車輪測定装置

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【発明の名称】	車輪測定装置
【発明者】	【氏名】永尾俊繁【氏名】本多隆一
【要約】	【課題】内側側面に基準溝の存在しない列車車輪でも直径等の各部寸法を非接触で走行中に測定できる車輪測定装置を得る。【解決手段】車輪（１）の前後に線線状の光を照射する光源（２０、２１）とカメラ（２３、２４）を各１組ずつ設置してフランジ先端の位置を測定し、さらに車輪（１）の中央フランジ先端部を車輪側面から線線状の光を照射する光源（２２）とカメラ（２５）で測定する。そして、画像信号処理装置（２６）において、これら３つのカメラ（２３、２４、２５）の撮影映像から車輪の３ヵ所のフランジ先端位置を算出し、これら３ヵ所のフランジ先端位置からフランジ直径を算出する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】車輪の前踏面に関する情報を検出する第１の検出手段と、上記車輪の後踏面に関する情報を検出する第２の検出手段と、上記車輪の側面に関する情報を検出する第３の検出手段と、上記第１、第２および第３の検出手段の出力に基づいて上記車輪の少なくとも直径を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする車輪測定装置。
【請求項２】第１の検出手段は、車軸に装着された左右一対の車輪のうち一方の上記車輪に対し、該車輪の前方に配置され、該車輪の踏面と中心軸とを結ぶ線上に細線状の第１の光を照射する第１の光源と、上記第１の光により照射された上記踏面の像を撮影する第１の撮影手段とからなり、第２の検出手段は上記車輪の後方に配置され、該車輪の踏面と中心軸とを結ぶ線上に細線状の第２の光を照射する第２の光源と、上記第２の光により照射された上記踏面の像を撮影する第２の撮影手段とからなり、第３の検出手段は、上記車輪のレールと接する位置において上記車輪のフランジ内面側に配置され、該フランジ内面の先端から上記車輪の中心軸を通る線上の上記フランジ先端を含む所定の範囲に細線状の第３の光を照射する第３の光源と、上記第３の光により照射された上記フランジ内面の像を撮影する第３の撮影手段とからなり、演算手段は、上記各撮影手段により得られる映像信号に基づいて上記車輪の踏面の寸法および直径を算出する画像信号処理装置からなることを特徴とする請求項１記載の車輪測定装置。
【請求項３】画像信号処理装置は、各撮影手段に対応してそれぞれ設けられた複数のＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力に基づいて車輪に関連する情報を演算するＣＰＵと、該ＣＰＵに接続され上記車輪に関連した情報を格納する記憶手段とを備えたことを特徴とする請求項２記載の車輪測定装置。
【請求項４】第３の撮影手段は、車輪の車軸に対して所定の角度だけずらして設置されていることを特徴とする請求項２または３記載の車輪測定装置。
【請求項５】車輪のフランジ先端が所定位置を通過したことを検知し、複数のＡ／Ｄ変換器に対応する撮影手段からの映像信号の取込みを開始させる光電センサを備えたことを特徴とする請求項３または４記載の車輪測定装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えば鉄道車両の車輪を測定する車輪測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５は、例えば特開平７－９１９１８号公報に示された従来の車輪測定装置を示す構成図である。図において、地上に設置された光源５から出射された細線状の光５ａは、レール１３上の車輪１のフランジ３およぴ踏面４に照射される。地上に設置された光源７から照射された細線状の光７ａは、車輪１の内側側面２に照射される。車輪１の踏面４に光が照射されている部分は、地上に設置された撮影装置８により撮影され、車輪１の内側側面２の光が照射されている部分は、撮影装置１０により撮影される。
