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Ing. Alessandro Pirovano TECNOGAMMA S.P.A. Service Manager ADVANCES SERVICES BUSINESS UNIT Misura senza contatto dei profili di ruote ferroviarie e determinazione.

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1 Ing. Alessandro Pirovano TECNOGAMMA S.P.A. Service Manager ADVANCES SERVICES BUSINESS UNIT Misura senza contatto dei profili di ruote ferroviarie e determinazione del diametro a partire dalla misura del profilo trasversale su 3 sezioni 02 Dicembre 2009 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie

2 2 Global Footprint Place: Monopoli, Italy Activity: R&D, Manufacturing Employees: 225 Area: 7,398 sqm Place: Columbia, USA Activity: R&D, Manufacturing Employees: 36 Area: 4,325 sqm Place: Marseilles, France Activity: R&D Employees: 10 Area: 180 sqm Place: Treviso, Italy Activity: R&D, Manufacturing Employees: 65 Area: 1,500 sqm MAIN OFFICE Monopoli, Italy BRANCH OFFICE Norway REP OFFICES Roma, italy Switzerland China Korea MAIN OFFICE Treviso, Italy R&D LAB Palermo, Italy REP OFFICE China MAIN OFFICE Columbia, USA REP OFFICES Chicago Brasil UK Italy Spain Unghery Poland China Taiwan Australia MAIN OFFICE Marsiglia, France GLOBAL LOCATIONS Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie

3 3 MER MEC Group in Numbers R & D 72 main clients in 35 countries worldwide 41 unique measuring systems in 6 distinct product families 8 Integrated diagnostic vehicles manufactured & sold worldwide 350,000 km of line measured by MER MEC Groups customers 436 measuring systems sold worldwide DIAGNOSTICS 2,100 km of line equipped with SSC SCMT signaling systems SSC (1426 km) 1083 LEU 1083 Transponders 212 Transponder Tags SCMT (667 km) 100 boxes 508 LEU 3673 Eurobalise 2000 entrance in signaling market with a 4 year time to market. SIGNALLING Measuring Services 2 Hi-Rail diagnostic vehicles with variable gauge capability 1 measuring carriage for use on standard gauge rail lines 5 market segments served (Metro, Light Rail, Ordinary Rail, High- Speed, Heavy-Haul) Integrated services for data acquisition, analysis and maintenance planning ADVANCED SERVICES 17 main clients in 8 countries worldwide 3 industrial sectors served: Long Products, Ring Rollings and Large Open-die Forgings 35 Systems installed IRON & STEEL INDUSTRY 154 people involved in R&D MUIR authorized research laboratory since % of revenues invested annually in R&D 14 new products commercially launched between Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie

4 4 Introduzione allargomento trattato Ambiente Ferroviario Ruota ferroviaria : definizione di profilo e diametro Accenni alle normative Nomenclatura Significato della misura dei parametri geometrici e del diametro Motivazioni Metodi manuali, semiautomatici, automatici Misura del profilo e del diametro senza contatto in linea Modello della ruota ed assunzioni semplificative Processo di misura della ruota in movimento Modello ed Implementazione della misura di profilo Modello ed implementazione della misura del diametro ARGOMENTI TRATTATI NELLA LEZIONE Argomenti - 1

5 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie5 Limiti del modello e del metodo - correzioni Violazioni del modello nel sistema reale Correzioni e compensazioni Sistemi di misura realizzati ed in fase di realizzazione 1a generazione : MTR –Hong Kong 2a generazione : EUROSTAR–LONDRA SIRIA SNCF-PARIGI 3a generazione : RATP– PARIGI HTM-OLANDA ARGOMENTI TRATTATI NELLA LEZIONE Argomenti - 2

6 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie6 FERROVIA Sistema di trasporto in cui si ha il movimento di ruote guidato da rotaie mediante contatto METALLO-METALLO AMBIENTE FERROVIARIO Ferrovia - Treno TRENO Merci – Passeggeri - Leggeri e Tram - Metropolitane Il Treno è un sistema costituito da una sequenza di carrozze : Locomotori - carrozze passeggeri - carrozze merci di diverso tipo – carrozze di servizio ( gru – molatura - posa e manutenzione binari – misura ) Trazione Elettrica o Diesel

