有することによって現れる局所輪郭形状歪みを最小化するために、前記車両車輪（１ａ）の半径（Ｒ）に応じて決定されるベクトルの係数または加算値あるいはその両方であり、
その際、前記部分プロフィログラム（ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ）を得るために長さ測定値（Ｚｋ）が用いられ、前記長さ測定値（Ｚｋ）は、半径（Ｒ）を有する前記車両車輪における円弧上に位置する前記ライン状光ビーム帯（３ｃ）による測定長さに相応する少なくとも３つの個別測定値（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）のうちの最大値であり、前記個別測定値（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）を前記円弧上で求める際に、
ａ）前記ライン状光ビーム帯（３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３）としての少なくとも３つの光ビームが同時に、車両車輪（１ａ）の表面の領域における所定距離（Ｎ１，Ｎ２）に照射されるか、あるいは
ｂ）ライン状光ビーム帯（３ｃ）としての単一の光ビームが所定の時間間隔で少なくとも３つの時点（ｔ１，ｔ２，ｔ３）で車両車輪（１ａ）の表面に照射される方法。
【請求項２】
前記車両車輪（１ａ）の回転運動の角速度（ω）は１５ｓ−１以下、好ましくは６ｓ−１以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記車両車輪（１ａ）の運動速度（ｖ，ω）に応じて決定される補正値（Ｋｖ）は、運動速度（ｖ，ω）に比例するベクトルの係数または加算数あるいはその両方であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記運動速度（ｖ，ω）に応じて求められる補正値（Ｋｖ）を決定するために、運動速度（ｖ，ω）と反射光（ＲＬ）の検出周波数（ｆ）とが相互的に選択されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
複数のプロフィログラム（ＰＧ）が、車両車輪（１ａ）の表面のそれぞれ異なった側にある領域に光ビーム帯（３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３）を照射する少なくとも３つのレーザ装置（２）と該装置に組み合わされた結像装置（５）とを使用して、部分プロフィログラム（ＰＧa，ＰＧｂ，ＰＧｃ）として測定され、これらの部分プロフィログラム（ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ）がデータ処理装置に格納され、それから総プロフィログラム（ＧＰＧ）が得られることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
プロフィログラム（ＰＧ）、部分プロフィログラム（ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ）および／または総プロフィログラム（ＧＰＧ）はそれぞれ１または複数の基準プロフィログラム（ＢＰ１，ＢＰ２）と比較され、それぞれの基準プロフィログラム（ＢＰ１，ＢＰ２）からのそれぞれの偏差（ΔＰＧ）が確認されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
プロフィログラム（ＰＧ）、部分プロフィログラム（ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ）、総プロフィログラム（ＧＰＧ）、それぞれの基準プロフィログラム（ＢＰ１，ＢＰ２）またはそれぞれの偏差（ΔＰＧ）あるいはそれらの両方は、固定的な、長期的に不変の幾何学的基礎値たとえば非摩耗性の車輪リム内径（Ｒ）を基礎としていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記基礎値は、プロフィログラム（ＰＧ）の検出ないし部分プロフィログラム（ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ）の検出と同様にして行われる、転動している車両車輪の非接触式の動的測定によって求められる少なくとも３つの個別測定値から算定されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記基礎値は前記車両車輪の半径（Ｒ）であり、該半径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、半径（Ｒ）の円弧上にある、それぞれ一方向において求められた、デカルト座標系の縦座標値（Ｚ）に相当する、それぞれ円弧の弦（ｓｌ１，ｓｌ２，ｓｌ３）の半分の長さに対応する、ライン状光ビーム帯（３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３）の長さの３つの前記個別測定値であり、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３はそれぞれこれらの個別測定値に属する横座標値（Ｘ）であり、ｋは所定の時間間隔（Δｔ）または車両車輪（１ａ）の表面領域の間隔（Ｎ１，Ｎ２）に対応する係数である、
から求められることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
