Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote

Ing. Alessandro PirovanoTECNOGAMMA S.P.A.Service ManagerADVANCES 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

Global Footprint

Place: Monopoli, ItalyActivity: R&D, ManufacturingEmployees: 225Area: 7,398 sqm

Place: Columbia, USAActivity: R&D, ManufacturingEmployees: 36Area: 4,325 sqm

Place: Marseilles, FranceActivity: R&DEmployees: 10Area: 180 sqm

Place: Treviso, ItalyActivity: R&D, ManufacturingEmployees: 65Area: 1,500 sqm

MAIN OFFICEMonopoli, Italy

BRANCH OFFICENorway

REP OFFICESRoma, italySwitzerlandChinaKorea

MAIN OFFICETreviso, Italy

R&D LABPalermo, Italy

REP OFFICEChina

MAIN OFFICEColumbia, USA

REP OFFICESChicagoBrasilUKItalySpainUngheryPolandChinaTaiwanAustralia

MAIN OFFICEMarsiglia, France

GLOBAL LOCATIONS


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 Group’s 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 2001

15% of revenues invested annually in R&D

14 new products commercially launched between 2004-2007


Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie4

Introduzione all’argomento 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


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


FERROVIASistema di trasporto in cui si ha il movimento di ruote guidato da rotaie mediante contatto METALLO-METALLO

AMBIENTE FERROVIARIOFerrovia - 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


CARROZZAUna 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 FERROVIARIOCarrozze – 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 carrozzaUtilizzato come componente per progettazione di carrozze

ASSILEUtilizzato 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


AMBIENTE FERROVIARIOBinario - Rotaia

BINARIOIl 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

ROTAIALe 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.


AMBIENTE FERROVIARIORuota Ferroviaria

RUOTA FERROVIARIAElemento 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• SabbiereCalettata su asse


RUOTA FERROVIARIA PROFILO

PROFILOIl profilo della ruota si può

definire come la curva perimetrale di una sezione trasversale diametrale della

ruota


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 FERROVIARIANOMENCLATURA - 1


DEFINIZIONI DEGLI ELEMENTI DEL PROFILO DELLA RUOTA FERROVIARIA

RUOTA FERROVIARIANOMENCLATURA - 2

prEN13715

Gazzetta Europea

Interoperabilità


RUOTA FERROVIARIADIAMETRO

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 )


VALORI DI RIFERIMENTO PER LE RUOTE FERROVIARIE

Peso : 100Kg-300Kg

PROFILOLarghezza Pneumatico : 120-140 mm Altezza Flangia : 28-32 mmLarghezza Flangia: 28 – 32 mmInclinazione Flangia : 65-70°Conicità nell’intorno circonferenza di rotolamento :

Linee convenzionali 1:10-1:20 Alta Velocità 1:40-1:50

DIAMETROPer Scartamenti Standard :

Veicoli Trainati : 800 - 900 mmLocomotive : 850 – 1300 mm

Scartamento Ridotto Veicoli e Locomotive : 750 mm

RUOTA FERROVIARIA VALORI DI RIFERIMENTO


AAR : USAPrima di CE : UIC ( Union Internationale des Chamines de Ferre )Profili derivanti da studi di ottimizzazione dei singoli gestori ferroviariCOMUNITA’ EUROPEA : Norme fondamentali per interoperabilità

NORMATIVEStandard riguardanti il profilo ruote

Diversi standard ma molti profili sono standard nazionali o adottati da gestori ferroviari

Profilo 1/40

Profilo S1002

Profilo EP8


DIRETTIVE : CE RequisitiSTI 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 ferroviarieDeroghe speciali temporanee e/o permanenti valutate specificamente da commissioni Consentono una migrazione progressiva dallo stato attuale alla piena interoperabilità con passaggi intermediLe STI richiamano ( facendole diventare obbligatorie ) pubblicazioni di Altri Enti pubblicamente disponibili ( FICHES UIC, rapporti ORE/ERRI o nome EN).

