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  • 7/24/2019 Design of a test bench for worm gear transmission

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    TESI

    Soluzioni progettuali preliminari per un banco di prova per

    riduttori a vite senza fine

    Matteo Ragni

    # Version: 1.1

    Aprile, 2012

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    Capitolo 1

    Introduzione

    1.1 La trasmissione a vite senza fine

    1.1.1 Perche le trasmissioni a vite senza fine?

    I riduttori a vite senza fine hanno largo impiego in ambito meccanico, sia industriale che ci-vile, per le caratteristiche di rigidezza e robustezza, difficilmente ottenibili da trasmissioni dialtro tipo. La forte diffusione di motori elettrici, sistemi elettromeccanici che forniscono coppiamassima ad alte velocita angolari, spesso eccessive per la maggior parte delle applicazioni, favo-riscono la diffusione di queste trasmissioni a vite, che abbassano drasticamente il numero di giriin favore di una coppia maggiore allalbero lento, mantenendo il sistema motore-trasmissionedi dimensioni estremamente ridotte. E pratica comune vedere aziende leader nel settore (Sie-mens, Bonfiglioli, etc.) presentare come voce dei cataloghi soluzioni pre-assemblate di motore-trasmissione. Il costo di questa trasmissione spesso risulta essere inferiore rispetto ad altri tipi,a parita di rapporto di trasmissione. Ma non e tutto oro quello che luccica: si deve infatticonsiderare che la geometria dei corpi evolventi a contatto con assi sghembi vede un incrementodi attrito, talvolta sufficiente ad azzerare la reversibilita del meccanismo (dove per reversibilitasi intende inversione di fusso di potenza, ovvero rendere lalbero veloce, che contiene la vite,lalbero condotto). Questo porta ad un sistema vulnerabile a carichi impattivi e a picchi dicoppia, situazioni che devono essere intercettate e analizzate a livello di design ogniqualvolta sifaccia uso di questo tipo di trasmissione (per un esempio si veda 2.2.1, al punto 2).

    La pratica industriale prevede limpiego di acciai bonificati per albero veloce e vite, e laformatura di ruote condotte in bronzo. La scelta di questi materiali e di natura puramentepratica: essendo piu facile la formatura di una ruota elicoidale, si tende ad utilizzare per questamateriale sacrificabile al fine di massimizzare la vita della vite. Purtroppo, le regole di mercatooggigiorno incidono su queste scelte: il costo del bronzo sale vertiginosamente di anno in annoa causa della presenza di rame in lega con lo stagno, costringendo le aziende a cercare soluzioni

    alternative. In questo contesto si pone la presente tesi: la ricerca di nuovi materiali richiede unacampagna di prove sperimentali per valutare il comportamento a fatica del materiale sostitutivo.

    Figura 1.1: Un esempio di motore con trasmissione (fonte: Kahlig Antriebstechnik GmbH)

    2

    http://kag-hannover.com/typo3temp/pics/6f31e225e1.pnghttp://kag-hannover.com/typo3temp/pics/6f31e225e1.pnghttp://kag-hannover.com/typo3temp/pics/6f31e225e1.png

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    1.1. LA TRASMISSIONE A VITE SENZA FINE 3

    1.1.2 Analisi della trasmissione

    Geometria e cinematica

    Nella trasmissione si possono identificare diversi parametri geometrici, che incidono sulle forzedi contatto che trasmettono la potenza meccanica dallalbero veloce allalbero condotto. Latrasmissione e formata da:

    una vite (worm), solitamente motrice, di geometria simile ad una vite di manovra, aventedenti formati da filetti elicoidali a profilo trapezoidale. I filetti che si avvolgono sul cilindrodi nocciolo possono essere piu di uno; in questo caso si dice che la vite ha Zprincipi;

    una ruota elicoidale (wormgear), solitamente condotta. La linea di contatto si sviluppalungo una curva al fine di ottimizzare la distribuzione del carico per garantire resistenzamaggiore. Le dimensioni geometriche della ruota sono quelle tipiche delle normali ruotedentate, e la loro formatura e ottenuta per mezzo di un processo di taglio con un toolchaimatohob, avente le stesse dimensioni geometriche della vite.

    Al fine di ridurre le pressioni locali, si utilizzano due accorgimenti di disegno: lapice dei dentidella ruota inviluppa la vite perfettamente cilindrica oppure la vite assume la geometria dettaglobulare al fine di inviluppare la ruota cilindrica. Come illustrato in figura 1.2,possono essercivarie combinazioni di queste soluzioni:

    Figura 1.2: A sinistra, vite cilindrica, in alto, e vite globulare, in basso (fonte: [1]). A destra unoschema delle possibili configurazioni della trasmissione (tratto da: [3])

    Nonostante questo, le primitive del moto possono essere schematizzate da una circonferenzache rotola senza strisciare su una retta.

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    4 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    Figura 1.3: Configurazione geometrica della trasmissione (fonte: [2])

    Identifichiamo alcune dimensioni geometriche fondamentali:

    dpv diametro primitivo vite;

    Z numero di principi;

    angolo di inclinazione della vite;

    n angolo delica;

    c distanza tra gli interassi;

    dpr diametro primitivo ruota elicoidale;

    p passo assiale della vite, passo radiale della ruota;

    m modulo della vite/ruota

    A differenza degli altri rotismi, il rapporto di trasmissione non dipende dal rapporto tra idiametri, ma dipende dal rapporto tra il numero dei principi della vite e il numero dei dentidella ruota:

    = vr

    = Z

    Zr(1.1)

    Tipicamente, langolo di inclinazione e legato allangolo delica. Come vedremo piu avantilinsieme di questi due parametri ha influenza sul valore massimo di attrito della trasmissione:

    n

    20

    25

    25

    35

    30

    45

    Tabella 1.1: Esempio di alcuni valori n

    Solitamente le viti presentano da uno a quattro principi, la scelta di questo parametro dipen-de dalla potenza meccanica che interessa il rotismo. Parametro fondamentale che caratterizzala vite risulta essere langolo di inclinazione, definito dalla relazione:

    tan() = Ldpv

    = Zmdpv

    (1.2)

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    1.1. LA TRASMISSIONE A VITE SENZA FINE 5

    Il dimensionamento del dente puo essere effettuato con le seguenti relazioni:

    av = m (1.3)

    bv = (2.2 cos() 1) m

    mentre per quanto riguarda il diametro esterno e di nocciolo:

    dev = dpv+ 2 av (1.4)

    dnv = dpv 2 bv

    La lunghezza complessiva della vite dipende dal numero di denti della ruota Zr e dal numerodi principi della vite stessa Z:

    bvite> (1+ 2Zr)m (1.5)

    Z 1 2 Zr min

    1..2 11 0.06 17..18

    4 12.5 0.09 26..28

    Tabella 1.2: Coefficienti della equazione1.5 (fonte: [4])

    Il diametro primitivo della ruota e definito a partire dal modulo, che i due componenti delrotismo condividono. Mediande il diametro primitivo si ricavano anche diametro esterno edinterno:

    dpr = m Zr

    der = dpr+ 2av (1.6)

    dnr = dpr 2bv

    Figura 1.4: Geometria dei diametri e dellarea di contatto (fonte: [4])

    In drives conZ >1, larco effettivo di ingranamento risulta essere inferiore rispetto a quelliconZ= 1, pertanto e possibile ridurre lo spessore effettivo della ruota:

    Z bruota

    1..2 bruota < 0.75 dev

    >3 bruota < 0.67 dev

    Tabella 1.3: Equazioni di dimensionamento dello spessore della ruota (fonte: [4])

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    6 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    Langolo di esposizione 2, rappresentato nella figura1.4,usato indirettamente nei calcoli afatica, puo essere ottenuto trigonometricamente dal rapporto:

    sin() = bruota

    dev 0.5 m (1.7)

    I parametri dei denti della ruota possono essere estratti dalla seguente tabella:

    Dimensione Formula (mm)

    Addendum ar = 0.3183p

    Profondita massima ht= 0.6866p

    Profondita di lavoro hk = 2ar

    Dedendum br =ht ar

    Tabella 1.4: Coefficienti parametrici di dimensionamento del dente della ruota.

    Noti i parametri geometrici e facile identificare linterasse di trasmissionec:

    c=dpv+ dpr

    2 =m

    Z+ Zr2

    (1.8)

    Queste sono solo alcune delle indicazioni utili al dimensionamento geometrico della vite.

    La scelta dei materiali si basa su alcune considerazioni generali:

    la vite e il componente del rotismo avente la velocita piu elevata, quindi il materialecostituente deve avere una ottima resistenza alla abrasione (materiale rigido);

    la ruota e il componente a bassa velocita, soggetto quindi allincremento di calore dovutoalla componente di strisciamento, per questo motivo deve essere costituita da un materialeavente una alta conducibilita termica;

    i componenti sono in strisciamento relativo, quindi la scelta deve considerare una coppiadi materiali che presentano basso coefficiente di frizione.

    I materiali tipicamente utilizzati, con alcune caratteristiche meccaniche, sono elencati nella

    tabella1.5.Per approfondire ulteriormente il design geometrico del rotismo si dovrebbe fare riferimento

    a normative specifiche, come la DIN-3974, per quanto riguarda la normativa europea, e laAGMA-6022[3], della normativa statunitense.

    Dinamica e rendimento

    Sebbene lanalisi geometrica e cinematica sia applicabile per una trasmissione diretta che inver-sa del moto, lanalisi dinamica sara effettuata considerando la vite motrice e la ruota condotta.Questo tipo di trasmissione risulta essere in ambito pratico lo standard de facto, vista lelevatadispersione di potenza per attrito nel meccanismo inverso. Lanalisi di un meccanismo inver-

    tito richiederebbe solo semplici considerazioni sulla direzione delle forze. Si ipotizza inoltre dianalizzare una vite ad avvolgimento destro.

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    1.1. LA TRASMISSIONE A VITE SENZA FINE 7

    Figura 1.5: Equilibrio delle forze di contatto (fonte: [1])

    Gli assi sono considerati sghembi perpendicolari, si ha quindi una reciprocita tra le forze (inversori cilindrici: assiale, radiale, tangenziale) che si trasmettono dalla vite alla ruota:

    FA,vite = FT,ruota

    FR,vite = FR,ruota (1.9)

    FT,vite = FA,ruota

    la forza assiale della vite, FA,vite, tende ad assumere valori particolarmente elevati, e portaalla generazione di una componete di attrito che non puo essere trascurata, soprattutto nelcomportamento a fatica.

    Figura 1.6: Forze sul dente in presa della vite (fonte: [1])

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    8 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    Dalla figura1.6 con semplici considerazioni geometriche si ricavano i moduli delle forze:

    FA,vite Fn(cos(n)cos() fsin())

    FT,vite = Fn(cos(n)sin() + fsin()) (1.10)

    FR,vite = Fnsin(n)

    conf coefficiente di attrito.

    Queste forze sono del tutto analoghe a quelle delle viti di manovra. Trascurando il rendi-mento dei cuscinetti su cui si poggia lalbero con la vite, si possono riscrivere le forze precedentiin funzione della coppia fornita allalbero T:

    FT,vite = 2T

    dpv Fn=

    2

    dpv(cos(n)sin() + fsin())

    T =T (1.11)

    dove = (n, , dpv, f)1 non puo essere ritenuto un parametro geometrico: la variabile di

    attritofrisulta, infatti, essere funzione della velocita di strisciamento

    2

    vsdella vite (f=f(vs)),oltre che del tipo di materiale e delle condizioni di lubrificazione, come segue:

    Figura 1.7: A sinistra vediamo la geometria della velocita di strisciamento, a destra e raffigurata lavariazione del coefficiente di attrito in funzione della velocita (fonte: [1]).