7 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie7 CARROZZA Una Carrozza è fondamentalmente costituta da una carrozzeria ed un pianale sostenuto da assi singoli 2 – 4 – 6 o da più carrelli (bogie) che sono strutture meccaniche a 2-3 assili AMBIENTE FERROVIARIO Carrozze – Carrelli – Assili CARRELLO (BOGIE) Il carrello costituisce un modulo che include tutti gli organi di movimento e di frenatura. Si utilizza per sostenere il pianale di una carrozza Utilizzato come componente per progettazione di carrozze ASSILE Utilizzato come elemento singolo o incluso in un carrello. Sostegno delle ruote. Le ruote sono calettate sullassile e lassile ruota su boccole solidali al carrello o alla carrozza

8 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie8 AMBIENTE FERROVIARIO Binario - Rotaia BINARIO Il binario è costituito da due rotaie unite da traverse in modo da fornire la guida alle ruote dei treni. Scartamento : distanza tra i binari misurata da un punto predefinito della testa della rotaia ROTAIA Le rotaie sono di diversa tipologia e forma. Allinterno della stessa tipologia variano di dimensioni e sono classificate in base al peso/metro. Elementi caratteristici della rotaia sono : Piede - Gambo - Fungo - Testa. La testa e la superficie laterale del fungo costituiscono le superfici di contatto tra ruota e rotaia.

9 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie9 AMBIENTE FERROVIARIO Ruota Ferroviaria RUOTA FERROVIARIA Elemento meccanico di forma circolare in acciaio Monoblocco Cerchione Elemento di interfaccia tra la carrozza e le rotaie Trazione contatto ruota rotaia Guida bordino assile forma della superficie di contatto Può includere parti di altri impianti ed elementi legati alla trazione Freni o dischi Sabbiere Calettata su asse

10 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie10 RUOTA FERROVIARIA PROFILO PROFILO Il profilo della ruota si può definire come la curva perimetrale di una sezione trasversale diametrale della ruota

11 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie11 PRINCIPALI ELEMENTI DEL PROFILO DELLA RUOTA FERROVIARIA Flangia o Bordino (Flange) Altezza - Larghezza - Angolo Schiena della Flangia (Flange – Back ) Superfice Di Rotolamento (Tread) Punto di Rotolamento (Tread Datum) Field Side (parete verticale) Diametro ( Diameter ) RUOTA FERROVIARIA NOMENCLATURA - 1

12 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie12 DEFINIZIONI DEGLI ELEMENTI DEL PROFILO DELLA RUOTA FERROVIARIA RUOTA FERROVIARIA NOMENCLATURA - 2 prEN13715 Gazzetta Europea Interoperabilità

13 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie13 RUOTA FERROVIARIA DIAMETRO DIAMETRO Il punto sul profilo a distanza convenzionale dalla schiena della flangia viene detto PUNTO DI ROTOLAMENTO NOMINALE (Tread Datum) Per diametro della ruota si intende il diametro sul punto di rotolamento nominale: Il diametro della circonferenza intersezione con un piano perpendicolare allasse a distanza convenzionale dalla schiena della flangia. Solitamente la distanza convenzionale è 70mm ma sono possibili valori diversi ( ruote per binari a scartamento ridotto )

14 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie14 VALORI DI RIFERIMENTO PER LE RUOTE FERROVIARIE Peso : 100Kg-300Kg PROFILO Larghezza Pneumatico : mm Altezza Flangia : mm Larghezza Flangia: 28 – 32 mm Inclinazione Flangia : 65-70° Conicità nellintorno circonferenza di rotolamento : Linee convenzionali 1:10-1:20 Alta Velocità 1:40-1:50 DIAMETRO Per Scartamenti Standard : Veicoli Trainati : mm Locomotive : 850 – 1300 mm Scartamento Ridotto Veicoli e Locomotive : 750 mm RUOTA FERROVIARIA VALORI DI RIFERIMENTO

15 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie15 AAR : USA Prima di CE : UIC ( Union Internationale des Chamines de Ferre ) Profili derivanti da studi di ottimizzazione dei singoli gestori ferroviari COMUNITA EUROPEA : Norme fondamentali per interoperabilità NORMATIVE Standard riguardanti il profilo ruote Diversi standard ma molti profili sono standard nazionali o adottati da gestori ferroviari Profilo 1/40 Profilo S1002 Profilo EP8