NORMATIVENorme fondamentali per interoperabilità

NORMEISO – IEC : InternazionaleEN -> CEN – CENELEC ( Parte Elettrica ) - ETSI (telecom) : Europeo

COMITATI TECNICI - CEN TC256 CENELEC/TCITALIA : UNI – UNIFER - CEI : NazionaleFRANCIA : BNF : NazionaleGERMANIA SFS : Nazionale


NORMATIVENORMA 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


CONICITA’ DELLA SUPERFICE DI ROTOLAMENTO DEL PROFILO

DINAMICA DELLA RUOTA FERROVIARIASuperfice di rotolamento e Dinamica di Marcia

Conicità nell’intorno della circonferenza di rotolamento : • Linee convenzionali 1:10-1:20 • Alta Velocità 1:40-1:50

Serve per mantenere centrato l’assile e 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 come risultato un moto oscillatorio con una lunghezza d’onda:

16mL2011.5ms0.45r

conrsL

k

k

Il moto più realmente è a zigzag con lunghezza d’onda inferioreConicità inferiori riducono l’effetto, dando origine ad onde più lunghe ed accelerazioni laterali inferiori.


METODI MISURA MANUALI

Con “gauges” del tipo GO - NO GO

Con attrezzatura costruita ad hoc

Con strumentazione elettronica a contatto

METODI DI MISURA MANUALIMetodi e Limiti

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


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

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 AUTOMATICIMetodi e Limiti


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 FERROVIARIERequisiti Generali


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

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

MISURA DELLE RUOTE FERROVIARIEAssunzioni Semplificative


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 DELLE RUOTE FERROVIARIERuota in Avanzamento

MISURA DURANTE IL MOTO

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.


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 PROFILOSistema di riferimento per profilo - 1


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 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

MISURA DEL PROFILOSistema di riferimento del profilo - 2


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 LASERSpessore del piano “finito” (0,5mm)Profondità di campo di messa a fuoco ( divergenza trasversale )Apertura Angolare e distribuzione di energia

TRIANGOLAZIONE OTTICALaser e Piano Laser


TELECAMERALa cattura del profilo e la sua trasformazione in sequenza di “coordinate” avviene mediante il CCD di una telecameraLa 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.

TRIANGOLAZIONE OTTICATelecamera - 1


TRIANGOLAZIONE OTTICATelecamera - 2

TELECAMERAIpotesi : 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< < 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”


SPAZIO PIXELL’intersezione tra piramide di visione e piano laser è un quadrilateroIl sensore campiona i punti del quadrilatero in modo non uniforme e trasforma i punti del piano intersezione nei punti del piano sensore.

TRIANGOLAZIONE OTTICASPAZIO 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 <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.

yx

y)(x,Ty)(x,Ty)(x,Ty)(x,T

cr

NxNIRxRy)(x,T

s2,2s2,1

s1,2s1,1

s


ACQUISIZIONE DEI PUNTI DELL PROFILO<LIVE> è la visualizzazione dello spazio pixel completoUn <pixel> è definito l’estrazione dal LIVE dei “punti” di intersezione tra fascio laser e ruotaUn 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

TRIANGOLAZIONE OTTICAAcquisizione 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


TRIANGOLAZIONE OTTICASpazio Pixel - LIVE e PIXEL

LIVETutti i punti del frame della telecamera : 1024x1024 valori

PIXELSolo i punti del profilo estratti da algoritmi implementati in FPGA : 1024 valori


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

TRIANGOLAZIONE OTTICASpazio Millimetri

c)(r,Tc)(r,Ty)P(x,

c)}(r,y)(x,T|c)(r,|y){(x,y)P(x,

mm1

s

s


CALIBRAZIONECome si determina Tmm(r,c) ? Con la CALIBRAZIONESi 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 OTTICACalibrazione

• 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.

