a c b 3. VERIFICA SPERIMENTALE DI VENTOSE

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3. VERIFICA SPERIMENTALE DI VENTOSE

Al fine di caratterizzare la ventosa “a petali” e confrontarne le prestazioni con altri tipi di ventose, è stata condotta una campagna prove in cui è stato possibile simulare la risposta delle ventose in varie condizioni di presa e movimentazione della pelle.

Le ventose prese come riferimento per il confronto delle prestazioni della ventosa “a petali” sono la ventosa R1, sviluppata presso il DIMNP, e la ventosa commerciale denominata F50. Queste due ventose erano state già testate in un precedente lavoro di tesi ma avendo apportato modifiche al piano sperimentale ed introducendo una nuova tipologia di prova si è deciso di effettuare la verifica anche su di esse.

a

_c

b

Figura 3. 1: Vista inferiore delle tre ventose testate: a ventosa R1, b ventosa F50, c ventosa “a petali”

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3.1 Pianificazione delle prove

Nelle prove condotte, effettuata la presa, la ventosa viene sottoposta a sollecitazione al fine di valutare i valori di forza che determinano la perdita della presa o il periodo di tempo in cui la presa viene mantenuta;

Ogni prova è caratterizzata dai seguenti parametri:

• Tipologia delle pelli di cui viene effettuata la presa: si considerano quattro tipi di pelle con differenti caratteristiche di rigidezza, porosità e spessore; • Lato pelle: per ogni tipologia di pelle si considerano 2 superfici di presa

corrispondenti al lato “fiore” ed al lato “carne”;

• Tipologia di sollecitazione: la ventosa viene sottoposta ad una sollecitazione di trazione, di taglio, di strappamento o ti trazione con lembi cadenti;

• Condizioni di vincolo della pelle sul piano d’appoggio: in alcune tipologie di prova la pelle viene semplicemente appoggiata su un piano di presa mentre nelle altre viene fissata a tale piano;

• Orientazione della ventosa rispetto alla direzione di sollecitazione: tale parametro ha influenza solo per la ventosa “a petali” nelle prove di taglio e strappamento;

• Grado di vuoto: si considerano tre valori del grado di vuoto, ottenuti, fissata la portata d’aria, per 3 differenti valori della pressione di alimentazione del generatore di vuoto: 0.2, 0.4 e 0.6MPa. Tali valori sono propri dei più comuni impianti industriali.

Considerando che ogni prova è stata ripetuta tre volte ed effettuata su tre tipi di ventosa, combinando i vari parametri si ottiene un valore complessivo di 873 prove.

3.1.1 Pelli utilizzate nelle prove

Il comportamento delle ventose è stato testato su quattro diversi campioni di pelle: • Campione N° 1: cuoio fine e flessibile con uno spessore di 1.5mm:. La

superficie del lato fiore è liscia e non verniciata (figura 3.3 a);

• Campione N° 2: cuoio molto rigido con spessore di 2.3mm. La superficie del lato fiore è liscia. Ha subito alcune fasi di verniciatura di colore verde chiaro (figura 3.3 b);

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• Campione N° 3: pelle di capretto molto morbida e flessibile di spessore pari a 0.95mm. La superficie del lato fiore è molto liscia e non ha subito alcun tipo di verniciatura (figura 3.3 c);

• Campione N° 4: crosta di bovino poco rigida con spessore di 1.5mm. La superficie è ruvida e non verniciata (figura 3.3 d).

a) b)

c) d)

Figura 3. 3: Campioni utilizzati nelle prove: a) cuoio flessibile; d) cuoio rigido; c) capretto; d) crosta di bovino. Dei vari campioni è mostrato il lato fiore.

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3.2 Tipologia di sollecitazione

3.2.1 Sollecitazione di trazione

Tra le forze che sollecitano una ventosa durante il suo utilizzo la più comune ed evidente è il carico diretto lungo l’asse della ventosa stessa, ovvero nella direzione della forza di gravità, dovuto al peso proprio delle pelli

Per simulare questa sollecitazione la pelle è stata fissata su un piano perpendicolare all’asse della ventosa, vi è stata fatta avvicinare la ventosa in direzione verticale fino a raggiungere il contatto e quindi, comandata la fase d’aspirazione, a realizzare la presa. In seguito la ventosa è stata sollevata in direzione verticale fino a provocare il distacco della pelle (figura 3.4).

Il dato in uscita da tale prova è il valore della forza massima, in direzione verticale, sopportata dalla ventosa, ovvero il valore della forza che determina il distacco della ventosa dalla pelle e quindi la perdita della presa. Tale valore è fornito da un sensore, montato sul polso del robot, che acquisisce e registra i valori delle forze e momenti che si generano durante tutto il periodo di esecuzione della prova, le cui direzioni coincidono con quelle del sistema di riferimento del robot e sono mostrate in figura 3.6.