    Le equazioni1.10possono essere riscritte con lausilio della1.11:

    FA,vite = T(cos(n)cos() fsin())

    FT,vite = T(cos(n)sin() + fsin()) (1.12)

    FR,vite = Tsin(n)

    e semplificate come segue:

    FA,vite = AT

    FT,vite = TT (1.13)

    FR,vite = RT

    1[] =m12vs = 0.5vdpv/ cos()

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    1.1. LA TRASMISSIONE A VITE SENZA FINE 9

    con:

    A = 2

    dpv

    cos(n)cos() fsin()

    cos(n)sin() + fsin()

    T = 2dpv

    (1.14)

    R = 2

    dpv

    sin(n)

    cos(n)sin() + fsin()

    Esplicitare la funzione del coefficiente di attrito in un determinato range di velocit a puo essereimportante, e quindi necessario trovare una funzione analitica che esprima questo coefficiente.La via piu semplice potrebbe essere tramite lespressione del rendimento, che nella trasmissionepuo essere facilmente misurato mediante lausilio di due torsiometri3. Il rendimento della tra-smissione risulta ovviamente essere dato dal rapporto tra le potenza meccanica in ingresso e lepotenza meccanica in uscita della trasmissione:

    = FT,ruotavr

    FT,vitevv(1.15)

    Facendo riferimento alle equazioni1.13e1.9, considerata la relazione tra velocita periferica eangolo: vr/vv = tan(), si ottiene:

    = A

    Ttan() =

    =

    cos(n)cos() fsin()

    cos(n)sin() + fsin()

    tan() (1.16)

    Il valore del coefficiente di attrito puo essere esplicitato invertendo la relazione precedente,secondo le seguenti ipotesi:

    il rendimento del sistema di cuscinetti che sostiene lalbero veloce e lalbero condottopossa essere ipotizzato unitario:cuscinetti 1;

    il regime di lubrificazione della trasmissione possa essere mantenuto sufficientementecostante a diverse velocita angolari4;

    il rendimento sperimentale, misurato indirettamente sia: = (Ttors,rtors,r)/(Ttors,vtors,v );

    f = (

    1) cos(n) + tan()

    (1.17)

    Ottenuta una stima del coefficiente di attrito, e possibile calcolare il valore delle componenticilindriche delle forze delle equazioni 1.13. A tale proposito, e facile notare che se il valore dif e tale da azzerrare la componente assiale della forza sulla ruota, si assiste al bloccaggio (o algrippaggio) della trasmissione:

    FA,vite = 0 f cos(n)tan()

    3Quasi tutti i torsiometri presenti in commercio montano, oltre al sistema di lettura della deformazione dalquale valutare la torsione, un encoder ottico digitale, per misurare la velocita angolare.

    4Questa ipotesi risulta essere debole, considerato che la viscosita del lubrificante tende a variare nellarco dicontatto, aumentando in fase di accesso e diminuendo in fase di recesso, a causa del comportamento elastoidro-

    dinamico del lubrificante. Per poter rafforzare tale ipotesi si deve mantenere costante la temperatura del gettodellolio sulla trasmissione.

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    10 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    Il problema della potenza termica

    La potenza meccanica persa e dissipata sotto forma di calore; adimesionalmente risulta essere:

    1 = f+ f tan()

    f+ cos()

    che a livello di potenza risulta essere:

    Q = f+ f tan()

    f+ cos() FT,vitevv =

    = f+ f tan()

    f cos() + cos(n)cos()T v (1.18)

    In funzione delle caratteristiche geometriche della cassa, la temperatura della trasmissione puoessere ottenuta utilizzando la relazione di scambio di calore:

    Q= C A (to tamb)

    dove i parametri C e A rappresentano rispettivamente il coefficiente di scambio termico5, chetiene conto sia di contributi di scambio convettivi che conduttivi, e la superfice di scambiotermico della cassa6. Risolvendo la equazione si ottiene la temperatura dellolio:

    to = 1

    CA

    f+ f tan()

    f cos() + cos(n)cos()T v+ tamb (1.19)

    a regime, le temperature dellolio non dovrebbero superare i 93 C, sia per evitare un dan-neggiamento delle proprieta reologiche e tribologiche del fluido, sia per scongiurare eventualiattacchi chimici sulla superficie dei denti. Soprattutto per la resistenza a fatica, questo para-metro puo essere considerato fondamentale. La stima della temperatura dellolio, grazie alla

    equazione precedente, puo essere ottenuta mediante una sonda di temperatura (termoresistenzao termocoppia) applicata alla cassa della trasmissione.

    Dimensionamento della trasmissione

    Sono diverse le cause che possono portare a rottura la trasmissione:

    Cedimento del dente, dovuto principlamente a:

    sovraccarichi;

    cedimento per fatica alla base del dente;

    scorrimento plastico;

    Danno superficiale del dente:

    usura, che puo portare a fenomeni di grippaggio;

    pitting o vaiolatura, fenomeno di fatica superficiale;

    I fattori di influenza fondamentali sono, oltre la coppia e il materiale, la velocita di strisciamentoperiferica relativa tra le superfici a contatto: a differenza delle altre tipologie di trasmissionia corpi volventi, la trasmissione a vite lavora principalmente a strisciamento, per questo deveessere sempre prevista la lubrificazionedelle superfici a contatto, al fine di poter massimizzareil carico.

    5[C] =WK1m2, solitamente stimato mediante lausilio di grafici sperimentali.6[A] =m2, per normativa[3] larea della cassa deve essere A 14 c1.7, escluse eventuali alettature e flange.

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    1.1. LA TRASMISSIONE A VITE SENZA FINE 11

    Figura 1.8: Daneggiamento del dente in funzione di coppia e velocita (fonte: [2])

    Nel caso di trasmissioni a vite, la principale forma di danneggiamento risulta essere di naturasuperficiale, con la formazione di una vaiolatura dalla quale potra generare e propagare una

    cricca che porta alla generazione di schegge, alla esportazione del dente o anche di una porzionedi ruota, cause di possibili grippaggio.

    Figura 1.9: Esempio di pitting superficiale. A fianco, delle fratture propagate nel dente hannogenerato delle scaglie (fonte: [5]).

    Il grippaggio e particolarmente dannoso se la ruota e di materiale ad elevata durezza, comebronzo duro o ghisa. In questo caso, infatti, lintensita del grippaggio puo abradere rapidamentei denti e saldare per imprintamento particelle di materiale incrudito sui filetti della vite. Sela ruota e di materiale piu debole, invece, si assiste ad uno spalmaggio delle particelle dellaruota sul filetto della vite e, di conseguenza, si osserva il fenomeno di pitting superficiale suidenti della ruota. In entrambi i casi, il componente che raggiunge prima le condizioni limite

    risulta essere la ruota, dato che la vite e di materiale piu resistente, di conseguenza le relazionidi dimensionamento sono studiate sulla geometria della ruota elicoidale, ponendo enfasi sullaresistenza a fatica superficiale.

    La relazione di dimensionamento a rigidezza si basa su un adattamento empirico della rela-zione di Lewis. Utilizzando direttamente la relazione originale, si ottiene una trasmissione chenon presenta problemi a livello di resistenza del dente, ma a livello di deformazione del cilindrodella vite, che si comporta come una trave soggetta a flessione,a causa della geometria intricatae delle condizioni di attrito di trasmissione e generazione di calore, che nella teoria originale diLewis sono ipotizzate trascurabili. La seguente correzione empirica fu formulata nel 1957 daThomas e Chatchut:

    m 12.453

    H

    kncmat bruotap

    Z nv

    (1.20)

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    12 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    nella quale si identificano le seguenti dimensioni: H e la potenza della trasmissione7 (compresieventuali coefficienti di amplificazione del carico); cmat e un coefficiente di resistenza del mate-riale8,ricavabile dal diagramma di figura1.10in funzione della coppia di materiali della tabella1.5, nv la velocita di rotazione della vite in rpm. Il rapporto bruota/p e solitamente compresotra 2 e 2.5. kn e un fattore che dipende dal numero di denti della ruota:

    kn= 0.6776 ln(Zr) 1.3753

    Ref. Materiale Lavorazione BHN Accop. Note

    Vite A acciaio C15 cementato 600 1, 2, 3

    B acciaio C45 tratt. term. 180..208 1, 2

    Ruota 1 P-bronzo colata in sabbia 60..95 A, B

    2 ghisa colata in sabbia 197..241 A, B vs < 0.3 ms1

    3 lega Al colata in stampo 95 105 A

    Tabella 1.5: Materiali di trasmissione (fonte: [4])

    Figura 1.10: Coefficiente di materiale cmat. La linea continua e per trasmissioni in bagno dolio,mentre la linea tratteggiata e per trasmissioni lubrificate tramite getto dolio (fonte:[4]).

    Per il dimensionamento a resistenza a fatica superficiale del dente, solitamente si segue unaserie di equazioni progettuali definite allinterno della normativa [3]:

    FT,ruota = 13.2 103Csd0.8prb2CmCv (1.21)

    d1.8pr = 60 H

    13.2 106n2Csb2CmCv

    I fattori Cx possono essere calcolati analiticamente mediante le relazioni di tabella1.6,dove ilmodulo em = dpr/Zr, e il numero di denti della ruota eZr = Z. Solitamente, il modulo otte-nuto dal processo di dimensionamento, dalle relazioni1.20e 1.21,e arrotondato alle dimensionistandard. A questo punto, il diametro della vite non puo essere ancora definito con precisione:come parametro iniziale si tende a scegliere un rapporto tra i diametri dpr/dpv conpreso tra 3e 6, in seguito si procede ad un dimensionamento secondo la relazione di Navier, considerandoun diametro di stress: ds = dpv 2.5 m. Se h e la distanza tra i cuscinetti e il punto medio

    7[H] =W8[c] =MPa

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    1.1. LA TRASMISSIONE A VITE SENZA FINE 13

    della vite, e la componente normale allasse della vite e Fb =

    F2r,vite+ F2

    t,vite, si puo scrivere

    la tensione dovuta a flessione della vite:

    amm= M

    I

    ds

    2

    =(Fbh)(ds/2)

    (d4

    s/64)

    (1.22)

    mediante la quale valutare il diametro di stress:

    ds= 3

    8Fbh

    amm(1.23)

    e quindi il diametro della vite e:

    dp= ds+ 2.5 m (1.24)

    Linsieme di queste relazioni permettono di dimensionare la trasmissione.

    Coefficiente di superficieCs (bronzo)Lavorazione dpr Cs

    Colato in sabbia dpr

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    14 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    Figura 1.11: Esempio di equilibrio sullalbero della ruota (tratto da: [4])

    Le stesse equazioni e definizioni sono valide sia per i cuscinetti dellalbero della vite che peri cuscinetti dellalbero della ruota:

    0 = RAx+ FT+ RBx

    0 = RAy FR+ RBy

    0 = RAz+ FA

    0 = FRh1 FAdp2

    + RBy (h1+ h2)

    0 = FTh1+ RBxh2

    T = FTdp2

    la cui soluzione e (in A il cuscinetto che agisce come vincolo assiale, oltre che radiale, allalbero;

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    1.1. LA TRASMISSIONE A VITE SENZA FINE 15

    in B il cuscinetto che agisce solo da vincolo radiale):

    A:=

    RAx = FT

    h1h2

    1

    RAy = FR dp

    2(h1+ h2)FA+ h

    1

    h1+ h2FR

    RAz = FA

    B:=

    RBx = h1h2

    FT

    RBy = h1h1+ h2

    FR dp

    2(h1+ h2)FA

    (1.25)

    Effettuando le dovute sostituzioni mediante le equazioni 1.9 e 1.13si ottengono le relazionispecifiche per i cuscinetti dellalbero della vite o della ruota.

