Macchina per misurare la forza d’inserzione ed estrazione ...

Macchina per misurare la forza

d’inserzione ed estrazione di un

connettore Automotive

Studente/i Relatore

Simone Sabbadini Andrea Galli

Correlatore

Giovanni Furia

Committente

TE Connectivity Solutions

Corso di laurea Modulo

Ingegneria Meccanica M00006

Anno

2018/2019 C10136

Data

30 agosto 2019

Simone_Sabbadini_C10136_Rapporto

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Indice

ABSTRACT ................................................................................................................................................... 9

ABSTRACT ................................................................................................................................................. 11

PROGETTO ASSEGNATO ...................................................................................................................... 13

1. INTRODUZIONE .................................................................................................................................. 15

2. STATO DELL’ARTE ........................................................................................................................... 17

2.1 BANCHI PROVA PER LA MISURAZIONE DELLA FORZA ........................................................................ 17

2.1.1 Banchi prova manuali ............................................................................................................. 17

2.1.2 Banchi prova motorizzati ........................................................................................................ 18

2.2 TRASDUTTORI DI FORZA ...................................................................................................................... 20

2.3 SISTEMI DI PRESA ................................................................................................................................ 24

2.4 MACCHINE PER L’ATTUAZIONE ............................................................................................................ 27

3. DEFINIZIONE DEL SISTEMA .......................................................................................................... 29

3.1 SPECIFICHE DEL MACCHINARIO .......................................................................................................... 29

3.1.1 Misurazione delle forze ........................................................................................................... 29

3.1.2 Centraggio asse verticale ....................................................................................................... 30

3.1.3 Movimentazione asse .............................................................................................................. 30

3.1.4 Trasmissione del moto ............................................................................................................ 30

3.1.5 Protezione parziale da particelle esterne ........................................................................... 30

3.1.6 Sicurezza ..................................................................................................................................... 30

3.1.7 Costi ............................................................................................................................................. 30

3.2 FUNZIONI E VARIANTI DELLE TECNOLOGIE ........................................................................................ 31

3.3 METODO DI VALUTAZIONE ................................................................................................................... 32

3.4 DEFINIZIONE E VALUTAZIONE DELLE VARIANTI ................................................................................. 34

3.4.1 Movimentazione dell’asse verticale ..................................................................................... 34

3.4.2 Misurazione della forza........................................................................................................... 39

3.4.3 Sistema di fissaggio inferiore ................................................................................................ 43

3.4.4 Sistema di fissaggio superiore .............................................................................................. 46

3.5 SCELTA DELLE TECNOLOGIE DA APPLICARE ...................................................................................... 47

3.6 CASSA MORFOLOGICA DEL MACCHINARIO .............................................................................................. 50

3.6.1 Funzioni e varianti ................................................................................................................... 50

3.6.2 Valutazione delle varianti ...................................................................................................... 54

3.6.3 Scelta delle varianti del macchinario .................................................................................. 56

3.7 SCHIZZO DI PRINCIPIO .............................................................................................................................. 57

4. PROGETTAZIONE DEL MACCHINARIO ...................................................................................... 61

4.1 ANALISI DELLA SITUAZIONE ..................................................................................................................... 61

4.2 DIMENSIONAMENTO DELLA VITE ............................................................................................................. 62

4.2.1 Dati del problema .......................................................................................................................... 62

4.2.2 Formule e programma Matlab .................................................................................................... 63

4.2.3 Risultati ............................................................................................................................................ 65

4.3 SELEZIONE DEL MOTORE ......................................................................................................................... 67

4.3.1 Verifica del motore ........................................................................................................................ 68

4.4 CONSIDERAZIONE PER I CUSCINETTI ...................................................................................................... 69

4.5 VERIFICA DELLA CELLA DI CARICO .......................................................................................................... 70


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4.6 PROGETTAZIONE CAD ............................................................................................................................. 72

4.7 SEQUENZA DI MONTAGGIO ....................................................................................................................... 75

4.8 SICUREZZA ................................................................................................................................................ 78

4.9 LISTA PEZZI E CALCOLO DEI COSTI ......................................................................................................... 79

4.9.1 Componenti acquistate................................................................................................................. 79

4.9.2 Componenti progettate ................................................................................................................. 81

4.9.2 Costo totale del macchinario ...................................................................................................... 81

4.10 SEQUENZA DELLA PROVA ...................................................................................................................... 82

5. CIRCUITO ELETTRICO E CABLAGGIO ....................................................................................... 83

5.1 SCHEMA ELETTRICO ................................................................................................................................. 84

5.2 CABLAGGIO ............................................................................................................................................... 85

5.3 VERIFICA DI FUNZIONAMENTO ................................................................................................................. 87

6. PROGRAMMAZIONE .......................................................................................................................... 89

6.1 ACQUISIZIONE DATI CELLA DI CARICO .................................................................................................... 89

6.2 CONTROLLO DEL MOTORE ....................................................................................................................... 90

6.3 ACQUISIZIONE DATI ENCODER ................................................................................................................. 90

6.4 PROGRAMMI SVILUPPATI .......................................................................................................................... 91

6.5 INTERFACCIA UTENTE ............................................................................................................................... 95

7. CONCLUSIONI ..................................................................................................................................... 97

8. SVILUPPI FUTURI .............................................................................................................................. 99

9. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................. 101

10. ALLEGATI ........................................................................................................................................ 103


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Indice delle figure Figura 1: Connettore in ottone placcato ......................................................................................... 15

Figura 2: Gage calibrato nel del connettore ................................................................................... 15

Figura 3: Schema delle tipologie di banchi prova per la misurazione di forza ......................... 17

Figura 4: TVP-L SAUTER - Banco di prova a leva ......................................................................... 17

Figura 5: TVL SAUTER – Banco di prova a manovella ................................................................. 18

Figura 6: Attuatori lineari elettromeccanici SKF ........................................................................... 18

Figura 7: Schema di funzionamento di un attuatore pneumatico/idraulico............................ 19

Figura 8: TVO SAUTER - Banco di prova motorizzato ................................................................. 19

Figura 9: THM SAUTER – Banco di prova motorizzato ................................................................ 19

Figura 10: Schema del trasduttore .................................................................................................. 20

Figura 11: Schema dei trasduttori di forza più utilizzati ............................................................. 20

Figura 12: Cella di carico di tipo S – CZL635 Phidgets ................................................................ 21

Figura 13: Schema di un trasduttore piezoelettrico ..................................................................... 21

Figura 14: Esempio del funzionamento di un dinamometro a molla ......................................... 22

Figura 15: Dinamometro digitale SAUTER FL-S ........................................................................... 22

Figura 16: Doppio parallelogramma compensato a colli .............................................................. 23

Figura 17: Attuatore lineare SMAC serie LAL ................................................................................ 23

Figura 18: Schema dei sistemi di presa .......................................................................................... 24

Figura 19: Esempio di gripper meccanico a griffe parallele ......................................................... 24

Figura 20: Esempio di gripper meccanico a tre griffe ................................................................... 25

Figura 21: Schema di funzionamento del gripper a depressione ............................................... 25

Figura 22: Schema di funzionamento del gripper a espansione ................................................. 25

Figura 23: Schema di funzionamento del gripper magnetico ...................................................... 26

Figura 24: Schema di funzionamento di un motore DC .............................................................. 27

Figura 25: Forze di contatto tra pin e connettore ......................................................................... 29

Figura 26: Rappresentazione del centraggio assi tra Connettore e pin ..................................... 30

Figura 27: Retta del grado di soddisfazione del costo in funzione del costo della variante ... 32

Figura 28: Prima variante per la movimentazione dell’asse verticale ........................................ 34

Figura 29: Seconda variante per la movimentazione dell’asse verticale .................................... 35

Figura 30: Terza variante per la movimentazione dell’asse verticale ......................................... 36

Figura 31: Quarta variante per la movimentazione dell’asse verticale ...................................... 37

Figura 32: Quinta variante per la movimentazione dell’asse verticale ...................................... 38

Figura 33: Prima variante per la misurazione della forza ............................................................ 39

Figura 34: Seconda variante per la misurazione della forza ....................................................... 40

Figura 35: Terza variante per la misurazione della forza ............................................................. 41

Figura 36: Quarta variante per la misurazione della forza .......................................................... 42

Figura 37: Prima variante per il sistema di fissaggio inferiore.................................................... 43

Figura 38: Seconda variante per il sistema di fissaggio inferiore ............................................... 44

Figura 39: Terza variante per il sistema di fissaggio inferiore .................................................... 45

Figura 40: Varianti per il sistema di fissaggio superiore ............................................................. 46

Figura 41: Prima combinazione delle tecnologie del sistema ...................................................... 48

Figura 42: Seconda combinazione delle tecnologie del sistema .................................................. 48

Figura 43: Terza combinazione delle tecnologie del sistema ....................................................... 48

Figura 44: Schizzo di principio disegno 1 ....................................................................................... 57



Figura 47: Diagramma NTM della vite ............................................................................................ 61

Figura 48: Esempio di diagramma per il dimensionamento della vite....................................... 62

Figura 49: Grafico del numero di giri nel tempo ........................................................................... 65


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Figura 50: Grafico del carico assiale nel tempo............................................................................. 65

Figura 51: Curva del momento torcente del motore in funzione del numero di giri ............... 69

Figura 52: Analisi della situazione della cella di carico ............................................................... 70

Figura 53: Mesh del modello FEM della cella di carico ................................................................ 70

Figura 54: Risultato della simulazione FEM della cella di carico ............................................... 71

Figura 55: Assieme di movimentazione del sistema ..................................................................... 72

Figura 56: Assieme di misurazione e centraggio dell'assieme..................................................... 73

Figura 57: Struttura del sistema ..................................................................................................... 73

Figura 58: Assieme principale del sistema ..................................................................................... 74

Figura 59: Schema di montaggio dell'assieme SS_C10136_G01 ................................................ 75

Figura 60: Schema di montaggio dell'assieme SS_C10136_G02 ................................................ 76

Figura 61: Schema di montaggio dell'assieme SS_C10136_Z01 ................................................ 77

Figura 62: Dispositivo di comando a due mani Siemens ............................................................. 78

Figura 63: Flow chart del programma da sviluppare ................................................................... 82

Figura 64: Rappresentazione dei pin del driver DRV8825 .......................................................... 83

Figura 65: Impostazioni dei microstep del driver DRV8825 ........................................................ 83

Figura 66: Schema elettrico .............................................................................................................. 84

Figura 67: Cablaggio del driver per la limitazione di corrente del motore ................................ 85

Figura 68: Box del trasformatore cablata ....................................................................................... 86

Figura 69: Cablaggio fisico dello schema elettrico ........................................................................ 86

Figura 70: Cablaggio Arduino, motore e cella di carico ............................................................... 87

Figura 72: Amplificatore e convertitore del segnale della cella di carico ................................... 89

Figura 73: Schema del driver DRV8825 ......................................................................................... 90

Figura 74: Cella di carico con campione per la calibrazione ....................................................... 91

Figura 75: Flow chart del programma realizzato ........................................................................... 92

Figura 76: Grafico dimostrativo dell'acquisizione dei dati di forza e spostamento .................. 94

Figura 77: Interfaccia per l'utente ................................................................................................... 95

Figura 78: Arduino Mega Proto Shield ............................................................................................ 99


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Indice delle tabelle Tabella 1: Fattore di ponderazione g dei criteri di valutazione ................................................... 32

Tabella 2: Grado di soddisfazione p delle varianti ........................................................................ 32

Tabella 3: Limite inferiore e limite superiore per la creazione della retta di ogni funzione .... 33

Tabella 4: Valutazione della variante 1 per la movimentazione dell'asse verticale .................. 34


Tabella 6: Valutazione della variante 3 per la movimentazione dell'asse verticale ................. 36



Tabella 9: Valutazione della variante 1 per la misurazione della forza ..................................... 39

Tabella 10: Valutazione della variante 2 per la misurazione della forza ................................... 40



Tabella 13: Valutazione della variante 1 per il sistema di fissaggio inferiore ........................... 43



Tabella 16: Valutazione delle varianti per il sistema di fissaggio superiore ............................. 46

Tabella 17: Tabella riassuntiva delle varianti delle tecnologie .................................................... 47

Tabella 18: Tabella dei voti delle combinazioni delle tecnologie ................................................. 49

Tabella 19: Varianti della funzione "Attuazione" ........................................................................... 50

Tabella 20: Varianti della funzione "Tipologia della cella di carico" ........................................... 50

Tabella 21: Varianti della funzione "Movimentazione" ................................................................. 51

Tabella 22: Varianti della funzione "Centraggio" ........................................................................... 52

Tabella 23: Varianti della funzione "Struttura" ............................................................................. 53

Tabella 24: Valutazione delle varianti della funzione Attuazione ............................................... 54

Tabella 25: Valutazione delle varianti della funzione Tipologia di della di carico .................... 54

Tabella 26: Valutazione delle varianti della funzione Centraggio ............................................... 55

Tabella 27: Valutazione delle varianti della funzione Struttura ................................................. 55

Tabella 28: Tabella riassuntiva delle valutazioni delle varianti del macchinario ..................... 56

Tabella 29: Estratto delle caratteristiche tecniche del motore .................................................... 68

Tabella 30: Risultati per la selezione del motore ........................................................................... 68

Tabella 31: Tabella dei costi delle componenti elettroniche acquistate ..................................... 79

Tabella 32: Tabella dei costi delle componenti meccaniche acquistate ..................................... 80


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Abstract Lo scopo di questo progetto è quello di proporre una soluzione di un macchinario standalone per testare le forze di inserzione ed estrazione di un connettore utilizzato nell’automotive. Un approfondito stato dell’arte ha permesso di identificare le migliori soluzioni tecnologiche per rispondere alle specifiche di progetto.

Gli ingombri del macchinario sono contenuti in 308 x 308 x 550 mm, la struttura è interamente ostruita

in profili Item. La movimentazione necessaria alla prova è effettuata mediante una vite a ricircolo di

sfere rullata. L’attuazione è eseguita da un motore passo–passo collegato alla vite mediante un giunto

elastico. Il pin è fissato sul macchinario grazie ad un mandrino autocentrante, mentre per garantire il

preciso posizionamento del connettore è stato sviluppato un sistema di fissaggio e centraggio

regolabile. La forza è misurata mediante l’utilizzo di una cella di carico a flessione.

Il controllo viene effettuato con un microcontrollore Arduino: il feedback sulla posizione del motore è

ottenuto con un encoder rotativo incrementale. Sono stati realizzati il layout dell’interfaccia utente e i

programmi necessari al controllo. L’utente specifica le condizioni del test inserendo le velocità e la

tipologia della prova in un programma Matlab, che comunica tramite una porta seriale con il

microcontrollore.

Il costo totale del prototipo del macchinario rientra nel budget previsto di 2000 CHF.

Sono state predisposte e definite tutte le parti necessarie alla realizzazione di un prototipo ed è stato

studiato e cablato l’intero circuito elettrico del sistema.


