02 Dicembre 2009
Misure senza contatto di profilo e diametro di
ruote ferroviarie
Misura senza contatto dei profili di ruote ferroviarie e
determinazione del diametro a partire dalla misura del
profilo trasversale su 3 sezioni
Ing. Alessandro Pirovano
TECNOGAMMA S.P.A.
Service Manager
ADVANCES SERVICES BUSINESS UNIT
Global Footprint
GLOBAL LOCATIONS








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
Place: Columbia, USA
Activity: R&D, Manufacturing
Employees: 36
Area: 4,325 sqm
2
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie




Place: Monopoli, Italy
Activity: R&D, Manufacturing
Employees: 225
Area: 7,398 sqm
MER MEC Group in Numbers
DIAGNOSTICS
 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
Group’s customers
 436 measuring systems
sold worldwide
3
SIGNALLING
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.
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
ADVANCED SERVICES
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, HighSpeed, Heavy-Haul)
• Integrated services for
data acquisition, analysis
and maintenance
planning
IRON & STEEL INDUSTRY R & D
 17 main clients in 8
countries worldwide
 154 people involved in
R&D
 3 industrial sectors
served: “Long Products”,
“Ring Rollings” and
“Large Open-die
Forgings”
 MUIR authorized
research laboratory
since 2001
 35 Systems installed
 15% of revenues
invested annually in
R&D
 14 new products
commercially launched
between 2004-2007
ARGOMENTI TRATTATI NELLA LEZIONE
Argomenti - 1

Introduzione all’argomento trattato
•
•
•
•

Significato della misura dei parametri geometrici e del diametro
•
•

Motivazioni
Metodi manuali , semiautomatici, automatici
Misura del profilo e del diametro senza contatto in linea
•
•
•
•
4
Ambiente Ferroviario
Ruota ferroviaria : definizione di “profilo” e “diametro”
Accenni alle normative
Nomenclatura
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
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
ARGOMENTI TRATTATI NELLA LEZIONE
Argomenti - 2

Limiti del modello e del metodo - correzioni
•
•

Sistemi di misura realizzati ed in fase di realizzazione
•
•
•
5
Violazioni del modello nel sistema reale
Correzioni e compensazioni
1a generazione : MTR –Hong Kong
2a generazione : EUROSTAR–LONDRA SIRIA SNCF-PARIGI
3a generazione : RATP– PARIGI HTM-OLANDA
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
AMBIENTE FERROVIARIO
Ferrovia - Treno
FERROVIA
Sistema di trasporto in cui si ha il movimento di
ruote guidato da rotaie mediante contatto
METALLO-METALLO
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
6
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
AMBIENTE FERROVIARIO
Carrozze – Carrelli – Assili
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
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” sull’assile e
l’assile ruota su boccole solidali al carrello o alla carrozza
7
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
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. All’interno 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.
8
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
AMBIENTE FERROVIARIO
Ruota Ferroviaria
RUOTA FERROVIARIA

Elemento meccanico di forma circolare in acciaio
•
•

Elemento di interfaccia tra la carrozza e le rotaie
•
•

9
Trazione
 contatto ruota rotaia
Guida
 bordino
 assile
 forma della superficie di contatto
Può includere parti di altri impianti ed elementi
legati alla trazione
•
•

Monoblocco
Cerchione
Freni o dischi
Sabbiere
Calettata su asse
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
RUOTA FERROVIARIA
PROFILO
PROFILO
Il profilo della ruota si può
definire come la curva
perimetrale di una sezione
trasversale diametrale della
ruota
10
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
RUOTA FERROVIARIA
NOMENCLATURA - 1
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 )
11
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
RUOTA FERROVIARIA
NOMENCLATURA - 2
DEFINIZIONI DEGLI ELEMENTI DEL PROFILO DELLA RUOTA FERROVIARIA
Gazzetta
Europea
Interoperabilità
prEN13715
12
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
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 all’asse a distanza
convenzionale dalla schiena della flangia.
Solitamente la distanza convenzionale è 70mm ma
sono possibili valori diversi ( ruote per binari a
scartamento ridotto )
13
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
RUOTA FERROVIARIA
VALORI DI RIFERIMENTO
VALORI DI RIFERIMENTO PER LE RUOTE FERROVIARIE