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    16 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

    1.2 Considerazioni iniziali

    Le Considerazioni iniziali [6] e il documento che e stato fornito come specifica tecnica di de-sign della macchina. Allinterno della documentazione si sollevano alcune delle problematichefondamentali, come la tipologia di loop da prendere in considerazione:

    loop aperto questa tipologia di loop e la piu semplice, costruttivamente economica e garan-tisce interasse variabile. La potenza e completamente fornita dal motore e dissipata suun freno, che presenta il limite tecnologico dello smaltimento del calore. Lo svantaggioprincipale e dato dalla totale dispersione della energia;

    Figura 1.12: Esempio di loop aperto (fonte: [6])

    loop elettrico chiuso questa prima tipologia di loop chiuso risulta essere costruttivamentesemplice ma anche costosa, presentando sia motore che generatore. La variabilita dellin-terasse e legata alla sfida progettuale di spostare lasse di una delle componenti (motore ogeneratore), ma fondamentalmente possibile. Questo tipo di sistema permette un recupe-

    ro di energia attorno al 75..80%, stima legata principalmente al rendimento dei generatorielettrici;

    Figura 1.13: Esempio di loop elettrico chiuso (fonte: [6])

    loop meccanico chiuso questo sistema risulta essere meno costoso rispetto al loop chiusoelettrico, ma progettualmente molto complicato. Non e possibile avere interasse variabilesenza sacrificare il recupero di energia. Potrebbe essere molto complicato anche otteneredelle coppie variabili. Il motore, che fornisce potenza allimpianto, e di dimensioni minoririspetto alle altre soluzioni, in quanto deve fornire unicamente la potenza dispersa. Il

    recupero di energia si puo attestare attorno all85..90%, in funzione della dispersione dipotenziale elastico o del rendimento degli ingranaggi di ricircolo.

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    1.2. CONSIDERAZIONI INIZIALI 17

    Figura 1.14: Esempio di loop meccanico chiuso (fonte: [6])

    Sicuramente, la soluzione di loop aperto non e accettabile, per leccessiva perdita di potenza nongiustificata. La scelta di un impianto a loop elettrico, rispetto ad un loop meccanico, e legatoprincipalmente alla necessita di poter testare trasmissioni con diverse geometrie ed interassi. Ilriduttore e infatti fornito in diverse geometrie in funzione delle esigenze della azienda fornitrice,

    la :

    necessita o meno di test con parametri geometrici differenti;

    limiti o esigenze legati ai fattori di produzione della azienda.

    Altri parametri che possono essere ricavati da queste considerazioni iniziali sono:

    la necessita di effettuare prove con resistenza e picchi di coppia variabile durante la prova,al fine di generare dei cicli di carico;

    il banco di prova deve essere in grado di generare una pressione di contatto tra 150 2000MP a, al fine di poter studiare la resistenza al pitting;

    un eventuale sistema di controllo sulla temperatura del lubrificante, al fine di intercettareeventuali fenomeni corrosivi di natura chimica.

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    Capitolo 2

    Il banco di prova

    2.1 Divide et impera

    Nota la specifica di design della macchina, e possibile compiere una analisi piu precisa dei suoicomponenti. A partire dalloggetto completo, che ha come funzione la movimentazione dellatrasmissione, che a sua volta scarica potenza su un sistema di recupero di energia elettrico,si puo operare una suddivisione della macchina in quattro elementi che devono cooperare perottenere il risultato.

    I quattro sistemi fondamentali, dei quali e fornita una disamina piu approfondita nel docu-mento, sono i seguenti:

    blocco motore: questo sistema converte la energia elettrica in energia meccanica ela inserisce nel sistema della trasmissione. Per fornire una panoramica sufficientementechiara del sistema, si e scelto di descriverlo seguendo lo stesso percorso che la potenza segueattraversandolo. In seguito, si implementano eventuali correzioni a questo design iniziale,

    secondo le richieste delle normative di riferimento, al fine di garantire la massima sicurezzaallutente. In ultimo, si fornisce una distinta di massima dei componenti necessari, al finedi ottenere una stima dei costi del progetto.

    blocco generatore: Cos come il blocco motore, il blocco generatore, destinato allaconversione della energia meccanica, risulta essere una componente particolarmente com-plessa del sistema, avendo seri vincoli a livello di normativa per la reimmissione dellaenergia in rete. Anche qui, la descrizione procedera parallela al percorso della potenzaattraverso il sistema. Infine si fornisce la distinta approssimata dei componenti necessari.

    sistema di controllo: in questo sistema si racchiudono tutte le componenti elettroniche,ad eccezioni di quelle sensoristiche, che concorrono al controllo della macchina e alla estra-polazione dei dati. Si cerca di fornire una ottica diversa dalla pratica industriale standarddei PLC, in favore di tecnologie di recente sviluppo programmabili che permettano diabbattere i costi, seppur al prezzo di un maggiore lavoro di programmazione. Lulteriorevantaggio e rappresentato dalla opportunita didattica di poter costruire da zero il si-stema elettronico (che e anche lunico blocco in bassa potenza), piuttosto che utilizzareun sistema chiavi in mano.

    telaio: questa componente non e stato analizzato nel dettaglio, ma e facile prevedere cheil processo di design, oltre a garantire la rigidezza e la robustezza fondamentali, dovratenere conto che il sistema presenta diversi elementi a massa sbilanciata rotanti (fonda-mentalmente il rotore del motore e del generatore) che possono generare delle armonichedi ampiezza notevole a frequenze variabili durante la prova. Il progetto di un eventuale te-laio dovrebbe mantenere la frequenza prima superiore alla frequenza massima di rotazione

    del sistema, o prevedere un sufficiente smorzamento di eventuali componenti di risonanza,soprattutto nelle fasi transitorie di accensione e spegnimento. Per poter effettuare questa

    18

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    2.1. DIVIDE ET IMPERA 19

    analisi e necessario conoscere con precisione le caratteristiche dei blocchi motore, genera-tore e di trasmissione montati sul telaio, al fine di conoscere la distribuzione delle massesu di esso, argomento che non puo essere affrontato in questa sede preliminare.

    Come gia accennato nelle considerazioni preliminari, il blocco di trasmissione e considerato un

    sistema a se stante, e quindi preso in considerazione solo come black-box, di cui si conosce lageometria, collegata al sistema mediante due flange. Nonostante cio, e possibile effettuare tuttele misure necessarie mantenendo i sensori allesterno della cassa.

    Nominalmente, si prevede di fornire al riduttore 20kWdi potenza meccanica.

    Figura 2.1: Lo schema generale della macchina

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    20 CAPITOLO 2. IL BANCO DI PROVA

    2.2 Blocco motore

    Il blocco motore fornisce la potenza meccanica allimpianto necessaria a movimentare la tra-smissione. Questo sistema deve essere in grado di convertire la energia elettrica in energiameccanica ed essere in grado di valutare la potenza assorbita dalla rete elettrica.

    2.2.1 Composizione del sistema

    La analisi del sistema puo essere effettuata seguendo il percorso effettuato dalla energia attra-verso limpianto.

    La potenza, in uscita dalla linea trifasica, incontra un wattmetro (inserzione Aron). Que-sto elemento e necessario a valutare la potenza complessiva assorbita da tutta la macchina.Esistono in commercio molti modelli di questo tipo di elementi, che implementino ancheuna uscita ModBUS (RS485), mediante la quale sarebbe possibile ottenere la lettura di-gitalmente da parte del sistema di controllo. Spesso, questo elemento e incluso allinternodel convertitore AC/AC;

    La potenza elettrica giunge al convertitore AC/AC. Questo elemento e formato da unaserie di raddrizzatore di tensione e di inverter PWM. Mediante questi due elementi laonda sinusoidale in ingresso e raddrizzata e in seguito modulata in frequenza. La tensionein uscita modulata permette di definire la velocita del motore sincrono che si trova a valle.I convertitori possono presentare uninterfaccia ModBUS attraverso la quale definire lafrequenza della onda che dovra essere modulata. Sono elementi molto costosi, ma hannoal contempo un rendimento molto elevato.

    La potenza elettrica modulata e convertita in potenza meccanica mediante un motoresincrono. Questa tipologia di motori, in corrente alternata, devono il proprio nome alfatto che la velocita angolare dellasse meccanico e uguale alla frequenza della tensione dialimentazione. Il motore dovrebbe avere potenza nominale di ca. 23.5kW. Un elementoelettro-meccanico rotante porta alcune problematiche secondarie in caso di malfunziona-

    mento che devono essere approfondite. Un eventuale grippaggio della trasmissione, cheporta ad un blocco dellalbero, si riflette a livello elettrico con un dannoso picco di cor-rente sullavvolgimento dello statore, che puo portare al danneggiamento irreversibile delmotore. Per intercettare questa condizione dannosa si puo predisporre la presenza diun giunto elastico che smorzi il carico impulsivo di grippaggio trasformandolo in energiadi deformazione elastica. La stessa situazione di picco di corrente si presenta nella fasedi transitorio allavvio del motore. Questa situzione solitamente e intercettata a livellodi convertitore AC/AC, modulando, oltre che in frequenza, in ampiezza la tensione dialimentazione.

    Lalbero del motore e collegato al resto del sistema mediante un giunto elestico, per imotivi segnalati sopra.

    La potenza meccanica passa allalbero dei sensori. Questo albero, isostatico, e necessarioper determinare la coppia e la velocita di rotazione mediante lutilizzo di un torsiometroe un encoder ottico.

    Un giunto flangiato collega direttamente lalbero dei sensori allalbero della trasmissione.La scelta di un giunto di questo tipo e necessario per garantire la rigidezza tra lalbero dellavite e lalbero dei sensori. Si deve considerare una eventuale rottura per tranciamentodel collegamento: in questo caso si osserva una improvvisa accelerazione che puo esserepericoloso. Valutando, a livello elettronico, la derivata del segnale del torsiometro, sequesta risulta essere fortemente negativa, il sistema deve arrestare il motore.

    Le normative di riferimento per la produzione di un oggetto di questo tipo sono:

    1. CEI EN 98/37/EN: Direttiva macchine;

    2. CEI EN 72-1: Direttive e potenze nominali per macchine elettriche rotanti;

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    2.2. BLOCCO MOTORE 21

    3. IEC 60034: Rotating electrical machines;

    4. IEC 60204: Safety of Machinery,

    5. IEC 61508: Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-

    related Systems

    1

    ;6. IEC 62061: Safety of machinery Functional safety of safety-related electrical, electronic

    and programmable electronic control systems, pensando di garantire un SIL2 = 3, ovverouna probabilita di failure pericolosa (P HFd) nellordine di probabilita: 107 < PHFd 108, la piu bassa possibile 3;

    7. CEI EN 89/336/EEC: Electromagnetic compatibility (EMC).

    Di seguito un diagramma funzionale del sistema:

    Figura 2.2: Diagramma del blocco motore

    1In Italia ne fa riferimento: CEI 64-8: Impiantistica elettrica di base.2Safety Integrity Level3In Italia ne fa riferimento: CEI 44-16: Equipaggiamento elettrico delle macchine: Sicurezza funzionale dei

    sistemi di comando e controllo elettrici, elettronici ed elettronici programmabili - Norma CEI EN 62061.