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Abstract The purpose of this project is to propose a solution of a stand-alone machine to test the insertion and extraction forces of a connector used in the automotive sector. A deep state of the art has allowed us to identify the best technological solutions to satisfy the project specifications. The overall dimensions of the machine are contained in 308 x 308 x 550 mm, the structure is completely realized with Item profiles. The movement necessary for the test is carried out using a rolled ball screw. The actuation is performed by a stepper motor connected to the screw by a flexible coupling. The pin is fixed on the machine thanks to a self-centering chuck, while an adjustable fixing and centering system has been developed to guarantee the precise positioning of the connector. The force is measured by using a bending load cell. The control is carried out with an Arduino microcontroller: the feedback on the motor position is obtained with an incremental rotary encoder. The layout of the user interface and the programs necessary for control have been implemented. The user specifies the test conditions by entering the speed and type of test in a Matlab program, which communicates via a serial port with the microcontroller. The total cost of the prototype of the machine is within the expected budget of 2000 CHF. All the parts necessary for the realization of a prototype have been prepared and defined and the entire electrical circuit of the system has been studied and wired.


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Progetto assegnato

Macchina per misurare la forza d'inserzione e estrazione di un connettore Automotive Persone coinvolte

Proponente Galli Andrea Relatore Galli Andrea Correlatore Furia Giovanni Studente Sabbadini Simone Dati generali

Codice C10136 Anno accademico 2018/2019 Semestre Semestre estivo Corso di laurea Ingegneria meccanica (Ingegneria meccanica TP) Opzione Nessuna opzione Tipologia del progetto diploma Stato in corso Confidenziale NO Pubblicabile SI Descrizione

Scopo del progetto è di proporre una soluzione a basso costo per la misura della forza d’inserzione di un gage calibrato in un connettore Automotive. La macchina deve poter essere utilizzata in ambiente d’officina, avere una buona precisione rispetto a i pezzi da misurare e un intervallo di confidenza più alto possibile. Lo strumento deve dare la possibilità di essere calibrato e avere la velocità d’avanzamento variabile e misurabile. Compiti

Pianificazione del progetto

Raccolta dei requisiti (End User Requirements), analisi e stesura del quaderno dei compiti

Stato dell’arte di sistemi a basso costo

Ricerca, analisi, confronto e valutazione di diverse soluzioni possibili con selezione della variante ottimale

Sviluppo della soluzione con definizione dei componenti principali

Dimensionamenti necessari

Analisi obiettiva della soluzione proposta

Esperimenti sul sistema

Rapporto Obbiettivi

Comprendere a fondo le problematiche della misura del pezzo

Fornire una soluzione funzionale per il banco prova

Analisi dei dati raccolti

Valutazione obiettiva dei risultati

Documentazione sul lavoro svolto

Macchina standalone


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Tecnologie

Tecniche di progettazione meccanica

Elementi di macchine

Metrologia

Tecnica di regolazione

Tecnica dei sensori

CAD Contatto esterno

Nessun contatto esterno presente Documenti allegati

Nessun allegato presente


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1. Introduzione L’azienda TE connectivity Solution produce fra i numerosi prodotti anche connettori elettrici in ottone per l’impiego nel campo automobilistico. Lo scopo del progetto è proporre una soluzione a basso costo che misuri la forza di estrazione e inserzione di un gage calibrato in uno di questi connettori elettrici. È estremamente importante verificare il valore delle forze scambiate perché questa tipologia di prodotti, essendo utilizzati in un campo con regole molto rigorose, richiede standard molto elevati. Il macchinario deve poter essere utilizzato in ambiente d’officina, avere una buona precisione rispetto ai pezzi da misurare e avere una ripetibilità della prova la più alta possibile. Tale strumento deve poter essere calibrato e avere la velocità di avanzamento della prova che può essere inserita manualmente e deve essere misurabile.

Figura 1: Connettore in ottone placcato

Figura 2: Gage calibrato nel del connettore


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2. Stato dell’arte

2.1 Banchi prova per la misurazione della forza

Il banco prova in questione è un macchinario progettato per il rilevamento delle forze in trazione o

compressione mediante l’utilizzo di trasduttori di forza. Essi convertono la grandezza fisica misurata in

un segnale di natura elettrica facilmente acquisibile, per poi elaborarlo mediante un software o un

programma generato dall’utente.

I banchi prova per la misurazione di forza possono essere suddivisi secondo lo schema riportato in

Figura 3.

Figura 3: Schema delle tipologie di banchi prova per la misurazione di forza

2.1.1 Banchi prova manuali

In questa prima tipologia di banco prova la movimentazione dell’asse verticale viene eseguita

manualmente da un operatore mediante dei sistemi a leva (Figura 4), oppure mediante una manovella

(Figura 5).

Figura 4: TVP-L SAUTER - Banco di prova a leva


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Figura 5: TVL SAUTER – Banco di prova a manovella

Grazie all’assenza dell’asse motorizzata (non si utilizzano motori per eseguire le movimentazioni)

questi sistemi hanno un costo relativamente basso che ammonta a circa 500 CHF. Al costo del banco

di prova si deve aggiungere il prezzo di un dinamometro elettronico per misurare il valore della forza e

il prezzo di un software per acquisire ed elaborare i dati.

Nonostante ciò essi hanno degli svantaggi:

la velocità di avanzamento non è costante (a causa di assenza di motori)

La precisione nel posizionamento non è garantita.

Per questo motivo tale tipologia di sistema non viene utilizzata ove viene richiesto un alto livello di

precisione.

2.1.2 Banchi prova motorizzati

Per i banchi prova motorizzati la movimentazione viene eseguita mediante l’applicazione di un

attuatore lineare. Quest’ultimo può essere di diverse tipologie:

Attuatori elettromeccanici: trasformano il movimento rotatorio del motore in un movimento

lineare mediante l’utilizzo di una vite senza fine o un’asse lineare (accoppiamento tra ruota

dentata e cremagliera)

Figura 6: Attuatori lineari elettromeccanici SKF


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Attuatori idraulici: funzionano mediante liquido in pressione (tipicamente olio), per questo

motivo necessita di una pompa che, oltre alla pressione necessaria, fornisce una buona

precisione al posizionamento del pistone

Attuatori pneumatici: il principio di funzionamento è lo stesso degli attuatori idraulici con la

differenza che il fluido in pressione è aria. Questa tipologia di attuatore è meno precisa

rispetto agli attuatori idraulici.

Figura 7: Schema di funzionamento di un attuatore pneumatico/idraulico

Questa tipologia di banco prova ha un prezzo decisamente più alto rispetto a quelli manuali, infatti si

parla di un range compreso fra i 1500-2000 CHF fino ad arrivare a sistemi con precisione e risoluzione

molto più elevata (da laboratorio) che possono costare anche decine di migliaia di franchi.

Produttore di questa tipologia di banchi prova è la KERN & SOHN GmbH (SAUTER GmbH), storica

azienda tedesca che opera nel campo delle bilance e degli strumenti di misura dal 1844.

Figura 8: TVO SAUTER - Banco di prova motorizzato

Figura 9: THM SAUTER – Banco di prova motorizzato


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2.2 Trasduttori di forza

Il trasduttore è un dispositivo in grado di rilevare mediante un sensore una grandezza fisica e

trasformarla in una grandezza di natura elettrica direttamente manipolabile dal controllore.

Figura 10: Schema del trasduttore

Esistono diverse famiglie di trasduttori:

Spostamento

Velocità

Forza

Pressione

Temperatura

Energia radiante

Chimici

Nel caso in questione ci si concentra sulla famiglia dei trasduttori di forza, riportando i più utilizzati

nello schema in figura X.

Figura 11: Schema dei trasduttori di forza più utilizzati

In seguito si andrà ad analizzare più in dettaglio i vari trasduttori di forza citati, analizzando i vantaggi

e gli svantaggi che comportano.


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Cella di carico ad estensimetri

Si tratta di un componente costruito con materiale metallico (di solito si preferisce utilizzare dell’acciaio

temprato per aumentare al massimo la rigidità del componente) al quale vengono attaccati

solitamente 4 estensimetri cablati in modo tale da formare un ponte di Wheatstone. Questo metodo di

cablaggio permette di eliminare eventuali carichi parassiti (temperatura, flessione e torsione). Tale

tipologia di trasduttore di trova a basso costo sul mercato (per la misurazione di basse forze si parla di

50-100 CHF), però necessita di un sistema di acquisizione dei dati e in alcuni casi di un amplificatore

di segnale e di una calibrazione del sistema.

Figura 12: Cella di carico di tipo S – CZL635 Phidgets

Piezoelettrici (celle di carico piezoelettriche) All’interno del trasduttore si trova sempre del materiale piezoelettrico (come il quarzo) che, sottoposto ad una deformazione meccanica, produce una carica elettrica; essa viene poi convertita in un segnale più semplice da misurare (di solito in Volt), e dato che la carica elettrica prodotta è proporzionale alla deformazione imposta, anche il segnale in uscita sarà proporzionale alla sollecitazione meccanica. I trasduttori piezoelettrici di forza possiedono un elevato livello di affidabilità e flessibilità ma, al fine di ottenere la massima accuratezza nelle misurazioni, bisogna eseguire una calibrazione durante l’installazione e un’accurata taratura dello strumento. Per questo motivo questa tipologia di celle di carico si trova ad un prezzo elevato sul mercato (>300 CHF).

Figura 13: Schema di un trasduttore piezoelettrico


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Dinamometro

Il dinamometro è uno strumento di misura composto da una molla e da un sistema che serve a

misurare lo spostamento ∆𝑥 applicato allo strumento (es. scala graduata). Si basa sul principio della

legge di Hooke, per il quale la deformazione applicata alla molla ∆𝑥 (materiale elastico) è direttamente

proporzionale alla forza applicata 𝐹:

𝐹 = −𝑘 · ∆𝑥

Dove 𝑘 rappresenta la costante elastica longitudinale della molla espressa in [𝑁

𝑚].

Figura 14: Esempio del funzionamento di un dinamometro a molla

I dinamometri utilizzati su banchi prova sono quasi tutti digitali, in quanto presentano una precisione

maggiore nella lettura della forza, e permettono di estrarre una sequenza di dati campionati in un

periodo di tempo molto piccolo. Grazie a questi dinamometri si possono estrarre facilmente i grafici

forza-spostamento utilizzando software appositi sviluppati dal costruttore.

Figura 15: Dinamometro digitale SAUTER FL-S

I dinamometri digitali vengono distribuiti sul mercato già calibrati e certificati dal costruttore, quindi

necessitano solo di una taratura prima di essere utilizzati.


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Guida a lame (flexure) con sensore di spostamento relativo

Si tratta di un sistema a molle (flexure) con un grande rapporto tra le rigidezze longitudinali e quelle

trasversali.

Sono sistemi di alta precisione ad un costo piuttosto ridotto; essi hanno il vantaggio di non usurarsi

facilmente e riuscire a mantenere una precisione elevata, non necessitano di lubrificazione, non

rischiano di incepparsi, non soffrono di problematiche dovute all’isteresi e i principali errori sono di

natura sistematica e quindi essere corretti mediante taratura dello strumento o mediante calibrazione.

Questi sistemi possono essere fabbricati da un corpo unico (fabbricazione monolitica) oppure

mediante assemblaggio di più componenti con viti.

Unica nota negativa: hanno alcune limitazioni tra le quali una corsa limitata (dimensionata dal

progettista), hanno una forza di ritorno, da tenere in considerazione, e la cinematica è complessa.

Figura 16: Doppio parallelogramma compensato a colli

Attuatore lineare con bobina mobile

Questo sistema è stato sviluppato e brevettato da SMAC Moving Coil Actuators, azienda americana

che produce attuatori elettrici programmabili di precisione basati sulla tecnologia della bobina mobile

nota anche come “Voice Coil”. I vantaggi di questa tecnologia sono: possibilità di essere programmata

in posizione, velocità e Forza. Il comando del controllore è diretto (in questo modo si eliminano i giochi

e si genera un’alta accuratezza e ripetibilità dei risultati). Ha una durata di vita maggiore ha 250 milioni

di cicli.

Grazie alla funzione Soft-Land si può eseguire il test della forza che viene sviluppata sull’attuatore,

mediante il controllo della variazione di corrente che viene generata sul motore. Per questo motivo

questa tipologia di attuatore viene inserita nella descrizione dei trasduttori di forza.

Il prezzo del sistema varia di molto in funzione della precisione, della dimensione e della corsa che

deve avere: si parte dal sistema base che costa circa 500 euro fino ad arrivare ad attuatori molto più

complessi e precisi, con corse e forze di spostamento molto elevate, che costano fino a 8500-9000

euro. Il sistema di attuazione va integrato un controllore fornito dalla stessa azienda e un programma

(da sviluppare) in grado ti estrapolare tutti i dati necessari di forze e spostamento.

Figura 17: Attuatore lineare SMAC serie LAL


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2.3 Sistemi di presa

Il sistema di presa serve per afferrare e tenere in una determinata posizione il provino o il componente

da testare. Qui di seguito si riporta il diagramma della suddivisione dei sistemi di presa.

Figura 18: Schema dei sistemi di presa

Di seguito vengono descritti i sistemi di presa più utilizzati.

Gripper meccanici

I gripper meccanici si dividono in due grandi famiglie: gripper meccanici standard e non standard. I

primi sono quelli più utilizzati a livello industriale in applicazioni quali l’automazione di linea e la

robotica. Possono essere attuati sia in modo manuale, pneumatico che elettrico; i primi necessitano di

una persona che manualmente con una leva o con una ghiera movimenta le griffe. I gripper meccanici

con attuazione pneumatica invece necessitano di un compressore che genera aria compressa e di un

controllore per controllare la movimentazione. Quelli elettrici necessitano comunque di un controllore

per il motore elettrico e di corrente per alimentarlo.

Figura 19: Esempio di gripper meccanico a griffe parallele


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Figura 20: Esempio di gripper meccanico a tre griffe

Gripper a depressione

È un esempio di questa tipologia di sistema di presa una ventosa accoppiata ad un filtro venturi per

eseguire il vuoto d’aria tra ventosa e pezzo. Questi gripper hanno il vantaggio di poter essere utilizzati

anche per materiali fragili e delicati come il vetro dato che la modalità di presa è rapida e facile. Al

contrario ci sono degli svantaggi: il sistema è di bassa precisione e necessita di superfici lisce, prive di

fori e non porose, per eseguire un’adesione corretta sul pezzo.

Figura 21: Schema di funzionamento del gripper a depressione

Gripper a espansione

I sistemi di presa ad espansione vantano un’elevata precisione nell’afferrare gli oggetti e sono molto

stabili nella manipolazione di essi mediante robot; per poter afferrare un componente è necessario

che ci siano fori sulla superfice, che permettono l’espansione della membrana che deve andare in

aderenza con il pezzo. I sistemi di questo genere non vantano una buona flessibilità ed è di difficile

integrazione in un processo.

Figura 22: Schema di funzionamento del gripper a espansione


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Gripper magnetico

Questo gripper è molto rapido nella presa di oggetti e può anche essere utilizzato su superfici

sconnesse o con presenza di fori. Essendo un magnete o un elettromagnete ad afferrare il

componente, quest’ultimo deve essere realizzato in materiale ferromagnetico per permettere

l’attrazione e la presa del magnete. Di conseguenza questa tipologia di sistemi di presa ha

un’applicazione limitata nel campo dell’industria.