c

r


DA PIXEL A MM

TRIANGOLAZIONE OTTICADa Pixel a MM

x

y

Le prestazioni dipendono dalla precisione degli (x,y) noti , dalla loro numerosità e dall’algoritmo di trasformazione inversa utilizzato.

ioneinterpolaz)y,(xy)(x,)y,(x)c,(rc)(r,)c,(r

direttocalcoloTy)(x,

1k1nkn1k1nkn

c)pmm(r,


PROFILO COMPETO

MISURA DEL PROFILO DELLA RUOTA Profilo Completo

Per un profilo completo della ruota occorrono 2 gruppi di triangolazione ottica


CALCOLO DEI PARAMETRI GEOMETRICI

MISURA DEL PROFILO RUOTA Calcolo Parametri Geometrici

SPAZIO PIXELAlgoritmi di Pulizia Elementare e Riconoscimento Elementare

Continuità Relazione Funzionale nello spazio Pixel

SPAZIO MMAlgoritmi di pulizia

Località delle tracce di profiloContinuitàElementi caratteristici

Algoritmi di riconoscimento grossolano di punti notevoli ed elementi geometrici notevoliPunti 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 settoriValutazione Fine dei punti di riferimento e Calcolo sulle curve interpolate


MISURA DEL PROFILO RUOTA Calcolo Parametri Geometrici

MISURA DEL DIAMETROModello

Flussi SW del processo software per il calcolo dei parametri di profilo


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



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



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


PROBLEMI TIPICI NEL PROCESSO DIACQUISIZIONE

Laser Largo Profondità di campo di Laser e TelecameraDistribuzione di Energia del fascio molto variabileRapporto S/N bassoRiflessiOstacoli

MISURA DEL PROFILO RUOTAProblemi tipici nel processo di acquisizione


CONTROMISURETrigger MultipliScansione Righe CCD monodirezionale o alternataCOGRidondanza di sistemi di triangolazioneVisione dell’illuminatore contrapposto ( piani perfettamente allineati )Localizzazione e FinestraturaContinuitàAlgoritmi tipo “Sale e Pepe”

MISURA DEL PROFILO RUOTAContromisure


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.

MISURA DEL DIAMETROModello


MODELLO PER IL CALCOLO DEL DIAMETRO DELLA RUOTADiametro misurato sulla proiezione nel piano ZW

Metodo 3 puntiAsse Ruota Ortogonale a piano ZW

MISURA DEL DIAMETROVisualizzazione del Modello


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 DIAMETROMetodo dei 3 punti

LASER

CAMERAS


PROCESSO DI ACQUISIZIONE E CALCOLO5 Gruppi di triangolazione divisi in 3 blocchiFront ( 2 gruppi) – Center ( 1 gruppo) - Back ( 2 gruppi ) con riferimento al verso di avanzamento convenzionaleFront 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 DIAMETROAcquisizione e Calcolo

Z

W

Laser source

Wheel flange sideAcquisizione 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 framesPer ogni quintupla è possibile valutare parametri di profilo e diametro


PROIEZIONE SU ZW

MISURA DEL DIAMETROProiezione ZW

La trasformazione dipende dalla corretta valutazione dei parametri geometrici.

CALIBRAZIONE ZW

0B

0B

B

B

0B

0B

B

BB

0C

0C

C

C

0C

0C

C

CC

0F

0F

F

F

0F

0F

F

FF

YX

yx

sen0cos0

WZ

wz

z)(w,P

YX

yx

1000

WZ

wz

z)(w,P

YX

yx

sen 0 cos0

WZ

wz

z)(w,P

Sono le coordinate in ZW di un punto generico in XY rispettivamente Front Center e Back