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    22 CAPITOLO 2. IL BANCO DI PROVA

    2.2.2 Distinta del blocco motore

    Nella seguente distinta e presente la descrizione di alcune caratteristiche nominali e il prezzo dialcuni degli elementi fondamentali del blocco motore:

    Elemento- Marca - Modello Caratteristiche nom. Prezzo

    WattmetroCompreso nel convertitore

    - -

    Convertitore AC/ACSiemensMicromaster 4306SE6430-2AD32-2DA0

    Perogata = 22 kWPout= 29 kV AImax= 45 APLC progr., ModBUSInverter PWM

    5140

    MotoreSiemensSinamics1FT6134-6SC71

    Popt = 26.2 kWnopt = 2000 rpmM= 100 kgTmax= 316 N mImax= 182 ASincrono

    3000

    Torsiometro/EncoderNCTESeries4000-20001A

    Tnom= 20000.1% N mnmax= 5000 rmpMagnetico con Encoder

    3000

    Tabella 2.1: Distinta del blocco motore (le immagini sono tratte dai rispettivi cataloghi)

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    2.2. BLOCCO MOTORE 23

    Considerati tutti gli elementi costitutivi necessari oltre a quelli fondamentali elencati quisopra, e stimato che i componenti devono avere alberi per il trasferimento della potenza didiametro nominale nel range di 45..60 mmal fine di garantire la condizione di limite di fatica,si puo definire un costo complessivo del blocco motore attorno i 15000

    .Di seguito e presentato un diagramma di massima quotato dellingombro e un rendering del

    blocco assemblato:

    Figura 2.3: Disegno quotato approssimativo dellingombro del blocco motore assemblato

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    24 CAPITOLO 2. IL BANCO DI PROVA

    Figura 2.4: Rendering del blocco motore assemblato, ottenuto dal modello Solidworks

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    2.3. BLOCCO GENERATORE 25

    2.3 Blocco generatore

    Il blocco generatore converte la potenza meccanica in potenza elettrica da reimmettere nel-la rete, regolando, contemporaneamente, il carico in coppia sulla trasmissione attraverso laregolazione del carico assorbito dallinverter.

    2.3.1 Composizione del sistema

    Anche in questo caso, per la descrizione del sistema, si fara riferimento al circuito della potenzaattraverso il blocco, anche se risulta essere leggermente piu complesso del precedente.

    La potenza meccanica giunge ad un secondo albero di sensori, mediante un collegamen-to flangiato sullalbero lento. Anche in questo caso la scelta e dettata dai requisiti dirigidita necessaria per poter effettuare una misurazione sufficientemente precisa. Il pre-tensionamento della bullonatura del giunto dovra essere valutato per garantire rigiditaallo scorrimento secondo le relazioni descritte nella normativa UNI-CNR 10011. Il valo-re di pretensionamento ricavato in questo caso potra essere applicato in sicurezza anche

    alla flangia presente sullalbero veloce, in quanto il valore massimo di coppia si osservasullalbero lento.

    La potenza, applicata allalbero dei sensori, e misurata mediante lausilio di un secondoblocco sensoriale, formato da un torsiometro e un encoder ottico, gemello di quello presentenel blocco motore. Per garantire la possibilita di misura su trasmissioni ad interassevariabile, i cuscinetti dellalbero sensori possono essere montati su una struttura di guidaverticale, simile a quella della figura2.6(Sistemav ariazionealtezza):

    Un doppio giunto cardanico riallinea lalbero dei sensori allalbero del generatore.Traslare verticalmente lalbero dei sensori e si riallinearlo in seguito allalbero del gene-ratore, mantenendo quindi omocineticita e rendimento unitario sul sensore, risulta essereper chi scrive una soluzione migliore rispetto alle altre due soluzioni possibili, ovvero (a)

    utilizzare un giunto cardanico tra trasmissione e torsiometro o (b) sollevare lintero bloc-co generatore. La soluzione (a) presenta un rendimento inferiore allunita dipendente daltempo, dovuto al doppio giunto cardanico, che aggiungerebbe un fattore di indetermina-zione nella misura nellencoder/torsiometro, non garantendoci quindi dei buoni risultatidella prova. La (b), invece, risulta essere tecnicamente poco conveniente da realizzarea causa dellelevato peso del generatore (per la potenza nominale che abbiamo preso inconsiderazione, allincirca 150kg).Sebbene il giunto cardanico possa essere un pessimo elemento meccanico in una macchinache deve subire un carico affaticante, utilizzando un albero in acciaio con un altissimocoefficiente di sicurezza, si puo ipotizzare di lavorare oltre il limite di fatica dellalbero.Anche senza effettuare i tediosi calcoli di dimensionamento su questo elemento, si pu opensare di utilizzare un albero cardanico per rimorchi agricoli, dimensionati per potenze

    molto superiori a quella della nostra macchina, e dal prezzo relativamente ridotto.

    La potenza passa dal giunto cardanico ad un moltiplicatore, che innalza il numero digiri allabero del generatore. Questo elemento risulta essere critico, quindi deve esserefortemente sovra-dimensionato, al fine di evitare un eventuale grippaggio

    La conversione da potenza meccanica a potenza elettrica e affidata ad un generatore intensione continua. Questa macchina risulta essere del tutto simile ad un motore in ten-sione continua, essendo questultimo perfettamente reversibile. Il generatore agisce dafreno sulla intera macchina, e la coppia frenante, considerata una velocit a angolare co-stante, e direttamente proporzionale alla potenza elettrica che si vuole prelevare dai capidello statore . Si deve scegliere il motore ponendo particolare attenzione alla tensione ealla corrente massima che lavvolgimento statorico puo sopportare. Nelle fasi di transito-

    rio, infatti, questi due paramentri possono variare fino a valori molto alti, rischiando dirovinare il generatore.

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    26 CAPITOLO 2. IL BANCO DI PROVA

    La potenza elettrica prelevata dallavvolgimento statorico e assorbita da un inverterDC/AC, che rifasa la portante in modo tale da poterla reinserire in rete senza generareuna interferenza distruttiva. Inverter di questo tipo sono molto complessi, e utilizzatiprincipalmente nel campo del fotovoltaico, dove la tensione continua prelevata dalla cellae rifasata secondo il segnale presente in rete. Lo sviluppo di impianti fotovoltaici e in

    generale lauto-produzione e il reinserimento del surplus energetico in rete, ha reso ne-cessaria la stesura di una normativa di riferimento per lallacciamento di generatori inparallelo alla rete nazionale: DK5940 ed 2.24. Sebbene limpianto sia studiato per unarete elettrica privata5 sarebbe buona cosa seguire comunque le indicazioni piu importantidi questa normativa, al fine di garantire la sicurezza a livello di impianto locale. Fortuna-mente, gli inverter presenti in commercio seguono gia la maggior parte delle indicazionidi normativa, e sono in grado di agire autonomamente su alcuni degli eventi fondamentaliche devono essere intercettati, secondo le indicazioni da normativa. Essenzialmente, peressere conformi alla normativa, resta da installare un interruttore elettromeccanico tralinea e inverter.

    Le normative a cui si puo fare riferimento sono le stesse del blocco motore.Di seguito, uno schema funzionale del sistema:

    ()

    Figura 2.5: Schema funzionale del blocco generatore

    4Nello specifico i documenti sono elencati in bibliografia: [7, 8].5La rete della facolta di Ingegneria di Trento e allacciata alla distribuzione nazionale MT: trasforma in BT

    in locale e limpianto presenta uno stadio di batterie, per blackout brevi, e un generatore Rolls Royce Diesel,che entra in funzione 4 minuti dopo linizio del blackout, collegati in parallelo alla linea.

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    2.3. BLOCCO GENERATORE 27

    2.3.2 Distinta del blocco generatore

    Nella seguente distinta sono presenti le caratteristiche nominali e il prezzo di alcuni deglielementi fondamentali del blocco generatore:

    Elemento- Marca - Modello Caratteristiche nom. Prezzo

    Torsiometro/EncoderNCTESeries4000-20001A

    Tnom= 20000.1% N mnmax= 5000 rmpMagnetico con Encoder

    3000

    Albero cardanicoA.M.A. (Acc. Macc. Agricole)Albero Cardanico Agricolo

    Tipo D 200

    Moltiplicatore di giriNon definito

    = 1/12 300

    Generatore DCLeroy-SomerLSK-1604S

    Popt= 20.4 kWnopt= 600 rpm

    Vmax = 600 V @ nmaxnmax= 1020 rpmMagneti permanenti

    4000

    Inverter

    SiemensSinvertPVM20

    VINDC max = 1000 VIINDC max = 41 AIOU TAC max = 29 APOU TAC= 19.2 kW

    7800

    Tabella 2.2: Distinta del blocco generatore (le immagini sono tratte dai relativi cataloghi)

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    28 CAPITOLO 2. IL BANCO DI PROVA

    Considerati tutti gli elementi necessari, per la produzione del blocco generatore si puostimare un costo di 20000 .

    Di seguito e presentato un diagramma di massima quotato dellingombro6 del blocco gene-ratore e un rendering del blocco assemblato:

    Figura 2.6: Disegno quotato approssimativo dellingombro del blocco generatore assemblato

    6Per il generatore si e usato lo stesso modello del motore della Siemens, in quanto e stato impossibile reperiredei riferimenti quotati dal catalogo

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    2.3. BLOCCO GENERATORE 29

    Figura 2.7: Rendering fotorealistico del blocco generatore, ottenuto dal modello Solidworks

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    Capitolo 3

    Sensoristica, attuazione einterscambio dati

    3.1 Uno sguardo generale al comparto elettronico

    Lanalisi del comparto elettronico verra affrontata a livelli successivi, dallottica generale diquelle che sono le device utilizzate, e quali protocolli le interconnettono, fino ad analizzare inmaniera superficiale piccoli elementi del codice e di configurazioni che si rende necessario a farfunzionare il comparto elettronico in maniera sufficientemente autonoma. Ma prima di farequesto e necessario definire degli obbiettivi e dei limiti ben precisi per questo blocco:

    il comparto elettronico deve essere funzionale alla macchina e allutente, garantire unacondizione di minima configurazione ed alta autonomia, al contempo fornire sicurezzaintelligente;

    pilotare autonomamente inverter e convertitore al fine di ottenere il corretto carico dina-

    mico e la corretta velocita angolare;

    registrare i dati forniti dai sensori;

    garantire una interfaccia uomo-macchina remota sia per la presentazione dei dati registratiche per la configurazione;

    trasformazione dei segnali dei sensori (principalmente voltaggi) in valori aventi significatofisico (coppia, velocita angolare, etc.). Principamente significa applicare un segnale ditaratura.

    identificare una eventuale situazione di grippaggio e procedere allo spegnimento dellamacchina, abilitando al contempo un avvisatore acustico/luminoso del pericolo;

    essere basso costo.Di seguito uno schema molto semplice del sistema elettronico:

    Figura 3.1: Schema del sistema elettronico

    30

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    3.1. UNO SGUARDO GENERALE AL COMPARTO ELETTRONICO 31

    Dal diagramma si nota la presenza dei seguenti componenti fondamentali:

