(57)【要約】【課題】鉄道用レールの各種寸法を高精度に測定するレール寸法測定方法および装置を提供することを目的とする。【解決手段】上下左右に傾斜させた状態で配置されたレーザ距離計の距離データ、傾斜角、および走査中の位置データから鉄道用レールの断面形状を求め、この断面形状に基づき前記鉄道用レールの各部寸法を演算する。【選択図】図１
2007121004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下左右に傾斜させた状態で配置されたレーザ距離計を走査して鉄道用レールの断面形状や寸法を測定するレール寸法測定方法において、
前記レーザ距離計の距離データ、傾斜角、および走査中の位置データから前記鉄道用レールの断面形状を求め、この断面形状に基づき前記鉄道用レールの各部寸法を演算することを特徴とするレール寸法測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレール寸法測定方法において、
前記各部寸法は、
レールの頭幅、底面幅、高さ、厚み、片足幅、足裏平坦度、および頭幅触れのいずれか又はそれらの組合わせであることを特徴とするレール寸法測定方法。
【請求項３】
上下左右に傾斜させた状態で配置されたレーザ距離計を走査して鉄道用レールの断面形状や寸法を測定するレール寸法測定装置において、
前記レーザ距離計の距離データ、傾斜角、および走査中の位置データから前記鉄道用レールの断面形状を求め、この断面形状に基づき前記鉄道用レールの各部寸法を演算する演算装置を備えることを特徴とするレール寸法測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形鋼の寸法測定方法および装置に関し、特に、鉄道用レール（以下、レールまたはRailとも略称する）の断面形状や寸法を高精度で測定するレール寸法測定方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
旅客や貨物の輸送手段としての鉄道に用いる鉄道用レールにおいては、その製造過程での形状検査または使用時のメンテナンスが、重要視されている。しかし、レールの形状測定としては、これまでは幅ゲージもしくはマイクロメータといった専用の測定治具を用いた手測定が主なものであった。このため、測定に時間がかかり、ピッチダウンが発生する、または測定者による測定値のバラツキが生じる、さらにベテランと経験年数の浅い者との差も生じるなどといった問題が生じていた。
【０００３】
これに対して、種々の技術が提案されている。例えば、特許文献１に鉄道用レールの形状測定方法と称する技術が開示されている。この技術は、スキャン式レーザ距離計を搬送方向に2台並べ、走間中のレールに対しレール上面までの距離を測定し、レ−ル上面に存在する個々の凹凸の長手方向極値を抽出することでそれぞれ凹凸量を算出する、及び端部の曲がり量を算出することによって、オンラインでレ−ルの形状合否判定を行うものである。
【０００４】
また、特許文献２に鉄道用レールの柱厚判定方法と称する技術が開示されている。この技術は、レール（厚み部）に対し、レーザ距離計を挟み込む姿勢で2台配置し、走間中のレールまでの距離を測定し、互いの距離計間隔と距離データから厚みを測定し合否判定を行うものである。
【０００５】
さらに、特許文献３にレール断面形状測定装置と称する技術が開示されている。この技術は、レールに対し、上面と側面にレーザ変位計を2台配置し、上面は材左右方向、側面は材上下方向にレーザ変位計を走査させるものである。
【特許文献１】特開平８−２６１７４２号公報
【特許文献２】特開平１０−２６００３５号公報
【特許文献３】特開２００３−２０７３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の技術は、レール搬送中に測定するものであり、かつその測定項目もそれぞれ材長手方向全長のレール上面の凸凹を測定することで求める波長・波高、およびレールの柱厚が主なものであり、レールの複雑な形状を詳細にかつ高精度に測定するものでないという問題がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術では、上面と側面に設置したレーザ変位計を走査させて、レール断面形状を測定するとしているが、具体的な断面形状の測定についての記載はない。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、上記問題を解決し、鉄道用レールの各種寸法を高精度に測定するレール寸法測定方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に係る発明は、上下左右に傾斜させた状態で配置されたレーザ距離計を走査して鉄道用レールの断面形状や寸法を測定するレール寸法測定方法において、前記レーザ距離計の距離データ、傾斜角、および走査中の位置データから前記鉄道用レールの断面形状を求め、この断面形状に基づき前記鉄道用レールの各部寸法を演算することを特徴とするレール寸法測定方法である。