【０００３】撮影装置８および１０から出力される映像信号は、画像信号処理装置１１に送られる。画像信号処理装置１１は、入力された映像信号に基づいて、車輪径α、踏面勾配ψ、フランジ厚さβおよぴフランジ高さγを算出する。なお、光源５、光源７から照射される２本の細線状の光５ａ、７ａは、車輪の中心と踏面４を結ぶ直線上に一致している必要があり、光電スイッチ１２により車輪が検出されたタイミングに従い撮影装置８、１０により映像入力が行なわれる。
【０００４】図６は、図５で測定される車輪１の踏面および内側側面２の輪郭を示したものである。車輪１の形状は、車輪径α、踏面勾配ψ、フランジ厚さβおよびフランジ高さγによって表される。図において、点Ａ、点Ｂおよび点Ｃは測定基準位置であり、点Ａは内側側面２から車輪厚さ方向に所定距離ｌ離れた点であり、点Ｂは点Ａから車輪径方向に所定距離ｍ離れた点であり、点Ｃはフランジ３の先端である。そして、車輪径αは、点Ａを通る車輪の直径であり、踏面勾配ψは、点Ａにおける踏面の勾配であり、フランジ厚さβは、点Ｂから内側側面２までの車輪厚さ方向の距離であり、フランジ高さγは、点Ａから点Ｃまでの車輪径方向の距離である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の車輪測定装置は以上のように構成され、撮影装置１０により得られた映像上で、図６に示すように車輪１の内側側面２に彫り込まれた基準溝Ｄからフランジ３の先端Ｃまでの寸法δを求め、基準溝Ｄの直径が既知であるとして車輪直径を求めている。ところが測定対象となる車輪には基準溝の彫り込まれていないものがあり、従来の装置では車輪直径を算出することは不可能であった。この発明は上記のような間題点を解消するためになされたもので、基準溝の有無にかかわらず、車輪直径を測定することのできる車輪測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明による車輪測定装置は、車輪の前踏面に関する情報を検出する第１の検出手段と、上記車輪の後踏面に関する情報を検出する第２の検出手段と、上記車輪の側面に関する情報を検出する第３の検出手段と、上記第１、第２および第３の検出手段の出力に基づいて上記車輪の少なくとも直径を演算する演算手段とを備えたものである。
【０００７】請求項２の発明による車輪測定装置は、請求項１の発明において、第１の検出手段が、車軸に装着された左右一対の車輪のうち一方の上記車輪に対し、該車輪の前方に配置され、該車輪の踏面と中心軸とを結ぶ線上に細線状の第１の光を照射する第１の光源と、上記第１の光により照射された上記踏面の像を撮影する第１の撮影手段とからなり、第２の検出手段が、上記車輪の後方に配置され、該車輪の踏面と中心軸とを結ぶ線上に細線状の第２の光を照射する第２の光源と、上記第２の光により照射された上記踏面の像を撮影する第２の撮影手段とからなり、第３の検出手段が、上記車輪のレールと接する位置において上記車輪のフランジ内面側に配置され、該フランジ内面の先端から上記車輪の中心軸を通る線上の上記フランジ先端を含む所定の範囲に細線状の第３の光を照射する第３の光源と、上記第３の光により照射された上記フランジ内面の像を撮影する第３の撮影手段とからなり、演算手段が、上記各撮影手段により得られる映像信号に基づいて上記車輪の踏面の寸法および直径を算出する画像信号処理装置からなるものである。
【０００８】請求項３の発明による車輪測定装置は、請求項２の発明において、画像信号処理装置が、各撮影手段に対応してそれぞれ設けられた複数のＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力に基づいて車輪に関連する情報を演算するＣＰＵと、該ＣＰＵに接続され上記車輪に関連した情報を格納する記憶手段とを備えたものである。
