JP3154332B2 - 形状をスキャニングするための装置とこの使用 - Google Patents

形状をスキャニングするための装置とこの使用

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JP3154332B2 JP50413392A JP50413392A JP3154332B2 JP 3154332 B2 JP3154332 B2 JP 3154332B2 JP 50413392 A JP50413392 A JP 50413392A JP 50413392 A JP50413392 A JP 50413392A JP 3154332 B2 JP3154332 B2 JP 3154332B2
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/20—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring contours or curvatures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は形状のスキャニングのための、そして請求項
１の序文に更に詳細に開示されたような装置に関する。
形状、例えば、物品の断面形状のスキャニングは多く
の実用的用途を有し、かつ従って、多くの技術分野、例
えば、製造管理、消耗等の測定に関して使用される。
本発明は列車輪およびレールの断面形状の測定に関し
て開発されてきているので、この関係で説明するが、本
発明による装置が多くの他の物品および品種の表面また
は形状のスキャニングに使用できることは当分野の関係
者に自明であろう。
鉄道の運転において、車輪およびレールの断面形状は
列車の運搬力学、ここでは列車の安全性、快適性および
運転経済にとって非常に重要事である。運転中に、車輪
およびレールは磨耗し、この結果、破損および脱線、消
耗の加速、および車輪の走行性の減退の危険が増大す
る。消耗した車輪およびレールは結果として運転中の動
力の増加を招き、快適さを減少させ、かつ消耗を一層加
速させることになる。車輪およびレール、特に、その断
面形状の定期検査によって系統的かつ条件の決められた
メインテナンスが可能であり、運転コストは相当に節減
される。しかし、全車両のメインテナンスの大部分は、
条件の系統的監督に基づくのではなく、運転時間と運転
距離の測定に基づいて行われている。
物品、例えば、列車輪の断面形状を測定することは、
例えば、ヨーロッパ特許出願第0,252,164号またはドイ
ツ公報第3,637,839号で既知である。上記既知装置は、
車輪形状の測定が実施される間、車輪に壁締に取り付け
られなければならないので使用に際して複雑かつ時間の
浪費であり、特に測定結果の計算および車輪の機械によ
る切断および修理をいかにして実行するかの評価が複雑
である。従って、既知タイプの装置の多くは作業場使用
として、即ち、該当列車の輸送が運転を終止したとき
に、配設される。
請求項１の序文に開示されたと実質的に同一形状の装
置で三次元対象物の形状をスキャンまたは測定すること
はヨーロッパ特許出願第0,155,084号から知られてい
る。しかし、この装置はスキャニングプローブの形態に
より、また装置に連結された電子回路がこのために配設
されていないことから凸面および湾曲面の測定のみが可
能である。
発明の利点 本発明による測定装置において、物品の全側面のスキ
ャンまたは測定が可能である。即ち、物品の『下側』ま
たは凹領域を有する物品のスキャンが可能である。例え
ば、レールの形状のスキャニングに関してレール上の下
向面のスキャンができるのでレールの消耗程度の全図を
取ることができる。
請求項１に記載の特徴を有する本発明による装置は形
状、例えば列車輪の走行面の形状またはレールの上面が
非常に迅速にスキャンされると言う優れた利点を有す
る。本発明の装置は、通常、小型携帯ユニットの形態に
形成されるので、そのスキャニングは運搬車輪上の『本
来場所で』、即ち、車輪にアクセスできる所望のいずれ
の場所においても実施できる。
本発明の装置は形状を測定しようとする物品の上また
は近傍に単に設置し、その後、アングル測定継手の位置
の連続的スキャニング中、本装置のスキャニングアーム
を手でその形状の上へ接触させる。
電子アングルエンコーダーとコンピュータ、例えば小