Peso : 100Kg-300Kg

PROFILO
 Larghezza Pneumatico : 120-140 mm
 Altezza Flangia : 28-32 mm
 Larghezza Flangia: 28 – 32 mm
 Inclinazione Flangia : 65-70°
 Conicità nell’intorno circonferenza di rotolamento :
 Linee convenzionali 1:10-1:20
 Alta Velocità 1:40-1:50

DIAMETRO
Per Scartamenti Standard :
Veicoli Trainati : 800 - 900 mm
Locomotive : 850 – 1300 mm
Scartamento Ridotto
Veicoli e Locomotive : 750 mm
14
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
NORMATIVE
Standard riguardanti il profilo ruote
Diversi standard ma molti profili sono standard nazionali o adottati da gestori ferroviari
Profilo EP8
Profilo 1/40




15
Profilo
S1002
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
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
NORMATIVE
Norme fondamentali per interoperabilità

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).

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
16
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
NORMATIVE
NORMA EN13715 Wheelsets profiles
INTRODUZIONE DELLA 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.
17
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
DINAMICA DELLA RUOTA FERROVIARIA
Superfice di rotolamento e Dinamica di Marcia
CONICITA’ DELLA SUPERFICE DI ROTOLAMENTO DEL PROFILO
Conicità nell’intorno 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 d’onda:
L k  2π
rs
con
2γ
r  0.45 s  1.5m γ  1
20
 L k  16m
Il moto più realmente è a zigzag con lunghezza
d’onda inferiore
Conicità inferiori riducono l’effetto dando onde
più lunghe ed accelerazioni laterali inferiori.
18
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
METODI DI MISURA MANUALI
Metodi e Limiti
METODI MISURA MANUALI

Con “gauges” del tipo GO - NO GO

Con attrezzatura costruita ad hoc

Con strumentazione elettronica a
contatto
LIMITI DEI METODI DI MISURA MANUALI

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
19
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
METODI DI MISURA AUTOMATICI
Metodi e Limiti
METODI MISURA AUTOMATICI

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.
LIMITI DEI METODI MISURA AUTOMATICI
20

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
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DELLE RUOTE FERROVIARIE
Requisiti Generali
RICHIESTE GENERALI DEL SISTEMA DI MISURA DI RUOTE
FERROVIARIE

Si desidera misurare la ruota:
–
–
–
–

21
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
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DELLE RUOTE FERROVIARIE
Assunzioni Semplificative
RUOTA IDEALE

La ruota ferroviaria è un solido di rotazione con asse generatore corrispondente all’asse
dell’ assile.

Con profilo si intende la parte del profilo interessante per l’interazione ruota-rotaia:
•
•
•
•

schiena della flangia
flangia
rotolamento
lato campo
Siamo interessati alla misura del diametro della ruota come sopra definito : “circonferenza”
data dall’intersezione del solido “ruota” con un piano ortogonale all’asse generatore
passante per un punto dell’asse a distanza convenzionale dalla schiena della flangia.
GEOMETRIA FISSA

22
Durante il moto l’asse 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
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DELLE RUOTE FERROVIARIE
Ruota in Avanzamento
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
all’asse generatore e T è parallelo all’asse
generatore. L’asse Z si considera parallelo
alla direzione di avanzamento con verso
positivo uguale al verso di avanzamento.
MISURA DURANTE IL MOTO

23
La misura durante il movimento della ruota
avviene considerando le posizione istantanea
della ruota ad istanti tn con n=0..N. Cioè
consideriamo la possibilità di effettuare misure
con la ruota in posizione variabile lungo Z in un
certo intervallo.
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL PROFILO
Sistema di riferimento per profilo - 1
SISTEMA DI RIFERIMENTO PER IL
PROFILO
24

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.
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL PROFILO
Sistema di riferimento del profilo - 2
SISTEMA DI RIFERIMENTO PER IL PROFILO
25

Il profilo è quindi una curva in un sistema di riferimento cartesiano ortonormale XY.

