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1. WO2014147563 - SYSTEM AND METHOD FOR INSPECTING THE GEOMETRIC PARAMETERS OF THE WHEELS OF RAILWAY VEHICLES

Примечание: Текст, основанный на автоматизированных процессах оптического распознавания знаков. Для юридических целей просьба использовать вариант в формате PDF

SISTEMA Y MÉTODO PARA LA INSPECCIÓN DE LOS PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE RUEDAS DE VEHÍCULOS FERROVIARIOS

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere a sistemas para la inspección automatizada de los parámetros geométricos de rodadura en ruedas ferroviarias de vehículos circulantes en vía, utilizando técnicas de visión artificial que permiten obtener una descripción numérica del perfil transversal de las ruedas de los trenes. Así mismo, conforme a la invención se halla los valores de los parámetros geométricos del perfil de la rueda, permitiendo una comparación con otros perfiles patrón o con datos históricos de medición del perfil, para efectos de determinar ratas de deterioro, realizar pronóstico del estado de las ruedas, definir el periodo para la próxima inspección o inferir el proceso de desgaste en la rueda.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El desgaste de la superficie de la banda de rodadura en las ruedas de ferrocarriles es un fenómeno conocido. El desgaste origina un incremento en el coste de operación y reducción en el margen de seguridad en la marcha del tren, para mitigar éste efecto, los operadores ferroviarios deben realizar acciones de mantenimiento con el fin de conservar los parámetros del perfil de rodadura dentro de los valores autorizados por normativas ferroviarias.

Para la circulación de trenes, los parámetros han sido definidos como los siguientes: diámetro de la rueda, diferencia de diámetros de las ruedas del vehículo, altura y espesor de la pestaña, medida indirecta del ángulo de la pestaña [qR], diferencia en la reducción del perfil, diferencia en la reducción del área; éstos parámetros determinan el grado de desgaste de la rueda.

En éste sentido se hace necesario inspeccionar el estado de los perfiles de las ruedas del material rodante que circula en las vías, para lo cual la técnica anterior se ha ocupado ya de la medición mediante sistemas de visión artificial, obteniendo perfilogramas de ruedas ferroviarias mediante dispositivos situados en instalaciones especiales o en vía. En la presente invención, se debe entender que material rodante se refiere a cualquier dispositivo capaz de rodar en una vía ferroviaria.

El documento US5808906 divulga una instalación y procedimiento de medida de parámetros de rodadura por visión artificial en ruedas. El documento divulga dos equipos complementarios para medir los parámetros de la rueda, un primer equipo es utilizado para capturar el perfil transversal de rueda, y un segundo equipo, para medir el diámetro de la rueda. El primer equipo comprende un soporte de rodadura, sobre el cual se hace rodar la parte más externa de la rueda, quedando libre la zona de rodadura que se desea medir, a un lado del soporte está dispuesto un sensor de posición de la rueda que envía una señal a un generador de haz plano de luz láser, éste láser con ayuda de un espejo (o con otro generador láser) ilumina la totalidad del perfil transversal de la rueda, la imagen del perfil es capturado por una cámara dotada de un objetivo y un filtro, y envía la imagen a un equipo electrónico. El segundo equipo duplica los elementos que comprende el primer equipo, se diferencia en que el segundo equipo registra perpendicularmente la imagen, requiriendo que la rueda marche apoyada en su pestaña. Por lo tanto, el documento anterior plantea un procedimiento de medida con dos equipos y en dos etapas, una primera etapa, necesaria para la medición del perfil de rueda, y una segunda etapa, necesaria para medición de diámetro. Además, en un aspecto de la invención anterior, dicha invención divulga un procedimiento de medida caracterizado porque comprende dos tipos diferentes de riel modificado, un primer riel modificado tal que la rueda se apoye en su superficie exterior de rodadura para hallar los parámetros del perfil de rueda, y un segundo riel modificado tal que la rueda se apoye en la pestaña para medir su diámetro. Una primera desventaja de la invención anterior es que existe una sección de riel de transición entre los dos tipos de riel modificado, la necesidad de una sección total de riel modificado de gran longitud, exige una intervención considerable en un tramo de vía. Otra desventaja de la invención anterior radica en que la medición de los parámetros de la rueda no pueden realizase simultáneamente, y además, los sensores deben estar dispersos en un tramo

considerable de la vía. Asimismo, este documento reivindica que el procedimiento de medida del diámetro de la rueda se realiza con rueda apoyada en su pestaña sobre un riel modificado con ayuda de un riel de guarda. Por lo tanto, otra desventaja de la invención anterior radica en que para esa condición de marcha del vehículo, se anula el guiado del tren en la vía, es decir, se sabe que el guiado en la marcha de un tren se realiza por la relación geométrica entre los rieles y las ruedas, en el caso que se elimine ésta relación se genera un riesgo de descarrilamiento del vehículo. Por lo tanto, la invención anterior transgrede los estándares y normativas referente a la seguridad de marcha de vehículos ferroviarios. En la instalación de la invención anterior, la utilización de dos equipos con una medición de dos etapas, es un inconveniente por poseer una implementación complicada, debido a que los elementos pertenecientes a cada una de las etapas de medición deben ser sincronizados, y además, requiere una reforma extensa en la vía para instalar los dos equipos.