    Scheda Caratteristiche Prezzo

    Raspberry PI ModB

    SoC Broadcom BCM2835

    CPU ARM11 700 MHzGPU Broadcom VideoCore IVUSB 2 2.0Video Out Composite-RCA, HDMI, DSIAudio Out HDMI, 3.5mm jackOnboard storage Card slot (SD, MMC)Onboard Network 10/100 MBEth (RJ45)Power 3, 5 WPower source 5 V (microUSB)OS Linux (ARM kernel)

    41.70

    Arduino Mega

    Microcontroller ATMega1280Operating Voltage 5 VInput Voltage (nom.) 7..12 VInput Voltage (limits) 6..20 VDigital I/O pins 54 (14 P W M)Analog Input pins 16DC Current per I/O pins 40 mADC Current per 3.3 V pins 50 mAFlash memory 128 KBSRAM 8 KBEEPROM 4 KBClock 16 KH z

    59.30

    TI MSP430

    EEPROM 8 KBSRAM 256 BInterfacce seriali UART/I2C/SPIGPIO 16Time interrupt WDT

    4.30 $

    Tabella 3.1: I tre componenti circuitali fondamentali, con le caratteristiche

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    32 CAPITOLO 3. SENSORISTICA, ATTUAZIONE E INTERSCAMBIO DATI

    3.2 Analisi dei protocolli di comunicazione

    Il blocco elettronico si basa su quattro protocolli di comunicazione:

    lettura analogico/digitale dei sensori;

    ModBUS, rete seriale RS485;

    tty USB;

    rete ethernet TCP/IP;

    se nellultimo caso il protocollo e completamente specificato e pronto alluso, nei primi tre si ecostretti a sporcarsi le mani con un po di elettronica e con molta programmazione per otteneregli obbiettivi richiesti. Analizziamo i tre protocolli un po piu nel dettaglio:

    3.2.1 Lettura analogico/digitale dei sensori

    In ingresso dalle porte analogiche abbiamo un sensore di temperatura (resistenza variabile), un

    sensore di posizione (resistenza variabile), e il torsiometro (tensione proporzionale alla coppia).La lettura digitale degli encoder e affidata agli MSP430. Di seguito vediamo lo schema elettrico:

    11..

    11..

    .

    1

    .

    1

    .

    .

    .1

    .1

    .

    .

    +

    100

    100

    100

    100

    +

    100

    100

    100

    .(100)

    0

    1

    1

    100

    1 ()

    1 ()

    1.

    1.

    1.

    1.

    1.1 ()

    1. ()

    0

    Figura 3.2: Schema elettrico del collegamento dei sensori; nota: anche se non rappresentato, il colle-gamento seriale tra MSP430 e Arduino deve essere crossed (RXMSP430 T XArduino eTXMSP430 RXArduino)

    In primo luogo e necessario definire il programma della MSP430, che legge il segnale in

    ingresso dai tre canali dellencoder ottico e lo trasmette alla scheda Arduino mediante unaconnessione seriale. Questo sistema e utilizzato per diminuire il carico computazionale della

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    3.2. ANALISI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE 33

    Arduino, e fornire una soluzione integrata. La lettura analogica e invece affidata ad Arduino,che monta un convertitore A/D avente maggiore risoluzione. Limplementazione del codicesorgente per la scheda MSP430 varia molto in funzione del modello specifico, quindi si forniscequi solo un codice molto superficiale e carente delle configurazioni delle porte, che deve operareda traccia per un codice finale:

    1 / * * * * * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * ** * * * *2 * M S P 43 03 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /4

    5 #include " m s p 4 3 0 _ S P E C I F I C _M O D E L _ H E A D E R . h "6

    7 #define P1.1 / * I n d ir i zz o P o rt a U A RT T X */8 #define P1.2 / * I n d ir i zz o P o rt a U A RT R X */9

    10 #define P1.3 / * I n d ir i zz o P o rt a C h B 1 */11 #define P1.4 / * I n d ir i zz o P o rt a C h A 1 */12

    13 #define P1.5 / * I n d ir i zz o P o rt a C h B 2 */14 #define P1.6 / * I n d ir i zz o P o rt a C h A 2 */15

    16 u n s i g n ed c h a r C 1 _o l d = 0 x 0 ;17 u n s i g n ed c h a r C 2 _o l d = 0 x 0 ;18 u n s i g n ed i n t c o u n t er _ t ot a l = 0 ;19 u n s i g n ed i n t c o un t er = 0 ;20 in t t im e = 0 ;21

    22 float r p m = 0 ;23

    24 void main( void ) {25

    26 / * S e tt a re w a t ch d og * /27 W DT CT L = W DT _M DL Y_ 32 ; / / Se t WD T in t e rr u pt o g ni 3 2 ms28

    29 / * I mp o st a z io n i p or t e d ig i ta l i e nc o de r * /30 P 1R EN = ( P 1 .3 + P1 . 4+ P 1 .5 + P1 . 6) ; / / P u ll U p / D ow n R31 P 1 OU T = ( P 1 . 4+ P 1 . 5+ P 1 . 6+ P 1 . 7+ P 1 . 8+ P 1 . 9) ; / / R P ul l - u p32

    33 / * I m po s t az i o ne U A R T ( co m u ni c az i o ne s e r ia l e ) */34 P 1S EL | = ( P 1 .2 + P1 . 1) ; / / P 1 .2 P1 . 1 c om e RX e TX35 ME1 |= UTXEO + URXEO ; / / A b il i ta r e U A RT R X / D X36 UC TL 0 | = C HA R; / / D a ta 8 - b it c h ar

    37 U TC TL 0 | = S SE L0 ; / / C l oc k 3 2 .7 2 6 H z38 UB R0 0 = /*ins*/ ; / / B a ud r a te 9 6 0039 UB R0 1 = /*ins*/ ; / / " ( 16 - b i t r e gi s te r )40 U M CT L 0 = /*ins*/ ; / / T i p o l o gi a d i m o d u l a z io n e41 U CT L0 & = ~ S WR ST ; / / I n i z i a l iz z a U S A R T42 / / t r as m i ss i o ne s e r i al e 8 b it 0 p a ri t y 1 st o p @ 96 0 043

    44 / * In t er r u pt d e ll e p er i f er i c he * /45 IE 1 |= W DTI E + U RX IE 0 + U TX IE 0; / / A b il i ta r e i n t er r up t W a tc h d og e U A RT46

    47 _ _ b i s _ S R _ r e g i s t e r ( G I E ) ;48

    49 / * C i cl o d i p o l li n g i n fi n it o , c o n ti n u a a l e gg e re50 * le p or t e i n in g re s so d ei d ue e nc o de r e m e di a n te51 * d ue X OR n i d if i ca t i c on t a l e v ar i a zi o ni d i p os i zi o ne * /52

    53 while (1){54

    55 char C 1 = 0 x 0 ;

    56 char C 2 = 0 x 0 ;57

    58 C 1 = ( P 1O UT & P 1 .4 ) ^ ( P 1O UT & P 1 .3 ) ;59 C 2 = ( P 1O UT & P 1 .6 ) ^ ( P 1O UT & P 1 .5 ) ;60

    61 if ( C 1 ^ C 1_ ol d ) { + + co un te r1 } ;62 if ( C 2 ^ C 2_ ol d ) { + + co un te r2 } ;63

    64 C 1 _o l d = C 1 ;65 C 2 _o l d = C 2 ;66 }67

    68 };69

    70 / / W a tc h d og T i me r i n te r ru p t s e rv i ce r o ut i ne71 #pragma vector=WDT_VECTOR72 __interrupt void w a t c h d o g _ t i m e r ( void ) {73

    74 / * O g n i s e c o nd o a g gi o rn a i l n u m e ro d i R P M e i l c o n t e gg i o t o t a le * /75 if ( t i m e > 1 0 0 0 ) {76 r p m1 = c o u nt e r1 / ( t i me ) ;

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    34/46

    34 CAPITOLO 3. SENSORISTICA, ATTUAZIONE E INTERSCAMBIO DATI

    77 c o u n t e r _ to t a l 1 = c o u n t e r _ to t a l 1 + c o u n t e r1 ;78 c o un t e r1 = 0 ;79

    80 r p m2 = c o un t er 2 / ( t i me ) ;81 c o u n t e r _ to t a l 2 = c o u n t e r _ to t a l 2 + c o u n t e r2 ;82 c o un t e r2 = 0 ;83

    84 t em po = 0 ;85 }86 else {87 + + t i m e ;88 };89

    90 };91

    92 char * i n t 2 s t r i n g ( u n s i g n ed i n t) {93 / * F u n z io n e d a i m pl e m en t a re : r i ce v e i n i n gr e ss o94 * u n i n t er o e r e s t it u is c e u n p u n ta t o re a d u n v e t to r e95 * d i c a r at t er i c h e r a p pr e s en t a no i s i ng o li96 * n u me r i ch e f o rm a no l i nt e ro :97 * [1 , 3 , 5] * = i n t2 s t ri n g ( 1 35 ) ;98 * S i r i c or d a c h e la f u n z io n e i t oa ( ) n o n f a p ar t e d e ll e99 * l i b r e r i e s t a nd a r d , e c c o p e r c he s i r i c hi e de u na i m p le m e nt a z io n e

    100 * m an u al e d el l a fu n zi o ne * /101 };102

    103 void s e n d s tr i n g ( char * s tr in ga ) {104 / * F u n zi o n e c he i n v i a u n a s e ri e d i b y t e c he105 * c o m p on g o no i l v e t t or e d i c a r at t er i s t r i ng a * /106

    107 in t i;108 fo r ( i = 0 ; i < s tr le n ( st ri ng a ); i + +) {109 while ( ! ( I F G 1 & U T X I F G 0 ) ) ;110 T X B U F0 = s t r i n ga [ i ] ;111 }112 };113

    114 / / U A RT R X i n t er r up t115 #pragma vector=USART0RX_VECTOR116 __interrupt void u s a r t 0_ r x ( void ) {117 / * Q u e st a f u n z io n e i n v ia d u e p a r am e nt r i d i l e t t ur a : R P M e118 * c o n t eg g io t o ta l e d e i c i cl i . I n r i c e zi o ne r i ch i e de u n119 * c a r at te re 1 p e r i l p r i mo e nc od er e i l c ar a tt er e 2 p er120 * l en co de r 2 */121

    if ( R XB UF 0 = = 1 ) {122 s e n d s t r i n g ( R ) ;123 s e n d s t r i n g ( i n t 2 s t r i n g ( ( in t ) r p m 1 ) ;124 s e n d s t r i n g ( C ) ;125 s e n d s t r i n g ( i n t 2 s t r i n g ( c o u n t e r _ t o t a l 1 ) ;126 };127 esle if ( R X BU F 0 = = 2 ) {128 s e n d s t r i n g ( R ) ;129 s e n d s t r i n g ( i n t 2 s t r i n g ( ( in t ) r p m 2 ) ;130 s e n d s t r i n g ( C ) ;131 s e n d s t r i n g ( i n t 2 s t r i n g ( c o u n t e r _ t o t a l 2 ) ;132 };133 };

    Per eventuali approfondimenti sulla programmazione di microcontrollori MSP430 si facciariferimento a: [10,9]. A livello logico il codice lavora in questo modo:

    Figura 3.3: Logica di lettura degli encoder, implementata nel ciclo while infinito (tratto: [13])

    La implementazione nella scheda Arduino prevede la lettura dalla MSP430 tramite UARTe la lettura dei segnali analogici tramite il convertitore AD presente on-board. Anche in questo

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    3.2. ANALISI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE 35

    caso il codice scritto fornisce unicamente una traccia al reale codice che dovra essere implemen-tato allinterno della scheda. La facilita di programmazione della Arduino rispetto alla MSP430risulta essere evidente.