Una volta determinata la relazione lineare tra l’unità sugli assi del sistema XY e l’unità 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 l’individuazione dei punti notevoli
– Determinazione delle misure
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
TRIANGOLAZIONE OTTICA
Laser e Piano Laser
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
l’intersezione 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
26
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
TRIANGOLAZIONE OTTICA
Telecamera - 1
TELECAMERA
27

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: c’è
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.
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
TRIANGOLAZIONE OTTICA
Telecamera - 2
TELECAMERA
28

Ipotesi : gli unici punti sorgente di luce
riflessa/diffusa nello spazio di visione
appartengono al piano laser”.

Per poter conservare l’informazione 3D di nostro
interesse è necessario che l’asse del campo
ottico formi un angolo con il piano laser 0< θ <
90°.

La telecamera viene posizionata in modo che
l’intersezione dello “spazio di visione” con il
“piano laser” contenga l’intersezione 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”
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
TRIANGOLAZIONE OTTICA
SPAZIO PIXEL
SPAZIO PIXEL

L’intersezione 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.

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 <Spazio Pixel>.

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.
Ts (x, y)  RxR  I  NxN
Ts1,1 (x, y) Ts1,2 (x, y) x


c Ts2,1 (x, y) Ts2,2 (x, y) y
r
29
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
TRIANGOLAZIONE OTTICA
Acquisizione Pixel
ACQUISIZIONE DEI PUNTI DELL PROFILO

<LIVE> è la visualizzazione dello spazio pixel completo

Un <pixel> è definito l’estrazione 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 <trigger>
•
Mediana : punto medio della larghezza in Pixel
•
COG : media pesata secondo un modello a distribuzione gaussiana dell’intensità

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 <pixel> di 4 telecamere fino a circa 500frames/s
ALGORITMO ALTERNATIVO PER
ESTRAZIONE PUNTI DAL LIVE
Punto medio della retta ortogonale ai contorni
della traccia ma attualmente non disponibile
per implementazione in FPGA
30
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
TRIANGOLAZIONE OTTICA
Spazio Pixel - LIVE e PIXEL
LIVE
Tutti i punti del frame della
telecamera : 1024x1024 valori
31
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
PIXEL
Solo i punti del profilo estratti
da algoritmi implementati in
FPGA : 1024 valori
TRIANGOLAZIONE OTTICA
Spazio Millimetri
SPAZIO MM

Lo spazio MM ( Millimetri ) è una porzione del sistema di riferimento XY, e contiene
l’intersezione tra piramide del CCD e Piano Laser che è un quadrangolo irregolare.

L’origine 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
P(x, y)  {(x, y) | (r, c) | Ts (x, y)  (r, c)}
P(x, y)  Ts1 (r, c)  Tmm (r, c)

32
Il nucleo fondamentale è la determinazione di Tmm(r,c) che definiamo come conversione
Pixel-Millimetri
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
TRIANGOLAZIONE OTTICA
Calibrazione
CALIBRAZIONE



Come si determina Tmm(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.
• 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
• L’origine del piano XY nello
spazio WZT è completamente
arbitraria.
33
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
TRIANGOLAZIONE OTTICA
Da Pixel a MM
DA PIXEL A MM
r
y
c
(x, y)  Tpmm(r, c) calcolo diretto
(rn , c k )  (r, c)  (rn 1 , c k 1 )  (x n , y k )  (x, y)  (x n 1 , y k 1 ) interpolaz ione
Le prestazioni dipendono dalla precisione degli (x,y) noti , dalla loro numerosità e
dall’algoritmo di trasformazione inversa utilizzato.
34
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
x
MISURA DEL PROFILO DELLA RUOTA
Profilo Completo
PROFILO COMPETO
Per un profilo completo della ruota occorrono 2 gruppi di triangolazione ottica
35
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL PROFILO RUOTA
Calcolo Parametri Geometrici
CALCOLO DEI 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
36
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL PROFILO RUOTA
Calcolo Parametri Geometrici
Flussi SW del processo software per il calcolo dei parametri di profilo
MISURA DEL DIAMETRO
Modello
37
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL PROFILO RUOTA
Algoritmi in Spazio MM - 1
ALGORITMI IN SPAZIO MM
•
•
•
•
•
•
38
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
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL PROFILO RUOTA
Algoritmi in spazio MM - 2
ALGORITMI IN SPAZIO MM
Acquisizione Completa con
Interpolazione
Acquisizione Completa Dopo
Pulizia e Segmentazione
Dettaglio Acquisizione Reale
Acquisizione Completa con Punti
di Riferimento
39
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
Acquisizione Completa con Aree
di Segmentazione
Dettaglio Dopo Interpolazione
MISURA DEL PROFILO RUOTA
Algoritmi in spazio MM - 3
ALGORITMI IN SPAZIO MM
Pixel Trigger
Alto e Basso
MM Trigger Alto e Basso
Sovrapposizione e
Segmentazione
40
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
Interpolazione
Polinomiale a
segmenti
MISURA DEL PROFILO RUOTA
Problemi tipici nel processo di acquisizione
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
41
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL PROFILO RUOTA
Contromisure