型ポータブルコンピュータとの結合は、車輪形状がスキ
ャンされた後に直ちに該形状が許容できる限界内かそれ
を越えているかの程度に関する質問に対して応答が得ら
れる効果を生じる。他の利点は全測定結果がコンピュー
タ内、例えばフレキシブルディスク上に保存でき、かつ
その情報はメインテナンスを制御する中央EDPプラント
へ送られるか、または自動機械器具の直接制御のため、
例えば車輪の機械加工修理のための自動旋盤のために使
用できることである。
請求項２に記載のごとく本発明により上記装置を構成
することにより、形状をスキャンしようとする対象物が
鉄道車輪およびそのレールのごとく磁化性材で形成され
ている場合にその対象物との常に正確な接触が確保され
る。
請求項３に記載されたように本発明による装置を構成
することにより、上記装置の位置決めは、例えば鉄道車
輪または同様の鉄製物品である場合のごとく測定される
物品が磁化性である場合には、単純化される。
本発明による装置が請求項３に記載されたように構成
される場合、上記装置は道具を使用することなくかつ時
間を不必要に消耗することなく車輪から車輪へ迅速に移
動できる。
本発明による装置が請求項4,5または６に記載された
ように構成される場合、形状の測定またはスキャニング
は更に迅速かつ精確に実施され、かつコンピュータへ送
られたその結果と標準形状との比較が可能である。
上記のごとく、本発明の装置は請求項７または８に記
載のごとき形状のスキャニングに使用するために開発さ
れてきたが、他の物品の断面形状または表面形状の測定
のためにいかなる原理の変更を伴うことなく使用でき
る。しかし、本願による発明は記載された特定使用に非
常に適していることを示している。この理由は制御測定
の実施に消費される時間が相当に短縮されるので、本発
明による装置は、例えば鉄道材の条件の決められたメイ
ンテナンスに使用できることである。
図面 以下に、本発明を本発明の好適例に関して詳細に説明
する。図面において、 図１は鉄道車輪の測定中を上から見たスキャニング装
置を示す。
図２は図１の装置を側から部分的に見た部分断面図を
示す。
図３はピンゲージ固定具使用時の測定機構を示す。
図４はレール形状のスキャニング時の本発明による測
定装置の使用法を示す。
図５は図４の装置の上から見た図を示す。
図６は上記測定装置の電子回路のブロック線図を示
す。
図７は列車輪の測定および計算結果のスクリーン図を
示す。
実施態様の説明 図1,2および６を参照して、以下に本発明による装置
１の原理を通常の丸い車輪フランジ３を有する列車輪２
上の走行面の断面形状のスキャニングに関連して説明す
る。
装置１は固定部10、例えば硬質、中実の鉄または金属
部、その上に固定支持された直角アングルの同様の固定
部11から成り、この上に可動スキャニング装置それ自体
が取り付けられる。
固定部10は、例えば、固定部10を上記車輪の内側上に
堅締かつ不動に定着させる磁石15を含む。上記固定部の
フランジ３の上部に対する位置決めのために、上記固定
部は１以上の支持要素、例えば管またはシリンダ12を含
み、このシリンダは直角アングルで上記固定部から延び
る。図１参照。上記固定部は支持要素12が車輪フランジ
３の最高点に当接するように設置することにより上記車
輪に対して位置決めされる。図１参照。
固定部10は、また、車輪２の半径方向に摺動するよう
に配設された要素または測定ゲージ13を有し、かつネジ
等またはハンドル14により移動する。図２参照。例え
ば、図２の半径方向部13に対して直角アングルにある上
部16はリング厚の測定のための出発点を構成し、上記測
定ゲージの下端部は図２のごとく上記車輪リングの内側
に当接するように配設された上方へ傾斜したゲージ点ま
たは尖端17を有する。点17と上部16との間には後述のコ
ンピュータへ送られる所定距離がある。
上記可動スキャニング装置は固定部11上に堅締かつ固
定して据え付けられた第１アングルエンコーディング継
手20から成る。図１参照。第１アングルエンコーディン
グ継手20の出力シャフト上には第１アーム22が設置され
ている。このアームの自由端部には他のアングルエンコ
ーディング継手21があり、その出力シャフト上には第２
アーム23が設置されている。第２アーム23の自由端部に
はスキャンされる形状の上を通過かつ接触するように配
設されたローラまたは車輪24がある。上記可動部はスキ
ャンされる形状の表面に対して、通常、直角アングル、