Figura 23: Schema di funzionamento del gripper magnetico


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2.4 Macchine per l’attuazione

Nel seguente caso di studio si decide di approfondire il funzionamento di due macchine che

permettono l’attuazione del sistema:

Macchina in corrente continua

Motore passo - passo

Macchina in corrente continua

La macchina in corrente continua (comunemente chiamata macchina DC) è principalmente composta

da uno statore che è la parte fissa della macchina e ha il compito di produrre il flusso magnetico

necessario al suo funzionamento. Viene realizzato in materiale ferromagnetico ed è dotato di

opportune coppie polari ove viene prodotto il campo magnetico. Oltre allo statore si può trovare il

rotore che è costituito da un cilindro in materiale ferromagnetico posizionato all’interno dello statore.

Sul rotore sono collocati gli avvolgimenti di armatura, ai capi dei quali si genera una forza elettronica

(forza di Lorentz).

Il maggior problema di un motore di DC è quello della limitazione sulla velocita minima sotto la quale

non si po’ scendere. Per la progettazione del macchinario, a causa delle lente velocità, sarebbe

necessario acquistare anche un riduttore del moto.

Figura 24: Schema di funzionamento di un motore DC

Motore passo - passo

Il motore passo passo è un motore sincrono in corrente continua che può suddividere la rotazione in

un grande numero di passi (di solito 200 passi). Il vantaggio del motore step rispetto ad un DC è

quello di poter controllare il motore in posizione mediante il conteggio degli step eseguiti.

Il problema principale è che se viene fatto ruotare a velocità basse si rischia di avere una rotazione

discontinua causata dagli step, che è risolvibile mediante l’utilizzo dei microstep.

Per poterli eseguire è necessario accoppiare il motore ad un driver avente micro-regolazione attivata,

il driver regola la corrente nelle bobine dello statore per posizionare il rotore del magnete permanente

in una posizione intermedia tra due passi completi consecutivi. Un passo completo viene quindi

suddiviso in un certo numero di microsteps, e ogni microstep è ottenuto da ambedue le correnti di

bobina. Quindi in un motore con 200 passi completi ed un divisore microstepping di 1/16 avremmo

3200 passi per rivoluzione.


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3. Definizione del sistema

3.1 Specifiche del macchinario

3.1.1 Misurazione delle forze

Il macchinario deve poter misurare la forza di inserzione ed estrazione del pin, plottando la curva della

forza in funzione dello spostamento con una tolleranza di ± 1 𝑁. Il programma che si occupa di

plottare il grafico deve avere una sezione dedicata ai limiti superiori e inferiori della curva, in modo tale

da poter identificare facilmente se il connettore supera gli standard o no.

Figura 25: Forze di contatto tra pin e connettore

In Figura 25 le forze che vengono citate equivalgono a :

La zona A può essere assunta come la zona di incastro dell’aletta. Essa dà origine a forze di

reazione sul pin durante l’esecuzione del test

Con 𝐹𝑎 si intende la forza di attrito tra pin e connettore

Con 𝐹𝑛 si intende la forza normale che viene generata dall’aletta del connettore sul pin

durante il processo di inserzione ed estrazione

Con 𝐹𝑖𝑛 si intende la forza di inserzione che è la reazione dovuta alla forza di attrito, tale forza

deve essere rilevata e misurata dal macchinario


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3.1.2 Centraggio asse verticale

Il sistema di fissaggio del pin e quello del connettore devono avere una regolazione dell’asse verticale,

per poter garantire che l’asse del pin e quella del connettore siano completamente coincidenti. Non è

necessaria una regolazione dell’angolo tra i due assi (esso deve essere garantito dalla struttura del

macchinario).

Figura 26: Rappresentazione del centraggio assi tra Connettore e pin

3.1.3 Movimentazione asse

La movimentazione dell’asse verticale deve essere eseguita in modo automatico da un motore, inoltra

la velocità di avanzamento deve poter essere regolata dall’operatore e misurata in tempo reale.

La posizione in cui si trova il pin o il connettore deve essere misurabile e deve avere una precisione di

± 0.05 𝑚𝑚. Questa tolleranza è già ampiamente sufficiente per quello che deve fare il sistema, perché

è più importante che il esso misuri correttamente la forza invece che la posizione.

3.1.4 Trasmissione del moto

La trasmissione del moto deve essere garantita e costante, riducendo al minimo i giochi, assicurando

una ripetibilità del sistema il più alto possibile.

3.1.5 Protezione parziale da particelle esterne

Il sistema deve poter essere posizionato in ambiente da officina, quindi deve avere una protezione

che garantisce la schermatura da liquidi o residui di lavorazione che potrebbero intaccarne il

funzionamento.

3.1.6 Sicurezza

Il macchinario deve poter essere utilizzato da un operatore inesperto, quindi deve avere un alto grado

di sicurezza durante il setup della prova e durante la sua esecuzione. Deve essere dotato di un

pulsante di sicurezza per l’arresto in caso di mal funzionamento.

3.1.7 Costi

Per la produzione del macchinario viene stimato un budget di 2000 𝐶𝐻𝐹 dentro i quali sono racchiusi tutti i costi delle componenti meccaniche e elettroniche.


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3.2 Funzioni e varianti delle tecnologie

Nel seguente progetto si è deciso di valutare quali tecnologie si possono utilizzare per fare in modo

che il macchinario svolga quattro diverse funzioni, più precisamente:

Movimentazione dell’asse verticale

Misurazione della forza

Sistema di fissaggio inferiore

Sistema di fissaggio superiore

Per ognuna di queste funzioni vengono definite delle varianti in base alle tecnologie utilizzate nei

banchi prova per la misurazione di forze. Per la movimentazione dell’asse verticale si prendono in

considerazione cinque varianti: motore lineare diretto con sensore di posizione e controllore, attuatore

lineare motorizzato con sensore di posizione e relativo controllore, attuatore lineare SMAC con

misurazione della forza inclusa nel sistema e controllore del sistema, l’accoppiamento tra motore e

vite controllando la posizione del motore con encoder angolare o motore stepper e attuatore lineare

pneumatico con sensore di posizione e relativo gruppo valvole.

Nel caso della misurazione della forza, oltre a tutto il sistema di acquisizione dei dati che è diverso per

ogni strumento, si prendono in considerazione quattro varianti: cella di carico ad estensimetri (con

Arduino da programmare per acquisire i dati in continuo), cella di carico a materiale piezoelettrico,

dinamometro digitale con relativo software e la guida a lame con sensore di posizione per convertire

lo spostamento del parallelogramma a lame in forza.

Per il sistema di fissaggio inferiore del socket, si prendono in considerazione tre varianti: pinza a griffe

parallele attuata pneumaticamente (Figura 19), pinza a tre griffe con attuazione manuale mediante

una ghiera (come per esempio il mandrino del trapano in Figura 20) e guida tipo T che deve essere

sviluppata per ogni tipologia di socket.

Infine per il sistema di fissaggio superiore del pin si prendono in considerazione due varianti: pinza a

tre griffe attuata pneumaticamente e pinza a tre griffe attuata manualmente mediante una ghiera.


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3.3 Metodo di valutazione

Ogni funzione avrà dei criteri di valutazione che hanno fattore di ponderazione g diversi l’uno dall’altro.

In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. viene riportata la scala dei fattori di

ponderazione g.

Tabella 1: Fattore di ponderazione g dei criteri di valutazione

Fattore di

ponderazione g Importanza

1 Non importante

2 Sufficientemente importante

3 Abbastanza importante

4 Importante

5 Molto importante

Invece per la valutazione delle varianti di ogni funzione si decide di utilizzare un grado di

soddisfazione p riportato in Errore. L'origine riferimento non è stata trovata..

Tabella 2: Grado di soddisfazione p delle varianti

Grado di

soddisfazione p Valutazione

4 Eccellente (ideale)

3 Buono

2 Soddisfacente

1 Sufficiente (limite)

0 Insufficiente

Di seguito si andrà a valutare singolarmente tutte le varianti di ogni funzione, analizzando anche le

varie componenti aggiuntive di controllo e posizionamento.

Per eseguire una valutazione corretta del costo di ogni singola variante si decide di creare una retta

dove l’asse delle x rappresenta il costo della variante mentre l’asse y mostra il punteggio attribuito a

quel prezzo.

Figura 27: Retta del grado di soddisfazione del costo in funzione del costo della variante


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La retta viene costruita creando due punti sul grafico:

Il primo è quello dove l’asse delle x rappresenta il valore del prezzo della variante più costosa

(prezzo maggiore) e si attribuisce il grado di soddisfazione uguale a 1

Il secondo è quello dove l’asse delle x indica il prezzo della variante meno costosa (prezzo

minore) e si attribuisce il grado di soddisfazione uguale a 4

Ogni funzione avrà una retta raffigurante il grado di soddisfazione dei costi in funzione del prezzo

diversa, di seguito vengono inseriti i limiti inferiori e superiori del costo delle varianti.

Tabella 3: Limite inferiore e limite superiore per la creazione della retta di ogni funzione

Funzione Prezzo maggiore [CHF]

(p = 1)

Prezzo minore [CHF]

(p = 4)

Movimentazione dell’asse verticale 1100 350

Misurazione della forza 50 1400

Sistema di fissaggio inferiore 30 350

Sistema di fissaggio superiore 30 500

Una volta definita la retta dei costi di ogni funzione, basta interpolare su di essa entrando sull’asse

delle x con il prezzo della variante, in modo tale da ottenere il valore corretto del grado di

soddisfazione dei costi di quella variante (y).


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3.4 Definizione e valutazione delle varianti

3.4.1 Movimentazione dell’asse verticale

Variante 1

Motore lineare diretto

Controllore

Riga ottica Sensore ad effetto

Hall

Figura 28: Prima variante per la movimentazione dell’asse verticale

La prima variante che viene proposta è composta da un motore lineare diretto che deve essere abbinato al relativo controllore (fornito dall’azienda) per monitorare il motore elettrico in posizione e in velocità. Per verificare in che posizione di trova la slitta si deve implementare un sensore di posizione; nel caso in questione si prendono in considerazione due tipi: riga ottica e sensore ad effetto Hall. Si tratta di due sensori con grandi differenze di precisione e di costo l’uno dall’altro. Il primo è un componente molto costoso perché garantisce una precisione in posizione molto elevata. Di seguito si andrà a valutare le due combinazioni di sensore di posizione che può assumere la variante:

Variante 1-1: motore lineare diretto con relativo controllore e riga ottica

Variante 1-2: motore lineare diretto con relativo controllore e sensore ad effetto Hall

Tabella 4: Valutazione della variante 1 per la movimentazione dell'asse verticale

Funzione: Movimentazione asse verticale

Variante 1-1 Variante 1-2

Criterio di valutazione Peso Nota Punti Nota Punti

g p g·p p g·p

Costo 5 1.4 7 2.2 11

Facilità di montaggio sul macchinario

2 4 8 4 8

Precisione 3 4 12 2 6

Ingombri 2 3 6 3 6

Costi di manutenzione 4 3 12 3 12

Durata di vita 3 3 9 3 9

Somma dei punti 19 - 54 - 52

Valutazione tecnica X 0.71 0.68


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Variante 2

Attuatore lineare motorizzato

Controllore

LVDT Riga ottica

Figura 29: Seconda variante per la movimentazione dell’asse verticale

La seconda variante è composta da un attuatore lineare motorizzato (FESTO, SKF; ecc…), che viene movimentato dal relativo motore e controllato in posizione e velocità dal controllore fornito dal produttore. Inoltre è necessario implementare il sensore di posizione. Come per la prima variante si propongono due sensori: trasformatore differenziale LVDT (Linear Variable Differential Transformer) e riga ottica. I sensori in questione non differiscono di molto in precisione (dipende molto dal modello che si va a scegliere) e hanno una differenza di costo di poche centinaia di franchi. Per questa funzione non viene richiesta una precisione elevata perché (come viene specificato nella descrizione del progetto) il macchinario deve avere una precisione di +/- 0.05 mm in posizione, per questo motivo viene inserito un malus come criterio di valutazione che andrà a penalizzare la nota finale della variante con riga ottica. Di seguito si andrà a valutare le due combinazioni di sensore di posizione che può assumere la variante:

Variante 2-1: attuatore lineare con relativo controllore e trasformatore differenziale LVDT

Variante 2-2: attuatore lineare con relativo controllore e riga ottica





g p g·p p g·p

Costo 5 3.2 16 2.8 14


2 3 6 3 6


Ingombri 2 3 6 3 6



Malus 3 3 9 2 6




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Variante 3

Attuatore lineare SMAC

Controllore

Figura 30: Terza variante per la movimentazione dell’asse verticale

La terza variante che viene proposta è un sistema brevettato dall’azienda SMAC, che in sostanza è un

attuatore lineare compatto con corsa ridotta, che riesce a misurare la forza che viene applicata allo

stelo e la mette in relazione alla posizione in cui si trova. In pratica con questo sistema si può fare a

meno di acquistare un altro componente che riesce a misurare la forza (seconda funzione del sistema

“misurazione della forza). Per questo motivo in fase di valutazione viene aggiunto un bonus che alzerà

il valore della nota finale.

Il sistema SMAC necessita comunque di un controllore che può essere programmato dal progettista,

per controllare l’attuatore in velocità, spostamento e forza.

Di seguito si andrà a valutare la combinazione tra attuatore e controllore della variante.



Variante 3

Criterio di valutazione Peso Nota Punti

g p g·p

Costo 5 1.0 5


2 4 8

Precisione 3 4 12

Ingombri 2 4 8

Costi di manutenzione 4 3 12

Durata di vita 3 4 12

Bonus 3 4 12

Somma dei punti 22 - 69

Valutazione tecnica X 0.78


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Variante 4

Accoppiamento motore e vite

Motore CC

Brushless con

encoder

Motore

Stepper con

encoder

Figura 31: Quarta variante per la movimentazione dell’asse verticale

La quarta variante è un sistema che viene ampiamente utilizzato nei banchi prova commerciali, si

tratta dell’accoppiamento tra motore e vite-madrevite. Oltre alle componenti base (motore e vite-

madrevite) è necessario acquistare il giunto per trasmettere il moto e infine controllare il motore.

In entrambe le combinazioni di motore la posizione della madrevite viene direttamente controllata da

un sensore di posizione angolare (encoder), che servirà per estrapolare i dati in posizione da plottare

insieme ai dati della forza, in modo tale da ottenere un grafico forza-spostamento.