CONTROMISURE
Trigger Multipli
Scansione Righe CCD
monodirezionale o alternata
COG
Ridondanza di sistemi di
triangolazione
Visione dell’illuminatore
contrapposto ( piani
perfettamente allineati )
Localizzazione e Finestratura
Continuità
Algoritmi tipo “Sale e Pepe”
42
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie





MISURA DEL DIAMETRO
Modello
MODELLO PER IL CALCOLO DEL DIAMETRO DELLA RUOTA

Diametro della “circonferenza” intersezione della ruota con un piano
perpendicolare all’asse generatore a distanza nota da una delle basi della ruota.

Si deve quindi determinare una circonferenza in un piano ortogonale all’asse
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 l’applicazione di un metodo di determinazione analitica del
DIAMETRO della stessa.
43
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL DIAMETRO
Visualizzazione del Modello
MODELLO PER IL CALCOLO DEL DIAMETRO DELLA RUOTA
Diametro misurato sulla proiezione nel piano ZW
Metodo 3 punti
Asse Ruota Ortogonale a piano ZW
44
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL DIAMETRO
Metodo dei 3 punti
DETERMINAZIONE DEI 3 PUNTI
5 Gruppi di Triangolazione opportunamente piazzati consentono di ottenere i 3
punti sulla circonferenza esterna della ruota ( Flange Tip )
CAMERAS
LASER
45
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
MISURA DEL DIAMETRO
Acquisizione e Calcolo
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.
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
W
Z
46
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
Laser source
MISURA DEL DIAMETRO
Proiezione ZW
PROIEZIONE SU ZW
x
X 
  F  F 0 
 y F YF 0 
0  x C XC0 



1  y C YC 0 
cos α  x B X B 0 

 

sen α  y B YB 0 
PF (w, z) 
Z
zF
0  cos β
 F0 
w F WF 0 0 sen β
PC (w, z) 
zC
Z
0
 C0 
w C WC 0 0
PB (w, z) 
Z
zB
0
 B0 
w B WB 0 0
Flange side
W
C (ZE,WE)
PB(ZB,WB)
theta plane
alfa plane
PF(ZF,WF)
beta plane
Y
Y
PC (ZC,WC)
Z F 0 ZC 0 Z B 0
,
,
WF 0 WC 0 WB0
X F0 XC0 X B0
,
,
YF 0 YC 0 YB 0
Sono le coordinate in ZW di un
punto generico in XY
rispettivamente Front Center e
Back
BACK
X
Y
α
φ
Z
theta plane distance
La trasformazione dipende dalla corretta valutazione dei parametri geometrici.
CALIBRAZIONE ZW
47
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
X
CENTER
beta plane distance
Sono le coordinate in XY dei
medesimi punti
β
FRONT
X
MISURA DEL DIAMETRO
Metodi Analitici
METODO ANALITICO PER LA VALUTAZIONE DEL DIAMETRO DA 3 PUNTI
Imposizione Passaggio per 3 Punti
 z Fa  w F b  c  (z F 2 )  (w F 2 )  0

2
2
z C a  w C b  c  (z C )  (w C )  0
z a  w b  c  (z 2 )  (w 2 )  0
B
B
B
 B
z E   a/2

dove w E   b/2
D 2  4Z  4W  4c 2
E
E

Valutazione Centro come intersezione assi
delle 2 corde e passaggio per 1 punto
• CENTRO
(z F  z C )
(w F  w C ) (z F  z C ) (z F  z C )



)
w   (w  w ) z  (
2
2
(w

w
)