    1 / * * * * * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * ** * * * *2 * A R D U I NO3 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /4

    5 / * D e f i n i z i o n e d e l l e p o r t e a n a l o g i c h e6 * a c ui s on o c ol le g at i i s en so ri . P er u n7 * r i f er i m en t o s i g u ar d i l o s c he m a e l e t t ri c o * /8

    9 #define T EN S 1_ AP O RT 010 #define T EN S 2_ AP O RT 111 #define P T1 00 _A PO RT 212 #define VA R RE S_ A PO R T 313

    14 / * D i c hi a ra z i on e e a z z er a m en t o d e ll e v a ri a bi l i d i l e tt u ra * /15

    16 in t s i g n al _ T EN S 1 = 0 ;17 in t s i g n al _ T EN S 2 = 0 ;18 in t s i g n al _ P T1 0 0 = 0 ;19 in t s i g n a l_ V A R R E S = 0 ;20

    21

    char * s i g na l _ EN C 1 = n u ll ;22 char * s i g na l _ EN C 1 = n u ll ;23

    24 / * F u n z i on e d i s e t u p : e e se gu it a 1 v ol ta s ol a * /25 void s e t up ( ) {26 / / i mp o st a re l a p or t a s er i al e27 s e r i a l 2 . b e g i n ( 9 6 0 0 ) ;28 // e s u ff i c ie n t e u n a s o la l e tt u ra d el p o t en z io m e tr o29 s i g n a l _ V AR R E S = a n a l o g Re a d ( V A R R E S _ A P O R T ) ;30

    31 };32

    33 / * C i cl o i n fi n i to * /34 void l o op ( ) {35

    36 / / L e g g e re s e gn a l i a n a l o g ic i37 s i g n a l _ TE N S 1 = a n a l o g Re a d ( T E N S 1 _ A P O RT ) ;38 s i g n a l _ TE N S 2 = a n a l o g Re a d ( T E N S 2 _ A P O RT ) ;39 s i g n a l _ PT 1 0 0 = a n a l o g Re a d ( P T 1 0 0 _ A P O RT ) ;

    40

    41 / / L e g g e re s e gn a l i d i g i t a li42 char * s i g na l _ EN C 1 = n u ll ;43 char * s i g na l _ EN C 1 = n u ll ;44 s e r i a l 2 . w r i t e ( "1 " );45 in t i = 0;46 while ( s e r ia l . a v ai a bl e ( ) > 0 ) {47 s i g n a l _ EN C 1 [ i ] = s e r i a l . r e ad ( ) / / A T T EN Z I ON E ! [ R P M ] = g i ri / m s48 i ++49 };50

    51 s e r i a l 2 . w r i t e ( "2 " );52 in t i = 0;53 while ( s e r ia l . a v ai a bl e ( ) > 0 ) {54 s i g n a l _ EN C 2 [ i ] = s e r i a l . r e ad ( )55 i ++56 };57 / * E l a bo r ar e i l s e g na l e s a lv a to p e r i d u e e n c od e r * /58

    59 };

    Considerando la rappresentazione software e le caratteristiche della scheda Arduino, ogni valoreha una risoluzione di 1024 bit, sufficienti sia per rappresentare lo sbilanciamento del ponte, cheil valore massimo di tensione in uscita dallencoder. La lettura dei sensori sul ponte pu o essereeffettuata mediante una taratura lineare: dalla teoria del ponte e noto che la variazione dellaresistenza e funzione della tensione di sbilanciamento:

    R= 1

    4

    R

    V0V

    essendo inoltre la variazione di resistenza lineare alla variazione della grandezza misurata, si hanel caso della PT100:

    T =TR0+ BP T100

    14

    RV0

    V

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    36 CAPITOLO 3. SENSORISTICA, ATTUAZIONE E INTERSCAMBIO DATI

    con [BP T100] = C/. Alcuni modelli di termosonde forniscono un polinomio interpolatore infunzione della sola variazione di resistenza, la scelta di quale metodo utilizzare e assolutamen-te indifferente (questo secondo metodo sara implementato nel codice GNU.Octave/Matlab alparagrafo3.3.2). La stima della temperatura della trasmissione puo essere effettuata mediantela relazione1.19. La stessa teoria puo essere applicata al potenziometro, variando unicamente

    il valore della costante B e del fondoscala. Questa taratura puo essere effettuata a posterioridalla Raspberry PI, che si occupa della analisi dei dati. Il segnale del torsiometro risulta esseremolto piu semplice da misurare, essendo un segnale di tensione 0..10 V proporzionale al valoremisurato1:

    C=BTorxV

    3.2.2 Implementazione del protocollo modBUS

    Per ottenere la comunicazione tra il protocollo ModBUS, che si poggia sullo standard serialeRS485, e linterfaccia seriale UART presente sulla scheda Arduino e necessario lausilio di unsupporto hardware (amplificazione operazionale half-duplex del segnale) mediante il seguentecircuito, che e solo uno dei tanti circuiti di amplificazione compatibile con lo standard. Esistonosoluzioni preassemblate2,ma il circuito e talmente semplice che potrebbe essere autoprodotto:

    Figura 3.4: Circuito UART - RS485

    Il collegamento di una rete RS485 puo essere effettuato secondo lo schema di loop chiuso atre nodi, con un master e due slave, come presentato di seguito:

    1Ad esempio, per il torsiometro indicato: BTorx = (4.076mV/Nm)12Ad esempio: RS422/RS485 Mini Board pressoFuturlec

    http://www.futurlec.com/mini_RS422.shtmlhttp://www.futurlec.com/mini_RS422.shtmlhttp://www.futurlec.com/mini_RS422.shtml

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    3.2. ANALISI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE 37

    Figura 3.5: Loop chiuso a 3 nodi RS485: un master, Arduino, e 2 slave, inverter e convertitore (trattoda: [11])

    Limpostazione hardware non e sufficiente a garantire il collegamento, ma si deve fornireanche la implementazione software del protocollo ModBUS. Fortunatamente per Arduino sonodisponibili librerie open source (ad esempio, essendo il microcontrollore un AVR ATMega128,ci si puo appoggiare al progetto FreeModBUS) che ci permettano di focalizzare lattenzioneunicamente sulla implementazione dei soli messaggi che devono essere interscambiati tra con-

    trollore e slaves. Questa implementazione non e approfondita nel presente documento, a causadi una carenza di materiale informativo che riguarda inverter e convertitore scelti, ma si parlaprincipalmente della definizione di una serie di stringhe che devono essere inviate attraversolinterfaccia seriale. Limpostazione della scheda Arduino per operare su ModBUS, basandosisulla documentazione del progetto FreeModBUS[12], potrebbe essere la seguente:

    1 / * * * * * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * ** * * * *2 * A R D U I NO3 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /4

    5 / * L a s e gu e n te p o r zi o ne d i c o d i c e e u n a r i sc r i tt u r a d el c o di c e6 * s e g na l at o i n b i b l i o gr a f ia . D i s e gu i to l a l i c e n za o r ig i n al e :7 *8 *9 * F r e eM o d bu s L i ba r y : A V R D e mo A p p li c a ti o n

    10 * C o p yr i gh t ( C ) 2 0 0 6 C h r is t ia n W a lt e r < w o lt i @s i l . at >11 *

    12 * T h is p r og r am i s f r e e s o ft w ar e ; y ou c a n r e d i s tr i bu t e i t a n d / o r m o d i fy13 * i t u n de r t he t e rm s o f t h e G N U G e n e r al P u bl i c L i c e ns e a s p u bl i sh e d b y14 * t h e F r e e S o f tw a re F o un d a ti o n ; e i th e r v e rs i on 2 o f t he L ic e ns e , o r15 * ( a t y o u r o p t i o n ) a n y l a te r v e rs i on .16 *17 * T h is p r og r am i s d i s tr i b ut e d i n t he h o pe t h at i t w i ll b e u se f ul ,18 * b u t W I TH O UT A NY W A RR A N TY ; w i th o ut e v en t h e i m p li e d w a r r a nt y o f19 * M E R C H AN T A BI L I TY o r F I T NE S S F O R A P A R T I CU L AR P U RP O SE . S e e t h e20 * G N U G e ne r al P u bl i c L i c e ns e f or m o re d e ta i ls .21 */22

    23

    24 / * I n c lu s i on e d i l i br e ri e d e l m i c ro c o nt r o ll o r e A VR A T Me g a 12 8 * /25 #include " a v r / i o . h "26 #include " a v r / i n t e r r u p t . h "27

    28 / * I n c lu s i on e d e ll a l i br e ri a F r e eM o db u s * /29 #include " m b . h "30 #include " m b p o r t . h "31

    32 / * D e f in i z io n i e v a ri a b il i s t at i ch e * /

    http://freemodbus.berlios.de/http://freemodbus.berlios.de/

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    38 CAPITOLO 3. SENSORISTICA, ATTUAZIONE E INTERSCAMBIO DATI

    33 #define R E G _ I N P U T _ ST A R T 1 0 0 034 #define R E G _ I N P U T _N R E G S 435

    36 static U S H OR T u s R e g I n pu t S t a r t = R E G _ I N P U T_ S T A R T ;37 static U S H O R T u s R e g I n pu t B u f [ R E G _ I N P U T _ NR E G S ] ;38

    39 / * D E F IN I ZI O N E N O DI D EL C I RC U I TO * /

    40 #define N O D O _ C O N V E R TI T O R E 0 x 3 1 / / N od o 141 #define N OD O_ IN VE RT ER 0 x32 / / N od o 242

    43

    44 / * I m p le m e nt a z io n e d i f u nz i on i M o dB U S * /45

    46 e M B E r r o r C od e e M B R e g I np u t C B ( U C H A R * p u c R eg B u f fe r , U S H O R T u s A dd r e s s , U S H O R T u s N R e gs ) {47

    48 e MB E rr or C od e e St at us = M B _E NO ER R ;49 in t iRegIndex;50

    51 if ( ( u s Ad d re s s > = R E G _ I N PU T _ ST A R T )52 & & ( u sA d dr e s s + u sN R eg s 0 )56 {57 * p u c R e g B u f fe r + + =58 ( u n s i g ne d c h a r ) ( u s R eg I n pu t B uf [ i R e g In d ex ] > > 8 ) ;59 * p u c R e g B u f fe r + + =60 ( u n s i g ne d c h a r ) ( u s R eg I n pu t B uf [ i R e g In d ex ] & 0 x F F ) ;61 iRegIndex++;62 usNRegs --;63 }64 }65 else66 {67 e S t a t us = M B _ E N O RE G ;68 }69

    70 return eStatus;71 };72

    73 eMBErrorCode74 e M B R e g H o l d i n g C B ( U C H A R * p u c R eg B u f fe r , U S H O R T u s A d dr e s s , U S H O RT u s N Re g s ,75 e M B R e g i st e r M o d e e M o d e )76 {77

    return MB_ENOREG;78 }79

    80

    81 eMBErrorCode82 e M B R e g C oi l s C B ( U C H A R * p u c R e gB u f f er , U S H O RT u s A d dr e s s , U S H O R T u s N Co i l s ,83 e M B R e g i s te r M o d e e M o d e )84 {85 return MB_ENOREG;86 }87

    88 eMBErrorCode89 e M B R e g D i s c r et e C B ( U C H A R * p u c R e gB u f f er , U S H O RT u s A dd r e s s , U S H O R T u s N D i s c re t e )90 {91 return MB_ENOREG;92 }93