プロフィログラム（ＰＧ）、部分プロフィログラム（ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ）、総プロフィログラム（ＧＰＧ）、それぞれの基準プロフィログラム（ＢＰ１，ＢＰ２）およびそれぞれの偏差（ΔＰＧ）あるいはそれら両方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１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記受光素子（６）として、ディジタル化された信号を供給する装置たとえばトリガ制御式ＣＣＤカメラが使用されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記受光素子（６）として、フォトダイオードディスプレイのような位置敏感型検出器が使用されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記光ビーム帯（３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３）は０.３ｍｍ〜６.５ｍｍの範囲内、特に０.８ｍｍ〜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から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記光ビーム帯（３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３）は５０ｍｍ〜７５０ｍｍの範囲内、特に２００ｍｍ〜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から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記三角測量角度（φ）は１５°〜４０°の範囲内、特に２０°〜３０°の範囲内の値を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記車両車輪（１ａ）の表面によって反射された光（ＲＬ）が受光素子（６）によって検出される周波数（ｆ）は２５Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲内、好ましくは１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記車両車輪の並進運動速度（ｖ）は３.５ｍ／ｓ以下、好ましくは１.５ｍ／ｓ以下であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記光ビーム帯（３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３）が照射される前記車両車輪の表面領域からのレーザ装置（２）または結像装置（５）あるいはその両方からの平均動作距離（Ｌ）は２０ｍｍ〜６５０ｍｍの範囲内、特に１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記結像装置（５）の集束レンズ（４）の中心点とレーザ装置の光学軸（Ｏ−Ｏ）との間の基準距離（Ｂ）は３０ｍｍ〜４５０ｍｍの範囲内、特に６０ｍｍ〜２７０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
プロフィログラム（ＰＧ）、部分プロフィログラム（ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ）、総プロフィログラム（ＧＰＧ）、それぞれの基準プロフィログラム（ＢＰ１，ＢＰ２）またはそれぞれの偏差（ΔＰＧ）あるいはそれら両方にとって、２.０ｍｍ以下、特に０.５ｍｍ以下の解像度（ｄＺＡ）が基礎とされることを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に固体に生じた摩耗の評価を目的とした、固体の輪郭形状の非接触式動的検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩耗検査にはしばしば、材料試験片つまり一定の適用ケースにおいて生ずる摩擦対偶素の摩擦特性がそれによってテストされるいわゆるモデルテストスタンド（たとえばアムスラー型、ラフォン−アイヒンガー型など）が使用される。しかしながら、こうして得られた特性データを具体的な適用ケースたとえば試験片よりも遥かに大きな寸法を有する摩擦体に転用するにあたっては、摩耗因子がテストスタンド上では決して正確に現実の所与条件に等しく再現されることのない複雑に絡み合った複合条件であるため、こうしたテストによって得られる値は傾向値でしかないという問題がある。したがって、重要な適用ケースにとっては実際の対象による摩擦検査が不可避であるが、この場合にも、摩耗が検査さるべき部品は一定使用期間の経過後に取り外されて、続いてたとえば表面輪郭形状を調べることによって摩耗の発生が検査されなければならないという問題にしばしば遭遇し、しかもこれは通例かなりの手間とコストとを要することになる。
【０００３】
固体の輪郭形状検出つまり表面のプロフィログラムの作成は公知の如く接触式方法により、たとえば自記粗さ計を使用して実施することができるが、これは走査触針と固体との接触に基づく方法であり、測定レベルはミリメートル以下で、たとえばセンチメートル・レベルでは測定値を得ることはできない。また、測定時間は１測定点あたり数秒を要し、この方法は厳しい測定環境には不利かつ不適である。
【０００４】
固体輪郭形状の静的検出にはさまざまな非接触式動作による光学的方法も知られている。この種の方法とそれに属する装置とは、たとえばBernd Breuck-mannの小研究論文“Bildverarbeitung und optische Mestechnik（画像処理と光学的測定技法）”、Munchen：Franzis’、１９９３、第６章に記載されており、これらはまた“トポメトリック３Ｄ測定技法”の概念のうちに包括されている。同書にはトポメトリック法の一つとしてレーザ三角測量が述べられているが、ここで三角測量とは土地測量のためにSnelliusによって１６１５年に初めて開発された、求められるべき測定値が他の測定値から三角法関係式を利用して間接的に決定される測定法として理解される。