Y X

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. 5: Ventosa "a petali" durante l'esecuzione della prova di trazione. L

I movimenti del robot ed i comandi di inizio e fini aspirazione sono stati memor

• ndenza di due lati paralleli;

fino al

•

ntatto della pelle per un tempo di 2 s; m/s.

3.2.2 Sollecitazione di taglio

a forza di taglio sollecita la ventosa in presa su una pelle bloccata su un piano, in direzio

Figura 3 a freccia indica

la direzione di spostamento della ventosa

izzati in un programma all’interno dell’unità di governo del robot. La prova ha seguito tale procedura:

bloccaggio del campione su un piano in corrispo

• avvicinamento della ventosa alla pelle ad una velocità di 200 mm/s raggiungimento della quota di contatto;

azionamento della depressione; • mantenimento della ventosa a co

• spostamento della ventosa in direzione verticale ad una velocità di 40 m • disattivazione della depressione dopo un periodo di 10s;

• memorizzazione dei dati acquisiti dal sensore.

L

ne ortogonale al proprio asse verticale ed è applicato sulla superficie inferiore che è a contatto con la pelle (figura 3.6).

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Figura 3. 6: Schema della prova di taglio

Figura 3. 7: Ventosa "a petali" durante l'esecuzione della prova di taglio. La freccia indica la direzione di spostamento della ventosa

Questa prova ha il compito di simulare il comportamento della ventosa in presa nel momento di un brusco arresto od avvio del sistema di manipolazione.

La procedura di esecuzione è simile a quella descritta per la sollecitazione di trazione fatta eccezione, ovviamente, per la direzione dello spostamento applicato alla ventosa che in questo caso è ortogonale al piano verticale e giacente sul piano di contatto con la pelle.

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Per la ventosa “a petali” sono state previste due direzioni di taglio al fine di valutare l’influenza dell’orientazione della stessa rispetto alla direzione di sollecitazione. Entrambe le direzioni giacciono sul piano di contatto: la prima è parallela all’asse di separazione dei petali, la seconda è orientata a 45° rispetto alla prima (figura 3.8).

Figura 3. 8: : Direzioni della sollecitazione di taglio per la ventosa "a petali"

Il dato in uscita da tale prova è il valore della forza massima, nella direzione di taglio, sopportata dalla ventosa.

3.2.3 Sollecitazione di strappamento

Con il termine strappamento si intende la modalità di distacco che si manifesta quando un lembo di pelle viene tirato con una forza parallela all’asse verticale della ventosa e tende a trascinarne la base in questa direzione (figura 3.9). La prova viene eseguita fissando un lembo delle pelle su un piano mentre quello parallelo viene tirato con una forza verticale.

Tale sollecitazione si verifica comunemente quando un’estremità delle pelle si piega verso il basso soggetta al proprio peso.

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Figura 3. 9: Schema della prova di strappamento

.

Figura 3. 10: Ventosa "a petali" durante l'esecuzione della prova di strappamento. La freccia indica la direzione di spostamento della ventosa

La procedura di esecuzione della prova è la seguente: • bloccaggio di un solo lato del campione di pelle;

• avvicinamento della ventosa alla pelle ad una velocità di 200 mm/s fino al raggiungimento della quota di contatto;

• azionamento della depressione;

• mantenimento della ventosa a contatto della pelle per un tempo di 2 s; • allontanamento della ventosa dal piano d’appoggio della pelle;

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• spostamento della ventosa in direzione verticale ad una velocità di 40 mm/s. • disattivazione della depressione dopo un periodo di 10s;

• memorizzazione dei dati acquisiti dal sensore.

Come per la prova di taglio, anche per questa prova sono state previste le due orientazioni della ventosa “a petali” rispetto alla direzione di strappamento.

Il dato in uscita da tale prova è il valore della forza massima, in direzione verticale, sopportata dalla ventosa nella fase di sollevamento.

3.2.4 Sollecitazione di trazione con lembi cadenti

In questo tipo di prova, la pelle viene appoggiata su un piano con un lembi cadenti in prossimità degli spigoli, la ventosa, posizionata in corrispondenza di uno spigolo, afferrata la pelle, viene sollevata ed abbassata ciclicamente. Vengono considerate tre disposizioni della pelle sul piano d’appoggio in modo da aumentare progressivamente le dimensioni della parte sporgente, ciò comporta un progressivo aumento del peso da sollevare ed una sempre maggiore deformazione della pelle che tende a formare sempre un più alto numero di pieghe.