    94 / * * * * ** * ** * A R DU I NO M A IN S E TU P A N D L O OP * * * ** * ** * * * /95

    96 void s e t up ( ) {97

    98 / * I m po s ta r e i n od i s l av e . R i f er i m en t o a l d i ag r am m a * /99 const UC HA R u c Sl av eI D [] = { N O DO _C ON VE RT I TO RE , N O D O_ IN V ER T ER } ;

    100 e MB Er ro rC od e e St at us ;101

    102 e S ta t us = e M B I n it ( M B_ R TU , 0 x 0 A , 0 , 3 8 4 00 , M B _ PA R _ EV E N ) ;103

    104 e S ta t us = e M BS e t Sl a ve I D ( 0 x 34 , T RU E , u c S l av e ID , 3 ) ;105 sei ( ) ;106

    107 / * A b il i ta r e l o st a ck d e l p r ot o co l l o M od b us * /108

    109 / * N OT A : R ic or d ar si d i s e t ta re i l p i n B us S e t up a 1110 * n el c a so d i t r as mi s si on e e 0 n e l c as o d i r ic ez io n e */111 e St at us = e M BE na bl e ( ) ;112 };113

    114 void l o op ( ) {115

    116 / * L a a n a l is i d e l t r a f f ic o e a f fi d a ta a l c i cl o d i p o ll i ng

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    3.2. ANALISI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE 39

    117 * ( l oo p ) d el la s ch ed a */118

    119 ( void ) e MB Po ll ( ) ;120

    121 / * Co n te g g io d e l n u me r o di c i cl i */122 usRegInputBuf[0]++;123 };

    Con le seguenti impostazioni il sistema dovrebbe essere in grado di instaurare la connessione elinterscambio dati. I messaggi che devono essere implementati devono garantire:

    settaggio delle frequenze nel convertitore (definizione velocita di rotazione motore);

    lettura del wattmetro del convertitore;

    lettura della frequenza attuale del convertitore;

    settaggio del carico di assorbimento dellinverter (coppia torcente generatore);

    lettura del wattmetro dellinverter;

    lettura del carico di assorbimento attuale dellinverter.

    3.2.3 Protocollo USB Arduino - Raspberry PI

    Limplementazione del protocollo di comunicazione tra Raspberry PI e Arduino prevede, da unlato la stesura di uno script che provvede al corretto settaggiio dellinterfaccia, dallaltro unpaio di righe di codice che aprono il bus seriale. Sulla scheda Arduino si apre la connessione esi trasmette una stringa che contiene i dati e i byte di controllo che li identificano:

    1 / * * * * * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * ** * * * *2 * A R D U I NO3 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /4

    5 / * V a r ia b il i e d e fi n i zi o n i * /6

    7 t y p e d ef s t r u c t S e n s o r _ D a ta _ O U T {

    8 u n s i g ne d i n t time; // s9 u n s i g ne d i n t rpm1; / / n g ir i / s

    10 u n s i g ne d i n t torque1; // V11 u n s i g ne d i n t rpm2; / / n g ir i / s12 u n s i g ne d i n t torque2; // V13 u n s i g ne d i n t pt100; // V14 u n s i g ne d i n t wattmetro1; // W15 u n s i g ne d i n t wattmetro2; // W16 u n s i g ne d i n t real_freq1; // ?17 u n s i g ne d i n t real_load2; // ?18 } S E N S O R _ DA T A _ O U T ;19

    20 t y p e d ef s t r u c t S e n s o r _ Da t a _ I N {21 u n s i g ne d i n t f r e q _ c o n ve r t i t o r e ;22 u n s i g ne d i n t freq_inverter:23 } S E N S O R _ DA T A _ I N ;24

    25 char * s e r ia l _ ch a r _v e c to r _ ou t ( S E N SO R _ DA T A _O U T D a ta O ut ) {26

    27 / * F u n z io n e c h e t r a s fo r m a i d a t i d e l la s t ru c t i n u n v e t t or e d i28 * c a ra t te r i s e p a r at i t r a d i l o ro m e di a nt e u n c a ra t t er e i d e nt i f ic a ti v o ( , )29 * ( C V S F o r ma t ) i n m o d o t a l e c h e p o s sa n o e s s er e p a r s at i d a l l o s c r ip t c h e30 * l e g g era i d a ti . I l c a ra t te r e c h e c h iu d e l a t r a sm i s si o n e e \n * /31 };32

    33 S E N S O R _ D A T A _ IN * s e r i a l _ c h a r_ v e c t o r _ i n ( char * D a ta In _ ch ar ) {34

    35 / * F u n z i on e c he t r as f or m a i c a ra t te r i d e l v e tt o re D a t aI n _c h a r i n u n v e t t or e36 * d i i n t e r i c h e r a p pr e s en t a l e i m p o s ta z i on i d e l l a t tu a t or e .37 * I l v e tt o re p r es e nt a d e i c a r a t te r i i d e n t if i c at i v i c h e s e p ar a no38 * i d u e i n t e ri . P e r l i m p le m e nt a z io n e d i q u e st a f u n z io n e s i p uo39 * f a r u s o d e l l a f u n zi o n e p r e se n te n e ll a e s t e n za i o ne d e ll e l i b r er i e40 * s ta n da r d : a t oi ( ) * /41 };42

    43 / * A R D U IN O S E TU P A N D L O O P * /44

    45 void s e t up ( ) {46

    47 S e r i a l . b e g i n ( 1 9 2 0 0 ) ;

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    40/46

    40 CAPITOLO 3. SENSORISTICA, ATTUAZIONE E INTERSCAMBIO DATI

    48 while ( S e ri a l . a va i ab l e () = 0 ) { };49 / * r e st a b l o cc a to n el c i cl o d i s e tu p f i no50 * a q ua nd o n on e d i sp o n ib i l e l a R a sp b e rr y P I .51 * I n p ra ti ca e u n o s w i t ch p er a t t iv a re l a52 * m a cc h i na s o lo q u an d o l a R a sp b er r y P I53 * e d i sp o n ib i l e * /54 / * N e l la f a se d i s e tu p s i i n v i a i l v a l or e d e l l a m i s ur a

    55 * d el p o t en z i om e t ro ( V ) * /56 };57

    58 void l o op ( ) {59

    60 / * A p r i re l a c o n n es s i on e : q u a n do r i ce v e i l b y t e d i l e tt u ra R t r a s me t te61 * i l v e tt o re d e ll a l e t t ur a , s e r i c e ve i l b y t e d i s c r it t ur a W a l l or a62 * r i c ev e i l v e t to r e d ei d a t i p er l a t t u at t or e * /63

    64 S E N S O R _ D AT A _ O U T _ _ L e tt u r a S e n s or i = / * I m p le m e nt a r e l e tt u ra s e ns o ri * /;65 S E N S O R _ D AT A _ I N _ _ Im p o s t a z i o n eA t t u a t o r i ;66

    67 while ( S er ia l . av ai ab l e () > 0 ) {68 if ( S e ri a l . r ea d ( ) = = R ) { / * I n v i a l e tt u ra * /69 char * L e t t u r a S en s o r i = s e r i a l _ c h ar _ v e c t o r _ o ut ( _ _ L e t t u r a S e n s o r i ) ;70 in t i = 0;71 fo r ( i = 0; i < s tr le n ( Le t tu r aS e ns o ri ) ; i + + ) {72 S e r i a l . p r i n t ( L e t t u r a S e n s o r i [ i ] , H E X ) ;73 };74 };75 if ( S e r i a l . re a d () = = W ) { / * R i ce v i i m po s t az i on i * /76 char * I m p o s t a z i o ne A t t u a t o r i ;77 in t i = 0;78 char c = S e ri a l . r ea d ( ) ;79 while ( ! ( c = = \ n ) ) {80 I m p o s t a z io n e A t t u a t o ri [ i ] = c ;81 i++;82 };83 _ _ I m p o s t a z io n e A t t u a t o ri = s e r i a l _ c h ar _ v e c t o r _ i n ( I m p o s t a z io n e A t t u a t or i ) ;84 };85 };86

    87 / * D a q u i i n p o i l a f u nz io ne e se gu e l e a l t re88 * f u n zi o n i d e sc r it t e n ei p r e c ed e nt i89 * b l oc c hi d i c o di c e d el d o c u me n to * /90 };

    La Raspberry PI opera mediante un sistema operativo Linux, quindi si puo fare ricorso alloscripting bash e alle tty messe a disposizione dal sistema operativo per catturare i dati iningresso:

    1 # ! / b i n / b a s h2

    3 # S c ri p t c h e i n iz i a li z z a l a i n t er f a cc i a s e ri a le ( t t y )4

    5 # C h ec k : i l c o di c e d e ve e s se r e a v vi a to c o me r o ot6 if (( U ID - e q 0 ) ) then7

    8 # C o n f i g u ra z i o n e9 A R D U I N O _P O R T = / d e v / t t y U S B 0

    10 A R D U I N O _ SP E E D = 1 9 2 0 011

    12 # I n i z i al i z za z i on e d e l l a t ty13 s t ty - F A R D U I N O _P O R T c s 8 A R D UI N O _S P E ED i g nb r k - b r k i nt - i c rn l - i m ax b el - o p os t - o n lc r -

    i s ig - i c an o n - i e xt e n - echo - e c h oe - e c ho k - e c ho c tl - e c ho k e n o fl s h - i x on - c r ts c ts1415 # R e d ir ec t t o f d6 : I / O16 exec 6 < ARDUINO_PORT17

    18 else19

    20 echo " [ E E ] W R O N G U S ER I D , y o u m u s t b e r o ot "21

    22 fi

    Per ottenere una lettura o una scrittura:

    1 # E s em p io d i l e tt u ra2 echo -n " R" > / d e v / t t y U S B0 # - n e l i mi na l a \ n3 # a l t e rm i ne d e ll a s t ri n ga4 t ai l - f / d e v / t t y U S B 0 > > F I L E _ L O G _ S E S S I O NE . l o g5

    6 # E s em p io d i s c ri t tu r a7 echo -n " W" > / d e v / t t y U S B08 echo " C" SETTING1 " I " SETTING2 # e s em p io d i c o n fi g u ra z i on e

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    3.2. ANALISI DEI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE 41

    9 # C : c o n ve r t it o r e A C / AC10 # I : i nv er te r D C/ A C

    Come si e gia detto in precedenza, qui si presenta solo una implementazione estremamentesemplificata del sistema, si lascia ad uno sviluppo successivo la automatizzazione del processo

    (ad esempio linserimento di uno script allinterno dellacrontab).

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    42 CAPITOLO 3. SENSORISTICA, ATTUAZIONE E INTERSCAMBIO DATI

    3.3 Fornire intelligenza alla macchina

    3.3.1 Memorie a stato solido

    Lanalisi dei protocolli di comunicazione garantisce il flusso dati dallhardware analizzato nelcapitolo precedente alla Raspberry PI. Questo flusso di dati e memorizzato allinterno di unfile di log della sessione. Lordine dimensionale del file di log della sessione si attesta attorno i1.54 MB3per una lettura ogni 5minuti. Sulla scheda e presente una memoria allo stato solido(SD Card) sulla quale risiedono sistema operativo e configurazione. Il grande numero di accessiche vengono effettuati su questa memoria per la scrittura del log di sessione pu o portare ad unrapido deterioramento di tale memoria, per questo motivo e consigliabile spostare la scritturasulla partizione di unaltra device (magari anche solo una chiavetta USB, dato che non e richiestauna grande velocita di trasmissione), al fine di garantire una maggiore durata alla memoriacontenente alla configurazione del sistema.