16 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie16 DIRETTIVE : CE Requisiti STI Specifiche Tecniche di Interoperabilità E.R.A European Railway Agency ( Agenzia Ferroviaria Europea ) con supporto di enti. UNIFER – UIC-CER EIM –UTP : Enti Privati formati da gestori ferroviari ed industrie ferroviarie Deroghe speciali temporanee e/o permanenti valutate specificamente da commissioni Consentono una migrazione progressiva dallo stato attuale alla piena interoperabilità con passaggi intermedi Le STI richiamano ( facendole diventare obbligatorie ) pubblicazioni di Altri Enti pubblicamente disponibili ( FICHES UIC, rapporti ORE/ERRI o nome EN). NORMATIVE Norme fondamentali per interoperabilità NORME ISO – IEC : Internazionale CEN – CENELEC ( Parte Elettrica ) - ETSI (telecom) : Europeo COMITATI TECNICI - CEN TC256 CENELEC/TC ITALIA : UNI – UNIFER - CEI : Nazionale FRANCIA : BNF : Nazionale GERMANIA SFS : Nazionale

17 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie17 NORMATIVE NORMA EN13715 Wheelsets profiles This document defines the tread profiles of wheels with diameter greater or equal to 330 mm used on vehicles running on European standard gauge track to fulfill interoperability requirements. These profiles apply to new wheels, whether free standing or assembled as wheelsets, as well as to wheels that require reprofiling during maintenance. Any profile that does not conform to this standard may only be used following agreement between the train operator and the infrastructure manager. INTRODUZIONE DELLA NORMA EN13715 Wheelsets Profiles

18 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie18 CONICITA DELLA SUPERFICE DI ROTOLAMENTO DEL PROFILO DINAMICA DELLA RUOTA FERROVIARIA Superfice di rotolamento e Dinamica di Marcia Conicità nellintorno della circonferenza di rotolamento : Linee convenzionali 1:10-1:20 Alta Velocità 1:40-1:50 Serve per favorire il movimento in curva evitando lo slittamento.. Vi sono diversi modelli cinematici per descrivere il moto degli assili. Il movimento risulta oscillatorio limitato da flangia e conicità. Il modello di Kingel dà una lunghezza donda: Il moto più realmente è a zigzag con lunghezza donda inferiore Conicità inferiori riducono leffetto dando onde più lunghe ed accelerazioni laterali inferiori.

19 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie19 M ETODI M ISURA M ANUALI Con gauges del tipo GO - NO GO Con attrezzatura costruita ad hoc Con strumentazione elettronica a contatto METODI DI MISURA MANUALI Metodi e Limiti L IMITI DEI M ETODI DI M ISURA M ANUALI Treno Fermo accessibile in sicurezza, alzato almeno 2 persone circa 5-10 minuti a ruota Strumenti GO/NO GO non danno indicazioni quantitative Misura manuale affetta da fattore umano

20 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie20 M ETODI M ISURA A UTOMATICI Misura su tornio con ruote montate sul treno o carrelli smontati La misura su tornio è precisa, automatica e non affetta da fattore umano ( 0,2-0,05 mm ) di solito a contatto. L IMITI DEI M ETODI M ISURA A UTOMATICI Implica avere un tornio, investimento di milioni di euro tra macchina spazio e personale. Il treno od il carrello va portato sopra il tornio alla cieca ad intervalli di tempo regolari od intervalli chilometrici regolari METODI DI MISURA AUTOMATICI Metodi e Limiti

21 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie21 RICHIESTE GENERALI DEL SISTEMA DI MISURA DI RUOTE FERROVIARIE Si desidera misurare la ruota: –Automaticamente e senza intervento umano –montata sul treno –durante il suo movimento normale di avanzamento lungo la rotaia. –7/7 giorni 24/24 ore Si considera una massima velocità di avanzamento inferiore a 30Km/h MISURA DELLE RUOTE FERROVIARIE Requisiti Generali

22 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie22 RUOTA IDEALE La ruota ferroviaria è un solido di rotazione con asse generatore corrispondente allasse dell assile. Con profilo si intende la parte del profilo interessante per linterazione ruota-rotaia: schiena della flangia flangia rotolamento lato campo Siamo interessati alla misura del diametro della ruota come sopra definito : circonferenza data dallintersezione del solido ruota con un piano ortogonale allasse generatore passante per un punto dellasse a distanza convenzionale dalla schiena della flangia. GEOMETRIA FISSA Durante il moto lasse generatore appartiene ad un piano e risulta sempre parallelo a sé stesso nel suddetto piano; Il piano si considera parallelo al piano individuato dalle 2 rotaie MISURA DELLE RUOTE FERROVIARIE Assunzioni Semplificative