0B

0B

0C

0C

0F

0F

WZ

,WZ

,WZ

Sono le coordinate in XY dei medesimi punti

0B

0B

0C

0C

0F

0F

YX

,YX

,YX


METODO ANALITICO PER LA VALUTAZIONE DEL DIAMETRO DA 3 PUNTI

MISURA DEL DIAMETROMetodi Analitici

Valutazione Centro come intersezione assi delle 2 corde e passaggio per 1 punto

0)(w)(zcbwaz0)(w)(zcbwaz0)(w)(zcbwaz

2B

2BBB

2C

2CCC

2F

2FFF

Imposizione Passaggio per 3 Punti

2EE

2E

E

4c4W4ZDb/2w

a/2zdove

))w(w

)z(z2

)z(z2

)w(w(z)w(w

)z(zw

))w(w

)z(z2

)z(z2

)w(w(z)w(w

)z(zw

CB

CBCBCB

CB

CB

CF

CFCFCF

CF

CF

222 )()( CEcE wwzzR

• CENTRO

• RAGGIO


Attrezzatura per Allineamento Piani Laser XY Front – XY Back - Central

CALIBRAZIONEAttrezzature 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


Attrezzatura per Calibrazione piano XY Front – XY Back e XY Central

CALIBRAZIONEAttrezzature per la Calibrazione - Calibro XY Front , XY Back, XY Central

Piano XY Front – XY BackPiano XY Central

• 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


Attrezzatura per Calibrazione ZW

CALIBRAZIONEAttrezzature per la Calibrazione – Piano ZW

Calibrazione ZWSi acquisicono le tracce di un calibro speciale.Mediante una elaborazione semiautomatica si ricavano i parametri di proiezione XY -> ZW


Attrezzatura per la Verifica della Calibrazione

CALIBRAZIONEAttrezzature 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.• Un’evoluzione porta a costruire le sagome con la faccia interessata dal fascio laser con raggio di

curvatura pari alla circonferenza nominale


VARIAZIONI RISPETTO AL MODELLOVariazioni rispetto al modello – Non Diametralità

Non Diametralità dei PianiCorrezione Radiale

• Resta Fisso il Punto minimo della flangia• Per ogni punto generico P1 del piano XY è

possibile determinare il suo compensato

21

2'1c

2'1c

tt

tc

tc

t

d)w(w)z -(z

mzwzzww

qm

= r


VARIAZIONI RISPETTO AL MODELLOVariazioni rispetto al modello – Proiezione Ellittica

SCOMPOSIZIONE DELLA POSIZIONE DELLA RUOTA SECONDO ROTAZIONI RISPETTO AGLI ASSI ZWT

Imbardata (Jaw) : circolo di rotolamento ruotato rispetto asse WCampanatura (Roll) : Circolo di rotolamento ruotato rispetto asse Z• 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


ERRORI DI MISURAFonti di errore

Gli Errori di misura dipendono essenzialmente da :

Meccanica ed Ambiente• Tolleranze di lavorazione• Range Di temperatura• Installazione

Non aderenza al ModelloImbardata 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 DifferenzeApplicazione di formule chiuse

• VALUTAZIONE ANALITICA ESTREMAMENTE DIFFICILE E PRATICAMENTE NON SIGNIFICATIVA

• SIMULAZIONI ED ORDINI DIGRANDEZZA

• NOTEVOLE ATTIVITA’ SPERIMENTALE


REALIZZAZIONESchema di un sistema

SCHEMA A BLOCCHI DI UN SISTEMA DI MISURA

PRESENTAZIONE DELLE INFORMAZIONIOutput Testuale


OUTPUT TESTUALE

PRESENTAZIONE DELLE INFORMAZIONIOutput Sinottico


OUTPUT SINOTTICO

PRESENTAZIONE DELLE INFORMAZIONIOutput Grafico


OUTPUT GRAFICO

PRESENTAZIONE DELLE INFORMAZIONIOutput Trend


Trend

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE1a generazione : MTR –Hong Kong

MTR - HONG KONG


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

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE1a generazione : MTR –Hong Kong

MTR - HONG KONG


PRESTAZIONI

WPMS measurement data ( 10 Nov 09 ) V.S. Wheel Lathe and Miniprof Datapost-measurement (06 Nov 09) 4 Passages

TrainNo.