【０００５】
レーザ三角測量ではレーザによって光点が測定対象に照射される。対象によって反射された光、特に散乱光は受光素子たとえば位置敏感型検出器に結像される。この種の検出器は英語圏ではＰＳＤ（position sensitive devices）と称される。光学システムのジオメトリならびに照射方向と観測方向との間の角度から、三角測量によって、位置とくに観測された対象点の高さ位置が決定される。レーザ三角測量法は今日、数メートルまでの距離範囲内の非接触式測定をμｍレベルまでの粗さ解像度で実施することを可能にしている。
【０００６】
レーザ三角測量を拡大した一つの方法を表しているのは、レーザビームが線状の光ビーム帯つまり、いわゆる光切断法の光切断面にまで拡大される、公知の、同じく前記の専攻論文に述べられた方法である。この場合、反射された光の検出にはエリア型の検出器たとえばビデオカメラを使用することができる。解析評価もまた三角測量を基礎として行われる。この方法の特徴は、凹凸輪郭形状の測定範囲が１ｍｍから１ｍであり、解像度がその範囲の約１０００分の１から１０００分の５０までであることである。前記の小研究論文では、対象が連続的に動いている場合に適用するにあたっての光切断法の基本的適性が前提されているが、使用可能性と限界についてはなんら述べられていない。いずれにせよ、動いている固体の輪郭形状の動的な、つまり実時間検出を行うための方法は、実際のところ、測定さるべき表面の運動により古典的な三角測量法を使用した処理を不可能とする歪みが発生し、それゆえ現実に合った測定値が得られ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、短い測定時間を可能とし、少なくとも３種のレベル単位たとえば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レベルに及ぶ測定範囲を包括し、高い測定精度を保証しかつ厳しい使用条件下で特に部品の摩耗測定に使用することのできる、冒頭に述べたタイプの、固体の輪郭形状の動的検出を行うための非接触式方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題は、本発明により、レーザ装置によって発生させられて少なくとも１つのライン状光ビーム帯に拡げられた少なくとも１つのビームがレール上を通過する基本形状が円筒状またはリング状で回転対称体である車両車輪として形成された固体の表面の少なくとも１つの領域に照射され、前記車両車輪の表面によって反射された光は前記レーザ装置に組み込まれている結像装置内で集束され、この結像装置は、その光学軸が前記レーザ装置の照射方向に対して固定的な三角測量角度をなしているとともに前記レーザ装置に対して固定的な基準距離をもって配置されており、前記集束された反射光は固体の運動速度に比して高い周波数でエリア型の受光素子によって検出され、その後に、前記受光素子によって出力された信号から、データ処理装置内で、三角測量角度と基準距離とに基づいて、三角法関係式の利用及び前記固体の運動速度に応じて決定される補正値との演算で輪郭形状の補正測定値が得られ、この補正測定値が前記データ処理装置にプロフィログラム（ＰＧ）として格納され、前記車両車輪の長期的に不変な幾何学的基礎値を基礎とする複数の部分プロフィログラムを求め、これらの部分プロフィログラムから総プロフィログラムが得られ、る方法において、
前記車両車輪の運動速度に応じて決定される補正値は前記運動速度に比例したベクトルであり、前記輪郭形状の補正測定値が、さらに前記車両車輪の表面の領域に応じて決定される補正値との演算で補正され、前記車両車輪の表面の領域に応じて決定される補正値は、前記車両車輪の被観測円弧の弦がそれぞれ異なった中心角を有することによって現れる局所輪郭形状歪みを最小化するために、前記車両車輪の半径に応じて決定されるベクトルの係数または加算値あるいはその両方であり、その際、前記部分プロフィログラムを得るために長さ測定値が用いられ、前記長さ測定値は、半径を有する前記車両車輪における円弧上に位置する前記ライン状光ビーム帯による測定長さに相応する少なくとも３つの個別測定値のうちの最大値であり、前記個別測定値を前記円弧上で求める際に、
ａ）前記ライン状光ビーム帯としての少なくとも３つの光ビームが同時に、車両車輪の表面の領域における所定距離に照射されるか、あるいは
ｂ）ライン状光ビーム帯としての単一の光ビームが所定の時間間隔で少なくとも３つの時点で車両車輪の表面に照射されることによって達成される。
【０００９】
この場合、固体は並進運動、回転運動または好ましくは転動運動を実施する回転対称的な固体、特に車両車輪であってよい。したがって、本発明による方法は、通過走行中の車輪の輪郭形状を測定し、それから摩耗を推定する極めて有利な可能性を表している。
【００１０】
好都合にも速度によって見失ってしまうことのない輪郭形状測定を可能にする、固体の運動速度に応じて決定される補正値との組み合わせ（線形結合）に加えてさらに、特に、プロフィログラムを歪みのなく作り出すために好ましいとされるケースにおいて、固体表面の領域に応じて決定される補正値との組み合わせ（線形結合）で輪郭形状の測定値を得ることもできる。
【００１１】