【００１０】
また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレール寸法測定方法において、前記各部寸法は、レールの頭幅、底面幅、高さ、厚み、片足幅、足裏平坦度、および頭幅触れのいずれか又はそれらの組合わせであることを特徴とするレール寸法測定方法である。
【００１１】
さらに本発明の請求項３に係る発明は、上下左右に傾斜させた状態で配置されたレーザ距離計を走査して鉄道用レールの断面形状や寸法を測定するレール寸法測定装置において、前記レーザ距離計の距離データ、傾斜角、および走査中の位置データから前記鉄道用レールの断面形状を求め、この断面形状に基づき前記鉄道用レールの各部寸法を演算する演算装置を備えることを特徴とするレール寸法測定装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、レーザ距離計の距離データ、傾斜角、および走査中の位置データから鉄道用レールの断面形状を求め、この断面形状に基づき鉄道用レールの各部寸法を演算するようにしたので、高精度にかつ高速に鉄道用レールの各部寸法を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図1は、本発明を実施するための装置例の概要を示す図である。図中、１は校正片、２ａ〜ｆはレーザ距離計、３はCフレーム、４はCフレーム走行用機構、５はCフレーム高さ設定機構、６は距離計高さ設定機構、および７はレールをそれぞれ表している。
【００１４】
レーザ距離計２ａ〜２ｆは、校正片１とレール７を上下左右から傾斜させた状態で挟むように配置されており、具体的には上下左右45°(X（エックス）型とし、傾斜角は30°未満ではレーザ光の乱反射光の受光ができないもしくは誤差がでる可能性があるので、30°以上とし、好ましくは 45°±△θ1 とする)と上下90°の計6台配置する。
【００１５】
材(以下、測定対象レールを材と略称する)サイズに応じてレーザ距離計の測定範囲を変化させる距離計高さ設定機構６を有している。なお、上下90°に設置したレーザ距離計２ｅおよび２ｆはより測定精度を上げるためのものであり、上下左右45°の距離計配置で十分な精度で材の距離測定が可能な場合は4台でも構わない。Cフレーム３は、レーザ距離計２ａ〜２ｆを搭載し、サーボモータ等のCフレーム走行用機構４で走行・移動できるとともに、Cフレーム高さ設定機構５によりフレーム高さを変化できる構造になっている。また、レーザ距離計を搭載するCフレーム３は左右分離型でも構わない。その場合は、校正片１は左右それぞれに必要である。
【００１６】
図２は、図１に示した装置を用いた測定概要を示す図である。材停止中において、材上にレーザ距離計を走査させ、測定毎に校正片と材を同時に測定する。距離データ(L)・距離計の傾斜角(θ)・距離計の走査中の位置データ(M)より三角測量の原理を用いて、校正片と材の断面プロフィールを求める。校正片の断面プロフィールを復元することで、各レーザ距離計より得られる断片的な材の断面プロフィールを合成するものである。
【００１７】
図８は、本発明の処理フロー例を示す図である。以下、図８に従って処理の詳細を説明していく。なお、以下の処理・演算は、既存のプロコンまたはパソコンで構成される演算装置(図示せず)で行うようにする。
【００１８】
１）材に対して平行にレーザ距離計を走行させ、校正片およびレールまでの距離データをサンプリングする(Step０１)。なお，校正片は，上下左右のレーザ距離計の測定データである断面プロフィールを復元させるものである。
【００１９】
２）距離データより2次元平面座標（x，y）を以下の式により求める(Step０２)。
（1）左上のレーザ距離計
x1 = M + L1・cosθ1   ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（1）
y1 = H - L1・sinθ1    ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（2）
（2）左下のレーザ距離計
x2 = M + L2・cosθ2   ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（3）
y2 = L2・sinθ2        ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（4）    
（3）右上のレーザ距離計
x3 = M + D - L3・cosθ3   ・・・・・・・・・・・・・・・・・（5）
y3 = H - L3・sinθ3     ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（6）   