Di seguito si andrà a valutare le due combinazioni di motore che può assumere la variante:

Variante 4-1: accoppiamento motore e vite, con motore BLDC ed encoder

Variante 4-2: accoppiamento motore e vite, con motore stepper ed encoder





g p g·p p g·p

Costo 5 3.8 19 4.0 20


2 2 4 2 4


Ingombri 2 3 6 3 6






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Variante 5

Attuatore lineare pneumatico

Gruppo valvole pneumatiche

LVDT Riga ottica

Figura 32: Quinta variante per la movimentazione dell’asse verticale

La quinta e ultima variante è composta da un attuatore lineare motorizzato (FESTO, SKF; ecc…), che viene movimentato in modo pneumatico, controllato in posizione e velocità dal relativo gruppo valvole. Inoltre è necessario implementare il sensore di posizione. Vengono proposti gli stessi sensori di posizione della seconda variante: trasformatore differenziale LVDT (Linear Variable Differential Transformer) e riga ottica. Trattandosi di un sistema pneumatico, risulta difficile controllare correttamente la posizione e la velocità del pistone, per questo viene inserito tra i criteri di valutazione un malus che incide sulla nota finale. Questo criterio di malus tiene in considerazione il fatto che il sistema può non avere una precisione in posizione elevata. Di seguito si andrà a valutare le due combinazioni di sensore di posizione che può assumere la variante:

Variante 5-1: attuatore lineare con relativo gruppo valvole e trasformatore differenziale LVDT

Variante 5-2: attuatore lineare con relativo gruppo valvole e riga ottica





g p g·p p g·p

Costo 5 3.6 18 3.2 16


2 3 6 3 6


Ingombri 2 3 6 3 6



Malus 4 2 8 1 4




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3.4.2 Misurazione della forza

Variante 1

Cella di carico ad estensimetri

Arduino per la programmazione

Figura 33: Prima variante per la misurazione della forza

Come prima variante si propone una cella di carico ad estensimetri, dove si deve sviluppare un programma in Arduino per estrapolare i dati dal segnale che emette l’estensimetro. Questo è un sistema che si trova a basso costo sul mercato, la difficoltà sta nel mettere in relazione i dati di forza estrapolati con i dati di spostamento dell’asse verticale. Tutto ciò deve essere eseguito in modo automatico avviando la prova di inserzione o estrazione del pin.

Di seguito si andrà a valutare la combinazione tra cella di carico ad estensimetri e Arduino.

Tabella 9: Valutazione della variante 1 per la misurazione della forza

Funzione: Misurazione della forza

Variante 1


g p g·p

Costo dello strumento 5 4.0 20

Costo componenti aggiuntivi 5 4 20

Precisione 4 3 12

Programmazione 3 2 6

Ingombri 2 3 6

Componente standard 3 3 9




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Variante 2

Cella di carico con materiale

piezoelettrico

Amplificatore di carica e arduino

Figura 34: Seconda variante per la misurazione della forza

La seconda variante è costituita da una cella di carico con materiale piezoelettrico, l’amplificatore di carica e un arduino per acquisire i dati. La cella di carico in questione è molto più costosa di quella ad estensimetri, perché oltre alla complessità strutturale, è composta da un nucleo di materiale piezoelettrico (di solito quarzo) molto costoso. L’amplificatore dei dati viene direttamente acquistato dal produttore, in seguito deve essere programmato un arduino dal progettista per estrapolare i dati necessari. Di seguito si andrà a valutare la variante con le relative componenti da acquistare.



Variante 2


g p g·p

Costo dello strumento 5 3.4 17.2

Costo componenti aggiuntivi 5 2 10

Precisione 4 3 12

Programmazione 3 2 6

Ingombri 2 4 8

Componente standard 3 3 9

Somma dei punti 22 - 62.2



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Variante 3

Dinamometro digitale

Cella di carico ad

estensimetri

Cella di carico

piezoelettrica

Sensore di posizione e

software dedicato

Senza sensore di

posizione

Figura 35: Terza variante per la misurazione della forza

La terza variante è costituita da un dinamometro elettronico, con diverse configurazioni di cella di carico e software di acquisizione. Il dinamometro si può configurare con cella di carico implementata o esterna, che viene utilizzata principalmente se il componente da misurare è di dimensioni elevate e il punto di misurazione è distante dal punto di lettura della forza. Oltre alla cella di carico è necessario acquistare un software che riesce ad estrapolare i dati della forza in funzione del tempo, in modo tale da riuscire successivamente a metterli in relazione con lo spostamento misurato dall’asse verticale.

Variante 3-1: dinamometro elettronico con cella di carico ad estensimetri

Variante 3-3: dinamometro elettronico con cella di carico piezoelettrica Inoltre si può decidere di acquistare un dinamometro con sensore di posizione incluso e software di acquisizione, in modo tale da avere come output direttamente il grafico di forza-spostamento.

Variante 3-2: dinamometro elettronico con cella di carico ad estensimetri e software di acquisizione

Variante 3-4: dinamometro elettronico con cella di carico piezoelettrica e software di acquisizione

In questo caso non è più necessario il sensore di posizione abbinato al sistema di movimentazione dell’asse verticale; per questo motivo alle varianti con software incluso viene assegnato un bonus che alzerà la nota finale. Di seguito vengono valutate le possibili varianti.



Variante 3-1 Variante 3-2 Variante 3-3 Variante 3-4

Criterio di valutazione Peso Nota Punti Nota Punti Nota Punti Nota Punti

g p g·p p g·p p g·p p g·p

Costo dello strumento 5 2.8 13.9 1.4 7.2 2.3 11.7 1.0 5

Costo componenti aggiuntivi 5 4 20 2 10 3 15 2 10

Precisione 4 3 12 3 12 4 16 4 16

Programmazione 3 3 9 4 12 3 9 4 12

Ingombri 2 2 4 2 4 2 4 2 4

Componente standard 3 3 9 3 9 3 9 3 9

Bonus 3 3 9 4 12 3 9 4 12

Somma dei punti 25 - 76.9 - 66.2 - 73.7 - 68.0

Valutazione tecnica X 0.77 0.66 0.74 0.68


42/103

Variante 4

Guida a lame con sensore di spostamento

Sensore di prossimità

analogico induttivo Sensore LVDT

Figura 36: Quarta variante per la misurazione della forza

La quarta ed ultima variante considerata è quella della guida a lame con sensore di spostamento che serve a misurare lo spostamento del piano mobile della guida, per poi convertirlo in forza. Questa tipologia di sistemi viene utilizzata principalmente in micromeccanica per eseguire piccoli spostamenti di precisione elevatissima. In questo caso si propongono due diversi sensori di posizione: il primo è un sensore di prossimità analogico induttivo che converte in modo continuo la distanza tra il sensore e la guida in segnale elettrico, il secondo invece è un trasformatore differenziale LVDT (Linear Variable Differential Transformer), più preciso del sensore di prossimità ma più costoso. Di seguito si andrà a valutare le due combinazioni di sensore di posizione che può assumere la variante:

Variante 4-1: attuatore lineare con relativo gruppo valvole e trasformatore differenziale LVDT

Variante 4-2: attuatore lineare con relativo gruppo valvole e riga ottica





g p g·p p g·p

Costo dello strumento 5 3.7 18.3 3.4 17.2

Costo componenti aggiuntivi 5 3 15 2 10


Programmazione 3 3 9 3 9

Ingombri 2 3 6 3 6

Componente standard 3 2 6 2 6

Somma dei punti 22 - 66.3 - 64.2



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3.4.3 Sistema di fissaggio inferiore

Variante 1

Pinza a griffe parallele

pneumatica

Gruppo valvole pneumatiche

Figura 37: Prima variante per il sistema di fissaggio inferiore

La prima variante è composta da una pinza a griffe parallele azionata in modo pneumatico. Per far sì che la pinza si adatti perfettamente al socket da misurare è necessario realizzare un piccolo adattatore con scanalatura a V che centri in maniera automatica il pezzo cilindrico sulla pinza. Per l’azionamento è necessario acquistare il gruppo valvole adatto a controllare l’apertura e la chiusura delle griffe. Può essere necessario implementare un componente che regola la pressione dell’aria, in modo tale da poter gestire la forza di chiusura. Di seguito si andrà a valutare la combinazione tra pinza pneumatica a griffe parallele e gruppo valvole di controllo.

Tabella 13: Valutazione della variante 1 per il sistema di fissaggio inferiore

Funzione: Sistema di fissaggio inferiore

Variante 1


g p g·p

Costo 5 1.5 7.3

Precisione 4 3 12

Velocità di posizionamento 2 3 6

Peso 3 3 9

Ingombri 2 3 6




44/103

Variante 2

Pinza a 3 griffe meccanica (es.

mandrino del trapano)

Figura 38: Seconda variante per il sistema di fissaggio inferiore

Questa tipologia di mandrino viene ampiamente utilizzato nei trapani elettrici e trapani a colonna. È un sistema di fissaggio a basso costo con attuazione manuale (eseguita dall’utente), vanta di un’ottima precisione e non necessita l’uso di adattatori per centrare il socket. Lo svantaggio principale è i tempi di montaggio e smontaggio del socket che risultano essere più lunghi rispetto ad un sistema attuato in maniera elettrica o pneumatica. Per questa ragione tra i criteri di valutazione viene inserito il criterio della velocità di posizionamento del pezzo. Da una prima valutazione di costi si osserva che un mandrino per trapano di buona qualità costa circa 30 CHF o più. Di seguito si andrà ad eseguire la valutazione della variante.



Variante 2


g p g·p

Costo 5 4.0 20

Precisione 4 4 16


Peso 3 2 6

Ingombri 2 3 6




45/103

Variante 3

Guida a T

Figura 39: Terza variante per il sistema di fissaggio inferiore

La terza variante proposta è essenzialmente una guida con la forma del socket (guida a T). In questo modo il tempo di set-up della prova viene ulteriormente ridotto, perché basterà inserire il pezzo nella maniera giusta senza dover chiudere delle griffe in modo manuale o pneumatico. Con questo sistema si perde un po’ in precisione ma si guadagna in tempi e costo di fabbricazione. Il componente può essere composto da quattro pezzi, facilmente assemblabili con delle viti, ottenendo così una riduzione ulteriore dei costi di realizzazione. Di seguito si andrà ad eseguire la valutazione della variante.



Variante 3


g p g·p

Costo 5 3.7 18.6

Precisione 4 3 12


Peso 3 2 6

Ingombri 2 3 6




46/103

3.4.4 Sistema di fissaggio superiore

Variante 1 – Variante 2

Pinza a 3 griffe pneumatica

Pinza a 3 griffe meccanica (es.

mandrino del trapano)

Gruppo valvole pneumatiche -

Figura 40: Varianti per il sistema di fissaggio superiore

Per il sistema di fissaggio superiore vengono proposte due varianti che sono essenzialmente identiche tra loro per il metodo di attuazione: la prima variante è una pinza a tre griffe con attuazione pneumatica e relativo gruppo valvole pneumatiche di controllo, la seconda invece è una pinza a tre griffe azionata manualmente (mandrino di un trapano elettrico o a colonna). La differenza sostanziale tra le due è il tempo di set-up che viene ridotto in maniera notevole per la prima variante, al prezzo di un elevato costo della pinza e del gruppo valvole. Di seguito si andrà ad eseguire la valutazione delle due varianti.

Tabella 16: Valutazione delle varianti per il sistema di fissaggio superiore

Funzione: Sistema di fissaggio superiore

Variante 1 Variante 2


g p g·p p g·p

Costo 5 2.0 10 4.0 20


Velocità di posizionamento 2 4 8 2 4

Peso 3 2 6 2 6

Ingombri 2 3 6 3 6




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3.5 Scelta delle tecnologie da applicare T

ab

ella 1

7:

Tab

ella r

iassu

nti

va d

ell

e v

ari

an

ti d

elle t

ecn

olo

gie

Va

ria

nte

5-2

Att

ua

tore

pn

eum

atico

+

Rig

a o

ttic

a

0.7

1

Com

bin

azio

ne

1

Com

bin

azio

ne

2

Com

bin

azio

ne 3

Va

ria

nte

5-1

Att

ua

tore

pn

eum

atico

+

LV

DT

0.7

4

Va

ria

nte

4-2

Gu

ida

a lam

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+

LV

DT

0.7

3

Va

ria

nte

4-2

Mo

tore

ste

p

+

vite

-ma

dre

vite

+

En

co

de

r

0.7

9

Va

ria

nte

4-1

Gu

ida

a lam

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+

Se

nso

re

ind

uttiv

o

0.7

5

Va

ria

nte

4-1

Mo

tore

BL

DC

+

vite

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dre

vite

+

En

co

de

r

0.7

8

Va

ria

nte

3-4

Din

am

om

etr

o

+

Cella

di ca

rico

pie

zo

ele

ttrica

+

So

ftw

are

0.6

8

Va

ria

nte

3

Att

ua

tore

SM

AC

0.7

8

Va

ria

nte

3-3

Din

am

om

etr

o

+

Cella

di ca

rico

pie

zo

ele

ttrica

0.7

4

Va

ria

nte

2-2

Att

ua

tore

mo

torizza

to

+

Rig

a o

ttic

a

0.7

4

Va

ria

nte

3-2

Din

am

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o

+

Ce

lla d

i ca

rico

este

nsim

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+

So

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0.6

6

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ria

nte

2-1

Att

ua

tore

mo

torizza

to

+

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DT

0.7

6

Va

ria

nte

3-1

Din

am

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o

+

Cella

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rico

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i

0.7

7

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ria

nte

3

Gu

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0.7

9

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1-2

Mo

tore

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+

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8

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ria

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2

Cella

di ca

rico

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+

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+

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0.7

1

Va

ria

nte

2

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0.8

1

Va

ria

nte

2

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ria

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1

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+

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Pin

za a

3 g

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+

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0.7

2

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vim

en

tare

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se

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Mis

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zio

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Sis

tem

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fis

sa

gg

io

infe

rio

re

Sis

tem

a d

i

fis

sa

gg

io

su

pe

rio

re


48/103

Come possiamo notare in Tabella 17 vengono definite 3 diverse combinazioni delle varianti; di seguito si andrà ad analizzarle:

Combinazione 1

Figura 41: Prima combinazione delle tecnologie del sistema

Per ottenere una valutazione finale della combinazione si decide di fare una media di tutti i punteggi per ogni singola variante:

𝐶1 =𝑉1 + 𝑉2 + ⋯ + 𝑉𝑁

𝑁

Dove: 𝐶 = 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑐ℎ𝑒 𝑠𝑖 𝑣𝑢𝑜𝑙𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑡𝑎𝑟𝑒

𝑉 = 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑐ℎ𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒

𝑁 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑛𝑡𝑖 𝑛𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒

Il metodo utilizzato per la prima combinazione viene utilizzato anche per tutte le altre, per compararle con la stessa modalità. Sostituendo i dati per la prima combinazione abbiamo:

𝐶1 =0.78 + 0.79 + 0.81

3= 𝟎. 𝟕𝟗𝟑

Combinazione 2

Figura 42: Seconda combinazione delle tecnologie del sistema

Valutazione finale:

𝐶2 =0.78 + 0.83 + 0.79 + 0.81

4= 𝟎. 𝟖𝟎𝟑

Combinazione 3

Figura 43: Terza combinazione delle tecnologie del sistema

Valutazione finale:

𝐶3 =0.79 + 0.83 + 0.79 + 0.81

4= 𝟎. 𝟖𝟎𝟓


49/103

In tabella sono riportati i risultati delle tre combinazioni.

Tabella 18: Tabella dei voti delle combinazioni delle tecnologie

Combinazione 1 Combinazione 2 Combinazione 3

Punteggio 0.793 0.803 0.805

Costo [CHF] 1380-1580 640-790 590-740

Come vediamo in Tabella 18 dallo studio delle tecnologie emerge che la combinazione ideale per il

sistema è la terza.