F
C
F
C

w   (z B  z C ) z  ( (w B  w C )  (z B  z C )  (z B  z C ) )

(w B  w C )
2
2
(w B  w C )
• RAGGIO
R 2  ( z E  zc ) 2  ( wE  wC ) 2
48
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
CALIBRAZIONE
Attrezzature per la Calibrazione – Allineamento Piani Laser
Attrezzatura per Allineamento Piani Laser XY Front – XY Back - Central
• 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
Back side
cameras
•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
49
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
Front side
cameras
CALIBRAZIONE
Attrezzature per la Calibrazione - Calibro XY Front , XY Back, XY Central
Attrezzatura per Calibrazione piano XY Front – XY Back e XY Central
Piano XY Central
Piano XY Front – XY Back
•
•
•
•
50
Un’asta 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
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
CALIBRAZIONE
Attrezzature per la Calibrazione – Piano ZW
Attrezzatura per Calibrazione ZW
Calibrazione ZW
Si acquisicono le tracce di un calibro speciale.
Mediante una elaborazione semiautomatica si ricavano i
parametri di proiezione XY -> ZW
51
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
CALIBRAZIONE
Attrezzature per la Calibrazione – Verifica
Attrezzatura per la Verifica della Calibrazione
•
•
•
52
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.
Un’evoluzione porta a costruire le sagome con la faccia interessata dal fascio laser con raggio di
curvatura pari alla circonferenza nominale
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
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 P1 del piano XY è
possibile determinare il suo compensato
wc  wt
m
rt =
 zc  zt
q
w t  mz t
(z c - z1' ) 2  (w c  w 1' ) 2  d12
53
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
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
•
•
54
L’effetto finale è una proiezione reale ellittica
sul piano WZ e la valutazione di una
circonferenza generalmente maggiore.
L’entità della distorsione dipende dalle funzioni
trigonometriche sen() dell’angolo di rotazione
che per angoli piccoli sono piccole e di difficile
compensazione
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
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
•
•
•
55
Interpolazione
Determinazione Punti Di Riferimento
Valutazione Indiretta delle grandezze
 Somme e Differenze
 Applicazione di formule chiuse
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
•
•
VALUTAZIONE ANALITICA
ESTREMAMENTE DIFFICILE
E PRATICAMENTE NON
SIGNIFICATIVA
SIMULAZIONI ED ORDINI DI
GRANDEZZA
NOTEVOLE ATTIVITA’
SPERIMENTALE
REALIZZAZIONE
Schema di un sistema
SCHEMA A BLOCCHI DI UN SISTEMA DI MISURA
56
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
PRESENTAZIONE DELLE INFORMAZIONI
Output Testuale
OUTPUT TESTUALE
57
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
PRESENTAZIONE DELLE INFORMAZIONI
Output Sinottico
OUTPUT SINOTTICO
58
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
PRESENTAZIONE DELLE INFORMAZIONI
Output Grafico
OUTPUT GRAFICO
59
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
PRESENTAZIONE DELLE INFORMAZIONI
Output Trend
Trend
60
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE
1a generazione : MTR –Hong Kong
MTR - HONG KONG
•
•
•
•
•
61
CARATTERISTICHE
3 Gruppi Triangolazione per rotaia
Monodirezionale
Profilo Completo Front
Semiprofilo Back per Punto di Rotolamento
Punto centrale tangente a rotaia
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
•
•
SPECIFICHE
Profilo e diametro +/- 1mm
Velocità < 10Km/h
SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE
1a generazione : MTR –Hong Kong
MTR - HONG KONG