（4）右下のレーザ距離計
x4 = M + D - L4・cosθ4   ・・・・・・・・・・・・・・・・・（7）
y4 = L4・sinθ4         ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（8）   
Ln (n = 1 〜 4) ：  測定データ
θn (n = 1 〜 4) ：  傾斜角
D  ：  左右距離計の間隔（設定値）
H  ：  上下距離計の間隔
【００２０】
３）各距離計のレール の2次元平面座標を、校正片の2次元平面座標を復元することにより、レールの断面プロフィールを求める(Step０３)。さらに、断面プロフィールのデータのばらつきを軽減させるために、前後数点の移動平均処理を行うことも有効である。次にレールの各寸法の演算方法を示す。説明上、特長点は括弧付き英字とし、また特長点のxy座標は下付き文字で表すものとする。一例として、特長点Aのxy座標は、それぞれ（Ax）および（Ay）として表す。材が倒れた姿勢で搬送が行われるケースで以下説明するが、材が立った姿勢で搬送されていても構わない。
【００２１】
４）底面両端下エッジを検出する(Step０４)。ある傾き（θk）をもった仮想線を底面に近づけ、仮想線と接する座標を底面下両エッジ（A・B）とする。（図４を参照のこと）
【００２２】
５）材の傾きを求める(Step０５)。底面下両エッジ間（A・B）の座標を次式で1次近似し、材の傾き（a、θr）を求める。
y = ax + b           ・・・・・・・・・(9)
θr = tan-1 ( a )   ・・・・・・・・・(10)
【００２３】
６）座標を回転させる(Step０６)。材の傾きで反時計方向にプロフィールを回転させる。つまりレールが立った状態にする。xy座標全ての点について，半径および角度をもとめ、材の傾き（θr）に応じ座標を回転させて、図５のように断面を正立させる。そして、回転後の座標は（X，Y）とする。
r = √x2+y2     ・・・・・・・・・・・・(11)
θ = tan-1 ( x / - y )     ・・・・・・・・・・・・(12)
X = -r・sin ( θ±θr )   ・・・・・・・・・・・ (13)
Y =  r・cos( θ±θr )    ・・・・・・・・・・・ (14)
【００２４】
７）底面両端上エッジを検出する(Step０７)。仮想線と接する座標を、底面上両エッジ（C・D）とする。
【００２５】
８）底面突端を検出する(Step０８)。底面上両エッジ間（A・C）・ （B・D）を移動平均し、ピークを底面突端（E・F）とする。 
【００２６】
９）幅を算出する(Step０９)。底面左右突端（E・F）の間隔（X座標）を、幅とする。
B = Ex - Fx       ・・・・・・・・・・・ (15)
【００２７】
１０）幅中心を求める(Step１０)。底面左右突端（E・F）より、以下の式により幅中心位置を求める。
bHx = ( Ex - Fx ) / 2 + Fx      ・・・・・・・・・・・ (16)
Ey > Fy    bHy = Ey - ( Ey - Fy ) /2      ・・・・・・・・・・・ (17)
Ey < Fy    bHy = Fy - ( Fy - Ey ) /2      ・・・・・・・・・・・ (18)
Ey = Fy    bHy = Ey      ・・・・・・・・・・・ (19) 
【００２８】
１１）底面突端を検出する(Step１１)。底面下両エッジ間（A・B）を移動平均し、ピークを底面突端（G）とする。なお、ピークは符号付きとし、図６に示すように、底面下両エッジ間（A・B） のＹ座標より小さければ凸とし、符号＋、大きければ凹とし−とする。
【００２９】
１２）足裏平坦度を算出する(Step１２)。底面下両エッジ間（A・B） のＹ座標と、ピーク（G）のＹ座標の差を平坦度とする。
H = By - Gy       ・・・・・・・・・・・ (20)
【００３０】
１３）頭幅両端を算出する(Step１３)。頭幅に対し仮想線と接する座標を、頭幅左右両エッジ（H・I）とする。ある範囲で平均化するようにする。
【００３１】
１４）頭幅を算出する(Step１４)。頭幅左右両エッジ（H・I）の間隔（X座標）を頭幅とする。
c = Hx - Ix      ・・・・・・・・・・・ (21)
【００３２】
１５）頭幅中心を求める(Step１５)。頭幅左右両エッジ（H・I）より、以下の示す式のより幅中心位置を求める。
cHx = ( Hx + Ix ) / 2 + Ix      ・・・・・・・・・・・ (22)
Hy > Iy    cHy = Hy - ( Hy - Iy ) /2      ・・・・・・・・・・・ (23)
Hy < Iy    cHy = Iy - ( Iy - Hy ) /2      ・・・・・・・・・・・ (24)