完璧な輪郭形状検出を趣旨とし、複数のプロフィログラムが、固体表面のそれぞれ異なった側にある領域に光ビーム帯を照射する少なくとも３つのレーザ装置と該装置を組み込んだ結像装置とを使用して、部分プロフィログラムとして測定され、これらの部分プロフィログラムがデータ処理装置に格納され、それから総プロフィログラムを生成することが好都合である。この場合、基本形状が実質的に円筒状またはリング状の固体たとえば車両車輪の場合に、光ビーム帯が照射される少なくとも３つの領域は好ましくは円筒またはリングの両側の側面と外周面とに位置していてよい。こうして、プロフィログラム、部分プロフィログラムおよび／または総プロフィログラムはそれぞれひとつまたは複数の基準プロフィログラムと比較され、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確認することができ、これは発生した摩耗の尺度を表すかあるいは発生した摩耗がなお許容可能な範囲内にあるか否かの尺度を与えるものとなる。これに関連して、固体に生じた負荷時間と確認された摩耗との間の相補的な組み合わせ（線形結合）を援用して、今後どの程度の負荷時間であれば問題がないかあるいは次の検査が必要となるのはいつかといったことに関する補助的な予測も行うことが可能である。
【００１２】
さらに、プロフィログラム、部分プロフィログラム、総プロフィログラム、それぞれの基準プロフィログラムおよび／またはそれぞれの偏差は、固定的な、長期的に不変の幾何学的基礎値たとえば非摩耗性の車輪リム内径を基礎とするのが好都合である。こうして、たとえば摩耗面は、基礎値に比した凹凸輪郭形状が適切な表示手段によって再現される処理結果として表すことができる。たとえば、プロフィログラム、部分プロフィログラム、総プロフィログラム、それぞれの基準プロフィログラムおよび／またはそれぞれの偏差はディスプレイなどの表示装置上に視覚化することができる。
この場合、好適には、基礎値は、プロフィログラムの検出ないし部分プロフィログラムの検出と同様にして行われる、同じく従動固体の非接触式の動的測定によって求められる少なくとも３つの測定値から算定することができる。これには、従動固体を所定の時間間隔で少なくとも３つの時点に、ライン状光ビーム帯に拡げられた単一のビームによって測定する方法と、光ビーム帯が照射される固体表面の領域間の間隔を所定の間隔として、それぞれライン状光ビーム帯に拡げられた少なくとも３つのビームによって同時に測定する方法とがある。
【００１３】
受光素子としては、有利には、ディジタル化された信号を供給する装置たとえばトリガ制御式ＣＣＤカメラまたはフォトダイオードディスプレイなどの位置敏感型検出器を使用することができる。この場合、一方では受光素子は光強度に対して感応し、他方では光量に相当する信号を出力するとの点に留意しなければならない。
【００１４】
本発明によって使用されるレーザ装置に関しては、以下の特性が特に有利であることが判明した。
−  結果の高度な再現性ならびに高度な測定精度の観点から、発生させられる光ビーム帯の波長は４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内、特に６５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内にあること。
−  同じく前記の観点から、レーザ装置の電力は０.５〜５０ｍＷの範囲内にあること。
−  高度な労働安全性（ＤＩＮ  ＥＮ  ６０８２５−１：２００１−１１に定めるレーザ等級２）の観点から、光ビーム帯の波長は可視域内にあり、レーザ装置の接触可能なビームの限界値（ＧＺＳ）は１ｍＷ以下であること。ここで、レーザ電力が１ｍＷ以上の場合には、接触可能なビームの限界値は適切な対策によって、要求される値にまで低下させることができるように注意しなければならない。
−  本方法のコスト抑制の観点から、たとえば半導体材料たとえばＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＰ，ＰｂＳｎＴｅ等からなるｃｗ（連続波）固体ダイオード、好ましくはレーザポインタに使用されるようなＶＬＤ（可視レーザダイオード）を使用すること。こうした可視光ビーム帯はさらに、測定さるべき固体に対するレーザ装置の調節を容易にする。
【００１５】
本発明による方法の測定条件に関しては、摩耗検査を目的とした、求められるそれぞれのプロフィログラム、部分プロフィログラムおよび総プロフィログラムにつき２.０ｍｍ
以下の解像度、特に０.５ｍｍ以下の解像度が達成される輪郭形状測定にとって、以下の
特性が特に有利もしくは最適であることが判明した。
−  光ビーム帯の幅は０.３ｍｍ〜６.５ｍｍの範囲内、特に０.８ｍｍ〜２.２ｍｍの範囲内にあること。 
拡散によって場合により平均動作距離（測定距離）の意図的な増大と共に測定精度を低下させることになる光ビーム帯の幅の拡大が生ずる。
−  光ビーム帯の長さは、 測定さるべき固体表面の領域のジオメトリに応じて、５０ｍ
ｍ〜７５０ｍｍの範囲内、特に２００ｍｍ〜４００ｍｍの範囲内にあること。
−  三角測量角度は１５°〜４０°の範囲内、特に２０°〜３０°の範囲内にあること。角度の増大は測定精度を高めるが、固体表面の不均一な照射ならびに陰影発生の危険も高める。
−  結像装置、特に結像装置の集束レンズの中心点とレーザ装置の光学軸との間の基準距
離は３０ｍｍ〜４５０ｍｍの範囲内、特に６０ｍｍ〜２７０ｍｍの範囲内にあること。
−  光ビーム帯が照射される固体表面の領域からのレーザ装置および／または結像装置の平均動作距離は２０ｍｍ〜６５０ｍｍの範囲内、特に１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲内にあること。
−  固体の、場合によって行われる並進運動の速度は３.５ｍ／ｓ以下、好ましくは１.５ｍ／ｓ以下であること。
−  固体の、場合によって行われる回転運動の角速度は１５ｓ-１以下、好ましくは６ｓ-１以下および好ましくはコンスタントであること。（なお、角度の単位はラジアンであるが、国際的な慣例に従ってここでは省略されている。）