23 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie23 SISTEMA DI RIFERIMENTO Il sistema Ruota in avanzamento si descrive in uno spazio 3D cartesiano ortonormale ZWT di origine arbitraria dove W e Z definiscono un piano ortogonale allasse generatore e T è parallelo allasse generatore. Lasse Z si considera parallelo alla direzione di avanzamento con verso positivo uguale al verso di avanzamento. MISURA DELLE RUOTE FERROVIARIE Ruota in Avanzamento MISURA DURANTE IL MOTO La misura durante il movimento della ruota avviene considerando le posizione istantanea della ruota ad istanti t n con n=0..N. Cioè consideriamo la possibilità di effettuare misure con la ruota in posizione variabile lungo Z in un certo intervallo.

24 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie24 SISTEMA DI RIFERIMENTO PER IL PROFILO La misura del profilo considera un piano cartesiano Ortonormale a 2 dimensioni XY di origine arbitraria ma fissa nel sistema ZWT. Il profilo risulta quindi una curva nel piano XY. La curva non è una relazione funzionale; la curva è descritta da una mappa X->Y, una sequenza di coordinate (x,y) nel piano XY e non ha una espressione chiusa. MISURA DEL PROFILO Sistema di riferimento per profilo - 1

25 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie25 SISTEMA DI RIFERIMENTO PER IL PROFILO Il profilo è quindi una curva in un sistema di riferimento cartesiano ortonormale XY. Una volta determinata la relazione lineare tra lunità sugli assi del sistema XY e lunità nel sistema metrico ( una semplice proporzione ) risultano possibili tutte le misure metriche relative tra punti del sistema di riferimento e quindi della curva. I passi da esplicitare nelle prossime tavole sono : –Generazione del piano XY –Relazione tra piano XY e spazio metrico –Acquisizione dei punti della curva –Algoritmi per lindividuazione dei punti notevoli –Determinazione delle misure MISURA DEL PROFILO Sistema di riferimento del profilo - 2

26 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie26 LASER E PIANO LASER La miglior approssimazione di una porzione di piano attualmente disponibile è costituita da una sorgente laser opportunamente manipolata otticamente : Focalizzazione del fascio Lente cilindrica generatrice di piano laser Il triangolo Laser si fa coincidere con la porzione del piano XY che include lintersezione interessante con il solido ruota. LIMITI DEL PIANO LASER Spessore del piano finito (0,5mm) Profondità di campo di messa a fuoco ( divergenza trasversale ) Apertura Angolare e distribuzione di energia TRIANGOLAZIONE OTTICA Laser e Piano Laser

27 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie27 TELECAMERA La cattura del profilo e la sua trasformazione in sequenza di coordinate avviene mediante il CCD di una telecamera La telecamera esegue una trasformazione tra un sistema 3D in un sistema 2D coincidente con il suo sensore: cè perdita di informazione! Lo spazio di visione del sensore, opportunamente dimensionato mediante il gruppo ottico si può assimilare ad un tronco di piramide di cui il sensore costituisce la base minore. TRIANGOLAZIONE OTTICA Telecamera - 1

28 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie28 TRIANGOLAZIONE OTTICA Telecamera - 2 TELECAMERA Ipotesi : gli unici punti sorgente di luce riflessa/diffusa nello spazio di visione appartengono al piano laser. Per poter conservare linformazione 3D di nostro interesse è necessario che lasse del campo ottico formi un angolo con il piano laser 0< θ < 90°. La telecamera viene posizionata in modo che lintersezione dello spazio di visione con il piano laser contenga lintersezione tra il piano laser e la ruota. Gli unici punti sorgente di luce nello spazio di visione sono quelli di intersezione tra piano laser e ruota

29 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie29 SPAZIO PIXEL Lintersezione tra piramide di visione e piano laser è un quadrilatero Il sensore campiona i punti del quadrilatero in modo non uniforme e trasforma i punti del piano intersezione nei punti del piano sensore. TRIANGOLAZIONE OTTICA SPAZIO PIXEL Il sistema di riferimento ortogonale discreto, coplanare con il CCD, con origine nel pixel fisico 0,0 ed assi paralleli ai lati del CCD si definisce. Il CCD esegue la trasformazione tra una porzione di sistema di riferimento reale XY e il sistema Spazio Pixel : La trasformazione è discreta non lineare e non esprimibile in forma chiusa.

