Introduzione all’argomento trattato



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03.06.2018
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Introduzione all’argomento trattato

  • 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


Limiti del modello e del metodo - correzioni

  • Limiti del modello e del metodo - correzioni

  • 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


FERROVIA

  • FERROVIA

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



CARROZZA

  • 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



BINARIO

  • 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



RUOTA FERROVIARIA

  • RUOTA FERROVIARIA

  • Elemento meccanico di forma circolare in acciaio

      • Monoblocco
      • Cerchione
  • Elemento di interfaccia tra la carrozza e le rotaie

      • Trazione
        • contatto ruota rotaia
      • Guida
        • bordino
        • assile
        • forma della superficie di contatto
  • Può includere parti di altri impianti ed elementi legati alla trazione

      • Freni o dischi
      • Sabbiere
  • Calettata su asse



PROFILO

  • PROFILO

  • Il profilo della ruota si può definire come la curva perimetrale di una sezione trasversale diametrale della ruota



PRINCIPALI ELEMENTI DEL PROFILO DELLA RUOTA FERROVIARIA

  • 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 )



DEFINIZIONI DEGLI ELEMENTI DEL PROFILO DELLA RUOTA FERROVIARIA

  • DEFINIZIONI DEGLI ELEMENTI DEL PROFILO DELLA 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 )



VALORI DI RIFERIMENTO PER LE RUOTE FERROVIARIE

  • 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


AAR : USA

  • 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



DIRETTIVE : CE Requisiti

  • 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).




CONICITA’ DELLA SUPERFICE DI ROTOLAMENTO DEL PROFILO

  • CONICITA’ DELLA SUPERFICE DI ROTOLAMENTO DEL PROFILO



METODI MISURA MANUALI

  • METODI MISURA MANUALI

  • Con “gauges” del tipo GO - NO GO

  • Con attrezzatura costruita ad hoc

  • Con strumentazione elettronica a contatto



METODI MISURA AUTOMATICI

  • 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



RICHIESTE GENERALI DEL SISTEMA DI MISURA DI RUOTE FERROVIARIE

  • 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



RUOTA IDEALE

  • 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



SISTEMA DI RIFERIMENTO

  • 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.



SISTEMA DI RIFERIMENTO PER IL PROFILO

  • 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.



  • 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


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



TELECAMERA

  • TELECAMERA

  • La cattura del profilo e la sua trasformazione in sequenza di “coordinate” avviene mediante il CCD di una telecamera

  • La telecamera esegue una trasformazione tra un sistema 3D in un sistema 2D coincidente con il suo sensore: 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.





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.



ACQUISIZIONE DEI PUNTI DELL PROFILO

  • ACQUISIZIONE DEI PUNTI DELL PROFILO

  • è la visualizzazione dello spazio pixel completo

  • Un
    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

        • 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
    di 4 telecamere fino a circa 500frames/s





SPAZIO MM

  • 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



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.



DA PIXEL A MM

  • DA PIXEL A MM



PROFILO COMPETO

  • PROFILO COMPETO



CALCOLO DEI PARAMETRI GEOMETRICI

  • CALCOLO DEI PARAMETRI GEOMETRICI





ALGORITMI IN SPAZIO MM

  • ALGORITMI IN SPAZIO MM



ALGORITMI IN SPAZIO MM

  • ALGORITMI IN SPAZIO MM



ALGORITMI IN SPAZIO MM

  • ALGORITMI IN SPAZIO MM



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



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”



MODELLO PER IL CALCOLO DEL DIAMETRO DELLA RUOTA

  • 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.



MODELLO PER IL CALCOLO DEL DIAMETRO DELLA RUOTA

  • MODELLO PER IL CALCOLO DEL DIAMETRO DELLA RUOTA

  • Diametro misurato sulla proiezione nel piano ZW

  • Metodo 3 punti

  • Asse Ruota Ortogonale a piano ZW



DETERMINAZIONE 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 )



PROCESSO DI 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.



PROIEZIONE SU ZW

  • PROIEZIONE SU ZW



METODO ANALITICO PER LA VALUTAZIONE DEL DIAMETRO DA 3 PUNTI

  • METODO ANALITICO PER LA VALUTAZIONE DEL DIAMETRO DA 3 PUNTI



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

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



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

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



Attrezzatura per Calibrazione ZW

  • Attrezzatura per Calibrazione ZW



Attrezzatura per la Verifica della Calibrazione

  • Attrezzatura per la Verifica della Calibrazione



















MTR - HONG KONG

  • MTR - HONG KONG



MTR - HONG KONG

  • MTR - HONG KONG



UK - LONDRA - EUROSTAR

  • UK - LONDRA - EUROSTAR



SIRIA - CFS

  • SIRIA - CFS



HTM - OLANDA RATP – PARIGI - FRANCIA

  • HTM - OLANDA RATP – PARIGI - FRANCIA



Performances 2a e 3a generazione

  • Performances 2a e 3a generazione








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