−  固体表面によって反射された光が受光素子によって検出される周波数は２５Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲内、好ましくは１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲内にあること。
【００１６】
周波数に関して言えば、これは固体の運動速度に適合されていなければならず、より高い周波数は固体の速度が受光素子の信号の歪みに及ぼす影響を減少させる。したがって、運動速度に応じて求められる補正値、これはプロフィログラムの測定値の性質に応じた、運動速度に比例するベクトルの係数または加数あるいはその両方であってよい、を決定するために、運動速度と反射光の検出周波数との相補的な組み合わせ（線形結合）を行うことができ、利点がある。この場合、好都合なことに、固体の前述した運動速度範囲につき、非線形性が考慮される必要はない。
【００１７】
固体表面の領域に応じて決定される補正値は、特に、輪郭形状の測定値の性質に応じた、回転対称体の半径に応じて決定されるベクトルの係数または加数あるいはその両方であってよく、その際、前記の半径は、プロフィログラムを検出するための基準値として使用される、同じ長期的に不変の幾何学的基礎値であってよい。
本発明のその他の有利な実施形態は従請求項ならびに下記の詳細な説明に述べられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面によって具体的に示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図面の各図において同一の部分には常に同一の符号を付してあることから、それらの説明は一般にそれぞれ一回だけ行われている。
【００１９】
先ず、測定対象つまり速度ｖで動いている固体１を一次元表示で表している図１が示すように、本発明による方法に基づいて、レーザ装置２から出発するビームは不図示の光学系によって、凹凸ないし凹凸輪郭形状Ｚの測定可能な最大値Ｚｍａｘと測定可能な最小値Ｚｍｉｎとの差から生ずる測定範囲ＤＺ内でビームの幅ｂが所定の範囲内にあるように集束させられる。この場合、ビームは、二次元表示の図２が示しているように、光ビーム帯３に拡げられている。
固体１の表面への光ビーム帯の照射箇所ＺＡには、光の拡散散乱（反射光Ｒ）により測定スポットが形成されるが、これはレーザ装置２の光学軸Ｏ−Ｏによって定まる入射方向から逸れた方向からも検知される。
【００２０】
次いで、測定スポットが三角測量角度φ下で結像装置５の集束レンズ４により面状受光素子６に結像されると、照射箇所ＺＡの距離に応じて受光素子６上で最小値Ｘｍｉｎと最大値Ｘｍａｘとの間に画像スポットの位置ＸＡが決まる。
この場合、本発明による方法に使用される装置の幾何学的配置構成は、固定設定される三角測量角度φのほかに、その光学軸Ｏ−Ｏによって決定されるレーザ装置２のポジションに対する結像装置５の集束レンズ４の光学軸Ａ−Ａの固定基準距離Ｂによって定まる。
【００２１】
三角法関係式を利用して、測定された画像スポット位置ＸＡから、照射箇所ＺＡの距離つまりレーザ装置２からの固体１の表面の距離は、以下の等式
ＺＡ＝Ｈ／（１−Ｂ／ＸＡ）    （１）
（式中、Ｈは、図１が具体的に示しているように、受光素子６に対する結像装置５の集束レンズ４の距離である）によって決定することができる。
この場合、相対測定精度ｄＺＡ／ＺＡは
ｄＺＡ／ＺＡ＝１／（１−ＸＡ／Ｂ）*ｄＸＡ／ＸＡ    （２）
であり、ここで画像スポット位置の相対解像度ｄＸＡ／ＸＡは、反射光ＲＬが受光素子６によって受光される際の周波数ｆと関連した固体の速度ｖ、ならびに信号雑音および受光素子６の種類に依存している。ここで式（２）中の値ｄＺＡは測定精度の絶対値を表している。
【００２２】
解像度を高めるため、輪郭形状（図１，２においてＰで表されている）の最終的な測定値ＺＢは、値ＺＡと、固体１の運動速度ｖに応じて決定される補正値Ｋｖとの組み合わせ（例えば線形結合）で得られる。この補正値Ｋｖは、特に、運動速度ｖに比例したベクトルの係数または加数あるいはその両方である。その際、運動速度ｖに応じて求められる補正値Ｋｖを決定するため、運動速度ｖと反射光Ｒの検出周波数ｆとの相補的な組み合わせ（線形結合）が行われる。
【００２３】
前述した幾何学的配置構成、特に、基準距離Ｂ、三角測量角度φおよび／または光ビーム帯３が照射される固体１の表面領域からのレーザ装置２ないし結像装置５の（ 図１に長さＬで具体的に示した）平均動作距離を変化させることにより、配置構成の幾何学的な値を適切に選択して、測定範囲Ｄｚおよびそれと関連して測定精度ｄＺＡ／ＺＡを容易に自由に設定することができる。この場合、個々の装置は図１に示したように必ずしも共通のケーシング７内に収容されている必要はない。この場合、測定範囲Ｄｚの拡大は測定精度の低下を生ずるが、逆もまた等しく成立する。
【００２４】
この実施形態において、受光素子６としてはＳＯＮＹカメラＨＣＣ４００が使用された。解像度は測定範囲の大きさ、したがって測定範囲Ｄｚに依存していることから、これは、本発明による方法を実施するための装置の寸法設計にとって、検出を行うカメラヘッドの数は必要なまたは選択された解像度に直接依存することを意味している。
【００２５】
すでに述べかつ図２に示したように、三次元の固体１のトポグラフを得るために、従来一次元でしか観測されなかったシステムはここでは二次元で観測される。つまり、光ビーム帯３に拡げられたレーザビームが使用される。これは光切断法と称される。反射光ＲＬがエリア型の受光素子６によって検出された後、受光素子６から出力された信号から、三角測量角度φと基準距離Ｂとを考慮して、不図示のデータ処理装置たとえばＰＣにおいて輪郭形状Ｐの測定値が決定され、データ処理装置にプロフィログラムＰＧとして格納される。概略的に示した図２には、この種のプロフィログラムＰＧに代えて、受光素子６上に同じ符号の連続線が示されている。実際の測定から得られたプロフィログラムは図７と８とに異なった形で示されている。
