02 Dicembre 2009 Misure senza contatto di profilo

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 § § Place: Columbia, USA Activity: R&D, Manufacturing Employees: 36 Area: 4, 325 sqm 2 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie MAIN OFFICE § Marsiglia, France § § Place: Monopoli, Italy Activity: R&D, Manufacturing Employees: 225 Area: 7, 398 sqm

MER MEC Group in Numbers DIAGNOSTICS SIGNALLING ADVANCED SERVICES IRON & STEEL INDUSTRY R & D < 72 main clients in 35 countries worldwide <2, 100 km of line equipped with SSC SCMT signaling systems <Measuring Services < 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 < 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 <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 • 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 < 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 1 a generazione : MTR –Hong Kong 2 a generazione : EUROSTAR–LONDRA SIRIA SNCF-PARIGI 3 a 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 Ø contatto ruota rotaia Guida Ø bordino Ø assile Ø 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 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) Ø 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 pr. EN 13715 12 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie

RUOTA FERROVIARIA 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 70 mm 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 PER LE RUOTE FERROVIARIE Peso : 100 Kg-300 Kg 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 ØPer Scartamenti Standard : ØVeicoli Trainati : 800 - 900 mm ØLocomotive : 850 – 1300 mm ØScartamento Ridotto ØVeicoli 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 EP 8 Profilo 1/40 15 Profilo S 1002 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 TC 256 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 EN 13715 Wheelsets profiles INTRODUZIONE DELLA NORMA EN 13715 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: 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: – – 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 30 Km/h 21 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 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 3 D 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 : Ø Focalizzazione del fascio Ø Lente cilindrica generatrice di “piano laser” Ø 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 Ø Spessore del piano “finito” (0, 5 mm) Ø Profondità di campo di messa a fuoco ( divergenza trasversale ) Ø 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 3 D in un sistema 2 D 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 3 D 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 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. 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 500 frames/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 : 1024 x 1024 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 Il nucleo fondamentale è la determinazione di Tmm(r, c) che definiamo come conversione Pixel-Millimetri 32 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 r DA PIXEL A MM y c 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 Ø Algoritmi di Pulizia Elementare e Riconoscimento Elementare § Continuità § Relazione Funzionale nello spazio Pixel SPAZIO MM Ø Algoritmi di pulizia § Località delle tracce di profilo § Continuità § Elementi caratteristici Ø Algoritmi di riconoscimento grossolano di punti notevoli ed elementi geometrici notevoli § Punti estremi, punti in regioni definite, rette in regioni definite Ø Sezionamento in regioni caratterizzate da relazione funzionale y=f(x) o x=g(y) Ø Interpolazione polinomiale a settori Ø 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 42 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” 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 Ø 5 Gruppi di triangolazione divisi in 3 blocchi Ø Front ( 2 gruppi) – Center ( 1 gruppo) - Back ( 2 gruppi ) con riferimento al verso di avanzamento convenzionale Ø Front e Back : 2 profili completi + 2 punti per il calcolo del diametro § simmetrici Ø Center : Vede la spalla della flangia e consente di determinare il 3° punto sulla flangia. Wheel flange side Ø Acquisizione Sincrona per tutto il tempo in cui la ruota è in campo di visione dei 5 gruppi di triangolazione Ø Sequenza di N>=5 quintuple di frames Ø 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 Sono le coordinate in ZW di un punto generico in XY rispettivamente Front Center e Back Sono le coordinate in XY dei medesimi punti La trasformazione dipende dalla corretta valutazione dei parametri geometrici. CALIBRAZIONE ZW 47 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie

MISURA DEL DIAMETRO Metodi Analitici METODO ANALITICO PER LA VALUTAZIONE DEL DIAMETRO DA 3 PUNTI Imposizione Passaggio per 3 Punti Valutazione Centro come intersezione assi delle 2 corde e passaggio per 1 punto • CENTRO • RAGGIO 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 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 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 dei Piani Correzione Radiale • • 53 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie Resta Fisso il Punto minimo della flangia Per ogni punto generico P 1 del piano XY è possibile determinare il suo compensato

VARIAZIONI RISPETTO AL MODELLO Variazioni rispetto al modello – Proiezione Ellittica SCOMPOSIZIONE 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 : Ø Meccanica ed Ambiente • • • Tolleranze di lavorazione Range Di temperatura Installazione • Ø Non aderenza al Modello Ø Ø Imbardata e Campanatura Processo di acquisizione • • • Piano Laser Calibrazione e valutazione dei parametri geometrici Estrazione Profilo Ø Processo di Elaborazione • • • 55 Interpolazione Determinazione Punti Di Riferimento Valutazione Indiretta delle grandezze Ø Somme e Differenze Ø 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 60 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 1 a 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 +/- 1 mm Velocità < 10 Km/h

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 1 a 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 (Wheel No. No. Lathe) 62 Wheel Diameter Deviation min max Flange Flange Wheel Thikcness Height Diameter Thickness (Difference (Mini. Pro) span (Mini. Pro) Span ) min ) max Flange Height span T 5 D 510 1 A 805, 43 -0, 05 -0, 30 0, 25 28, 983 0, 363 0, 253 0, 110 31, 297 -0, 063 -0, 163 0, 100 T 5 D 510 1 B 805, 24 0, 14 0, 04 0, 10 29, 075 0, 315 -0, 015 0, 330 31, 219 0, 169 0, 099 0, 070 T 5 D 510 2 A 805, 33 -0, 22 -0, 43 0, 21 29, 053 0, 223 0, 103 0, 120 31, 200 -0, 130 -0, 200 0, 070 T 5 D 510 2 B 805, 19 -0, 01 -0, 16 0, 15 29, 153 0, 233 -0, 177 0, 410 31, 298 0, 118 0, 098 0, 020 T 5 D 510 3 A 805, 55 -0, 27 -0, 37 0, 10 29, 012 0, 282 0, 100 31, 246 -0, 104 -0, 144 0, 040 T 5 D 510 3 B 805, 54 0, 06 -0, 03 0, 09 29, 219 0, 309 -0, 121 0, 430 31, 291 0, 171 0, 091 0, 080 T 5 D 510 4 A 805, 01 -0, 26 0, 05 28, 978 0, 238 0, 208 0, 030 31, 259 -0, 111 -0, 121 0, 010 T 5 D 510 4 B 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 2 a 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. 1 mm Velocità < 20 Km/h

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 2 a 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. 3 mm Velocità < 20 Km/h

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE 3 a 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 < 30 Km/h

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

RINGRAZIAMENTI FINALI GRAZIE A TUTTI PER L’ATTENZIONE 67 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie

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