上記図示例において車輪に対して直角アングル（半径方
向）となる所定平面内で移動し、かつ上記車輪の軸を含
んでいるので、ローラ24は図１の矢印25で示されたトラ
ックに追従できる。上記ローラまたは車輪24は永久磁石
材で形成されてよく、磁気を帯びることのできる鉄また
は他の材料である場合に、その形状との接触を確実にす
る。２つのアングルエンコーディング継手20,21は、例
えばドイツ、Heidenhainにより製造されたMinirod450型
のIncremental Rotary Encodersまたは他の同様電子ア
ングルエンコーダーであってよい。
上記２つのアングルエンコーダーは同一であっても、
また異なる測定精度を有する他のアングルエンコーダー
が、そのアームに応じて使用されてもよい。
上記２つのアングルエンコーダーからの出力信号はイ
ンターフェース回路51,51′,52を介してコンピュータへ
送られる。このインターフェース回路は図６に関連して
説明される。
上記２つのアングルエンコーダー20,21の各々は光感
知ダイオート50,50′から成り、これは各アングルエン
コーダー内に設置された図示されていない光源により照
明される。上記アングルエンコーダー内の上記ダイオー
ドからの出力信号は各々そのインターフェース回路51,5
1′へ送られ、そこで上記アングルエンコーダーからの
該信号は増幅され、かつ適宜調整されて共通回路52、EP
M5046型のいわゆるEPLD（消去可能プログラム可能論理
装置）へ送られ、そこから各アングルエンコーダーの角
変位のための、デジタル信号値と言われる絶対的角度測
定がコンピュータ54、例えばいわゆるPC（パーソナルコ
ンピュータ）のデータバス53へ送られる。上記測定装置
により、非常に精確な角度測定が達成され、若干のデシ
マルをもつ精度の絶対的角度測定がデジタル方式で達成
される。コンピュータ54は、適宜、予めプログラムされ
て上記アングルエンコーダーの出発角度、可動アーム2
2,23の長さ、およびスキャニング車輪の直径24に関する
情報を有し、かつ適宜アルゴリズムの使用によりスキャ
ニング終了後数秒でコンピュータ54のスクリーン上にス
キャンされた形状の精確な図を表示し、あるいは上記コ
ンピュータ内の形状に関する情報を、例えばフロッピー
デイスク上に保存する。
図７はコンピュータの表示スクリーンを示し、ここで
はカーブ60がスキャンされた形状を示し、61が関連車輪
の標準的形状を示し、かつ62が標準形状とスキャン形状
との差異を示す。
上記使用コンピュータは、例えば、Compac LET型のバ
ッテリ駆動PC、または東芝T1000XE、または対応するポ
ータブルコンピュータである。かかるコンピュータおよ
び上記測定装置の使用中、＋／−0.05mmより良い測定精
度と、2000点／秒より速いスキャニング速度が得られ
る。典型的には、上記スキャニングは２−３秒間行い、
所望により、上記スキャニングを同時にスクリーン上に
表示できる。計算作業は上記スキャニング後に数秒で終
了する。上記スキャニングの結果および計算は自動的に
保存され、再呼出しにより紙上に表示および／または印
刷ができる。
上記測定の連続測定はアーム22,23を移動することに
より開始され、アングルエンコーダー20,21はその出発
点または基準点を通過し、かつ上記コンピュータはその
出発角度を知る。この後に、上記コンピュータ明瞭な信
号、例えば音響信号を発生し、かつ図２に示されたよう
に測定車輪24が再びその形状のスキャニングとレジスト
レーションのために列車輪２の形状の上を移動する。上
記アングルエンコーダーの出発点または基準点は、当然
ながら、連続測定が始まるときに通ることが自然である
適宜角度位置に設置される。
スキャニング車輪24を測定ゲージ13,16へ誘導するこ
とにより、図２参照、測定ゲージ13の反対端部が上記リ
ングの下側へその尖端17を当接したときに、上記車輪の
リングの厚みが上記コンピュータへ送られる。
上記スキャニングがレジスタされると同時に、上記装
置は上記関連車輪または他の輪または新しくスキャニン
グするための品種上の新しい場所へ移動できる。
図３は作業場の使用、即ち、一対の車輪の両輪に完全
アクセクをする場合に、車輪形状２の測定に使用するた
めの、所謂ピンゲージ固定具５を示す。ピンゲージ固定
具５は測定尖端33が１方の車輪と接触させて設置され、
かつ固定具の支持ビーム31は両車輪と接触させて設置さ