PRESTAZIONI
WPMS measurement data ( 10 Nov 09 ) V.S. Wheel Lathe and Miniprof Data
post-measurement (06 Nov 09) 4 Passages
Wheel
Train Coach Wheel Diameter
No.
No.
No.
(Wheel
Lathe)
62
Wheel
Wheel
Diameter Diameter
Deviation Deviation
min
max
Flange
Flange
Flange
Flange
Flange
Flange
Flange
Wheel
Thikcness Thikcness
Height
Height
Thikcness Height
Diameter Thickness
(Difference (Difference
(Difference (Difference
(MiniPro)
span
(MiniPro)
Span
) min
) max
) min
) max
Flange
Height
span
T5
D510
1A
805,43
-0,05
-0,30
0,25
28,983
0,363
0,253
0,110
31,297
-0,063
-0,163
0,100
T5
D510
1B
805,24
0,14
0,04
0,10
29,075
0,315
-0,015
0,330
31,219
0,169
0,099
0,070
T5
D510
2A
805,33
-0,22
-0,43
0,21
29,053
0,223
0,103
0,120
31,200
-0,130
-0,200
0,070
T5
D510
2B
805,19
-0,01
-0,16
0,15
29,153
0,233
-0,177
0,410
31,298
0,118
0,098
0,020
T5
D510
3A
805,55
-0,27
-0,37
0,10
29,012
0,282
0,182
0,100
31,246
-0,104
-0,144
0,040
T5
D510
3B
805,54
0,06
-0,03
0,09
29,219
0,309
-0,121
0,430
31,291
0,171
0,091
0,080
T5
D510
4A
805,01
-0,21
-0,26
0,05
28,978
0,238
0,208
0,030
31,259
-0,111
-0,121
0,010
T5
D510
4B
805,17
0,21
-0,05
0,26
29,162
0,232
-0,178
0,410
31,284
0,164
0,124
0,040
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE
2a generazione : UK Eurostar
UK - LONDRA - EUROSTAR
•
•
63
CARATTERISTICHE
5 Gruppi Triangolazione per rotaia
Bidirezionale
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
•
•
SPECIFICHE
Profilo e diametro +/- 0.1mm
Velocità < 20Km/h
SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE
2a generazione : SIRIA CFS
SIRIA - CFS
•
•
64
CARATTERISTICHE
5 Gruppi Triangolazione per rotaia
Bidirezionale
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
•
•
SPECIFICHE
Profilo e diametro +/- 0.3mm
Velocità < 20Km/h
SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE
3a generazione : HTM - RATP
HTM - OLANDA
•
•
65
CARATTERISTICHE
5 Gruppi Triangolazione per rotaia (14
Telecamere)
Bidirezionale
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
RATP – PARIGI - FRANCIA
•
•
SPECIFICHE
Profilo e diametro +/- 0.25 mm
Velocità < 30Km/h
SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE
Performances 2a e 3a generazione
Performances 2a e 3a generazione
Reproducibility
# of Acquisitions
Diameter
FH
FW
qR
Ei
Ea
Accuracy
Date of the Manual M.
Date of the WPMS M.
# of Acquisitions
66
Diameter
FH
FW
qR
Ei
Ea
56
1st Period
2nd Period
3th Period
4th Period
08/04/2009 - 18/04/2009 21/04/2009 - 28/04/2009 08/05/2009 - 15/05/2009 29/05/09 - 04/06/2009
12
20
10
12
Std Dev
Std Dev
Std Dev
Std Dev
0,206
0,192
0,197
0,209
0,038
0,031
0,035
0,042
0,060
0,057
0,065
0,061
0,100
0,098
0,101
0,101
0,092
0,112
0,146
0,125
0,122
0,138
0,170
0,157
1st Measure
06/04/2009
08/04/2009
3
Error
-1,389
0,087
0,223
0,282
0,004
0,450
2nd Measure
30/04/2009
27-28/04/2009
6
Error
-1,223
0,021
0,192
0,259
0,084
0,467
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
Average
54
Std Dev
0,199
0,036
0,061
0,100
0,128
0,155
Percentage Data
Not Used
# of Acquisitions
Total Data
Data Not Percentage Percentage
(wheels / axles) Computed
Not
Computed
1456
11
0,76
99,24
1456
10
0,69
99,31
1456
10
0,69
99,31
1456
12
0,82
99,18
728
10
1,37
98,63
728
9
1,24
98,76
3rd Measure
09/06/2009
Error
Too far-off
Percent Error
TGV 509
Diameter
FH
FW
qR
Ei
Ea
1st Measure 2nd Measure 3rd Measure
31/03/2009 05/05/2009 15/06/2009
%
%
%
0,23
0,21
0,53
0,61
0,81
0,69
Too far-off
2,62
2,92
0,01
0,01
0,03
0,03
RINGRAZIAMENTI FINALI
GRAZIE A TUTTI PER
L’ATTENZIONE
67
Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie
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68
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