Viene scelta questa configurazione per i tre motivi qui di seguito elencati: poiché dallo studio delle varianti risulta essere quella con il punteggio più alto, il costo complessivo del materiale da acquistare è il più basso tra le tre, e perché le combinazioni 2 e 3 sono quelle che a livello progettuale e didattico contengono una mole di lavoro tale da coinvolgere maggiormente lo studente che le progetta.


50/103

3.6 Cassa morfologica del macchinario

3.6.1 Funzioni e varianti

Una volta che sono state definite le tecnologie da applicare, si passa ad analizzare come

implementarle al macchinario, per svolgere le varie funzioni.

La prima funzione che si riporta è quella dell’attuazione dell’asse verticale; in questo caso vengono

sviluppate tre diverse varianti.

Tabella 19: Varianti della funzione "Attuazione"

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Attuazione

Come si osserva in tabella in tutte le tre varianti è presente almeno una vite a ricircolo di sfere, un

motore per l’attuazione e un sistema di trasmissione del moto.

La seconda funzione analizzata è la tipologia della cella di carico da utilizzare: cella di carico ad

estensimetri di tipo S e cella di carico ad estensimetri a taglio.

Tabella 20: Varianti della funzione "Tipologia della cella di carico"


Tipologia della

cella di carico

La cella di carico di tipo S è meno ingombrante ma ha un costo maggiore rispetto a quella a taglio,

infatti il prezzo è di circa 50-80 CHF contro i 10-15 CHF. Nella variante due, oltre alla cella di carico, è

necessario aggiungere due battute che fungono da finecorsa meccanico, in modo da evitare lo

snervamento della cella di carico in caso di problemi durante la prova del socket.


51/103

Un’altra differenza è la forza che riescono a misurare: la prima viene utilizzata principalmente in casi

dove le forze di trazione e compressione sono di intensità elevate (oltre 50-100 kg), mentre la

seconda si utilizza anche per carichi di intensità molto basse (0.5-1 Kg).

La terza funzione è quella della movimentazione, che descrive come far muovere il macchinario (si

intende analizzare se conviene muovere il socket verso il pin o il pin verso il socket).

Tabella 21: Varianti della funzione "Movimentazione"


Movimentazione

Nella variante1 sull’asse in movimento è presente il sistema di centraggio del socket, il sistema di

centraggio tra l’asse superiore e quella inferiore e una staffa per unire il tutto al manicotto posto sulla

vite. Sulla parte fissa si situa il sistema di fissaggio del pin e la cella di carico, il tutto unito ad una

staffa collegata alla piastra di fissaggio.

La variante 2 invece deve movimentare il sistema di centraggio del pin (mandrino del trapano) e la

staffa unita alla vite. La parte fissa ospita il sistema di centraggio del socket, il sistema di centraggio

degli assi verticali e la cella di carico. Il tutto è unito alla piastra di fissaggio con un supporto.

Nel caso della variante 1 si possono riscontrare difficoltà dovute al sistema di fissaggio del socket,

infatti quest’ultimo essendo una guida e non un bloccaggio del pezzo, si rischia che quando l’asse è in

movimento, la posizione del socket può variare causando un esito negativo della prova. Per questo

motivo si decide di scegliere la variante 2 come definitiva della funzione.


52/103

La quarta funzione è quella del centraggio tra l’asse verticale superiore (quella del pin) e l’asse

verticale inferiore (quella del socket).

Tabella 22: Varianti della funzione "Centraggio"


Centraggio

La variante 1 si basa sul principio di contatto a tre punti, utilizzando delle viti che vanno a bloccare il

sistema di fissaggio del socket dopo che è stato centrato con il pin.

La variante 2 è un sistema basato sulla forza di attrazione di un magnete permanente; allontanando il

magnete verso il basso, la parte superiore è libera di muoversi sul piano, facendo centrare il socket

con il pin. Una volta che gli assi coincidono basta spostare manualmente il magnete verso l’alto che

automaticamente bloccherà tutte le movimentazioni del socket.

La variante 3 invece funziona mediante un sistema di fissaggio con due viti; per eseguire il centraggio

basta svitare leggermente le due viti centrali, in modo tale da dare libertà al socket di centrarsi.

Terminato l’allineamento basta riavvitare le viti.


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La quinta e ultima funzione è quella del tipo di struttura che si può realizzare.

Tabella 23: Varianti della funzione "Struttura"


Struttura

Entrambe le varianti possono essere realizzate con profili sagomati tipo Kanya o Item, oppure con

componenti lavorati in acciaio o alluminio. L’utilizzo di quest’ultimi può essere un vantaggio per la

struttura di sostegno (parte della struttura su cui vengono montati i vari supporti) perché permettono

l’aggiustaggio in fase di montaggio di eventuali imperfezioni di altre componenti.


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3.6.2 Valutazione delle varianti

Di seguito vengono inserite le tabelle che contengono le valutazioni delle diverse varianti, utilizzando i

metodi elencati nel capitolo 3.3.

Utilizzando una vite sola si ha il vantaggio di non dover garantire la trasmissione del moto in modo

uniforme tra una vite e l’altra (nel caso si utilizzano due viti si ha il rischio di avere giochi aggiuntivi che

aumentano il rischio di grippaggio del sistema).

Tabella 24: Valutazione delle varianti della funzione Attuazione

Funzione: Attuazione


Criterio di valutazione Peso Nota Punti Nota Punti Nota Punti

g p g·p p g·p p g·p

Costo 5 4 20 3.5 17.5 3 15

Difficoltà di assemblaggio 3 3 9 2 6 3 9

Precisione 3 3 9 2 6 2.5 7.5

Ingombri 2 3 6 2.5 5 2.5 5

Usura 4 3 12 2 8 2.5 10

Costi di manutenzione 4 3 12 3 12 2 8

Somma dei punti 21 - 68 - 54.5 - 54.5

Valutazione tecnica X 0.81 0.65 0.65

Tabella 25: Valutazione delle varianti della funzione Tipologia di della di carico

Funzione: Tipologia della cella di carico



g p g·p p g·p

Costo 5 2 10 4 20


Facilità di montaggio 2 3 6 4 8

Peso 3 3 9 4 12

Ingombri 4 4 16 3 12

Somma dei punti 18 - 53.0 - 64



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Utilizzando un sistema a scancio rapido con i magneti (variante 2) si abbattono di molto i tempi di setup della prova, ma al contrario va dimensionato correttamente per poter garantire una presa del pezzo efficace.

Tabella 26: Valutazione delle varianti della funzione Centraggio

Funzione: Centraggio


Criterio di valutazione Peso Nota Punti Nota Punti Nota Punti

g p g·p p g·p p g·p

Costo 5 4 20 3 15 3.5 17.5

Precisione 4 3 12 4 16 4 16

Forza di tenuta 5 3 15 3 15 4 20

Facilità nel bloccaggio 5 2 10 4 20 3 15

Versatilità 3 3 9 4 12 3 9

Somma dei punti 22 - 66 - 78.0 - 77.5

Valutazione tecnica X 0.75 0.89 0.88

Tabella 27: Valutazione delle varianti della funzione Struttura

Funzione: Struttura



g p g·p p g·p

Costo 5 4 20 3.5 17.5

Regolazione dei supporti 4 4 16 3.5 14

Versatilità 3 3 9 2.5 7.5

Facilità di montaggio 3 3 9 4 12

Accessibilità per il cablaggio 3 4 12 3 9




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3.6.3 Scelta delle varianti del macchinario

Di seguito viene inserita la tabella che riassume i risultati della cassa morfologica del macchinario.

Tabella 28: Tabella riassuntiva delle valutazioni delle varianti del macchinario


Attuazione 0.81 0.65

0.65

Tipologia

cella di carico 0.74 0.89

Centraggio 0.75 0.89 0.88

Struttura 0.92 0.83

Combinazione scelta

La variante 3 del sistema di centraggio ha ottenuto un punteggio leggermente più basso della variante

2, ma per il motivo spiegato durante il capitolo della valutazione delle varianti (pag. 54) si sceglie la

variante 3 per svolgere la funzione.

Per questo motivo dalla Tabella 28 si può evincere che la combinazione migliore tra le varianti del

macchinario sarà la seguente:

Il sistema di movimentazione sarà composto da una vite singola con manicotto a ricircolo di

sfere e due guide lineari

La trasmissione del moto sarà garantita da un giunto elastico che collega il motore alla vite

Verrà utilizzata una economica cella di carico a taglio, che garantisce la specifica di precisione

del sistema di ± 1 𝑁

Il sistema di centraggio tra il socket e il pin sarà garantito dal sistema descritto nella variante

numero 3 della funzione Centraggio

Infine la struttura sarà composta da profili Item che si trovano sul mercato a prezzi economici.


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3.7 Schizzo di principio

Il primo schizzo di principio è la sezione dell’assieme della parte di attuazione del sistema,

rappresentato in Figura 44.

Figura 44: Schizzo di principio disegno 1


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Il secondo disegno è quello della sezione dell’assieme della parte di movimentazione e della parte di centraggio e misura della forza, rappresentato in figura Figura 45.



59/103

Il terzo e ultimo disegno rappresenta la vista generale di come deve essere concepito il sistema.



60/103


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4. Progettazione del macchinario

4.1 Analisi della situazione

Il sistema viene sottoposto a forze di trazione e compressione, che sono di circa 8/10 N. Inoltre si

aggiunge il peso del sistema di fissaggio del pin che è di circa 1 kg, quindi la forza totale che subisce

la vite è di massimo 20 N. Per il dimensionamento della vite e dei cuscinetti si considera che questa

forza di 20 N viene totalmente scaricata sulla vite a ricircolo di sfere, andando a sovrastimare quelle

che sono le durate di vita.

Questa forza la si può scomporre in un momento causato dalla distanza del punto di applicazione

della forza rispetto all’asse della vite, e in una forza puramente assiale. Il momento generato è:

𝑀 = 𝐹 · 𝑏 = 20 𝑁 · 42 𝑚𝑚 = 840 𝑁𝑚𝑚

Le equazioni di equilibrio sono:

{

𝛴𝐹𝑥 = 0𝛴𝐹𝑦 = 0

𝛴𝑀(𝐴) = 0{

−𝐹𝑥𝐴 + 𝐹𝑥𝐵 = 0−𝐹𝑎 + 𝐹𝑦𝐵 = 0

𝑀 − 𝐹𝑥𝐵 · (80 + 43.5) = 0

{

𝐹𝑥𝐴 = 𝐹𝑥𝐵 = 6.8 𝑁𝐹𝑦𝐵 = 20 = 20 𝑁

𝐹𝑦𝐵 =840

80 + 43.5= 6.8 𝑁

Successivamente si inserisce il diagramma NTM della situazione, con le forze di reazione che

subiscono i cuscinetti.

Figura 47: Diagramma NTM della vite


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4.2 Dimensionamento della vite

La vite a ricircolo di sfere che deve essere dimensionata è sottoposta a carichi variabili nel tempo e a diverse velocità di rotazione. Per questo motivo si deve calcolare una forza media 𝐹𝑏𝑚 e una velocità

media 𝑛𝑎𝑣.

Figura 48: Esempio di diagramma per il dimensionamento della vite

Per velocizzare il calcolo viene generato un programma Matlab che restituisce i risultati necessari per

verificare se la vite a ricircolo di sfere resiste alle sollecitazioni e alle velocità che vengono imposte dal

problema.

I risultati numerici e i grafici che vengono eseguiti in Matlab sono riportati nel capitolo 4.2.3, mentre nel

capitolo 4.2.2 viene riportato e spiegato il codice.

4.2.1 Dati del problema

Per ricavare i dati necessari per il dimensionamento è necessario avere un’idea del modo in cui viene eseguita la prova, e stabilire le masse che ci sono in movimento agganciate alla vite. La massa da muovere viene stimata di circa 1 𝑘𝑔, poiché composta dalla massa del mandrino autocentrante e dalla traversa mobile. Le forze di inserzione ed estrazione medie vengono fornite dall’azienda che costruisce il componente, e sono uguali a:

𝐹𝑖𝑛 = 10 𝑁

𝐹𝑜𝑢𝑡 = 8 𝑁 La velocità di avanzamento che deve avere il pin durante l’inserzione nel connettore è di 0.5 𝑚𝑚/𝑠, anch’essa fornita dall’azienda. Si fissa lo spostamento durante il test a 5 𝑚𝑚 in quanto si ritiene sufficientemente ampio per restituire un responso chiaro e interpretabile. Per la parte di movimentazione in rapido, si impone uno spostamento di 60 𝑚𝑚 da eseguire in 2 secondi. Viene stabilito un tempo di accelerazione di 0.15 secondi. Infine si sceglie una classe di viti dal catalogo Misumi, in modo tale da garantire una precisione assiale in posizione di 0.05 𝑚𝑚, dalla quale si ottengono i seguenti dati:

𝐶𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 = 0.02

𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑡𝑡𝑜 = 4 𝑚𝑚


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4.2.2 Formule e programma Matlab

Nella prima sezione del codice si eseguono i calcoli preliminari per fare il dimensionamento. Da primo si calcola la velocità che deve avere il motore durante il movimento in rapido:

𝑣𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜 =𝑆𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜

[𝑚𝑚

𝑠]

In secondo si calcola il tempo di durata della prova:

𝑡𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎 =𝑆𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎

[𝑠]

Dopo di che si calcolano le forze mancanti:

𝐹𝑝𝑒𝑠𝑜 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 · 𝑔 [𝑁]

𝑔 = 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒

𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑖 𝑖𝑛𝑠𝑒𝑟𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 = 𝐹𝑡𝑜𝑡 𝐼𝑛 = 𝐹𝑖𝑛𝑠𝑒𝑟𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 [𝑁]

𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑖 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 = 𝐹𝑡𝑜𝑡 𝑂𝑢𝑡 = 𝐹𝑝𝑒𝑠𝑜 + 𝐹𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 [𝑁]

𝐹𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑖𝑚𝑜 = 𝐹𝑎𝑡𝑡𝑀𝑎𝑥 = 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑖 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 · 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 [𝑁]

Infine viene calcolato il numero di giri e la velocità angolare, per la movimentazione della prova e in rapido:

𝑁𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜 =𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜 ∗ 60

𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑡𝑒 [𝑚𝑖𝑛−1]

𝑁𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎 =𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎 ∗ 60

𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑡𝑒 [𝑚𝑖𝑛−1]

𝜔𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜 =2 · 𝜋 · 𝑁𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜

60 [

𝑟𝑎𝑑

𝑠]

𝜔𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎 =2 · 𝜋 · 𝑁𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎

60 [

𝑟𝑎𝑑

𝑠]

Nella seconda sezione si esegue il grafico del numero di giri che varia durante il corso del test, viene calcolata la frequenza di rotazione media e si verifica se la forza causata dall’accelerazione può essere trascurata oppure no. Per il calcolo della frequenza di rotazione media si utilizza la seguente formula:

𝑁𝑎𝑣 =𝑁𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜 · 𝑡𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜 · 2 + 𝑁𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎 · 𝑡𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎 · 2

100 [𝑚𝑖𝑛−1]

A fine sezione il codice inserirà nel grafico del numero di giri la frequenza di rotazione media precedentemente calcolata, per permetterne una migliore interpretazione.