Coach No.

Wheel No.

Wheel Diameter(Wheel Lathe)

Wheel DiameterDeviation

min

Wheel DiameterDeviation

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 Heightspan

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

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE2a generazione : UK Eurostar

UK - LONDRA - EUROSTAR


CARATTERISTICHE• 5 Gruppi Triangolazione per rotaia• Bidirezionale

SPECIFICHE• Profilo e diametro +/- 0.1mm• Velocità < 20Km/h

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE2a generazione : SIRIA CFS

SIRIA - CFS


CARATTERISTICHE• 5 Gruppi Triangolazione per rotaia• Bidirezionale

SPECIFICHE• Profilo e diametro +/- 0.3mm• Velocità < 20Km/h

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONE3a generazione : HTM - RATP

HTM - OLANDA RATP – PARIGI - FRANCIA


CARATTERISTICHE• 5 Gruppi Triangolazione per rotaia (14

Telecamere)• Bidirezionale

SPECIFICHE• Profilo e diametro +/- 0.25 mm• Velocità < 30Km/h

SISTEMI DI MISURA REALIZZATI ED IN FASE DI REALIZZAZIONEPerformances 2a e 3a generazione

Performances 2a e 3a generazione


TGV 509 # of Acquisitions 56

1st Period 2nd Period 3th Period 4th Period Average08/04/2009 - 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 54Std Dev Std Dev Std Dev Std Dev Std Dev

Diameter 0,206 0,192 0,197 0,209 0,199 1456 11 0,76 99,24FH 0,038 0,031 0,035 0,042 0,036 1456 10 0,69 99,31FW 0,060 0,057 0,065 0,061 0,061 1456 10 0,69 99,31qR 0,100 0,098 0,101 0,101 0,100 1456 12 0,82 99,18Ei 0,092 0,112 0,146 0,125 0,128 728 10 1,37 98,63Ea 0,122 0,138 0,170 0,157 0,155 728 9 1,24 98,76

1st Measure 2nd Measure 3rd Measure06/04/2009 30/04/2009 09/06/200908/04/2009 27-28/04/2009 1st Measure 2nd Measure 3rd Measure

3 6 31/03/2009 05/05/2009 15/06/2009Error Error Error % % %

Diameter -1,389 -1,223 Diameter 0,23 0,21FH 0,087 0,021 FH 0,53 0,61FW 0,223 0,192 FW 0,81 0,69qR 0,282 0,259 qR 2,62 2,92Ei 0,004 0,084 Ei 0,01 0,01Ea 0,450 0,467 Ea 0,03 0,03

Acc

urac

yRe

prod

ucib

ility

Perc

enta

ge D

ata

Not

Use

d

Percentage Computed

Too far-off

Perc

ent E

rror

Too far-off

Total Data (wheels / axles)

Data Not Computed

Percentage Not

# of Acquisitions

Date of the Manual M.Date of the WPMS M.# of Acquisitions

RINGRAZIAMENTI FINALI


GRAZIE A TUTTI PER L’ATTENZIONE

via Oberdan, 7070043 Monopoli (BA) Italyph. +39 080 8876570fax +39 080 8874028www.mermec.com

Technical Center220 Outlet Pointe Blvd.Columbia, SC 29210, USAph. +1 803 213 1200fax +1 803 798 1909www.imagemap.com

Technopôle de Château-GombertLes Baronnies - Bat. Arue Paul Langevin13013 Marseille (France)ph. +33 (0)4 91100190fax +33 (0)4 91086040www.inno-tech.fr

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vicolo Ongarie, 1331050 Morgano (TV), Italyph. +39 0422 8391fax +39 0422 839200www.tecnogamma.eu

68 Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote ferroviarie

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Misure senza contatto di profilo e diametro di ruote