【００２６】
固体１の表面領域に光ビーム帯３を照射するレーザ装置２としては、線長ＬＢ（図２）３００ｍｍ、線幅ｂ（図１）１.５ｍｍ、レーザ出力３０ｍＷで、可視赤色光（波長６８０ｎｍ）を発する一般市販のリニアレーザモジュールＬ２００が使用された。
【００２７】
図３は、同じくすでに述べたように、本発明による方法の代表的な適用例、つまり摩耗測定への適用を示したものである。同図は、測定さるべき固体１として、レール９上を転動して、並進運動速度ｖ、角速度ωで通過する車輪１ａを想定した摩耗テストスタンド８の外観図を示している。
同図から、この摩耗テストスタンド８では、複数のプロフィログラムＰＧが（図７にもＰＧａ，ＰＧｂおよびＰＧｃとして表されている）部分プロフィログラムとして、固体１の表面のそれぞれ異なった面Ｄ１，Ｄ２，Ｍにある領域に光ビーム帯３ａ，３ｂ，３ｃを照射する３基のレーザ装置２とそれらに対応する結像装置５とを使用して測定されることが理解でいる。部分プロフィログラムＰＧａ，ＰＧｂおよびＰＧｃはデータ処理装置に格納され、これらから総プロフィログラムＧＰＧを得ることができる。
【００２８】
軌条車両１０の車輪１ａは回転対称的な、基本形状として実質的に円筒状ないしリング状の固体１を表しており、光ビーム帯３ａ，３ｂ，３ｃが照射される３つの領域は円筒ないしリングの両側面Ｄ１，Ｄ２と外周面Ｍとに位置している。図３および詳細を示す図４と５が示しているように、３つの光ビーム帯３ａ，３ｂ，３ｃは総プロフィログラムＧＰＧを求めるために直線上に並んでいる必要はない。また、外周面Ｍに照射される光ビーム帯３ｂは車輪１ａの軸と平行をなしている必要もない。軸平行性からのずれは、輪郭形状Ｐの測定値ＺＢが固体表面の当該領域に応じて決定される補正値Ｋｏとの線形結合で得られることによって補償されることができる。
【００２９】
図５は、プロフィログラムＰＧ、部分プロフィログラムＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃおよび総プロフィログラムＧＰＧの基礎となる、固定的な、長期的に不変の幾何学的基礎値としての車輪１ａのリム内径Ｒを求めるための、前述した第一の可能性を具体的に示しており、図６は同じくその第二の可能性を具体的に示したものである。この場合、半径はいずれの場合にあっても、転動車輪１ａの、プロフィログラムＰＧの検出ないし部分プロフィログラムＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃの検出と同様にして行われる、同じく非接触式の動的測定によって求められる少なくとも３つの測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３から算定される。
【００３０】
図５によれば、転動中の車輪１ａの非接触式の動的測定は、光ビーム帯３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３が照射される固体１の表面の領域間の間隔をそれぞれ所定の間隔Ｎ１，Ｎ２として、それぞれ線状の光ビーム帯３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３に拡げられた少なくとも３つのビームによって同時に行われる。
【００３１】
図６によれば、転動中の車輪１ａの非接触式の動的測定は、所定の時間間隔Δｔで、少なくとも３つの時点ｔ１，ｔ２，ｔ３に、ライン状光ビーム帯３ｃに拡げられた単一のビームによって行われる。
【００３２】
したがって、測定は一方向に、つまりそれぞれの光ビーム帯３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３を等しく配向して、それぞれ３点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３で行われ、その際、半径Ｒの円弧上にある３つの測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３はデカルト座標系の点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の縦座標値として求められる。図６に示した方法による点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に対応する測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３はそれぞれ線状の光ビーム帯３ｃないし３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３の測定長に対応している。この対応関係において、ライン状光ビーム帯３ｃないし３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３の測定長を次のように、つまり、測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３はそれぞれ円弧の弦ｓｌ１，ｓｌ２，ｓｌ３の半分の長さを表していると言い換えても問題はない。それぞれこれらの測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３に属する横座標値Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３  （これは図６ではそれぞれ時点ｔ１，ｔ２，ｔ３における、光ビーム帯３ｃからの円の中心Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の距離として表されている）は、第一のケースでは図５に示した間隔Ｎ１，Ｎ２から得られ、第二のケースでは３つの測定時点ｔ１，ｔ２，ｔ３によって所与の時間間隔Δｔから、時間間隔Δｔに角速度ωを乗ずることによって得られる。その際、角速度ωは固定されていてよいし、あるいは同じく１つのまたは複数のライン状光ビーム帯３による転動中の車輪１ａの非接触式の動的測定によって求めることができる。速度が一定であるば、したがって一方で車輪１ａの回転運動と共に他方で車輪１ａの並進運動が一定であれば、解析評価は容易となる。