30 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie30 ACQUISIZIONE DEI PUNTI DELL PROFILO è la visualizzazione dello spazio pixel completo Un è definito lestrazione dal LIVE dei punti di intersezione tra fascio laser e ruota Un punto intersezione è in realtà una fascia di una certa larghezza di pixel la cui intensità supera un valore di Mediana : punto medio della larghezza in Pixel COG : media pesata secondo un modello a distribuzione gaussiana dellintensità Gli algoritmi sono implementati in FPGA e risultano in sequenze di 1024 punti con relazione funzionale : per ogni valore di riga viene associato un unico valore di colonna. Trasmissione di di 4 telecamere fino a circa 500frames/s TRIANGOLAZIONE OTTICA Acquisizione Pixel ALGORITMO ALTERNATIVO PER ESTRAZIONE PUNTI DAL LIVE Punto medio della retta ortogonale ai contorni della traccia ma attualmente non disponibile per implementazione in FPGA

31 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie31 TRIANGOLAZIONE OTTICA Spazio Pixel - LIVE e PIXEL LIVE Tutti i punti del frame della telecamera : 1024x1024 valori PIXEL Solo i punti del profilo estratti da algoritmi implementati in FPGA : 1024 valori

32 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie32 S PAZIO MM Lo spazio MM ( Millimetri ) è una porzione del sistema di riferimento XY, e contiene lintersezione tra piramide del CCD e Piano Laser che è un quadrangolo irregolare. Lorigine del CCD corrisponderà ad un punto nello sistema ZWT ed XY. Il profilo sarà una mappa tra X ed Y, cioè un insieme di coppie di numeri reali dati dalla relazione inversa Ts -1 Il nucleo fondamentale è la determinazione di T mm (r,c) che definiamo come conversione Pixel-Millimetri TRIANGOLAZIONE OTTICA Spazio Millimetri

33 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie33 CALIBRAZIONE Come si determina T mm (r,c) ? Con la CALIBRAZIONE Si determina sperimentalmente la mappa di alcuni punti noti di XY nel piano pixel. Si determinano cioè alcuni elementi di Ts(x,y) con x,y noti. Si può poi calcolare una approssimazione Tpmm(r,c) di Tmm(r,c) in forma esplicita e quindi calcolabile o si procede per interpolazione. TRIANGOLAZIONE OTTICA Calibrazione 33 Piano di calibrazione e 2 barre posizionate sequenzialmente in specifiche posizioni lungo X ed Y. Telecamera acquisisce il laser incidente sulle aste mobili nelle varie posizioni Si forma la griglia nel piano PIXEL e si estraggono gli incroci corrispondenti ai punti noti nel piano XY Lorigine del piano XY nello spazio WZT è completamente arbitraria.

34 c r Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie34 DA PIXEL A MM TRIANGOLAZIONE OTTICA Da Pixel a MM x y Le prestazioni dipendono dalla precisione degli (x,y) noti, dalla loro numerosità e dallalgoritmo di trasformazione inversa utilizzato.

35 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie35 PROFILO COMPETO MISURA DEL PROFILO DELLA RUOTA Profilo Completo Per un profilo completo della ruota occorrono 2 gruppi di triangolazione ottica

36 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie36 CALCOLO DEI PARAMETRI GEOMETRICI MISURA DEL PROFILO RUOTA Calcolo Parametri Geometrici SPAZIO PIXEL Algoritmi di Pulizia Elementare e Riconoscimento Elementare Continuità Relazione Funzionale nello spazio Pixel SPAZIO MM Algoritmi di pulizia Località delle tracce di profilo Continuità Elementi caratteristici Algoritmi di riconoscimento grossolano di punti notevoli ed elementi geometrici notevoli Punti estremi, punti in regioni definite, rette in regioni definite Sezionamento in regioni caratterizzate da relazione funzionale y=f(x) o x=g(y) Interpolazione polinomiale a settori Valutazione Fine dei punti di riferimento e Calcolo sulle curve interpolate