【０００９】請求項４の発明による車輪測定装置は、請求項２または３の発明において、第３の撮影手段が、車輪の車軸に対して所定の角度だけずらして設置されているものである。
【００１０】請求項５の発明による車輪測定装置は、請求項３または４の発明において、車輪のフランジ先端が所定位置を通過したことを検知し、複数のＡ／Ｄ変換器に対応する撮影手段からの映像信号の取込みを開始させる光電センサを備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．以下、この発明の一実施の形態について、図を参照して説明する。図１はこの発明による車輪測定装置を示す構成図である。図１において、図５と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。図において、２０は第１の光としての細線状の光２０ａを照射する第１の光源としての前踏面光源であり、この前踏面光源２０は車輪１の前方に配置され、車輪１の中心を通る線上で水平線より下方角度θ₁の方向から踏面を横断するように細線状の光２０ａを照射する。２１は第２の光としての細線状の光２１ａを照射する第２の光源としての後踏面光源であり、この後踏面光源２１は車輪１の後方に配置され、車輪１の中心を通る線上で水平線から下方角度θ₂の方向から踏面を横断するように細線状の光２１ａを照射する。
【００１２】また、２２は第３の光としての細線状の光２２ａを照射する第３の光源としての側面光源であり、この側面光源２２はフランジ３の下端とほぼ同じ高さまたはやや低めの車輪１の内側に配置され、車輪１の中心を通る鉛直線に沿ったフランジ３の側面を細線状の光２２ａにより照射する。前踏面光源２０の下方角度θ₁と後踏面光源21の下方角度θ₂は異なってもよいが、通常は同じ角度に設定する。
【００１３】２３は前踏面光源２０の光線軸と所定の角度φ₁をもった方向に配置され、前踏面光源２０からの細線状の光２０ａにより照射された車輪１を撮影する第１の撮影手段としての前踏面カメラ、２４は後踏面光源２１の光線軸と所定の角度φ₂をもった方向に配置され、後踏面光源２１からの細線状の光２１ａにより照射された車輪１を撮影する第２の撮影手段としての後踏面カメラ、２５は側面光源２２の光線軸と所定の角度φ₃をもった方向に配置され、側面光源２２からの細線状の光２２ａにより照射された車輪１を撮影する第３の撮影手段としての側面カメラである。
【００１４】なお、前踏面光源２０と前踏面カメラ２３は第１の検出手段を構成し、後踏面光源２１と後踏面カメラ２４は第２の検出手段を構成し、側面光源２２と側面カメラ２５は第３の検出手段を構成する。２６はカメラ２３、２４および２５で撮影された映像を取り込んで画像処理を行う演算手段としての画像信号処理装置、２７は車輪１のフランジ３の先端がそのスポット位置を通過したことを検知する光電センサであって、その検知の瞬間のカメラ２３、２４および２５からの映像信号を画像信号処理装置２６が取込み保存する。
【００１５】図３は画像信号処理装置２６の具体的回路構成の一例を示すブロック図である。画像信号処理装置２６は、カメラ２３、２４、および２５にそれぞれ対応して設けられ、光電センサ２７の出力が印加された時点で各カメラからの映像信号をそれぞれＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換するＡ／Ｄ変換器２６ａ、２６ｂおよび２６ｃと、Ａ／Ｄ変換器２６ａ、２６ｂおよび２６ｃからの出力に基づいて後述される種々の演算処理を行うＣＰＵ２６ｄと、ＣＰＵ２６ｄを介して車輪のデータや処理結果等を格納する記憶手段としてのメモリ２６ｅと、ＣＰＵ２６ｄに接続されたディスプレイインタフェース２６ｆおよび入出力インタフェース２６ｇとを備える。２８はディスプレイインタフェース２６ｆに接続されたディスプレイ、２９は入出力インタフェース２６ｇに接続された外部装置である。