転動中の車輪１ａの基準半径Ｒは測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の測定後、以下の連立方程式、
Ｒ２＝Ｘ１２＋Ｚ１２            （３）
Ｒ２＝Ｘ２２＋Ｚ２２            （４）
Ｒ２＝Ｘ３２＋Ｚ３２            （５）
Ｘ１−Ｘ２＝ｋ*（Ｘ２−Ｘ３）  （６）
から求めることができる。
前記式中、値ＲならびにＸ１、Ｘ２およびＸ３はそれぞれ未知数を表している。式（６）中の値ｋは、既知の所定の時間間隔Δｔかまたは車輪１ａの表面の領域間の間隔Ｎ１，Ｎ２に対応する係数であり、これは時間間隔Δｔが一定であるかまたは間隔Ｎ１，Ｎ２が等しいかする好ましいケースにつき値１を取る。
【００３３】
算定された半径Ｒは、一方で、車輪１ａの外周面Ｍ上で求められる輪郭形状高さの測定値ＺＢの基線として使用することができ、他方で、この半径Ｒを、光ビーム帯３ないし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される補正値Ｋｏの決定に利用することができる。この種の補正値Ｋｏを考慮すべき必要性は、たとえば図６に示した弦ｓｌ１，ｓｌ２，ｓｌ３がそれぞれ異なった中心角を有し、これによって異なった局所輪郭形状歪みが現れるということから生ずる。この場合、中心角は、光ビーム帯３ｃが車輪１ａの被観測円弧の周の接線を形成する第一の極端なケースにおける０°から、光ビーム帯３ｃが車輪１ａの被観測円弧の直径２Ｒと合致する、他の極端なケースにおける１８０°までの間にある。最大の弦長ｓｌ３は測定さるべき輪郭形状に関する最大の情報を含むと共に最小の局所歪みを示す。
【００３４】
したがって、上述した理由から、図７に示した転動中の固体１の総プロフィログラムＧＰＧは、車輪１ａの図示例において、両側面Ｄ１，Ｄ２と外周面Ｍとで同時にある検出時点ｔｋに測定された３つの部分プロフィログラムから得られるのが極めて有利であり、その際、個々の部分プロフィログラムの検出時点ｔｋは、この検出時点ｔｋに求められた測定値Ｚｋ（これは側面Ｄ１，Ｄ２の一方において半径Ｒの円弧上にあり、それぞれ連続した時点ｔ１，ｔ２，ｔ３に、一方向において、ライン状光ビーム帯３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３のそれぞれの長さＬＢから決定される、円弧の弦ｓｌ１，ｓｌ２，ｓｌ３の半分の長さに対応する少なくとも３つの測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３からなる）が最大値−この場合にはＺ３−を取るように選択される。言うまでもなく、検出時点ｔｋのこの選択基準は３測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３に制限されるものではない。３つの測定値Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３より多くの測定値を基礎とする場合には、求められた最大弦長ｓｌ３の半分が半径Ｒとあまり相違していないかまたは半径Ｒと同じ値を取るかぎり、より良好な結果を達成することができる。
【００３５】
図７はさらに、それぞれのプロフィログラムＰＧ、部分プロフィログラムＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃおよび／または総プロフィログラムＧＰＧはそれぞれ１または複数の基準プロフィログラム−図中では輪郭形状Ｐの最小測定値ＺＢの基準プロフィログラムＢＰ１と輪郭形状Ｐの最大測定値ＺＢの基準プログラムＢＰ２が示されている−と比較され、それぞれの基準プロフィログラムＢＰ１，ＢＰ２からのそれぞれの偏差ΔＰＧを確認することができることを示している。図示した例において、この種の偏差は一点鎖線で示した領域に生じている。基準プロフィログラムＢＰ１，ＢＰ２は好ましくは許容基準寸法であってよいが、基準プロフィログラムＢＰ１，ＢＰ２はまた、先行した測定から得られて格納された測定値ＺＢのデータセットであってもよく、これにより、それぞれの偏差ΔＰＧは以前の測定以降に生じた摩耗の程度を解明し得るものとなる。
【００３６】
図７における輪郭形状Ｐの表示は、輪郭形状Ｐの測定値ＺＢが車輪１ａの断面Ｑ全体におよぶ連続線−ベクトルｘ，Ｚ−として二次元的に表されているにすぎないが、他方、図８における輪郭形状Ｐの表示は本発明による方法の三次元的特徴を具体的に示している。図８では、前述した半径Ｒを用いて求められた車輪１ａの側面Ｄ１の処理に関連して、異なった濃度で、輪郭形状Ｐの測定値ＺＢがベクトルｘ，ｙ，ｚとして表されている。式（２）で述べた測定精度の絶対値ｄＺＡは約０.５ｍｍである。図中、円で囲んだ、符号Ｑで表した線は図７に示した車輪１ａの断面Ｑを表しており、ここに、前述したように、図７の部分輪郭形状ＰＧａが位置している。具体的な分かり易さを向上させる趣旨で、濃度表現に代えて、適切なディスプレイにおいて色彩を使用して表現することも可能である。
【００３７】
本発明による方法は、有利なことに、極めて短い測定時間で輪郭形状Ｐの検出を可能にする。したがってたとえば５秒間で、軌条車両１０が通過するレール９の両側に配置されたレーザ装置２と結像装置５とを用いて、５ボギー、つまり１０車輪対、したがって２０個の車輪１ａに関してそれぞれ三次元の総プロフィログラムＧＰＧを作成することができる。