37 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie37 MISURA DEL PROFILO RUOTA Calcolo Parametri Geometrici MISURA DEL DIAMETRO Modello Flussi SW del processo software per il calcolo dei parametri di profilo

38 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie38 ALGORITMI IN SPAZIO MM MISURA DEL PROFILO RUOTA Algoritmi in Spazio MM - 1 Ricerca Rette Ricerca Punti di Riferimento con algoritmi euristici Segmentazione Interpolazione Parabolica della Punta della flangia ( formula chiusa ) Approssimazione lineare del piano di rotolamento Utilizzo del semiprofilo migliore

39 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie39 ALGORITMI IN SPAZIO MM MISURA DEL PROFILO RUOTA Algoritmi in spazio MM - 2 Acquisizione Completa con Interpolazione Acquisizione Completa Dopo Pulizia e Segmentazione Acquisizione Completa con Aree di Segmentazione Acquisizione Completa con Punti di Riferimento Dettaglio Dopo InterpolazioneDettaglio Acquisizione Reale

40 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie40 ALGORITMI IN SPAZIO MM MISURA DEL PROFILO RUOTA Algoritmi in spazio MM - 3 Pixel Trigger Alto e Basso MM Trigger Alto e Basso Sovrapposizione e Segmentazione Interpolazione Polinomiale a segmenti

41 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie41 PROBLEMI TIPICI NEL PROCESSO DI ACQUISIZIONE Laser Largo Profondità di campo di Laser e Telecamera Distribuzione di Energia del fascio molto variabile Rapporto S/N basso Riflessi Ostacoli MISURA DEL PROFILO RUOTA Problemi tipici nel processo di acquisizione

42 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie42 CONTROMISURE Trigger Multipli Scansione Righe CCD monodirezionale o alternata COG Ridondanza di sistemi di triangolazione Visione dellilluminatore contrapposto ( piani perfettamente allineati ) Localizzazione e Finestratura Continuità Algoritmi tipo Sale e Pepe MISURA DEL PROFILO RUOTA Contromisure

43 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie43 MODELLO PER IL CALCOLO DEL DIAMETRO DELLA RUOTA Diametro della circonferenza intersezione della ruota con un piano perpendicolare allasse generatore a distanza nota da una delle basi della ruota. Si deve quindi determinare una circonferenza in un piano ortogonale allasse generatore. Consideriamo il piano definito da WZ sopra introdotto. Questo piano è parallelo al piano che definisce la circonferenza di rotolamento quindi la proiezione su tale piano dei punti del profilo della ruota da origine ad un insieme di circonferenze inclusa quella che ci interessa. Da nozioni di geometria di base è noto che una circonferenza è univocamente determinata da 3 punti. Il modello quindi si basa sulla determinazione di 3 punti della circonferenza nel piano WZ e lapplicazione di un metodo di determinazione analitica del DIAMETRO della stessa. MISURA DEL DIAMETRO Modello

44 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie44 MODELLO PER IL CALCOLO DEL DIAMETRO DELLA RUOTA Diametro misurato sulla proiezione nel piano ZW Metodo 3 punti Asse Ruota Ortogonale a piano ZW MISURA DEL DIAMETRO Visualizzazione del Modello

45 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie45 DETERMINAZIONE DEI 3 PUNTI 5 Gruppi di Triangolazione opportunamente piazzati consentono di ottenere i 3 punti sulla circonferenza esterna della ruota ( Flange Tip ) MISURA DEL DIAMETRO Metodo dei 3 punti LASER CAMERAS

46 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie46 PROCESSO DI ACQUISIZIONE E CALCOLO 5 Gruppi di triangolazione divisi in 3 blocchi Front ( 2 gruppi) – Center ( 1 gruppo) - Back ( 2 gruppi ) con riferimento al verso di avanzamento convenzionale Front e Back : 2 profili completi + 2 punti per il calcolo del diametro simmetrici Center : Vede la spalla della flangia e consente di determinare il 3° punto sulla flangia. MISURA DEL DIAMETRO Acquisizione e Calcolo Z W Laser source Wheel flange side Acquisizione Sincrona per tutto il tempo in cui la ruota è in campo di visione dei 5 gruppi di triangolazione Sequenza di N>=5 quintuple di frames Per ogni quintupla è possibile valutare parametri di profilo e diametro