Hy = Iy    cHy = Hy      ・・・・・・・・・・・ (25) 
【００３３】
１６）芯ずれを求める(Step１６)。頭幅中心と幅中心のxy座標より、以下の式により芯ずれを算出する。図７は、芯ずれ算出の概要を示す図である。
±θrT = tan-1(( bHx - cHx )/( cHy - bHy ))   ・・・・・・・・・・・ (26)
【００３４】
１７）芯ずれ補正後の頭幅を求める(Step１７)。頭幅Cに対し、芯ずれ補正を以下のように行う。
C = c・cosθrT      ・・・・・・・・・・・ (27) 
【００３５】
１８）頭幅突端を検出する(Step１８)。頭幅左右両エッジ（H・I）を移動平均し、上限ピーク（最大Y座標）を頭幅突端（J）とする。
【００３６】
１９）高さを求める(Step１９)。頭幅突端（J）と底面突端（G）の間隔（Y座標）を高さとする。
A = Jy - Gy      ・・・・・・・・・・・ (28)   
ただし、底面突端（G）が凹であれば、底面下両エッジ間（A・B）を移動平均し、最小Y座標を算出し、頭幅突端（J）のY座標との差を高さとする。
【００３７】
２０）柱厚両端を検出する(Step２０)。底面突端（G）を基準に、任意の高さ位置における柱厚部分の両端を柱厚両端（K・L）とする。ある範囲で平均化するようにし、任意の高さ位置は例えば60mmとする。ただし、底面突端（G）が凹であれば，底面下両エッジ間（A・B）を移動平均し、最小Y座標を底面突端（G）とする。
【００３８】
２１）片足幅を算出する(Step２１)。底面突端（E・F）と柱厚両端（K・L）との変位（Ｘ座標）を片足幅とする。
K1 = L - F      ・・・・・・・・・・・ (29) 
K2 = E - K      ・・・・・・・・・・・ (30)
【００３９】
２２）厚みを算出する(Step２２)。柱厚部に対し，高さ方向に厚みを求め、最も薄い厚みを検出し、厚みgとする。ある範囲で平均化するが、柱厚部については底面突端より高さ60mmの位置を基準でも構わない。
【００４０】
２３）芯ずれ補正後の厚みを算出する(Step２３)。厚みgに対し芯ずれ補正を以下のように行う。
G = g・cosθrT      ・・・・・・・・・・・ (31)
【００４１】
２４）頭幅振れを算出する(Step２４)。底面左右突端（E・F）と頭幅左右両エッジ（H・I）の変位を、頭幅振れとする。
なお、頭幅左右両エッジ（H・I）についてはある範囲で平均化する。
TF1 = Ex - Hx      ・・・・・・・・・・・ (32) 
TF2 = Lx - Fx      ・・・・・・・・・・・ (33)
上述のように図５に示すレール各部位の寸法を演算することにより、高精度なレール寸法測定ができる。
【実施例】
【００４２】
本発明の実施例を以下に示す。高さ122.7mm、底面122.8mm、および厚み13.6mmのレールピースを対象にして、マイクロメータ等で熟練者が手測定して真値とし、「本発明によって求めた寸法−真値＝誤差」として整理した。測定回数は10回であり、測定誤差は、高さ+0.11mm、厚み-0.09mm、頭幅-0.06mm（2σ  0.06mm）であり、良好な結果が得られた。
【００４３】
この測定結果を圧延機または矯正機にフィードバックすることで、品質コントロールも可能となる。また、測定時間についても従来2〜3分かかっていたものが、本発明では10秒以内で求めることができ，測定によるピッチダウンも大幅に削減することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明を実施するための装置例の概要を示す図である。
【図２】図１に示した装置を用いた測定概要を示す図である。
【図３】断面プロフィール測定の概要を示す図である。
【図４】断面プロフィール合成後の断面プロフィールを示す図である。
【図５】レールの寸法演算の概要を示す図である。
【図６】足裏平坦度算出の概要を示す図である。
【図７】芯ずれ算出の概要を示す図である。
【図８】本発明の処理フロー例を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１          校正片
２ａ〜ｆ    レーザ距離計
３          Cフレーム
４          Cフレーム走行用機構
５          Cフレーム高さ設定機構
６          距離計高さ設定機構
７          レール
【図１】
2007121004.tif 000003
【図２】
2007121004.tif 000004
【図３】
2007121004.tif 000005
【図４】
2007121004.tif 000006
【図５】
2007121004.tif 000007
【図６】
2007121004.tif 000008
【図７】
2007121004.tif 000009
【図８】
2007121004.tif 000010