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Nella terza sezione viene creato il grafico dell’andamento delle forze durante il test e viene calcolata la forza media che agisce sulla vite. La forza media si calcola con:

𝐹𝑏𝑚 = √(𝐹𝑎𝑡𝑡𝑀𝑎𝑥

3 · 𝑁𝑟 · 𝑡𝑟 + 𝐹𝑡𝑜𝑡 𝐼𝑛3 · 𝑁𝑝 · 𝑡𝑝 + (𝐹𝑡𝑜𝑡 𝑂𝑢𝑡 + 𝐹𝑎𝑡𝑡𝑀𝑎𝑥) · 𝑁𝑝 · 𝑡𝑝 + 𝐹𝑝𝑒𝑠𝑜 · 𝑁𝑟 · 𝑡𝑟) · 𝑓𝑝

3

𝑛𝑎𝑣 · 100

3

[𝑁]

Dove:

𝑃𝑒𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑟 = 𝑅𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜

𝑃𝑒𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑝 = 𝑃𝑟𝑜𝑣𝑎

𝑓𝑝 = 𝑓𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑑𝑖 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎

Il fattore di condizione operativa è stato fissato uguale a 1.5, che indica che il sistema lavora in condizioni normali e non subisce urti violenti o forti vibrazioni. Infine la forza media viene moltiplicata per un fattore di sicurezza 𝑓𝑠 che garantisce un margine al dimensionamento:

𝐹𝑎𝑠𝑠𝑖𝑎𝑙𝑒 = 𝐹𝑏𝑚 · 𝑓𝑠 [𝑁] A questo punto è necessario scegliere una vite dal catalogo Misumi. Si sceglie BSSCK1204-168-F18-P6 dove:

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡à 𝑑𝑖 𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑜 = 𝐶 = 2790 𝑁

𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 𝑣𝑖𝑡𝑒 = 𝑑𝑟 = 10.4 𝑚𝑚

𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑣𝑖𝑡𝑒 = 𝐷 = 12 𝑚𝑚 Una volta che viene scelta la vite si eseguono le verifiche della durata di vita utile, il carico di punta ammissibile e la velocità critica ammissibile. La durata di vita utile viene calcolata in numero di giri totali che può eseguire la vite:

𝐿 = (𝐶

𝐹𝑎𝑠𝑠𝑖𝑎𝑙𝑒

)3

· 106 [𝑟𝑖𝑣𝑜𝑙𝑢𝑧𝑖𝑜𝑛𝑖]

Dopo di che per una maggior comprensione la si converte in ore di funzionamento e in km compiuti:

𝐿ℎ =𝐿

(𝑁𝑎𝑣 · 60) [𝑜𝑟𝑒]

𝐿𝑑 =𝐿ℎ · 𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜 · 𝑁𝑎𝑣 · 60

106 [𝑘𝑚]

Ora si calcola il carico di punta che può supportare la vite:

𝐹𝑘 =40720 · 𝑁𝑓 · 𝑑𝑟

4

𝐿𝑡2 [𝑘𝑔𝑓]

𝑁𝑓 = 𝑓𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑖 𝑠𝑢𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡𝑜

𝐹𝑝 = 𝐶𝑎𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑖 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎 𝑎𝑚𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑒 = 0.5 · 𝐹𝑘 [𝑘𝑔𝑓]

Infine si calcola la velocità critica ammissibile:


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𝑁𝑐 = 2.71 · 108 ·𝑀𝑓 · 𝑑𝑟

𝐿𝑡2 [𝑚𝑖𝑛−1]

𝑀𝑓 = 𝐹𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑖 𝑠𝑢𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡𝑜

𝑁𝑝 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑚𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑒 = 0.8 · 𝑁𝑐

Nel paragrafo successivo saranno riportati i risultati del programma Matlab, con annessi i grafici dei carichi e del numero di giri durante l’esecuzione della prova.

4.2.3 Risultati

Di seguito vengono riportati i grafici che sono necessari per il dimensionamento della vite.

Figura 49: Grafico del numero di giri nel tempo

Figura 50: Grafico del carico assiale nel tempo

Successivamente verranno inseriti i risultati ottenuti dal programma Matlab per la vite a ricircolo di sfere rullata con codice BSSCK1204-168-F18-P6 (scheda tecnica in allegato). Frequenza di rotazione media:

𝑁𝑎𝑣 = 19.5 min−1


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Carico assiale medio:

𝐹𝑏𝑚 = 13.65 𝑁 Durata di vita utile espressa in numero di giri:

𝐿 = 1.067 · 1012 𝑟𝑖𝑣𝑜𝑙𝑢𝑧𝑖𝑜𝑛𝑖 Durata di vita utile espressa in ore di funzionamento:

𝐿ℎ = 9.12 · 108 𝑜𝑟𝑒 Durata di vita utile espressa in kilometri compiuti:

𝐿𝑑 = 4.27 · 106 𝑘𝑚 Carico di punta ammissibile:

𝐹𝑝 = 5824 𝑘𝑔𝑓

Velocità critica ammissibile:

𝑁𝑝 = 75970 𝑚𝑖𝑛1

Dai risultati ottenuti possiamo confermare con certezza che la vite selezionata è adatta all’applicazione.


67/103

4.3 Selezione del motore

Prima di procedere con il calcolo della coppia necessaria al motore per movimentare il sistema, è necessario calcolare l’efficienza della vite a ricircolo di sfere:

𝑛 =1 − 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑′𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 · tan(𝜃)

1 +𝐶𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑′𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜

tan(𝜃)

Dove:

𝐶𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 = 0.02

𝜃 = 𝑎𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑑𝑖 𝑖𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑙′𝑒𝑙𝑖𝑐𝑎 = 𝑡𝑎𝑛−1 (𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜

𝜋 · 𝐷)

Risolvendo si ottiene:

𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1 (4

𝜋 · 12) = 6.0566

𝑛 =1 − 0.02 · tan(6.0566)

1 +0.02

tan(6.0566)

= 0.84

La chiocciola viene precaricata sulla vite per ridurre al minimo i giochi, essa varia con il carico assiale applicato. La forza di precarico è:

𝑃𝑝 =𝐹𝑎

2.8=

27.3

2.8= 9.75 𝑁

Dove:

𝐹𝑎 = 27.3 𝑁 (𝑜𝑡𝑡𝑒𝑛𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑡𝑒) Ottenuta la forza di precarico possiamo calcolare il torque che deve erogare il motore per vincerla:

𝑇𝑑 =𝐾𝑝 · 𝑃𝑝 · 𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜

2 · 𝜋

Dove:

𝐾𝑝 =0.5

√tan(𝜃)=

0.5

√tan(6.0566)= 0.1535

Risolvendo otteniamo:

𝑇𝑑 =0.1535 · 9.75 · 4

2 · 𝜋= 0.953

Una volta che è stato stimato il torque necessario per vincere la forza di precarico, passiamo ad esaminare i casi più critici in cui lavorerà il motore:

Fase di estrazione, che dalla Figura 50 risulta essere quella con carico assiale maggiore

Fase di risalita in rapido, che dalla Figura 49 e dalla Figura 50 risulta essere quella con maggior forza assiale ad un numero di giri più elevato.


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Il torque da erogare viene calcolato con la seguente formula:

𝑇 =𝐹𝑎𝑠𝑠𝑒 · 𝑓𝑠 · 𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜

2 · 𝜋 · 𝑛

Per la fase di estrazione risulta:

𝑇𝑜𝑢𝑡 =𝐹𝑡𝑜𝑡 𝑂𝑢𝑡 · 𝑓𝑠 · 𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜

2 · 𝜋 · 𝑛=

17.81 · 2 · 4

2 · 𝜋 · 0.84= 27 𝑁𝑚𝑚 = 27 𝑚𝑁𝑚

Per la fase di risalita in rapido risulta:

𝑇𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑜 =𝐹𝑝𝑒𝑠𝑜 · 𝑓𝑠 · 𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜

2 · 𝜋 · 𝑛=

9.81 · 2 · 4

2 · 𝜋 · 0.84= 14.9 𝑁𝑚𝑚 = 14.9 𝑚𝑁𝑚

4.3.1 Verifica del motore

Dai risultati ottenuti vengono selezionati due motori step con encoder integrato fabbricati dall’azienda CUI INC.

Tabella 29: Estratto delle caratteristiche tecniche del motore

Codice prodotto Angolo

step Corrente

Momento torcente massimo

Velocità di rotazione ottimale

NEMA11-13-01D-AMT112S

1.8° 0.67 A 9.2 oz-in (68.5 mNm) 16 RPS (960 RPM)

NEMA11-18-01D-AMT112S

1.8° 0.67 A 13.7 oz-in (96.7 mNm) 13 RPS (780 RPM)

Dal capitolo 4.2 e 4.3 si hanno i risultati riportati in Tabella 30.

Tabella 30: Risultati per la selezione del motore

Fase del test Momento torcente Numero di giri

Estrazione 27 mNm (3.8 oz-in) 7.5 RPM

Risalita in rapido 14.9 mNm (2.1 oz-in) 450 RPM

Come si può evincere dalle due tabelle il motore ideale è NEMA11-13-01D-AMT112S, ma si sceglie il NEMA11-18-01D-AMT112S perché ha una differenza di prezzo di 5 CHF e riesce a trasmettere un momento torcente molto più elevato (se in caso si decide di cambiare la configurazione del sistema di centraggio il motore può sopportare carichi molto più elevati).


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Inserendo i valori della Tabella 30 nel grafico che si trova nel datasheet del motore (Figura 51) si ottiene che il motore è stato selezionato correttamente perché i punti inseriti nel grafico sono al di sotto della curva del momento torcente del motore.

Figura 51: Curva del momento torcente del motore in funzione del numero di giri

4.4 Considerazione per i cuscinetti

Pe la vite selezionata, in base alle dimensioni dell’alloggiamento dei cuscinetti sull’albero, si scelgono i

seguenti cuscinetti:

Un cuscinetto radiale a sfere per la parte inferiore della vite, con carico dinamico di 3450 𝑁. Il

codice prodotto è 608-2RSH, ed il produttore è l’SKF.

Per la parte superiore si scelgono due cuscinetti a contatto obliquo che supporteranno anche

il carico assiale, con carico dinamico di 5300 N. il codice prodotto è 7200-B-XL-2RS-TVP, ed il

produttore è la Medias Schaeffler.

Vengono scelte queste due tipologie di cuscinetti anche perché da specifica il sistema deve essere

ermetico, infatti essi hanno una schermatura totale dalla polvere e da liquidi esterni. Per poter

utilizzare questa tipologia si è accettata una dimensione maggiore dei componenti rispetto alle

versioni dei cuscinetti standard.

Dal diagramma NTM (Figura 47) il carico a cui sono sottoposti i cuscinetti è uguale a 6.8 𝑁. Vedendo il

carico dinamico massimo dei cuscinetti che è di ordini di grandezza superiore al carico a cui sono

sottoposti e sapendo che il numero di giri della vite non supera i 450 𝑅𝑃𝑀, si può affermare con

certezza che la durata di vita dei cuscinetti è superiore ai 10 anni di vita.


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4.5 Verifica della cella di carico

In questo capitolo si andrà a verificare lo spostamento che avrà la cella di carico sottoposta ad un

carico di 20 N, nella direzione perpendicolare a quella della forza. Di seguito si inserisce uno schema

di come viene analizzata la situazione.

Figura 52: Analisi della situazione della cella di carico

Per verificare lo spostamento in direzione X si decide di eseguire una simulazione FEM in quanto la

sezione del pezzo non è costante su tutta la lunghezza. Di seguito si inserisce l’immagine di come è

stata strutturata la mesh e come sono stati posti i vincoli di fissaggio e il carico.

Figura 53: Mesh del modello FEM della cella di carico

La mesh è stata generata con elementi tetraedrici con una taglia pari a 0.6 𝑚𝑚 in modo tale da

inserire almeno 3 elementi sullo spessore minimo della cella (sezione centrale), viene fatto un

infittimento sul punto di applicazione della forza per distribuire meglio i carichi e viene assegnato il

materiale (alluminio).


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Eseguendo la simulazione otteniamo che lo spostamento massimo in direzione X è di 1.5 · 10−3 𝑚𝑚, il

quale viene ritenuto abbastanza piccolo da affermare che esso non influisce in alcun modo sulla

misurazione della forza.

Figura 54: Risultato della simulazione FEM della cella di carico


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4.6 Progettazione CAD

Sistema di movimentazione

Figura 55: Assieme di movimentazione del sistema

Il sistema di movimentazione è composto da:

Motore, giunto elastico e vite a ricircolo di sfere che consentono l’attuazione e la trasmissione del moto al sistema

Il blocco mobile che garantisce il corretto funzionamento delle guide e supporta il mandrino autocentrante per il pin

Due blocchi fissi che servono per garantire il corretto centraggio tra le guide e la vite, e servono per fissare il sistema di movimentazione alla struttura


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Sistema di misurazione e centraggio

Figura 56: Assieme di misurazione e centraggio dell'assieme

Il sistema di misurazione e centraggio è composto da:

Blocco in alluminio che consente di fissare il sistema alla struttura, garantisce il centraggio con il sistema di movimentazione e permette il centraggio e il fissaggio della cella di carico

Sistema di centraggio, grazie a delle leve a camma permette la regolazione dell’asse del connettore con l’asse del pin, garantendo un centraggio corretto tra i due

Sistema a guida di fissaggio del pin Struttura di supporto

Figura 57: Struttura del sistema

La struttura è composta interamente da profili in alluminio Item collegati tra di loro mediante gli appositi set di collegamento. Inoltre sono stati aggiunti dei piedini di sostegno che permettono la regolazione sul piano, rendendo la struttura stabile.


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Assieme principale

Figura 58: Assieme principale del sistema

Come possiamo vedere dall’assieme principale in Figura 58, si possono osservare i finecorsa che garantiscono il bloccaggio della corsa in caso di mancato centraggio tra il pin e il connettore, o per qualsiasi altro motivo.


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4.7 Sequenza di montaggio

Per il montaggio dei vari assiemi del macchinario è necessario seguire la sequenza descritta di seguito. Prima di procedere con l’assemblaggio del primo assieme è necessario assemblare la struttura in Item, seguendo le istruzioni che vengono fornite in allegato. Una volta che viene montata la struttura a scheletro si procede con l’assemblaggio dell’assieme del sistema di misurazione e centraggio (SS_C10136_G01), verificando che lo sgancio rapido a camme funzioni correttamente.

Figura 59: Schema di montaggio dell'assieme SS_C10136_G01


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Dopodiché si procede con l’assemblaggio dell’assieme della movimentazione (SS_C10136_G02), facendo attenzione al corretto montaggio dei cuscinetti (se si ritiene necessario, riscaldare l’alloggiamenti dei blocchi di supporto).

Figura 60: Schema di montaggio dell'assieme SS_C10136_G02


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In seguito è necessario unire i due assiemi mediante gli alberi di collegamento (SS_C10136_N16) e congiungere il tutto alla struttura in Item utilizzando le viti.