El documento WO2004046644A2 divulga un método y un sistema para la medición de ruedas ferroviarias mediante el uso de múltiples fuentes de luz para iluminar porciones de superficie de las ruedas. Este documento comprende por lo menos tres fuentes de luz láser y tres cámaras funcionando adecuadamente y sincronizadas, registrando tres imágenes para obtener al menos un parámetro de la rueda. Una desventaja que proporciona este documento radica en que el dispositivo posee tres conjuntos de láseres y cámaras los cuales no pueden ser considerados dispositivos autónomos, capaz de funcionar y procesar datos independientemente para obtener las medidas de la rueda, la obtención de los datos del perfil son dependientes del adecuado registro de todas las tres imágenes para poder obtener cualquiera de las medidas del perfil de la rueda. Además, la invención anterior comprende una multiplicidad de fuentes de luz láser con una respectiva cámara, de manera que cada conjunto registra una porción distinta del perfil de la rueda, con lo cual el procesamiento de la imagen y la implementación del sistema es más complejo, y limitado a la resolución y capacidad de transmisión de datos desde cada cámara al procesador de datos, la complejidad en el sistema y el procesamiento de la imágenes genera la disminución en la frecuencia de

muestreo en las imágenes, traduciéndose éstos inconvenientes en pérdida de precisión en la medición de la rodadura de las ruedas. Adicionalmente, este documento divulga un método de medición que comprende el uso de datos de calibración, el cual debe ser realizado a cada una de las tres imágenes provenientes de cada conjunto láser y cámara; por lo tanto, otra desventaja es que la invención anterior requiere que las posiciones relativas de cada cámara respecto a su correspondiente fuente de luz debe ser configurada. Además, es necesario calibrar la posición relativa de cada cámara y su fuente de luz con respecto a las ruedas cuando las imágenes son capturadas, demandando considerable tiempo de calibración.

El documento US2008212106A1 divulga un procedimiento para el tratamiento adicional de un perfil de una rueda, con el propósito de determinar su desgaste, los datos del perfil se utilizan como variable de control para controlar una máquina para el mecanizado de la superficie de la rueda, la invención se caracteriza porque el registro del perfil transversal de la rueda se obtiene a partir de, como mínimo, tres dispositivos láser que proyectan bandas luminosas sobre áreas situadas a tres lados diferentes de la superficie de la rueda. La invención anterior comprende una pluralidad de mediciones en sitios diferentes en la rueda, requiriendo capturar mediciones alrededor de toda la circunferencia de la rueda, la invención anterior realiza la captura de datos con la rueda dispuesta en una máquina perfiladora de ruedas tipo torno, máquina de mecanizado, ó similar. Por lo tanto, una limitación de la invención anterior radica en que el método para la obtención de los datos de la rueda no puede realizarse con la rueda dispuesta en el vehículo transitando en una vía a una velocidad de marcha. En un otro aspecto, la invención anterior se caracteriza porque el método comprende condiciones de inicio de la prueba para el registro de la rueda; por lo tanto una desventaja de la invención anterior consiste en que cada rueda debe posicionarse en un banco de prueba y satisfacer condiciones para iniciar el registro de datos de la rueda. En otro aspecto de la invención anterior, se caracteriza porque el método comprende condiciones de giro de la rueda, determinado mediante un conjunto de señales; por lo tanto, una desventaja de la invención anterior radica en que el registro de datos de la rueda debe realizarse satisfaciendo condiciones específicas y controladas durante la prueba.

El documento US2003160193A1 se refiere a la medida de los parámetros de rodadura y de torneado en ruedas ferroviarias, utilizando técnicas ópticas y de visión artificial para obtener el registro de ambas caras de la misma. La invención anterior comprende dos fuentes de luz láser de línea, que deben construir una única línea en la superficie de la rueda, una desventaja consiste en que las fuentes de luz láser no pueden ser considerados elementos autónomos, capaz de funcionar independientemente para obtener las medidas de la rueda, cada fuente de luz láser debe ser ubicada y orientada de tal forma y precisión que las líneas proyectadas por cada fuente de luz láser sobre el perfil de la rueda deben satisfacer dos condiciones, una condición es que líneas deben estar dispuestas colinealmente, y la otra condición es que las líneas deben estar superpuestas, necesitando un dispositivo de montaje complejo, preciso y robusto, para ubicar adecuadamente las fuentes de luz láser. En otro aspecto de esta anterioridad, se caracteriza porque comprende un periscopio formado por dos espejos, o similar, esto se presenta como una desventaja porque necesita un dispositivo de montaje complejo y preciso, para ubicar los espejos respecto a la línea proyectada en la superficie de la rueda y respecto a la cámara. En otro aspecto de la invención anterior, se caracteriza porque hace uso de algoritmos matemáticos que deben procesar una imagen compuesta por una vista del perfil de la rueda adquirida directamente por la cámara y por una segunda vista adquirida por medio de un juego de espejos, una desventaja radica en que para obtener los datos del perfil de la rueda, es necesario procesar una imagen con la información de dos secciones del perfil, de manera que cada elemento recoge una parte diferente del perfil, con lo cual el procesamiento de la imagen, así como la implementación del sistema para el registro de datos, se hace más complejo, generando pérdida de precisión en la medición.

El documento WO9012720 divulga una instalación para el examen, en vía, del perfil de cada una de las ruedas de un tren circulante que comprende una fuente de luz dispuesta para proyectar una línea que se extiende

transversalmente sobre la superficie de la rueda para ser capturada por una cámara. Este documento se caracteriza porque comprende medios adicionales para la medición del diámetro de la rueda, la cual se utiliza para disparar la unidad de iluminación. Adicionalmente, los medios de medición comprenden una fuente de luz adicional dispuesta para iluminar uno de los lados de la rueda y una cámara adicional dispuesta para capturar una parte del área del borde del lado iluminado de la rueda.