47 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie47 PROIEZIONE SU ZW MISURA DEL DIAMETRO Proiezione ZW La trasformazione dipende dalla corretta valutazione dei parametri geometrici. CALIBRAZIONE ZW Sono le coordinate in ZW di un punto generico in XY rispettivamente Front Center e Back Sono le coordinate in XY dei medesimi punti

48 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie48 METODO ANALITICO PER LA VALUTAZIONE DEL DIAMETRO DA 3 PUNTI MISURA DEL DIAMETRO Metodi Analitici Valutazione Centro come intersezione assi delle 2 corde e passaggio per 1 punto Imposizione Passaggio per 3 Punti CENTRO RAGGIO

49 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie49 Attrezzatura per Allineamento Piani Laser XY Front – XY Back - Central CALIBRAZIONE Attrezzature per la Calibrazione – Allineamento Piani Laser I fasci laser sono allineati per mezzo di una struttura speciale con delle linee di riferimento su cui visivamente si fanno coincidere le linee laser Il riferimento geometrico sono le casse con opportuni elementi di riscontro per il posizionamento del calibro Al termine i fasci laser giacciono sullo stesso piano Front side cameras Back side cameras

50 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie50 Attrezzatura per Calibrazione piano XY Front – XY Back e XY Central CALIBRAZIONE Attrezzature per la Calibrazione - Calibro XY Front, XY Back, XY Central Piano XY Front – XY Back Piano XY Central Unasta viene posizionata sequenzialmente per formare una griglia di rette nello spazio mm le cui intersezioni sono a distanze note. Nello spazio pixel si determinano gli incroci delle curve acquisite e si associano agli incroci dello spazio mm. Si ha così una mappa parziale tra Spazio Pixel e Millimetri sufficiente ad alimentare gli algoritmi ci calibrazione o di trasformazione Il Piano della Griglia deve essere parallelo al piano laser e la sua forma risente degli ingombri meccanici e del campo di visione

51 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie51 Attrezzatura per Calibrazione ZW CALIBRAZIONE Attrezzature per la Calibrazione – Piano ZW Calibrazione ZW Si acquisicono le tracce di un calibro speciale. Mediante una elaborazione semiautomatica si ricavano i parametri di proiezione XY -> ZW

52 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie52 Attrezzatura per la Verifica della Calibrazione CALIBRAZIONE Attrezzature per la Calibrazione – Verifica Si utilizza una struttura con tre sagome di profilo geometrico squadrato e di dimensioni certificate Le sagome sono posizionate in corrispondenza dei 3 fasci laser nei punti di passaggio della circonferenza nominale. Unevoluzione porta a costruire le sagome con la faccia interessata dal fascio laser con raggio di curvatura pari alla circonferenza nominale

53 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie53 VARIAZIONI RISPETTO AL MODELLO Variazioni rispetto al modello – Non Diametralità Non Diametralità dei Piani Correzione Radiale Resta Fisso il Punto minimo della flangia Per ogni punto generico P 1 del piano XY è possibile determinare il suo compensato

54 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie54 VARIAZIONI RISPETTO AL MODELLO Variazioni rispetto al modello – Proiezione Ellittica SCOMPOSIZIONE DELLA POSIZIONE DELLA RUOTA SECONDO ROTAZIONI RISPETTO AGLI ASSI ZWT Imbardata (Jaw) : circolo di rotolamento ruotato rispetto asse W Campanatura (Roll) : Circolo di rotolamento ruotato rispetto asse Z Leffetto finale è una proiezione reale ellittica sul piano WZ e la valutazione di una circonferenza generalmente maggiore. Lentità della distorsione dipende dalle funzioni trigonometriche sen() dellangolo di rotazione che per angoli piccoli sono piccole e di difficile compensazione

55 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie55 ERRORI DI MISURA Fonti di errore Gli Errori di misura dipendono essenzialmente da : Meccanica ed Ambiente Tolleranze di lavorazione Range Di temperatura Installazione Non aderenza al Modello Imbardata e Campanatura Processo di acquisizione Piano Laser Calibrazione e valutazione dei parametri geometrici Estrazione Profilo Processo di Elaborazione Interpolazione Determinazione Punti Di Riferimento Valutazione Indiretta delle grandezze Somme e Differenze Applicazione di formule chiuse VALUTAZIONE ANALITICA ESTREMAMENTE DIFFICILE E PRATICAMENTE NON SIGNIFICATIVA SIMULAZIONI ED ORDINI DI GRANDEZZA NOTEVOLE ATTIVITA SPERIMENTALE