Figura 61: Schema di montaggio dell'assieme SS_C10136_Z01


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4.8 Sicurezza

Per quanto riguarda la sicurezza si prevede l’inserimento di una pulsantiera posta sulla parte frontale del macchinario, dove sarà inserito un pulsante di arresto di emergenza e due pulsanti che dovranno essere premuti dall’operatore per far iniziare la prova e mantenuti in pressione per tutta la sua durata.

Figura 62: Dispositivo di comando a due mani Siemens

Per garantire la sicurezza per gli operatori esterni alla prova, si prevede di montare una rete di protezione agganciata alla struttura del macchinario, che blocca l’accesso ad esso sui lati esposti (lato sinistro, lato destro e lato posteriore).


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4.9 Lista pezzi e calcolo dei costi

Per maggior chiarezza si decide di dividere le componenti del macchinario in due tipi:

Le componenti acquistate (elettronica e meccanica)

Le componenti progettate (meccanica)

4.9.1 Componenti acquistate

Tra le componenti acquistate abbiamo sia parti elettroniche che parti meccaniche, di seguito viene inserita la tabella che riassume le componenti e i vari costi.

Tabella 31: Tabella dei costi delle componenti elettroniche acquistate

Fornitore Descrizione Cod. prodotto Costo

unitario Qtà

Costo totale

Digi-Key STEPPER MOTOR W/ INCREMENTAL ENC

102-4706-ND 113.87 1 113.87

Digi-Key MEGAPI STEPPER MOTOR

DRIVER V1 1890-1033-ND 12.73 1 12.73

Digi-Key LOAD CELL 5KG STRAIGHT BAR

TAL22 1568-1900-ND 11.64 1 11.64

Digi-Key LOAD CELL AMP HX711 1568-1436-ND 9.75 1 9.75

Digi-Key ARDUINO MEGA2560 ATMEGA256 1050-1018-ND 37.73 1 37.73

Digi-Key AMT ENCODER CABLE

17CONDUCTOR 102-3373-ND 42.68 1 42.68

Digi-Key AC/DC CONVERTER 12V 24V 133W 1866-3976-ND 31.55 1 31.55

Digi-Key BOX ABS BLK/GRAY

11.03"LX7.85"W HM1550-ND 16.35 1 16.35

Digi-Key BREADBRD TERM STRIP

3.20X2.00" 1738-1326-ND 2.96 1 2.96

Digi-Key SHIELD - MEGA PROTO PCB REV3 1050-1030-ND 4.68 1 4.68

Digi-Key PWR ENT MOD RCPT IEC320-C14

PNL 486-1279-ND 10.60 1 10.60

Misumi Interruttori a contatto con finecorsa N-MSTBG6 32.70 € 1 32.70 €

Il totale delle componenti elettroniche in franchi è di 294.54 CHF. Per le componenti con prezzo in euro si utilizza il cambio del 27/08/2019 dove 1 euro vale 1.09 CHF, per un totale di 35.7 CHF.


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Di seguito viene inserita la tabella che riassume i costi delle componenti meccaniche che devono essere acquistate.

Tabella 32: Tabella dei costi delle componenti meccaniche acquistate

Fornitore Descrizione Cod. prodotto Costo

unitario Qtà

Costo totale

Misumi Viti a ricircolo di sfere rullate BSSCK1204-168-

F18-P6 135.80 € 1 135.80 €

Misumi Ghiere per alberi SSCCNS10A 4.5 € 1 4.5 €

Misumi Albero con maschiatura sui due lati SSFUW10-135-M4-

N4 16.81 € 2 33.62 €

Misumi Boccole lineari con flangia SLHFCS10 15.30 € 2 30.6 €

Misumi Albero con maschiatura sui due lati SSDLW12-152-

MD6-N6 24.19 € 2 48.38 €

WURTH Mandrino autoserrante 1.5-13mm 0692812132 62.15 1 62.15

Mädler Cuscinetti radiali a sfere 608-2RSH-SKF 9.06 1 9.06

Mädler Giunto elastico 60270800 26.07 1 26.07

Mädler Anelli di sicurezza per alberi 61740800 0.12 1 0.12

Mädler Anelli di sicurezza per 61763000 0.71 1 0.71

Medias

Schaeffler Cuscinetti a sfere a contatto obliquo

7200-B-XL-2RS-TVP

57.50 2 115

KIPP Maniglie di serraggio a camma K0006.9501103X15 6.02 € 2 12.04 €

ITEM Struttura macchinario IAN00041949-1 168.03 - 168.03

Il costo totale delle componenti meccaniche convertito in franchi è di 669.93 CHF.


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4.9.2 Componenti progettate

Per fare una stima delle componenti progettate, è stato richiesto un preventivo ad un’azienda metalmeccanica, in modo tale da avere il costo del materiale e delle lavorazioni in maniera esatta. In tabella viene riportato il numero di disegno (guardare tavole in allegato) assieme al relativo costo.

N° di disegno Costo unitario Qtà Costo totale

SS_C10136_E01 70 € 1 70 €

SS_C10136_E02 22 € 2 44 €

SS_C10136_E03 14 € 1 14 €

SS_C10136_E04 97 € 1 97 €

SS_C10136_E05 65 € 1 65 €

SS_C10136_E06 90 € 1 90 €

SS_C10136_E07 5 € 1 5 €

SS_C10136_E08 55 € 1 55 €

SS_C10136_E09 48 € 1 48 €

SS_C10136_E10 44 € 1 44 €

SS_C10136_E11 12 € 1 12 €

SS_C10136_E12 12 € 4 48 €

SS_C10136_E13 40 € 1 40 €

SS_C10136_E14 6 € 1 6 €

SS_C10136_E15 58 € 1 58 €

SS_C10136_E17 17 € 2 34 €

SS_C10136_E18 38 € 1 38 €

SS_C10136_E19 28 € 2 56 €

SS_C10136_E20 18 € 2 36 €

SS_C10136_E21 25 € 1 25 €

SS_C10136_E22 12 € 1 12 €

L’importo totale di fabbricazione delle componenti progettate è di 897 € che convertito in franchi con il cambio a 1.09 diventa pari a 977.73 CHF

4.9.2 Costo totale del macchinario

L’importo totale del macchinario è uguale alla somma del costo delle parti elettroniche, meccaniche acquistate e meccaniche progettate:

𝐼𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 = 294.54 + 35.7 + 669.93 + 977.73 = 𝟏𝟗𝟕𝟕. 𝟗 𝑪𝑯𝑭 < 𝟐𝟎𝟎𝟎 𝑪𝑯𝑭 Come possiamo osservare il costo del macchinario è inferiore al budget che è stato prefissato, senza contare la pulsantiera con i tre pulsanti di movimentazione manuale ed arresto e la rete di sicurezza che va installata attorno al macchinario.


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4.10 Sequenza della prova

Di seguito viene inserito il flow chart delle sequenze che deve avere la prova del macchinario.

Figura 63: Flow chart del programma da sviluppare

Nel flow chart della prova si può osservare una prima parte di setup dove si chiede in input i dati di velocità e posizione. Dopodiché si deve prendere una decisione di che tipologia di prova eseguire, e in base alla scelta ci sarà una sequenza di funzioni e acquisizione dati appropriata. I processi di discesa e salita del sistema terminano quando il motore arriva alla posizione selezionata dall’operatore.


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5. Circuito elettrico e cablaggio Sono state acquistate diverse tipologie di componenti elettroniche:

Componenti hardware

Componenti per l’alimentazione

Motore con encoder

Microcontrollore (Arduino) Le componenti hardware sono il driver e l’amplificatore e convertitore di segnale della cella di carico. Di seguito viene inserita l’immagine che schematizza i pin di uscita e entrata del driver DRV8825 della Texas Instruments.

Figura 64: Rappresentazione dei pin del driver DRV8825

Come si può osservare in Figura 64 ci sono i normali pin di alimentazione del driver (RESET, SLEEP e GND), di alimentazione del motore (VMOT E GND) e di comando del motore (A1, A2, B1, B2, M0, M1 e M2). Il pin A e B servono per comandare le bobine del motore a step, mentre il pin M0, M1 e M2 possono essere settati secondo la tabella in FIGURA… per controllare il motore in microstep, aumentandone la continuità di moto.

Figura 65: Impostazioni dei microstep del driver DRV8825

Per esempio, durante la programmazione basta impostare i pin Arduino collegati a M0, M1 e M2 rispettivamente su high, high e low, per far sì che il motore step da 200 passi a giro possa farne 1600 (vedi microsteppers capitolo 2.4).


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5.1 Schema elettrico

L

N

PE

AC/DC CONVERTERRD-125-1224

F

Green or Bl ue (A+)

M

C1

PC

Figura 66: Schema elettrico

Nello schema elettrico si può osservare come sono stati studiati i collegamenti del microcontrollore (Arduino) con i vari hardware (driver motore e convertitore della cella di carico). Inoltre sulla parte superiore dello schema si osserva come è stato collegato l’alimentatore ad Arduino e al driver. Si noti il condensatore (C1) che viene posto in parallelo all’alimentazione del driver, esso serve a proteggerlo da eventuali picchi di tensione.


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5.2 Cablaggio

Il cablaggio viene eseguito sulla bread bord, in modo tale da riuscire a verificare se i collegamenti sono stati fatti correttamente prima di passare alla programmazione. Per prima cosa è stato eseguito il cablaggio del driver senza il collegamento del motore per verificare la limitazione di corrente. Essa viene limitata mediante una vite di regolazione posta sul driver.

Figura 67: Cablaggio del driver per la limitazione di corrente del motore

Una volta che si esegue il cablaggio, è necessario calcolare il limite di corrente da impostare:

𝐼𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 · 2

Il motore utilizzato richiede una corrente nominale di 0.67 𝐴, quindi per la formula abbiamo:

𝑉𝑟𝑒𝑓 =𝐼𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒

2=

0.67

2= 𝟎. 𝟑𝟑𝟓 𝑽 (𝑚𝑜𝑑𝑎𝑙𝑖𝑡à 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑠𝑡𝑒𝑝)

Se si decide di utilizzare il motore in modalità full step il limite di corrente si imposta al 40% in più della corrente nominale richiesta dal motore, perché il driver in questo caso limita la corrente attraverso ciascuna bobina al 70% (il 30% in meno di quella che si imposta). Se il motore emette molto rumore durante il suo funzionamento significa che le bobine hanno a disposizione troppa corrente, quindi provare ad abbassare il limite di corrente, prestando attenzione a non ridurlo di molto perché il motore potrebbe perdere dei passi. Infine si passa alla verifica di 𝑉𝑟𝑒𝑓 direttamente sul driver, ponendo un multimetro che misura la

tensione tra il pin GND e la vite di regolazione, impostando un valore di tensione pari a 0.335 𝑉.


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Una volta regolata la corrente massima, si passa al cablaggio del trasformatore. Esso serve per alimentare Arduino a 12 V e il motore a 24 V. Per la sicurezza dell’utente il trasformatore viene inserito e cablato all’interno di un box di protezione, lasciando la possibilità di collegare il motore e l’Arduino con cavi da laboratorio. Di seguito viene inserita l’immagine che riporta il cablaggio.

Figura 68: Box del trasformatore cablata

Terminata la parte di alimentazione si passa al cablaggio del driver, che in un primo momento viene collegato in modalità full step, quindi senza collegare i pin M0, M1 e M2. Successivamente dopo l’esecuzione del programma (Capitolo 6) si è deciso di sfruttare tutte le potenzialità del driver, collegando i pin del microstep rispettivamente ai pin 10, 9 e 8 di Arduino. Per il cablaggio vengono utilizzati dei cavi con collegamento rapido a connettore maschio, in modo tale da poter modificare in qualsiasi momento la configurazione. Di seguito viene inserita l’immagine che riporta il cablaggio rappresentato in Figura 66.

Figura 69: Cablaggio fisico dello schema elettrico


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Figura 70: Cablaggio Arduino, motore e cella di carico

5.3 Verifica di funzionamento

Con un multimetro digitale si verifica che i collegamenti siano fatti correttamente (collegamento fisico tra un pin Arduino e i vari hardware) Dopo un primo controllo risulta essere tutto collegato. Dopodiché si collega il trasformatore all’alimentazione di rete (in questo caso 220 V) e si accende. Sempre con un multimetro digitale si va a verificare che le tensioni in uscita da esso siano effettivamente di 12 𝑉 e 24 𝑉. Successivamente si collega l’Arduino alla tensione di 12 𝑉 e il motore a quella di 24 𝑉. Infine si collega l’Arduino al PC mediante la porta USB di tipo C collocata sulla parte superiore dello shield. Si verifica che il microcontrollore viene riconosciuto dal PC e che, accendendo il trasformatore, il motore oppone resistenza se sottoposto ad un momento torcente (indica che arriva corrente alle bobine).


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6. Programmazione La parte di programmazione del macchinario viene eseguita da prima su IDE di Arduino, dove saranno scritti gli sketch da caricare sul microcontrollore, per poi passare alla compilazione di un programma in Matlab. Tutto questo si basa fondamentalmente su due principi:

Integrazione degli interrupt per poter leggere il segnale di posizione dell’encoder e il segnale di forza della cella di carico

Comunicazione tramite porta seriale tra Arduino e Matlab L’interrupt è una tecnica usata in programmazione software che sfrutta il meccanismo delle interruzioni del processo principale per passare al controllo di un sottoprogramma chiamato nel momento in cui si verifichino determinate condizioni. Nel caso in questione viene utilizzato per eseguire l’acquisizione dei dati di posizione e di forza. Inoltre viene citata la comunicazione seriale perché è il metodo di trasmissione che viene utilizzato per far interagire Arduino con un programma scritto in Matlab, rendendo più semplice la successiva elaborazione dei dati.

6.1 Acquisizione dati cella di carico

In precedenza, per l’acquisizione dei dati dalla cella di carico, si è deciso di utilizzare un amplificatore che converte il segnale di entrata analogico in un segnale di uscita digitale. Questo convertitore è già stato ampiamente utilizzato in altri casi di studio, per questo motivo è stata sviluppata una libreria apposta per la conversione e la lettura dei dati. Questa libreria si chiama HX711.h. Essa è basata sul principio dell’interrupt, infatti le funzioni principali di acquisizione come scale.get_units() acquisiscono il segnale utilizzando un interrupt.

Figura 71: Amplificatore e convertitore del segnale della cella di carico

Durante le numerose prove che sono state eseguite si è riscontrato un problema nella frequenza di campionamento dell’IC. Infatti essa campiona a 80 Hz che molto probabilmente sono pochi rispetto alla velocità del programma, e causa problemi nell’impostazioni delle velocità durante il rapido. Andrebbero eseguiti altri test utilizzando i microstep che gestiscono in modo diverso le tensioni e la velocità degli impulsi sulle bobine. Se il problema persiste si potrebbe decidere di implementare un altro microcontrollore come Arduino che gestisce tutta la parte di acquisizione dei dati (posizione e forza).


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6.2 Controllo del motore

Come detto in precedenza il motore viene controllato dall’IC del driver DRV8825 in modalità full step (200 passi a giro) o in modalità microstep.