Otros documentos cercanos al presente invento, son los documentos WO0107308A1 , WO2004058554A1 , EP1614602A1 , que hacen referencia a aparatos para detectar la redondez de las ruedas de vehículos de ferrocarril, provistos de sistemas mecánicos de medición, por medio del registro del radio circunferencial de la punta de la pestaña, basándose en el hecho que el perímetro de las pestañas de las ruedas de los ferrocarriles son redondas con precisión y que muy pocas veces la forma de la pestaña es afectada o desgastada. Por lo tanto, la pestaña es utilizada como dato de medida del diámetro de la rueda. La presente invención se basa así mismo, en la medida de la punta de la pestaña para obtener el diámetro de las ruedas de los trenes. No obstante, los principios tecnológicos en que se basa los dispositivos del estado del arte difieren de los que se han servido para el desarrollo de ésta invención. Además, aunque todos estos dispositivos conocidos son ventajosos para el registro del diámetro de la rueda, no se corresponden, no obstante, con los requisitos actuales, porque la técnica anterior mide un único parámetro de la rueda para determinar su redondez.

A partir de lo anterior, los dispositivos y métodos del estado del arte, se limitan al uso de cámaras para la captura de una imagen, registrando la totalidad del perfil de la rueda o diámetro de la rueda. El estado del arte implementa el uso de un conjunto de imágenes digitalizadas provenientes de dos o más cámaras de captación con dos o más fuentes de luz láser, o de arreglos de espejos y otros componentes, de manera que cada elemento captura una parte diferente del perfil. Esto sin duda, representa una alta carga de procesamiento del conjunto de imágenes generadas por cada dispositivo, así como la implementación de los dispositivos se hace más complejo. Por lo tanto, existe

una necesidad de detección con alto nivel de precisión en la medición de los parámetros geométricos de la rueda, mediante un único perfilograma parcial que represente una fracción del contorno de la superficie de revolución de la rueda, mediante la reconstrucción de la totalidad de la información del perfil de la sección transversal de la rueda registrada mediante procesamiento de imágenes con un sistema capaz de utilizar una única imagen proveniente de una única cámara con una fuente de luz estructurada.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con el fin de complementar la descripción de la invención y facilitar la interpretación de sus características principales, se incluyen los siguientes dibujos:

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, es una representación esquemática para explicar el dispositivo de inspección de la condición de los parámetros geométricos de rodadura de las ruedas del material rodante ferroviario que transita en la vía.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.2. A es una representación básica, en vista frontal a la vía, para explicar la disposición general de los elementos de registro en una vía ordinaria con rieles comerciales, dicha disposición presenta la configuración de un haz de luz que incide sobre una fracción del perfil de la rueda a medir y una cámara que permite capturar la fracción del contorno.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.2. B es una representación básica análoga a la Fig. 2.A, pero en vista lateral a la vía.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.3.A es una representación básica, en vista frontal a la vía, para explicar la disposición general de los elementos de registro en una vía especial con rieles modificados, dicha disposición presenta la configuración de un haz de luz que incide sobre una fracción del perfil de la rueda a medir y una cámara que permite capturar la fracción del contorno.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.3.B es una representación básica análoga a la Fig. 3.A, pero en vista lateral a la vía.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.4 es una representación básica, en vista superior respecto a la vía, que muestra una instalación según la invención en la que la rueda no está alineada respecto al riel, presentando un ángulo de ataque.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una representación de dos perfilogramas de una rueda, el perfilograma ubicado en la parte superior, ejemplifica un perfilograma parcial de la superficie de revolución de una rueda obtenido por el dispositivo de la presente invención, y el perfilograma ubicado en la parte inferior, ejemplifica un perfilograma parcial con correcciones geométricas tal que representa las dimensiones verdaderas de la sección transversal de la rueda.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.6. A muestra una representación de dos perfilogramas de una rueda, el perfilograma ubicado en la parte superior, ejemplifica un perfilograma parcial obtenido con una instalación del dispositivo en una vía ordinaria con rieles comerciales, y el perfilograma ubicado en la parte inferior, ejemplifica un perfilograma estándar de referencia de la rueda.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.6.B es una representación del perfilograma completado, obtenido a partir del dispositivo configurado en una vía ordinaria con rieles comerciales, y reconstruido a través del método, objeto de la presente invención.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.7. A muestra una representación de dos perfilogramas de una rueda, el perfilograma ubicado en la parte superior, ejemplifica un perfilograma parcial obtenido con una instalación del dispositivo en una vía especial con rieles modificados, y el perfilograma ubicado en la parte inferior, ejemplifica un perfilograma estándar de referencia de la rueda.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.7.B es una representación del perfilograma completado, obtenido a partir del dispositivo configurado en una vía especial con rieles modificados, y reconstruido a través del método, objeto de la presente invención.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.8 es una representación del perfilograma completado obtenido a partir del dispositivo, el cual muestra los parámetros geométricos de la rueda, hallados por el método.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.9 es un ejemplo de la interfaz gráfica de usuario, el cual muestra esquemáticamente un resultado obtenido de una medición realizada con la presente invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL INVENTO

El presente invento divulga un método y un sistema para la inspección automatizada de los parámetros geométricos del perfil de ruedas de material rodante que circula en un carril de vías férreas. El método consiste en los siguientes pasos: a) generar un haz de luz mediante una fuente de luz estructurada sobre la sección parcial transversal de la rueda, de tal forma que el haz de luz incide sobre la rueda como una línea luminosa; b) capturar una imagen de la línea luminosa proyectada sobre la sección transversal de la rueda mediante una cámara de captación; c) convertir la imagen en un perfilograma parcial de la sección transversal de la rueda mediante un sistema de visión artificial; d) corregir geométricamente el perfilograma parcial mediante una transformación de sistemas de coordenadas; y e) reconstruir el perfilograma parcial mediante una superposición geométrica de las secciones coincidentes del perfilograma parcial con un perfilograma de referencia de un perfil de rueda estándar.