【００１６】次に動作について説明する。カメラ２３、２４、および２５により撮影された映像信号は、光電センサ２７からの出力信号が入った瞬間にそれぞれＡ／Ｄ変換器２６ａ、２６ｂおよび２６ｃによりディジタルデータに変換され、ＣＰＵ２６ｄに読み込まれ、メモリ２６ｅに格納される。列車の全車輪を測定するような場合には、次々に通過する車輪について映像のディジタルデータをメモリ２６ｅに格納する。そして対象とする全ての車輪のデータを格納し終わった後、ＣＰＵ２６ｄはメモリ２６ｅから順次データを読みだし演算処理（画像処理）を実行してメモリ２６ｅに格納する。メモリ２６ｅに格納された画像データや処理結果は必要に応じてディスプレイ２８に表示され、また外部装置２９に送信される。
【００１７】次に画像処理の内容について詳しく説明する。図２は、カメラ２３、２４、および２５により撮影される画像を示したもので、それぞれ画像２３ａは前踏面カメラ２３、画像２４ａは後踏面カメラ２４、画像２５ａは側面カメラ２５により撮影される細線状の光による車輪１での反射像を表わしている。これらの画像上におけるフランジ３の先端位置●印は画像処理手法により容易に認識することができ、画像上での位置を求めることができる。図２には直径の異なる２つの車輪が通過した場合の撮影される瞬間の位置を示している。
【００１８】これらの画像が撮影されるタイミングは、光電センサ２７のスポット位置３０を車輪１のフランジ３が横切る瞬間であるため、車輪１の直径が異なる場合、図中に示した「車輪径方向」矢印の方向に位置の差が生じ、撮影される画像も同矢印の方向に差が生じる。そこで、まず、寸法の既知である車輪１について画像を取込み、画像上のフランジ３の先端位置を測定しておく。次に測定対象である車輪１について画像を取込み、画像上のフランジ３の先端の寸法の差を図示した方向の符号付の値として求める。これより実際の寸法差に換算される。
【００１９】即ち、画像２３ａ上での寸法差：△ｒ_m1画像２４ａ上での寸法差：△ｒ_m2画像２５ａ上での寸法差：△ｒ_m3実際の半径方向寸法差（前方）：△ｒ₁実際の半径方向寸法差（後方）：△ｒ₂案際の半径方向寸法差（中央）：△ｒ₃で表すと、これより次式を用いて実際の寸法差が求められる。
【００２０】
△ｒ₁＝△ｒ_m1・Ｍ_y1・cosecφ₁ （１）
△ｒ₂＝△ｒ_m2・Ｍ_y2・cosecφ₂ （２）
△ｒ₃＝△ｒ_m3・Ｍ_y3 （３）
【００２１】上記各式においてＭ_y1、Ｍ_y2、Ｍ_y3はそれぞれの画像上の寸法（画素数）から実際の寸法への換算係数であり、これらは撮像素子のサイズ、Ａ／Ｄ変換の定数、レンズの焦点距離、対象物までの距離によって決定される。測定対象の車輪のサイズの違いによって対象物までの距誰が厳密には異なるが、基準車輪における距離を一律に採用しても誤差は少ない。
【００２２】以上により実際の寸法差が求められるので、図２における基準車輪の中心を通る３つの直線上でそれぞれの値だけ位置をずらした３つの点が決定される。測定対象の車輪１のフランジ３の直径はこの３点を通る円として計算できる。こうしてフランジ直径が求まると、車輪直径は、図６と同様、図４に示すように画像上から求まるγ_mに換算係数Ｍ_y1を乗じて実際の寸法γを求め、次式に基づいて測定される。
【００２３】
車輪直径＝フランジ直径一２γ （４）
【００２４】なお、図４において、図６と対応する符号には添え字ｍを付し、実質的に同一の意味を表すものとする。また、車輪のフランジの軸方向の位置は、側面カメラ２５の画像から求めることができる。側面カメラ２５の光軸と車軸との角度がφ₃であることから、画像上での基準位置からの変位△Ｌ_m3から実際の軸方向変位△Ｌ₃は次式により求めることができる。
【００２５】
△Ｌ₃＝△Ｌ_m3・Ｍ_y3・cosecφ₃ （５）
【００２６】もう一方の車輪についても同様の測定を行なえば、両側の内面間の距離変化が求められ、基準車輪に対する内面間距誰の差が測定できる。このように側面カメラ２５はフランジ３の先端の位置を測定する働きと車輪内面位置を測定する働きを兼ねている。