56 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie56 REALIZZAZIONE Schema di un sistema SCHEMA A BLOCCHI DI UN SISTEMA DI MISURA

57 P RESENTAZIONE D ELLE I NFORMAZIONI Output Testuale Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie57 OUTPUT TESTUALE

58 P RESENTAZIONE D ELLE I NFORMAZIONI Output Sinottico Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie58 OUTPUT SINOTTICO

59 P RESENTAZIONE D ELLE I NFORMAZIONI Output Grafico Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie59 OUTPUT GRAFICO

60 P RESENTAZIONE D ELLE I NFORMAZIONI Output Trend Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie60 Trend

61 S ISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 1a generazione : MTR –Hong Kong MTR - HONG KONG Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie61 CARATTERISTICHE 3 Gruppi Triangolazione per rotaia Monodirezionale Profilo Completo Front Semiprofilo Back per Punto di Rotolamento Punto centrale tangente a rotaia SPECIFICHE Profilo e diametro +/- 1mm Velocità < 10Km/h

62 S ISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 1a generazione : MTR –Hong Kong MTR - HONG KONG Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie62 PRESTAZIONI WPMS measurement data ( 10 Nov 09 ) V.S. Wheel Lathe and Miniprof Data post-measurement (06 Nov 09) 4 Passages Train No. Coach No. Wheel No. Wheel Diameter (Wheel Lathe) Wheel Diameter Deviation min Wheel Diameter Deviation max Wheel Diameter Span Flange Thickness (MiniPro) Flange Thikcness (Difference ) min Flange Thikcness (Difference ) max Flange Thikcness span Flange Height (MiniPro) Flange Height (Difference ) min Flange Height (Difference ) max Flange Height span T5D5101A805,43-0,05-0,300,25 28,9830,3630,2530,11031,297-0,063-0,1630,100 T5D5101B805,240,140,040,10 29,0750,315-0,0150,33031,2190,1690,0990,070 T5D5102A805,33-0,22-0,430,21 29,0530,2230,1030,12031,200-0,130-0,2000,070 T5D5102B805,19-0,01-0,160,15 29,1530,233-0,1770,41031,2980,1180,0980,020 T5D5103A805,55-0,27-0,370,10 29,0120,2820,1820,10031,246-0,104-0,1440,040 T5D5103B805,540,06-0,030,09 29,2190,309-0,1210,43031,2910,1710,0910,080 T5D5104A805,01-0,21-0,260,05 28,9780,2380,2080,03031,259-0,111-0,1210,010 T5D5104B805,170,21-0,050,26 29,1620,232-0,1780,41031,2840,1640,1240,040

63 S ISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 2a generazione : UK Eurostar UK - LONDRA - EUROSTAR Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie63 CARATTERISTICHE 5 Gruppi Triangolazione per rotaia Bidirezionale SPECIFICHE Profilo e diametro +/- 0.1mm Velocità < 20Km/h

64 S ISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 2a generazione : SIRIA CFS SIRIA - CFS Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie64 CARATTERISTICHE 5 Gruppi Triangolazione per rotaia Bidirezionale SPECIFICHE Profilo e diametro +/- 0.3mm Velocità < 20Km/h

65 S ISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 3a generazione : HTM - RATP HTM - OLANDA RATP – PARIGI - FRANCIA Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie65 CARATTERISTICHE 5 Gruppi Triangolazione per rotaia (14 Telecamere) Bidirezionale SPECIFICHE Profilo e diametro +/ mm Velocità < 30Km/h

66 S ISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE Performances 2a e 3a generazione Performances 2a e 3a generazione Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie66

67 RINGRAZIAMENTI FINALI Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie67 GRAZIE A TUTTI PER LATTENZIONE

68 via Oberdan, Monopoli (BA) Italy ph fax Technical Center 220 Outlet Pointe Blvd. Columbia, SC 29210, USA ph fax Technopôle de Château-Gombert Les Baronnies - Bat. A rue Paul Langevin Marseille (France) ph. +33 (0) fax +33 (0) vicolo Ongarie, Morgano (TV), Italy ph fax Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie


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