Así mismo, el presente invento divulga un sistema para la inspección automatizada de los parámetros geométricos de rodadura en ruedas ferroviarias de material rodante que transita en una vía que está compuesto por: i) una fuente de luz estructurada que genera un haz de luz sobre una sección parcial transversal de la rueda, generando una línea luminosa en dicha sección; ii) un elemento de registro de la luz emitida por la fuente de luz estructurada, que en las modalidades preferidas es una cámara de captación que capta una imagen de la zona iluminada; y c) un sistema de adquisición de datos que transmite la información de la cámara a una red de cómputo que centraliza, administra y almacena la información de la medición de parámetros geométricos del perfil de ruedas de material rodante y que corrige geométricamente y reconstruye la información del contorno de la sección transversal de la rueda no registrada en la imagen, obteniendo una descripción numérica del perfil transversal completo de la rueda que es representado por medio de un perfilograma reconstruido para calcular los parámetros geométricos de la rueda.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención divulga un sistema y un método para inspeccionar la condición de los parámetros geométricos de rodadura de cada una de las ruedas del material rodante ferroviario que transita en la vía. El presente invento hace una inspección automatizada en vía, por medio de medición por visión artificial, de los parámetros geométricos de rodadura de ruedas de vehículos ferroviarios circulantes en una vía férrea. Adicionalmente, el sistema y método del presente invento, permite realizar la captura de un contorno parcial en cada rueda de trenes, para la reconstrucción total de su perfil mediante un procesamiento de imágenes, y obteniendo los respectivos parámetros geométricos de las ruedas.

A diferencia del estado del arte, la presente invención requiere menor cantidad de elementos para la medición de los parámetros geométricos de la rodadura de las ruedas de los trenes, reduciendo la complejidad de la implementación del sistema para el registro de datos, generando que los algoritmos matemáticos deban procesar menor información, reflejándose en un resultado con mayor precisión en la medición en relación a lo que se encuentra en el estado del arte. Como se explicará en detalle más adelante, a diferencia del estado del arte, la presente invención requiere únicamente la captura de una fracción de perfil de la rueda, y a partir de la imagen, se reconstruye la totalidad del perfil de la rueda, obteniendo los parámetros geométricos de rodadura.

La presente invención permite obtener una multiplicidad de mediciones y parámetros del perfilograma de la rueda, de forma tal que sea posible inspeccionar automáticamente las condiciones geométricas de rodadura de la

rueda. Entre estos parámetros se incluyen: el diámetro de la rueda, la diferencia de diámetros de las ruedas del vehículo, la altura y el espesor de la pestaña, la medida indirecta de la pestaña [qR], la diferencia en la reducción del perfil, y la diferencia en la reducción del área. A diferencia de lo existente en el estado del arte, la presente invención divulga un dispositivo que comprende el uso de una única cámara de captación y una única fuente de luz estructurada para hallar los parámetros de la sección transversal de la rueda, y además, el diámetro de la rueda.

A diferencia de lo enseñado por el arte, el presente invento hace uso de visión artificial para medir el diámetro de la rueda mediante el registro de la pestaña de la rueda proveniente de un perfilograma de la sección transversal de la rueda, que contiene, además, todos los parámetros geométricos de rodadura de ruedas de vehículos ferroviarios circulantes por la vía, para determinar el proceso de desgaste de la rueda.

La presente invención calcula el diámetro de la rueda mediante la relación de dos valores pertenecientes a la geometría de la rueda. Un primer valor es altura de la pestaña, obtenido de la información contenida en el perfilograma reconstruido. Un segundo valor es el radio circunferencial de la punta de la pestaña, que posee un valor invariable, debido a que el perímetro de la punta de la pestaña de las ruedas de los ferrocarriles son redondas con precisión y que la punta de la pestaña no es afectada ni sometida a desgaste, por lo tanto es obtenido de un valor patrón, que en la modalidad preferida puede ser definido por la geometría teórica de la rueda, por la geometría de fábrica de la rueda o por un valor de referencia de una rueda patrón. El valor del diámetro de la rueda es el residuo de la diferencia entre los valores del radio circunferencial de la punta de la pestaña y de altura de la pestaña.

En un primer aspecto, y haciendo referencia a la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., la presente invención se refiere a un dispositivo (100) que comprende un arreglo con dos elementos de registro (10, 20). El primer elemento de registro consiste en una fuente de luz estructurada (10) tipo generador de haz plano de luz láser. La fuente de luz estructurada (10)

proyecta una línea (12) de luz que incide en la superficie de revolución (3) de una rueda (1 ) que circula en una vía sobre un riel (2). El segundo elemento de registro consiste en una cámara de captación (20) que en modalidades preferidas puede tener una resolución efectiva de 1600x1200ppp o superior, una velocidad de captura de imagen mínima de 66fps, un lente de 35mm de longitud focal, un tamaño de sensor de 2/3 y un tamaño de celda de 5.5μηι. La cámara de captación (20) obtiene el registro de una imagen (21 ) que contiene una línea luminosa (12) correspondiente a una fracción del contorno de la rueda (1 ).