【００２７】このように、本実施の形態では、測定対象とする車輪の前後にそれぞれ踏面を照射する細線状の光の光源と踏面を撮影するカメラを各１組ずつ設置し、さらに車輪の中央フランジ先端部を車輪側面から照射する細線状の光の光源と側面を撮影するカメラを設置し、これら３つの撮影映像から車輪の３ヵ所のフランジ先端位置を算出し、これら３ヵ所のフランジ先端位置からフランジ直径を算出することができる。従って、従来の非接触測定方法では測定不可能であった車輪側面に基準溝がない車輪についても車輪直径を測定することが可能となる。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれば、車輪の前踏面に関する情報を検出する第１の検出手段と、上記車輪の後踏面に関する情報を検出する第２の検出手段と、上記車輪の側面に関する情報を検出する第３の検出手段と、上記第１、第２および第３の検出手段の出力に基づいて上記車輪の少なくとも直径を演算する演算手段とを備えたので、基準溝のない車輪についても車輪直径を測定することが可能になるという効果がある。
【００２９】請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、第１の検出手段が、車軸に装着された左右一対の車輪のうち一方の上記車輪に対し、該車輪の前方に配置され、該車輪の踏面と中心軸とを結ぶ線上に細線状の第１の光を照射する第１の光源と、上記第１の光により照射された上記踏面の像を撮影する第１の撮影手段とからなり、第２の検出手段が、上記車輪の後方に配置され、該車輪の踏面と中心軸とを結ぶ線上に細線状の第２の光を照射する第２の光源と、上記第２の光により照射された上記踏面の像を撮影する第２の撮影手段とからなり、第３の検出手段が、上記車輪のレールと接する位置において上記車輪のフランジ内面側に配置され、該フランジ内面の先端から上記車輪の中心軸を通る線上の上記フランジ先端を含む所定の範囲に細線状の第３の光を照射する第３の光源と、上記第３の光により照射された上記フランジ内面の像を撮影する第３の撮影手段とからなり、演算手段が、上記各撮影手段により得られる映像信号に基づいて上記車輪の踏面の寸法および直径を算出する画像信号処理装置からなるので、基準溝のない車輪についても車輪直径を確実に測定することが可能になるという効果がある。
【００３０】請求項３の発明による車輪測定装置は、請求項２の発明において、画像信号処理装置が、各撮影手段に対応してそれぞれ設けられた複数のＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力に基づいて車輪に関連する情報を演算するＣＰＵと、該ＣＰＵに接続され上記車輪に関連した情報を格納する記憶手段とを備えたので、車輪に関する画像処理を効率よく行うことができるという効果がある。
【００３１】請求項４の発明による車輪測定装置は、請求項２または３の発明において、第３の撮影手段が、車輪の車軸に対して所定の角度だけずらして設置されているので、車輪のフランジ先端の位置と同時に車輪内面の位置も測定できるという効果がある。
【００３２】請求項５の発明による車輪測定装置は、請求項３または４の発明において、車輪のフランジ先端が所定位置を通過したことを検知し、複数のＡ／Ｄ変換器に対応する撮影手段からの映像信号の取込みを開始させる光電センサを備えたので、３つの撮影手段からの映像信号の取り込みをタイミングよく確実に行うことができるという効果がある。

【出願人】	【識別番号】０００００６０１３【氏名又は名称】三菱電機株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）１０月１４日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】曾我道照（外６名）
【公開番号】	特開平１１－１１８４３５
【公開日】	平成１１年（１９９９）４月３０日
【出願番号】	特願平９－２８０７１１