れる。測定尖端33は可動測定ゲージ32上に据え付けられ
る。この可動測定ゲージ32は、また、両車輪の相互間隔
の測定のための測定点または尖端34を有する。使用され
る測定装置１は固定具５へ直接的に固定できるが、図１
および２に示されたように可動型であってよく、測定を
行う前に磁気によりまたは他の方法により上記固定具へ
固定されてよい。
図４および５は他の形態の固定具６を示す。この固定
具は、レールの上形状の測定中、本発明によるスキャニ
ング装置を位置決めしかつ固定するように配設される。
固定具６における上記支持ビームは、例えば接触要素42
の使用中、上記レール要素の上側上に停止するように、
配設された伸縮アーム41である。上記測定が実際に行わ
れるレールの反対側には、接触マンドレルまたは測定尖
端43が設けられ、かつ測定されているレール４には同様
に接触部44が設けられ、そのようにしてピンゲージ固定
具６はレール要素上に正確に位置決めされることができ
る。上記レールの上形状のスキャニングは図４に示され
たようにレール４の上形状上へスキャニングローラ24を
先導することにより行われ、上記の説明かつ図示したよ
うに測定される。
基準として反対側車輪またはレールを用いて上記ピン
ゲージ固定具を利用することにより、上記測定精度は改
良され、かつ上記車輪フランジの裏側上の可能な不精度
はその測定に影響を与えない。測定点から反対側車輪ま
たは反対側レールまでの間隔が比較的大きいので、上記
装置の上記固定部と測定される対象物との間の角度エラ
ーはピンゲージ固定具が使用される場合には大幅に減少
される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】形状の上に接触して移動することのできる
    自由端部（24,24′）を有する可動部および上記可動部
    を支持する固定部（10,11）から成り、上記可動部は少
    なくとも１つの第１アーム（22）および少なくとも１つ
    の第２アーム（23）から成り、上記第１および第２アー
    ムは電子アングルエンコーディング継手（21）により端
    部で共に連結され、上記第１アームは他の電子アングル
    エンコーディング継手（20）を介して上記固定部へ連結
    され、上記第２アームの自由端部（24,24′）はスキャ
    ンされるべき形状と接触すべく配設され、上記第１およ
    び第２アームと上記継手は上記自由端部が所定平面内を
    移動するように配設されかつ共に連結され、上記継手は
    インターフェース回路（49）を介して電子計算回路、好
    ましくはコンピュータへ連結され、上記第２アームの上
    記自由端部は磁性または磁化性材料により形成されたロ
    ーラまたは車輪（24,24′）から成り、上記固定部（10,
    11）はスキャンされる形状に取り付けられるまたは固定
    されることのできる手段（12,15）を有し、かつ上記固
    定部（10,11）は相互に所定間隔を置いて設置された部
    （16,17）を含む移動自在の測定ゲージ（13）を更に含
    む、形状をスキャニングするための装置であって、上記
    測定ゲージ（13）は、そのスキャニングアーム（23）が
    移動することのできる所定平面と同一面または平行面内
    を移動できるように配設されていることを特徴とする形
    状スキャニング装置。
  2. 【請求項２】上記スキャンされる形状に取り付けられる
    手段は１以上の永久磁石（15）から成ることを特徴とす
    る、請求項１の装置。
  3. 【請求項３】上記固定部（10,11）が位置決めされかつ
    固定されることのできるホルダまたはピンゲージ固定具
    （5,6）を更に含み、上記ホルダまたはピンゲージ固定
    具は間隔測定のための測定点を構成する部（34,44）か
    ら成り、上記測定点は所定長の移動自在部（32）上に設
    けられていることを特徴とする、請求項１または２の装
    置。
  4. 【請求項４】列車輪の断面形状を測定するために使用さ
    れる請求項１から３のいずれか１の装置。
  5. 【請求項５】レールの断面形状を測定するために使用さ
    れる請求項１から３のいずれか１の装置。
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