En la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., se observa como el arreglo con dos elementos de registro (10, 20) están acoplados a un medio para la transmisión de los datos (30) provenientes de un sistema de adquisición de datos (40) que transmite a un sistema de cómputo y procesamiento de datos (50) y que posee una conectividad con una red de cómputo (60) que permite la interacción a usuarios (61 ). El presente invento además permite integrar otros datos de medición provenientes de otros equipos de medición (70) mediante la adición de módulos al sistema de adquisición de datos (40).

Conforme al dispositivo de la presente invención, un sensor de posición (80) que puede ser fotoeléctrico por barrera o por reflexión o interruptores de acción mecánica, detecta la presencia de los elementos de registro (10, 20), y emite una señal cuando

la señal de los elementos de registro (10, 20), es obtenida mediante la medición de la ubicación del vehículo en la vía, por medio de cada rueda del vehículo que circula, está en la posición adecuada para ser medida. En el instante en que la rueda del vehículo circula, un controlador sincroniza la proyección de la luz estructurada (10) y activa el registro de la cámara de captación (20) de manera que toma la información de la rueda del vehículo instantáneamente.

El dispositivo de la presente invención puede estar instalado en cualquier tipo de vía, que se especificarán más adelante, el arreglo de los elementos de

registro (10, 20) se duplican en el segundo riel de la vía, pero en manera opuesta, para registrar la rueda opuesta, los demás elementos son comunes a todas las ruedas que se han de medir. La instalación de acuerdo con la presente invención podrá además configurarse en diferentes tipos de vía, pero no limitado a:

- según la Fig. 2.A y la Fig. 2.B, la instalación podrá configurarse en una vía ordinaria conformada por rieles comerciales (2) que son fabricados con material y geometría estándar de elementos ferroviarios, en tal caso, la fuente de luz estructurada (10) y la cámara de captación (20) deberán estar dispuestos al costado externo de la vía, para proyectar el haz de luz (11 ) que ilumina la línea (12) y capturar la imagen (21 );

- según la Fig. 3.A y la Fig. 3.B, la instalación podrá configurarse en una vía especial conformada por soportes de rodaduras especialmente diseñados, o rieles modificados (2'), sobre el cual se hace rodar la sección externa de la superficie de rodadura de la rueda a medir, y el cual dispone un contracarril (4) que impide el descarrilamiento, por lo tanto queda libre la banda de rodadura de la rueda para que la fuente de luz estructurada (10) y la cámara de captación (20) puedan estar dispuestos justo bajo la rueda, para proyectar el haz de luz (11 ) que ilumina la línea (12') y capturar la imagen (21 ').

Una instalación alternativa de la invención, comprende múltiples arreglos de elementos de registro (10, 20), instalados en diferentes rieles dentro de un sistema de vías, en donde cada arreglo es autónomo, capaz de funcionar independientemente, o pueden estar integrados como una unidad dentro de un mismo dispositivo que centraliza, administra y almacena la información. Por lo tanto, la unidad del dispositivo (100) del presente invento, puede ser constituida por medio de un conjunto de información con base en la información de varias células de medición compuestas por arreglos de sensórica instalada en rieles o basados en visión artificial.

En otra modalidad, y de forma opcional a la presente invención, el dispositivo (100) puede comprender la integración de equipos de diferente naturaleza

provenientes de otros equipos de medición (70), con el fin de proveer datos complementarios, tales como:

- un equipo de identificación de vehículos (70'), ver ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., para registrar la información de cada vehículo que es sensado. El equipo de identificación de vehículos puede estar basado en tecnología por radio frecuencia que comprende un conjunto de etiquetas y una antena integrada a un equipo de lectura. Cada vehículo tiene adherido una etiqueta que tiene almacenado un código de identificación del vehículo e información sobre el estado de sus ruedas (1 ), que permite individualizar la medición de cada vehículo, y asignar el registro de cada medición según las características propias de material rodante: tipo de vehículo (de pasajeros, de carga, auxiliar), cantidad de vagones, cantidad de ejes, cantidad de ruedas; o asimismo, comprende la posibilidad de realizar el cruce de información entre la secuencia de las mediciones adquiridas usando un registro que contenga la secuencia de los vehículos que han circulado en la vía; o

- un arreglo de sensores de distancia sin contacto (70"), remítase a la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., dispuestos transversalmente en la vía para registrar la distancia entre caras internas de las ruedas de un eje o para medir el ángulo de ataque (101) de una rueda (1 ) respecto a un riel (2); la integración es posible porque el sistema de adquisición de datos (40) permite integrar otros datos de medición provenientes de otros equipos de medición mediante la adición de módulos.

Método

En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un método, en el cual la imagen capturada (21 ) es procesada en tiempo real por la unidad de cómputo y procesamiento de datos (50). El método consiste en los siguientes pasos generales:

a) generar un haz de luz mediante una fuente de luz estructurada sobre la sección parcial transversal de la rueda, de tal forma que el haz de luz incide sobre la rueda como una línea luminosa;

b) capturar una imagen de la línea luminosa proyectada sobre la sección transversal de la rueda mediante una cámara de captación;

c) convertir la imagen en un perfilograma parcial de la sección transversal de la rueda mediante un sistema de visión artificial;

d) corregir geométricamente el perfilograma parcial mediante una transformación de sistemas de coordenadas; y

e) reconstruir el perfilograma parcial mediante una superposición geométrica de las secciones coincidentes del perfilograma parcial con un perfilograma de referencia de un perfil de rueda estándar.