Figura 72: Schema del driver DRV8825

Per controllare i microstep basta settare la configurazione dei pin M0, M1 e M2 secondo la tabella in Figura 65. Per quanto riguarda la gestione delle accelerazioni e decelerazioni del motore si utilizza una libreria studiata appositamente per questo. Il suo nome è AccellStepper.h; essa permette di impostare la velocità del motore in passi per secondo e di controllarlo fino alla posizione prestabilita (conta il numero di passi eseguiti). L’IDE di Arduino include già di suo una libreria per il controllo dei motori step, chiamata Stepper. I vantaggi principali di utilizzare AccellStepper sono:

Supporta accelerazioni e decelerazioni

Supporta più step simultanei

Supporta motori step a 2, 3 o 4 fili

Supporta funzioni di stepping alternative per abilitare il supporto dello shield Arduino di Adafruit

Sono supportate velocità molto basse (come la velocità della prova) Al contrario presenta delle problematiche nel momento in cui si imposta una velocità del motore troppo elevata (oltre i 600/650 𝑅𝑃𝑀), ma in questo caso la velocità massima non è un problema

6.3 Acquisizione dati encoder

L’encoder incrementale integrato al motore restituisce in output tre diversi segnali:

I segnali A e B che servono per la lettura della posizione su tutto il giro

Il segnale Z che serve per eseguire azzeramenti dell’encoder Nel programma che si andrà a sviluppare non verrà utilizzato il segnale Z per la mancata presenza di un segnale di finecorsa. In uno sviluppo futuro sarà comunque di facile integrazione sul programma. Per acquisire i dati si decide di utilizzare una libreria chiamata Encoder.h, basata sull’interrupt dei segnali A e B. Essi trasmettono degli impulsi che definiscono la risoluzione dell’encoder che può essere riprogrammata utilizzando il software fornito dall’azienda (documentazione dell’encoder in allegato). Per il caso in questione si è deciso di fissare la risoluzione a 1600 pulsazioni per rivoluzione.


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6.4 Programmi sviluppati

Calibrazione della cella di carico Prima di procedere al programma che si dedica alla prova eseguita dal macchinario, è stato sviluppato un programma in IDE di Arduino che serve per la calibrazione della cella di carico. È basato su un ciclo in loop che restituisce in output continuo il valore che viene letto dalla cella. Per calibrarlo si utilizza il fattore di calibrazione che varia a seconda delle dimensioni e del materiale della cella. Inoltre è stato prodotto un campione ed è stato misurato in laboratorio utilizzando una bilancia di precisione, dalla quale si ottiene che pesa 335.9 𝑔 pari a 3.295 𝑁.

Figura 73: Cella di carico con campione per la calibrazione

Per procedere alla calibrazione basta caricare lo sketch del programma su Arduino e aprire il monitor seriale. A quel punto compariranno tutte le istruzioni per aumentare o diminuire in tempo reale il fattore di calibrazione e verificare che la misura della forza del campione sia corretta. Inoltre viene data la possibilità di eseguire un azzeramento del valore di output in qualsiasi momento.


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Struttura finale del programma Di seguito viene inserito il flow chart del programma che è stato sviluppato.

Figura 74: Flow chart del programma realizzato


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Arduino Il programma in Arduino è stato scritto in linguaggio C/C++, utilizzando il software Arduino IDE. Lo script è organizzato in diverse sezioni:

Inserimento delle librerie

Definizione dei pin arduino

Inizializzazione delle variabili (tipologia di variabile)

Setup

Loop Come descritto precedentemente le librerie utilizzate sono tre: HX711.h, AccelStepper.h e Encoder.h. Esse servono ad eseguire delle funzioni per il convertitore della cella di carico, il motore step e l’encoder. Successivamente vengono inizializzati e definiti i pin di comando e controllo collegati ad Arduino. Dopodiché vengono inizializzate tutte le variabili che verranno utilizzate nel programma, come le velocità e le posizioni del motore. Nel setup si inizializza la porta seriale con un Baud Rate1 di 115200 Baud; viene impostato a questo valore perché dal datasheet dell’encoder si ricava che la comunicazione in seriale deve essere settata in questo modo. Sempre nel setup si impostano i pin dei microstepper, si chiedono in input i valori di velocita e posizione da Matlab e si eseguono tutte le conversioni necessarie per controllare il 1motore ed eseguire i feedback di posizione. Infine c’è la sezione dedicata al loop all’interno della quale sono eseguiti i comandi per le movimentazioni del motore alle diverse velocità e per leggere l’encoder e dare un feedback di posizione. Esso è strutturato in modo tale da far avanzare il motore ad una determinata velocità; nel momento in cui l’encoder legge la posizione prefissata dall’utente (feedback di posizione), il motore si arresta e passa alla movimentazione successiva. Matlab Lo script in Matlab viene anch’esso diviso in sezioni:

Comunicazione seriale con arduino

Setup della prova

Trasmissione di dati e plot in tempo reale Nella sezione dedicata alla seriale si inizializza la comunicazione modificando le impostazioni del Baud Rate come quelle di Arduino in modo tale da consentire il passaggio di dati (se il Baud Rate non è lo stesso, è come se il microcontrollore e il PC parlassero due lingue completamente diverse). Di seguito si presenta il setup dove vengono richiesti in input i valori di posizione e velocità del motore, per poi essere trasmessi mediante comunicazione seriale al microcontrollore. Infine nella sezione finale sono presenti le funzioni necessarie per ricevere i dati di posizione e forza dall’encoder e dalla cella di carico. Inoltre si è deciso di impostare il programma in modo tale da eseguire un plot dei dati in tempo reale creando un grafico della forza sullo spostamento della vite a ricircolo di sfere.

1 Indica il numero di transizioni al secondo che avvengono sulla linea


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Verifica di funzionamento Terminata la compilazione dei programmi sono stati eseguiti numerosi test, prima di arrivare ad una soluzione definitiva. Nello script Matlab è stato verificato anche il tempo di campionamento medio dei dati che risulta essere:

𝑇𝑠 ≃ 0.025 𝑠 Una volta che il macchinario verrà realizzato si dovrà verificare che il tempo di campionamento ottenuto sia abbastanza piccolo da approssimare correttamente la curva delle prove di inserzione e estrazione. Di seguito viene inserito il grafico che riporta un esempio di curva forza spostamento eseguito con i programmi sviluppati.

Figura 75: Grafico dimostrativo dell'acquisizione dei dati di forza e spostamento

Si nota che nel momento in cui parte la prova, dopo aver eseguito 60 𝑚𝑚 in velocità rapida, si azzera la posizione per avere uno spostamento sul grafico che parte da 0 𝑚𝑚 e arriva allo spostamento

prefissato per il test (in questo esempio sono 6 𝑚𝑚). Le frecce riportate nel grafico indicano l’ordine cronologico in cui sono stati acquisiti i dati, facendo prima la prova di inserzione e successivamente la prova di estrazione (da notare il valore della forza).

Inserzione

Estrazione


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6.5 Interfaccia utente

Per consentire una maggior praticità all’utente è stata sviluppata un’interfaccia in AppDesigner di Matlab dove viene data la possibilità di selezionare la tipologia del test da eseguire, le velocità e lo spostamento del motore e di eseguire le movimentazioni manuali. Inoltre è presente un pulsante per far ritornare il macchinario in posizione di home. Per avviare la prova viene inserito un pulsante START seguito da uno di STOP che la termina in qualsiasi momento. È presente anche un grafico nel quale sarà possibile verificare in qualsiasi momento l’andamento della curva di inserzione o estrazione. Alla fine del test, per verificare se la prova è andata a buon fine, si accenderà una delle due lampadine (Test OK o Warning) che riveleranno il responso della prova all’operatore.

Figura 76: Interfaccia per l'utente

Nel caso di studio è stato proposto il layout dell’interfaccia che rimane da implementare al programma in Matlab in un secondo momento. Inoltre rimane aperta la possibilità di implementare all’interfaccia dei limiti superiori o inferiori delle forze sull’andamento della curva, per avere più precisione sul responso della prova.


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7. Conclusioni Il macchinario progettato soddisfa tutte le specifiche imposte ad inizio progetto, ed è composto da:

Un sistema di movimentazione composto da una vite a ricircolo di sfere attuata da un motore step

Un sistema di centraggio dell’asse del pin con l’asse del connettore evitando la generazione di forze non inerenti alla realtà del test

Una cella di carico per ricavare i dati della forza

Un trasformatore per alimentare l’elettronica del banco prova

Un microcontrollore che gestisce i segnali e i dati di tutte le componenti. Il sistema di movimentazione è stato progettato con una vite a ricircolo di sfere per evitare attriti eccessivi e per ridurre al minimo i giochi che potrebbero causare errori durante l’acquisizione dei dati della posizione. Viene utilizzato un motore step per rispondere all’esigenza di poter impostare delle velocità di avanzamento che possono variare da 25 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛 a 500 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛. Il banco prova è stato progettato per rispondere alle specifiche di progetto, nella seguente tabelle vengono inserite le sue prestazioni che sono state calcolate dalle prove eseguite sul motore, sulla cella di carico e sull’encoder.

Velocità minima

Velocità massima

Corsa Forza

massima Risoluzione posizione

Risoluzione forza

𝑇𝑠

15 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛 800 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛 68 𝑚𝑚 30 𝑁 0.05 𝑚𝑚 0.01 𝑁 0.025 𝑠

La velocità minima e quella massima sono dei limiti posti dalla struttura del programma che è stato sviluppato e dalla libreria del controllo del motore. Infatti esse sono le velocità che garantiscono sempre la corretta movimentazione del motore. La corsa massima è imposta dalla costruzione meccanica della struttura (lunghezza della vite) e tiene conto della variabilità del punto di partenza del test. Questo è legato al metodo di identificazione dello zero macchina, che opera nel seguente modo:

Salita del sistema fino all’identificazione di un segnale del finecorsa

Discesa del motore fino al riconoscimento del segnale di azzeramento dell’encoder. Per questo motivo in funzione di come il motore è montato sul sistema esiste la possibilità che il segnale dall’encoder avvenga dopo massimo un giro del motore. Quindi alla corsa massima fornita dalla lunghezza della vite (72 𝑚𝑚) si devono sottrarre almeno 4 𝑚𝑚 che possono essere occupati dalla ricerca della posizione home. La risoluzione in posizione del sistema è vincolata dai giochi assiali della vite che è fissata a 0.05 𝑚𝑚 o meno. Invece la risoluzione della forza è vincolata dall’elettronica del convertitore e amplificatore di segnale che viene utilizzato. Infatti esso riesce a restituire valori inferiori a questa precisione ma non sono costanti nel tempo, quindi si decide di fissarla ad un valore più elevato ma costante di 0.01 𝑁. Il tempo di campionamento viene trovato calcolando il tempo medio che intercorre tra un’acquisizione e l’altra dei dati. Terminata questa prima fase di analisi e progettazione, resta comunque da realizzare la costruzione meccanica e verificare il corretto funzionamento del banco prova.


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8. Sviluppi futuri In questo capitolo si accennano i possibili scenari futuri di questo progetto. In primo luogo si devono acquistare tutte le componenti (meccaniche e elettroniche), realizzare le parti progettate, assemblarle e verificare il corretto funzionamento della struttura meccanica completa. In essa è necessario verificare che:

Il sistema di centraggio degli assi funziona correttamente

La vite è libera di scorrere senza rischio di grippaggio (verificare che tutte le tolleranze siano rispettate)

Dopo aver eseguito tutti i controlli della meccanica si passa all’implementazione dell’elettronica che, dopo aver eseguito il collegamento del programma con l’interfaccia utente, può essere messa in funzione. Si consiglia di eseguire il cablaggio su Arduino Mega Proto Shield per ridurre la lunghezza dei cavi (disturbi sul segnale) e per renderlo più piccolo e compatto.

Figura 77: Arduino Mega Proto Shield

Una volta ottenuto il macchinario funzionante vanno eseguiti dei test per verificare che le curve ottenute siano coerenti con quelle acquisite in precedenza dall’azienda. Inoltre, è necessario verificare se il tempo di campionamento è abbastanza basso da far acquisire al software anche le piccole variazioni. Vengono anche proposte delle modifiche della parte elettronica:

Aggiungere un Arduino Mega per rendere completamente indipendente il motore dall’amplificatore della cella di carico, che a causa di una bassa frequenza di campionamento genera problemi nella movimentazione. Questa soluzione è più costosa della seconda ma di facile implementazione sul sistema (programmi praticamente già sviluppati)

Sostituire Arduino Mega con Raspberry che permette di avviare due cicli di lavoro differenti. Questa soluzione risulta essere meno costosa ma più difficile a livello di programmazione rispetto alla prima.


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9. Bibliografia [1] Banchi prova per il test delle forze, Sinergica soluzioni su misura, https://www.sinergica-

soluzioni.com/dinamometri-sauter.asp, data di consultazione: giugno 2019 [2] Sauter, Sauter & KERN, https://www.sauter.eu/lshop,showrub,,en,,produkte.263.308, 15,.htm,

data di consultazione: giugno 2019 [3] Attuatore lineare, Wikipedia, https://it.wikipedia.org/wiki/Attuatore_lineare, data di

consultazione: giugno 2019 [4] Attuatore lineare, Wikipedia, https://it.wikipedia.org/wiki/Attuatore_lineare, data di

consultazione: giugno 2019 [5] Tipologie di trasduttori, Inftub, http://www.inftub.com/economia/finanze/CLASSIFICAZIONE-

DEI-TRASDUTTOR63819.php, data di consultazione: giugno 2019 [6] Dinamometro, Wikipedia, https://it.wikipedia.org/wiki/Dinamometro, data di consultazione:

giugno 2019 [7] Dinamometro Sauter, Sauter, https://www.sauter.eu/lshop,showdetail,,it,,produkte.263.308,FL-

S%7C-%7C-%7C308,15,Tshowrub--produkte.263.308,.htm, data di consultazione: giugno 2019

[8] Gobbi Alberto, Sensori di forza e coppia per macchine automatiche, Tesi di laurea, Università

degli studi di Padova, 2011/2012 [9] Prof. Mario Luciano, Sensori ad effetto Hall, Presentazione,

http://nuke.citelli.it/LinkClick.aspx?fileticket =FdeCR0uhqh0%3D&tabid=480&mid=1516, data di consultazione: giugno 2019

[10] Francesco Castelli, Organi di presa per manipolatori industriali, Tesi di laurea triennale,

Università degli studi di Padova, 2012/2013 [11] Cristian Secchi, Sensori e trasduttori, Presentazione, Università degli studi di Modena e

Reggio Emilia [12] Prof. Enrico Ravina, Manipolazione Meccatronica: Sistemi di presa – Selezione e

Dimensionamento, Presentazione, Università Cattaneo LIUC [13] Attuatore SMAC, SMAC Moving Coil Actuators, https://www.smac-mca.com/it/technical-

resources/moving-coil-technology, data di consultazione: giugno 2019 [14] Forum arduino, https://forum.arduino.cc/index.php?board=34.0, data di consultazione: agosto

2019 [15] Forum Matlab, MathWorks, https://it.mathworks.com/matlabcentral/, data di consultazione:

agosto 2019


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10. Allegati

A – Datasheet

B – Disegni 2D

C – Programmi

D – Pianificazione

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