Macchina per misurare la forza d’inserzione ed estrazione di un connettore Automotive

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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

(2)

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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

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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

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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

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

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

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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

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2. S

tato 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).

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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)

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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

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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).

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

(31)

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.

(32)

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.

(33)

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).

(34)

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

(35)

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.

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

Funzione:

Costo 5 3.2 16 2.8 14

macchinario 2 3 6 3 6 Precisione 3 3 9 4 12 Ingombri 2 3 6 3 6 Costi di manutenzione 4 3 12 3 12 Durata di vita 3 3 9 3 9 Malus 3 3 9 2 6

(36)

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.

Funzione:

Movimentazione asse verticale Variante 3

Peso Nota Punti g p g·p

Costo 5 1.0 5

macchinario 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

(37)

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 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

Tabella 7: Valutazione della variante 4 per la movimentazione dell'asse verticale Funzione:

Criterio di valutazione Peso Nota Punti Nota Punti

g p g·p p g·p

Costo 5 3.8 19 4.0 20

macchinario 2 2 4 2 4

Ingombri 2 3 6 3 6

Costi di manutenzione 4 3 12 3 12

Durata di vita 3 3 9 3 9

(38)

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.

 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

Funzione:

Costo 5 3.6 18 3.2 16

macchinario 2 3 6 3 6 Precisione 3 2 6 3 9 Ingombri 2 3 6 3 6 Costi di manutenzione 4 3 12 3 12 Durata di vita 3 4 12 4 12 Malus 4 2 8 1 4

(39)

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

Peso Nota Punti 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 Somma dei punti 22 - 73

(40)

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.

Funzione:

Misurazione della forza Variante 2

Peso Nota Punti 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

(41)

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.

Funzione:

Misurazione della forza Variante 3-1 Variante 3-2 Variante 3-3 Variante 3-4

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

(42)

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

Funzione:

Misurazione della forza Variante 4-1 Variante 4-2

Peso Nota Punti Nota Punti 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

(43)

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

Peso Nota Punti 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

Somma dei punti 16 - 40.3

(44)

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.

Tabella 14: Valutazione della variante 2 per il sistema di fissaggio inferiore

Funzione:

Peso Nota Punti g p g·p Costo 5 4.0 20 Precisione 4 4 16 Velocità di posizionamento 2 2 4 Peso 3 2 6 Ingombri 2 3 6

Somma dei punti 16 - 52

(45)

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.

Tabella 15: Valutazione della variante 3 per il sistema di fissaggio inferiore Funzione:

Peso Nota Punti

g p g·p Costo 5 3.7 18.6 Precisione 4 3 12 Velocità di posizionamento 2 4 8 Peso 3 2 6 Ingombri 2 3 6

Somma dei punti 16 - 50.6

(46)

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

Criterio di valutazione Peso Nota Punti Nota Punti

g p g·p p g·p Costo 5 2.0 10 4.0 20 Precisione 4 4 16 4 16 Velocità di posizionamento 2 4 8 2 4 Peso 3 2 6 2 6 Ingombri 2 3 6 3 6

(47)

3.5 Scelta delle tecnologie da applicare

T abella 17 : T abe lla r ia ss u n tiva dell e v a riant i d ell e t ec n o log ie Va ria nte 5 -2 Att u a to re p n e u m a ti c o + Rig a o tti c a 0 .7 1 Com b in a z io n e 1 Com b in a z io n e 2 Co m b in a z io n e 3 Va ria nte 5 -1 Att u a to re p n e u m a ti c o + L VDT ₀.7 4 Va ria nte 4 -2 G u id a a l a m e + L VDT ₀.7 3 Va ria nte 4 -2 M o to re s te p + v ite -m a d re v ite + En c o d e r 0 .7 9 Va ria nte 4 -1 G u id a a l a m e + Se n s o re in d u tti v o 0 .7 5 Va ria nte 4 -1 M o to re BL DC + v ite -m a d re v ite + En c o d e r 0 .7 8 Va ria nte 3 -4 Din a m o m e tro + Cel la d i c a ri c o p ie z o e le tt ri c a + So ft ware 0 .6 8 Va ria nte 3 Att u a to re SM AC 0 .7 8 Va ria nte 3 -3 Din a m o m e tro + Cel la d i c a ri c o p ie z o e le tt ri c a 0 .7 4 Va ria nte 2 -2 Att u a to re m o to ri z z a to + Rig a o tti c a 0 .7 4 Va ria nte 3 -2 Din a m o m e tro + Ce lla d i c a ri c o e s te n s im e tr i + So ft ware 0 .6 6 Va ria nte 2 -1 Att u a to re m o to ri z z a to + L VDT ₀.7 6 Va ria nte 3 -1 Din a m o m e tro + Cel la d i c a ri c o e s te n s im e tr i 0 .7 7 Va ria nte 3 G u id a a T 0 .7 9 Va ria nte 1 -2 M o to re lin e a re d ire tt o + Se n s o re e ff e tt o Ha ll 0 .6 8 Va ria nte 2 Cel la d i c a ri c o p ie z o e le tt ri c a + Am p lifi c a to re + Ard u in o 0 .7 1 Va ria nte 2 Pi n z a a 3 g ri ff e m e c c a n ic a 0 .8 1 Va ria nte 2 Pi n z a a 3 g ri ff e m e c c a n ic a 0 .8 1 Va ria nte 1 -1 M o to re l in e a re d ire tt o + Rig a o tti c a 0 .7 1 Va ria nte 1 Cel la d i c a ri c o a d e s te n s im e tri + Ard u in o 0 .8 3 Va ria nte 1 Pi n z a a g ri ff e p a ra lle le p n e u m a ti c a + G ru p p o v a lv o le 0 .6 3 Va ria nte 1 Pi n z a a 3 g ri ff e p n e u m a ti c a + G ru p p o v a lv o le 0 .7 2 M ov im e nt a re asse v e rtic a le M is ura z io n e de ll a fo rz a Sis te m a di fis s a gg io in fe riore Sis te m a di fis s a gg io s up e riore

(48)

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

Figura 42: Seconda combinazione delle tecnologie del sistema Valutazione finale:

𝐶2=

0.78 + 0.83 + 0.79 + 0.81

4 = 𝟎. 𝟖𝟎𝟑

Figura 43: Terza combinazione delle tecnologie del sistema Valutazione finale:

𝐶3=

0.79 + 0.83 + 0.79 + 0.81

(49)

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)

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"

Variante 1 Variante 2

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.

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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"

Variante 1 Variante 2

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.

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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"

Variante 1 Variante 2 Variante 3

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.