El método comprende algoritmos matemáticos adecuados que compensan los defectos ópticos, discriminando la configuración de la instalación según el tipo de vía:

- haciendo referencia a las Fig. 2.A y Fig. 2.B, la instalación dispuesta en una vía ordinaria conformada por rieles comerciales (2) posee una configuración ventajosa por ser una instalación más sencilla, pero deberá realizar un procesamiento de datos más robusto para corregir los efectos considerables por la perspectiva, debido a la orientación del plano de captura de la imagen (21 ) respecto al plano de la superficie de revolución (3) de la rueda (1 ); y

- haciendo referencia a las Fig. 3.A y Fig. 3.B, la instalación dispuesta en una vía especial conformada por rieles modificados (2') tiene un procedimiento de instalación más complejo, pero podrá realizarse un procesamiento de datos más ágil porque los efectos de la perspectiva son sutiles, debido a que el plano de captura de la imagen (21 ') posee gran coincidencia con el plano de la cámara de captación (20);

De esta manera, la imagen (21 ó 21 ') registra una fracción de la superficie de revolución de la rueda generada por el haz de luz (12 ó 12'), y luego la imagen es transmitida a un sistema de visión artificial que transforma la imagen a un perfilograma parcial (200) del contorno de la rueda que posee las unidades reales de medida.

La instalación de la presente invención puede estar provista de un contracarril (4), mostrado en la Fig. 3.A, o de otros medios destinados para alinear la rueda al riel en el instante de la medición. Sin embargo, el método de la presente invención permite también que la instalación se realice en una vía desprovista de medios para alinear la rueda al riel.

La Fig. 4 presenta el caso en que la instalación está dispuesta en una vía desprovista de medios para alinear la rueda al riel, y por lo tanto la rueda (1 ) podrá presentar un ángulo de ataque (101 ) formado por la desviación angular entre el eje de simetría (102) de la rueda (1 ) respecto al eje transversal (103) del riel (2).

En dicho caso, la fuente de luz estructurada (10) proyecta un haz de luz (11 ) que incide como línea luminosa (12) sobre la rueda (1 ) en dirección E1 , que coincide con la dirección del eje transversal (103) del riel (2). Luego, se halla el ángulo de ataque (101 ) de la rueda (1 ), para relacionar la dirección E1 de la línea luminosa (12) registrada por el dispositivo (100), con la dirección E2 que define la sección transversal de la rueda (1 ) que es objeto de medida. El ángulo de ataque (101 ) se halla por medio de la integración de un arreglo de dos sensores de distancia sin contacto (70") dispuestos transversalmente en la vía para registrar las distancias (71 y 72) de cara interna de la rueda (1 ). La relación entre las distancias 71 y 72, junto con la disposición geométrica (104) del arreglo de sensores (70"), permite hallar el valor del ángulo de ataque (101 ) de la rueda (1 ) en el instante de la adquisición de datos del arreglo de elementos de registro (10, 20).

Tratándose de un cuerpo sólido con una forma básica, substancialmente, cilindrica o anular como, por ejemplo una rueda (1 ) de un vehículo ferroviario, la línea luminosa (12) que se proyecta en la superficie de revolución (3) del cilindro o anillo en la dirección E1 , pude ser transformado a la dirección E2, que corresponde a la sección transversal de la rueda (1 ), mediante una proyección geométrica de la línea luminosa (12) contenida en la dirección E1 , proyectada a la dirección E2.

La Fig. 5 muestra un perfilograma parcial (200) capturado por el dispositivo (100) que describe numéricamente el contorno de la superficie de revolución (3) de una rueda (1 ) en la dirección E1 , que corresponde al registro de una rueda (1 ) circulando en un riel (2) con un ángulo de ataque (101 ). El perfilograma parcial (200) es corregido geométricamente mediante un procesamiento de datos tipo transformación de sistemas coordenados, obteniendo el perfilograma parcial (300) que corresponde al perfil de la sección transversal de la rueda (1 ) en la dirección E2. La transformación puede realizarse mediante métodos numéricos de proyección lineal, métodos de transformación geométrica no-rígida, relaciones de proporcionalidad u otros métodos similares, utilizando el valor del ángulo de ataque (101 ). Es así que, la longitud (105) del perfilograma parcial (200) es convertida a la longitud (106) del perfilograma parcial (300) que corresponde a la longitud verdadera de la sección transversal de la rueda (1 ).

La Fig. 6.A presenta la relación geométrica entre dos perfilogramas, un primer perfilograma parcial (310) obtenido de un registro de una rueda mediante una instalación dispuesta en una vía ordinaria conformada por rieles comerciales (2), el perfilograma parcial (310) comprende el registro de la banda de rodadura y una fracción de la pestaña de la rueda, el cual es dividido en dos secciones (311 y 312), y un segundo perfilograma de referencia (400) proveniente de un perfil de rueda estándar, el cual se divide en tres secciones (411 , 412 y 413). La cota (107) que define el ancho de la rueda, posee un valor fijo que no es afectado por el desgaste de la rueda debido a la rodadura sobre el riel, por lo tanto, la cota (107) permite ubicar el perfilograma parcial (310) respecto al perfilograma de referencia (400).