    3.3.2 Configurazione della Raspberry PI

    La maggior parte dei dati salvati nel file di log della sessione non hanno significato fisico, masono rappresentazioni numeriche di variazioni di differenze di potenziale, e quindi necessariorielaborare questi dati al fine di ottenere misure aventi significato fisico. Questo passaggio emolto importante e dipende dalla configurazione di taratura della macchina, con le costanti ditaratura allinterno di un file testuale, lette da un codice compilato o da uno script, che provvedealla creazione di un nuovo file con le misure reali. Il nuovo file, contenente le misure passaattraverso un secondo codice che provvede allestrapolazione delle misure derivate secondo leequazioni descritte nella sezione1.1.2. Il compito di questo script e anche valutare le derivate ditorsione e velocita angolare al fine di identificare eventuali grippaggi e scrivere in un file il numero1. Se la lettura di questo file riporta come variabile booleana 1, il sistema si deve bloccare

    immediatamente perche e presente grippaggio. Una implementazione molto simile potrebbeessere effettuata a livello di MSP430, che se rileva una accelerazione fortemente negativa sugliencoder, invia un messaggio di spegnimento alla macchina (in questo caso si potrebbe pensaread uno sviluppo di un embedded real-timeenviroment, magari programmando il sistema in G- LabView - invece che in C). Questi sono alcuni dei tanti switch di siurezza che possono essereimplementati nella macchina. A livello analitico tale problema puo essere descritto cos:

    T

    t

    2n

    t2 0

    STOP

    La parte di dati elaborati e parsata da uno scriptPHP per lesposizione allutente tramiteuna interfaccia web (servita da una istanza lighttpd). Tramite questa interfaccia si puo compiereanche la funzione inversa, ovvero configurare la macchina e inserire le costanti necessarie allaelaborazione dei dati in ingresso.

    La presenza di un sistema informatico di questo tipo, collegati tramite interfaccia di reteTCP/IP alla WAN dellUniversita, richiede sicurezza informatica: questa puo essere ottenutafacendo uso di sistemi integrati nel sistema operativo, come le iptables, e implementando unsistema utente sulla interfaccia web.

    Di seguito e presentato uno schema funzionale di quello che e stato fino a qui descritto:

    3Ogni call di lettura sensori genera una trasmissione di 80 byte/call. Per una prova di 108cicli@ 1000rpm

    si suppone una durata di 70giorni. Impostando una chiamata di lettura ogni 5minuti, ovvero 288call/giorno,si ottiene 80 byte/call 70giorni 288call/giorno = 16128000 byte 1.54MB.

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    3.3. FORNIRE INTELLIGENZA ALLA MACCHINA 43

    (/)

    .

    ()

    ()

    /

    /

    Figura 3.6: Schema di implementazione della Raspberry PI

    e un esempio del codice Octave (Matlab) che puo essere implementato nella macchina:

    1 % % % % % % % % % % % % % % % %% % % % % % % %2 % M a tl a b / O ct a ve S c ri p t %3 % % % % % % % % % % % % % % % %% % % % % % % %4

    5 % % P a rs a i f i le d i l et t ur a , c o nf i g ur a z io n e e t a ra t ur a6

    7 f i d _ L e tt u r a = fopen ( L O G _ S E S S I O N E , r t );8 f i d _ C o n f i gu r a z i o n e = fopen ( F I L E _ C O N F I G U R A Z I O N E , r t ) ;9 f i d _ T a ra t u r a = fopen ( F I L E _ T A R A T U R A , r t ) ;

    10

    11 L e t t u ra = t e x t o pe n ( f i d _ L e t tu r a , % f % f % f % f % f % f % f % f % f % f , ...12 D e l i m e t e r , , , C o l l e c t O u t p u t , 1 , E m p t y V a l u e ,0);13 T a r a t u ra = t e x t o pe n ( f i d _ T a r at u r a , % f % f % f , ...14 D e l i m e t e r , , , C o l l e c t O u t p u t ,1 , ...15 E m p t y V a l u e ,0);16 C o n f i g u r az i o n e = t e x t o pe n ( f i d _ C o n f i gu r a z i o ne , % f , ...17 C o l l e c t O u t p u t , 1 , E m p t y V a l u e ,0);18

    19 fclose ( f i d _ L e t t u r a ) ;20 fclose ( f i d _ C o n f i g u r a z i o n e ) ;21 fclose ( f i d _ T a r a t u r a ) ;22

    23 % % S t r ut t ur a d i l e tt u ra :24 % [ T em po , R PM 1 , T o rq u e1 , R PM 2 , T o rq u e2 , P T1 0 0 ,25 % W a t t me t r o 1 , W a t t me t r o 2 , R e a l _F r e q 1 , R e a l _ L oa d 2 ] ;26 % f a re r i f er i m en t o a l c o di c e s c ri t to i n p r ec e d en z a .27

    28 % % S t r u t t u r a d i c o n f i g u r az i o n e29 % [ P si _n ;30 % Lambda ;31 % C o ef fi c ie n te d i s c am bi o t er mi co ;32 % A re a di s ca mb io t e rm ic o;33 % T em p er a tu ra a mb ie nt e ;34 % D iam . pr im . vi te35 % ];36

    37 % % S t r ut t ur a d i t a ra t ur a38 % [ T a ra t ur a t o r si o m et r o 1 ;39 % T ar at ur a to r si o me tr o 2;

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    44 CAPITOLO 3. SENSORISTICA, ATTUAZIONE E INTERSCAMBIO DATI

    40 % V et to re c o e ff i ci en t i P T1 00 ( 3 )41 % ];42

    43 clear f i d _ L e t t ur a f i d _ C o n f i gu r a z i o n e f i d _ T a r at u r a ;44

    45 % % E v en t u al i f u nz i on i d i t a ra t ur a46 % F u nz i o ne d i t a r at u ra P T1 00 , e s em p io p o li n o mi o d i 2 ^ g r ad o

    47 function _ T e m p = T a r a t u r aP T 1 0 0 ( _ c o e f fi c i e n ti , _ D e l t aV )48 _Temp = _coe ffi cien ti (1) + ...49 _ c oe f f ic i en t i ( 2) * _ D el t aV + . . .50 _ c o e f f i ci e n t i ( 3 ) * _ D e l t aV ^ 2 ;51 e n d f u n c t io n52

    53 % M i su r e54

    55 T i m e = L e t t u ra ( : , 1 ) / 1 0 0 0 ; % ms -> s56 R P M1 = L e t t u ra ( : , 2 ) * 6 0 ; % n g ir i / s - > n g ir i / m57 T o r q u e1 = L e t t ur a ( : , 3 ) * T a r a t u r a ( 1 , 1) ; % V -> Nm58 R P M2 = L e t t u ra ( : , 4 ) * 6 0 ; % n g ir i / s - > n g ir i / m59 T o r q u e2 = L e t t ur a ( : , 5 ) * T a r a t u r a ( 2 , 1) ; % V -> Nm60 P T 1 0 0 = T a r a t u r a PT 1 0 0 ( T a r a t u r a ( 3 , : ) , L e tt u r a ( 6 ) ) ; % V -> * C61 W a t t m et r o 1 = L e t t u ra ( : , 8 ) ; % W62 W a t t m et r o 2 = L e t t u ra ( : , 9 ) ; % W63 R e a l _ Fr e q 1 = L e t t u ra ( : , 1 0 ) ; % Hz64 R e a l _ Lo a d 2 = L e t t u ra ( : , 1 1 ) ; % Nm65

    66 clear L e t t u ra T a r a t u ra ;67

    68 % % C a lc o lo d i g r a nd e zz e d e ri v a te69

    70 % R e n di m en t o t o ta l e d e ll a m a cc h in a71

    72 R e n d i m en t o _ m a c c h in a = W a t t m e tr o 2 / . W a t t m e tr o 173

    74 % R e n d i m e n t o d e l l a t r a s m i s si o n e75

    76 R e n di m e nt o _ tr a s m = ( R P M1 * . T o rq u e1 ) / . ( R P M 2 * . T o rq u e2 ) ;77

    78 % C o e f f i c i e n t e d a t t r i to79

    80 A t t ri t o = ( ( R e nd i m en t o _t r a s - 1 ) * . co s ( Co nfi gur azio ne (1) ) ) /. ...81 ( R e n d i m e n t o _ t ra s m + ta n ( C o n f i g u ra z i o n e ( 2 ) ) ) ;82

    83 % T e m e p r a tu r a t r a s m i ss i o n e84

    85 Temp _trasm = (1 / ( Co nfi gura zio ne (3) * Con fig uraz ion e(4) )) * ...86 ( A t t ri t o + A t tr i to * . ta n ( C on f ig u ra z io n e (2 ) )) * . T or qu e1 *. . ..87 (2 * pi * RPM1 / 60) /. ...88 ( A t t ri t o * co s ( C o n f i g u r a z i on e ( 2 ) + co s ( C on fi gu ra zi on e (1 )) * . ..89 co s ( C o n f i g u r a z io n e ( 2 ) ) ) + C o n f i g u ra z i o n e ( 5 ) ;90

    91 % F o rz e d i t r a sm i s si o ne92

    93 F T = 2 / C o n fi g u ra z i on e ( 6 ) * T o rq u e1 ;94

    95 F A = 2 / C o nf i gu r az i on e ( 6) * ( (co s ( Co nfi gura zio ne (1) ) * ...96 co s ( C o n fi g u ra z i on e ( 2 ) )) - A t tr i to * si n ( C on f ig u ra z io n e (2 ) )) / . . ..97 (( co s ( C o n fi g u ra z i on e ( 1 ) ) * si n ( C o nf i gu r az i on e ( 2) ) ) + A tt ri to * . ..98 si n ( C o n f i g u r a z io n e ( 2 ) ) ) * . T o r q u e1 ;99

    100 F R = 2 / C o nf i gu r az i on e ( 6) * si n ( Con figu raz ion e (1) ) /. ...101 ( co s ( C o n f i g u r a z io n e ( 1 ) ) * si n ( C on fi gu ra zi on e (2 )) ) + A tt ri to * . ..102 si n ( C o n f i g u r a z i on e ( 2 ) ) ) * . T o r q ue 1 ;

    103

    104 % V o le n do s i p o tr e b be r o i m p le m e nt a r e a n ch e l e f u nz i o ni p er i l c a lc o lo105 % d e l c a ri c o s ui c u s ci n e tt i106

    107 % % E s p o r t a z i o n e d a t i108

    109 DAT A_EXP ORT = [ Time , ...110 R e nd i m en t o_ M a cc h in a , . ..111 R en di me nt o_ tr as m , ...112 Attrito , ...113 Temp_trasm , ...114 FT , ...115 FA , ...116 F R ] ;117

    118 dlmexport( R I S U L T A T I . l o g ,DATA_EXPORT , d e l i m e t e r , , , p r e c i s i o n ,3);

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    Indice

    1 Introduzione 21.1 La trasmissione a vite senza fine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.1.1 Perche le trasmissioni a vite senza fine? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Analisi della trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    Geometria e cinematica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    Dinamica e rendimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Il problema della potenza termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Dimensionamento della trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Forze sui cuscinetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    1.2 Considerazioni iniziali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2 Il banco di prova 182.1 Divide et impera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2 Blocco motore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2.2.1 Composizione del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.2 Distinta del blocco motore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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