【００３８】
本発明は上述した実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨と同等に機能するすべての手段と方策を包括するものである。たとえばさらに別の可能性として、構造化もしくはコード化された照射下で行われるいわゆるストリーク照射法に適用することも可能である。この方法は同じく三角測量法を基礎としており、固体１の全体がレーザ装置に相当するプロジェクタを用い、計算に基づく所定の光パターンで照射される。撮影中に光パターンは所定通りに変化させられ、こうして、撮影された画像に生ずる強度分布からトポグラフを決定することができる。
さらに、当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく、追加的な好適な方策によって本発明を補充することが可能である。たとえば、一切の演算操作−たとえば前述した（１）から（６）までの式の演算操作−を実行するために、データ処理装置に適切なソフトウェアモジュールを使用することが可能である。
【００３９】
さらに、本発明は請求項１に記載した特徴コンビネーションに限定されるものではなく、その他の、全体として開示されたすべての個別特徴のうちの一定の特徴のいかなる任意のコンビネーションによって定義されてもよい。これは請求項１に記載したいかなる個別特徴も実質的に実際に省かれてももしくは本願明細書の他の箇所で開示された少なくともいずれか１個別特徴によって置き換えられてもよいとのことを意味している。そのかぎりで請求項１は単に発明を定式化する第一の試みとして解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】概略的な側面図によって示した、本発明による方法を具体化するための原理図
【図２】概略的な透視図によって示した、本発明による方法を具体化するための別途原理図
【図３】本発明による方法が適用される、軌条車両の車輪たとえば鉄道車輪用の摩耗テストスタンドの外観図
【図４】運動方向の前方から車輪の外側に向けられた視角から見た、図３と同じ詳細図
【図５】運動方向の後方から車輪の内側に向けられた視角から見た、図３と同じ詳細図
【図６】本発明によって求められるプロフィログラムの基礎となる基礎値を求める方法を模式的示す説明図
【図７】本発明によって求められたプロフィログラムを示す図
【図８】本発明によって求められたプロフィログラムを示す図
【符号の説明】
【００４１】
１    固体
１ａ  車輪
２    レーザ装置
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３  光ビーム帯
４    ５のレンズ
５    結像装置
６    受光素子
７    ケーシング
８    摩耗テストスタンド
９    レール
１０  軌条車両
Ａ−Ａ  ６の光学軸
Ｂ    基準距離
ｂ    ３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３の幅
Ｄｚ  ｚの測定範囲
ｄＺＡ  ＺＡの解像度
Ｄ１，Ｄ２  １，１ａの側面
Ｆ    周波数
ＧＰＧ  総プロフィログラム
Ｈ    距離４/６（図１）
Ｋｖ  ｖ，ωに応じた補正値
Ｋｏ  ３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３の領域／位置に応じた補正値
ｋ    Ｎ１，Ｎ２ないしΔｔに応じた係数
Ｌ    動作距離
ＬＬ  ３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３の線長
Ｍ    １，１ａの外周面
Ｎ１，Ｎ２  ３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３の間の間隔
Ｏ−Ｏ  ２の光学軸
Ｐ    輪郭形状
ＰＧ  プロフィログラム
ＰＧａ，ＰＧｂ，ＰＧｃ  部分プロフィログラム
Ｒ    半径
ＲＬ  反射光
Ｖ    １，１ａの並進運動速度
ｔｋ，ｔ１，ｔ２，ｔ３  測定時点
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  半径Ｒの円上の点
ｓｌ１，ｓｌ２，ｓｌ３  Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３における弦長
ｘ    横座標
ＸＡ  ６におけるＲＬ画像スポットの位置
Ｘｍａｘ  Ｘの最大値
Ｘｍｉｎ  Ｘの最小値
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３  Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３における横座標値
ｙ    横座標
Ｚ    縦座標
ＺＡ  測定値、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３の照射箇所
ＺＢ  ＺＡからの補正測定値
Ｚｍａｘ  Ｚの最大値
Ｚｍｉｎ  Ｚの最小値
Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３  Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３における高さ測定値
ΔＰＧ  輪郭形状偏差
Δｔ  時間間隔
φ    三角測量角度
【図１】
0004445959.tif 000002
【図２】
0004445959.tif 000003
【図３】
0004445959.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004445959.tif 000007
【図７】
0004445959.tif 000008
【図８】
0004445959.tif 000009