El método de la presente invención se basa en el hecho que la pestaña de la rueda no es afectada por desgaste en su circunferencia, por lo tanto la fracción de la pestaña no registrada en perfilograma parcial (310) puede ser

reconstruido a través del complemento de la sección (413) del perfilograma de referencia (400), y además, la fracción de la pestaña de la rueda (312) debe coincidir con la sección (413) del perfilograma de referencia (400).

La Fig. 6.B expone esquemáticamente la construcción del perfilograma reconstruido (500) compuesto por las secciones 311 , 312 y 413. Las secciones 311 , 312 y 413 son obtenidas a partir del perfilograma parcial (310), mediante la superposición geométrica de las secciones coincidentes (312 y 412) mostrado en la Fig. 6.A.

Así mismo, la Fig. 7.A presenta la relación geométrica entre dos perfilogramas, un primer perfilograma parcial (320) obtenido de un registro de una rueda mediante una instalación dispuesta en una vía especial conformada por rieles modificados (2'), el perfilograma parcial (320) comprende el registro de una fracción de la banda de rodadura y de la pestaña de la rueda, el cual se ha dividido en tres secciones (321 , 322 y 323), y un segundo perfilograma de referencia (400) proveniente de un perfil de rueda estándar, el cual se divide en cinco secciones (421 , 422, 423, 424 y 425). La cota (108) definida como la distancia horizontal entre la cara interna de la rueda (109) y la punta de la pestaña (p1 ), y la cota (110) definida como la distancia horizontal entre la cara externa de la rueda (111 ) y la punta de la pestaña (p1 ), poseen valores fijos que no son afectados por el desgaste de la rueda debido a la rodadura sobre el riel, por lo tanto, permite ubicar el perfilograma parcial (320) respecto al perfilograma de referencia (400).

Conforme al método de la presente invención, por un lado, la fracción de la pestaña no registrada en perfilograma parcial (320) puede ser construido a través del complemento de la sección (424) del perfilograma de referencia (400), y la fracción de la pestaña de la rueda (322) debe coincidir con la sección (422) del perfilograma de referencia (400), y por otro lado, la fracción externa de la banda de rodadura no registrada en perfilograma parcial (320) puede ser construido a través del complemento de la sección (425) del perfilograma de referencia (400), y la fracción de la banda de rodadura (323) debe coincidir con la sección (423) del perfilograma de referencia (400).

La Fig. 7.B expone esquemáticamente la construcción del perfilograma reconstruido (500) compuesto por las secciones 321 , 322, 323, 424 y 425. Las secciones 321 , 322, 323, 424 y 425 son obtenidas a partir del perfilograma parcial (320), mediante la superposición geométrica de las secciones coincidentes (322 y 422, 323 y 423) mostrado en la Fig. 7A.

El método de la presente invención comprende la superposición de las secciones de coincidentes (312 y 412) mostrado en la Fig. 6A, o de las secciones de coincidentes (322 y 422, 323 y 423) mostrado en la Fig. 7A, la superposición de las secciones puede ser realizada utilizando un proceso numérico que puede estar basado en al campo de la geometría computacional, o un proceso estadístico tal como máxima correlación, o proceso de reconocimiento de patrones con inteligencia artificial usando redes neuronales artificiales, o similar, implementado en el sistema de cómputo y procesamiento de datos (50) mostrado en la Fig. 1.

El método de la presente invención comprende la aplicación de métodos numéricos de interpolación de primer orden o superior, para hallar los puntos de control (p1 , p2, p3, p4 y p5) en el perfilograma reconstruido (500) véase la Fig. 8, y obteniendo los valores de los parámetros geométricos del perfil de la rueda: altura de la pestaña (sh), espesor de la pestaña (sd), medida indirecta del ángulo de la pestaña (qR), diferencia en la reducción del perfil, diferencia en la reducción del área.

El método de la presente invención comprende la medición del diámetro de la rueda (112), mediante la diferencia entre las distancias del radio circunferencial de la punta de la pestaña (113) y altura de la pestaña (sh). El radio circunferencial de la punta de la pestaña (113), definido como la distancia entre el eje de simetría de la rueda (102) y la punta de la pestaña (p1 ), posee el valor estándar de referencia de la rueda, debido que la pestaña de la rueda no sufre desgaste en su circunferencia.

La presente invención permite mediciones estadísticas, mediante el registro y almacenamiento de los datos registrados, en una base de datos que permite el

análisis de los históricos de las señales de cada rueda y de cada tren, con el fin de registrar datos suficientes en un periodo de tiempo, tal que permite analizar tendencias, realizar pronóstico del estado de las ruedas e inferir ratas de deterioro.

La presente invención permite que el perfilograma reconstruido (500) pueda ser comparado con un perfilograma de referencia (400) permitiendo comprobar las respectivas diferencias, lo que representa una medida para el desgaste que se ha producido, o bien una medida para inspeccionar la magnitud del desgaste producido en la rueda, y hallar el nivel de desgaste en relación a un rango tolerable establecido. Mediante vinculaciones correlativas entre periodo efectivo de trabajo en la rueda y el desgaste medido se puede hacer un pronóstico acerca del periodo que la rueda puede ser sometido a trabajo o determinar el periodo para á próxima inspección por el dispositivo (100).

EJEMPLO DE LA MODALIDAD PREFERIDA DE LA INVENCIÓN

A continuación se describirá la invención, de manera adicional y más detallada, únicamente a título de ejemplo y haciendo referencia a los dibujos adjuntos.

En una realización preferida, el dispositivo (100) comprende dos elementos de registro (10, 20). Un láser (10) de perfil de haz lineal rojo visible, de tipo diodo clase 3B, con distribución de intensidad uniforme, con un ancho de línea de 2mm a 3m de distancia, una longitud de onda de 635μηι, una potencia mínima de 30mW, un ancho de línea inferior a 2mm, un ángulo de abanico de 85° y divergencia de 0.5mrad. El segundo elemento de registro es una cámara digital (20) de alta velocidad tipo CCD de 2/3pulg (8.8x6.6mm) y una resolución de 1600x1200. La cámara (20) está provista de un lente con una longitud focal de 35mm, un rango de iris F1 .4-F22, un rango de enfoque∞~o.2mm, y con un campo de visión horizontal 80 mm y un campo de visión vertical 40 mm. En otras realizaciones, la cámara de captación (20) puede tener una resolución efectiva de 1600x1200ppp o superior, una velocidad de captura de imagen

mínima de 66fps, un lente de 35mm de longitud focal, un tamaño de sensor de 2/3 y un tamaño de celda de 5.5μηι.

El dispositivo (100) comprende, además, un sensor de posición (80), que consiste en un sensor de detección tipo barrera fotoeléctrica con un alcance de detección máxima 15m y un tiempo de respuesta <200μ5. El sensor (80) está compuesto por una fuente de luz láser roja visible con longitud de onda 650nm, que opera en conjunto con una cinta refractiva autoadhesiva para trabajo pesado.

El sistema de adquisición de datos (40) contiene un módulo de captación de visión artificial que comprende una tarjeta de captura de imágenes que posee un controlador Gigabit ethernet de puerto doble que transfiere imágenes a un ancho de banda Gigabit ethernet completo, en ambos puertos simultáneamente.

El dispositivo (100) considera la posibilidad de integrar, directamente al sistema de adquisición de datos (40), un sistema de identificación automático de vehículos (70'), que se compone de un equipo tipo identificación por radio frecuencia, denominado RFID.

Así mismo, El dispositivo (100) considera la posibilidad de integrar, directamente al sistema de adquisición de datos (40), un arreglo de sensores de distancia sin contacto (70"), para registrar la distancia entre caras internas de las ruedas de un eje o para medir el ángulo de ataque (101 ) de una rueda (1 ) respecto a un riel (2). Los sensores (70") consisten en medidores de distancia láser tipo diodo clase 2, con un rango de medición de 10mm, resolución 0.2μηι y una frecuencia de muestreo de 4kHz.

La Fig. 9 muestra una alternativa de la interfaz gráfica de usuario (600), con el propósito de presentar un resultado obtenido de una medición realizada con la presente invención. La medición se ha realizado a una rueda (1 ) que posee un diámetro nominal de 848.2 mm, fabricada en material acero R8T (UlC 812) y

con un perfil geométrico tipo NRC, perteneciente a un vehículo de la flota de transporte público ferroviario que opera en la ciudad de Medellín (Colombia), vehículo de pasajeros de tres coches, los componentes mecánicos fueron fabricados originalmente por la empresa MAN, que llegó a ser parte de la compañía Adtranz y posteriormente Bombardier Transportation. El vehículo posee geometría y diseño similar a las unidades ET420, hasta hace un tiempo operados por Deutsche Bahn (ej.: Munich S-Bahn).

Con la modalidad preferida de la invención se realizó una medición utilizando los dos elementos de registro (10, 20) acoplados al sistema de adquisición de datos (40) que transmite a un sistema de cómputo y procesamiento de datos (50) que está conectada con una red de cómputo (60) que permite la interacción a usuarios (61 ) mediante la interfaz gráfica de usuario (600).

La interfaz gráfica de usuario (600) presentada en la Fig. 9 comprende las secciones 610, 620, 630 y 640. La sección 610 muestra esquemáticamente el tipo de imágenes obtenidas por la cámara, contiene el registro de una imagen (21 ) capturada por la cámara de captación (20) en el instante de la medición. La imagen (21 ) contiene la línea luminosa (12) generada por el láser (10) de perfil de haz lineal. La línea luminosa (12) corresponde a la fracción del contorno de la superficie de revolución (3) de la rueda (1 ).

La sección 620 que contiene la representación gráfica del perfilograma parcial (300) obtenida de la transformación de la imagen (21 ) mediante el procesamiento de visión artificial. La sección 630 contiene la representación gráfica del perfil reconstruido (500) obtenido a partir del perfilograma parcial (300). La sección 640 muestra las medidas obtenidas a partir del perfil reconstruido (500), definidas como los parámetros geométricos del perfil de la rueda: altura de la pestaña (sh), espesor de la pestaña (sd), medida indirecta del ángulo de la pestaña (qR), diferencia en la reducción del área (Ad), y para la medición realizada se obtiene además la medida del diámetro de rueda.

La Fig. 9 muestra además, que el perfilograma reconstruido (500) puede ser comparado con un perfilograma de referencia (400), ó varios perfilogramas de referencia, que pueden ser preferentemente cotas teóricas, pero podría ser también un conjunto de datos almacenados de valores correspondientes a mediciones previas, de manera que proporciona información acerca de la dimensión del desgaste de se ha producido en el transcurso desde dichas mediciones previas.

La descripción precedente de la invención se ha hecho con referencia a lo que constituye el ejemplo de ejecución preferente. No obstante, podrá efectuarse en la instalación descrita e ilustrada modificaciones de forma y de detalle, así como disposición de componentes, sin por ello salirse del ámbito de la invención. Por lo tanto, se pretende que el alcance de la invención quede limitado única y exclusivamente por el contenido de las reivindicaciones adjuntas.