Si ha l’esigenza di effettuare la presa su una pelle di grandi dimensioni e flessibile in modo da deformarsi notevolmente nel corso della prova. Tra le pelli disponibili, si è indivuduato solo un esemplare corrispondente al cuoio flessibile del campione N°1.

Il dato in uscita dalla prova è il periodo di tempo in cui la ventosa è in grado di mantenere la presa.

Tale prova riproduce la condizione di funzionamento più critiche, in cui la ventosa per mantenere la presa deve possedere un’elevata capacità di adattamento alle pieghe che assume la pelle durante la manipolazione.

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Figura 3. 11: Schema della prova di trazione con lembi cadenti

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3.3 Definizione del piano sperimentale

Le prove sono state condotte all’interno di una cella robotizzata presente all’interno del DIMNP.

3.3.1 Attrezzature di riferimento e bloccaggio della pelle

I campioni di pelle sono stati appoggiati su una lastra di plexiglas forata (figura 3.13) posizionata nella zona di lavoro del robot e fissati a questa attraverso un collegamento bullonato (figura 3.14).

I fori realizzati sulla piastra d’appoggio servono ad evitare che l’azione di aspirazione, e quindi di adesione, si trasmetta, attraverso la porosità della pelle, anche alla piastra di plexiglas, che invece deve servire solo come appoggio iniziale della pelle.

Figura 3. 13: Piastra di plexiglas su cui viene bloccato il campione

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Sensore Vacuometro Compensatore di livello Piastra d’appoggio

Figura 3. 14: Elementi in prossimità del piano di presa

3.3.2 Sensore di forza e momento

Per la misurazione dei valori delle forze agenti sulla ventosa durante l’esecuzione delle prove è stato utilizzato un sensore alloggiato tra la flangia del polso del robot e la piastra di collegamento alla ventosa (figura 3.15). Il sensore è in grado di rilevare i valori delle forze e dei momenti secondo un sistema di riferimento coincidente con quello proprio del polso del robot.

Le informazioni rilevate dal sensore vengono campionate ed elaborate da un personal computer attraverso cui vengono visualizzati i risultati (figura 3.10).

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Figura 3. 15: Schema del collegamento del sensore alla ventosa ed al personal computer

3.3.3 Pompa per il vuoto

Per generare una differenza di pressione tra l’ambiente esterno ed una zona di nostro interesse (che desideriamo sia a pressione minore di quella esterna) vengono utilizzati i generatori di vuoto. Questi componenti vengono alimentati da una fonte di aria compressa e basandosi sull’effetto Venturi, aspirano aria da un ambiente collegato.

Il principio di funzionamento di un condotto Venturi si basa sulla diminuzione della pressione all’interno di un fluido legata all’aumento della sua velocità.

3.3.4 Vacuometro

Il vacuometro è uno strumento che permette di misurare il valore del grado di vuoto generato all’interfaccia della ventosa con il campione di pelle. La scala di lettura va da 0 a -100kPa ed ha una precisione del fondo scala del 2.5% (figura 3.16). Il grado di vuoto viene regolato agendo sulla pressione dell’aria di alimentazione della pompa per il vuoto attraverso un regolatore di pressione.

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3.3.5 Compensatore di livello

Al fine di eliminare le imprecisioni sulla quota di raggiungimento del contatto della ventosa con i vari tipi di pelle, essendo questi di diverso spessore, tra la ventosa e la flangia del polso del robot è stato interposto un compensatore di livello (figura 3.17). Il compensatore è dotato di una corsa di 20mm che garantisce una discesa verticale della ventosa in sicurezza ed evita l’applicazione di elevate forze di compressione sulla stessa.

Figura 3. 17: Schema del compensatore di livello

3.3.6 Il robot

Per la movimentazione della ventosa si è utilizzato il robot ABB IRB 200 presente in dipartimento. Il robot presenta una struttura antropomorfa a sei gradi di libertà ed ha tali caratteristiche :

• Capacità di carico fino a 100N • Velocità massima ai giunti 2rad/s (assi 1,2,3) 5rad/s (assi 4,5,6) • Velocità massima lineare 2000mm/s • Ripetibilità 3D al centro del polso 0.1mm

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Figura 3. 18: Schema del robot

3.4 Analisi dei risultati

Per ogni tipologia di prova è stato determinato il valore medio dei risultati (forza di presa o tempo di mantenimento della presa) ottenuti nelle tre esecuzioni effettuate. Tale valore è stato preso come riferimento per il confronto delle prestazioni delle ventose.

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3.4.1 Risultati prova di trazione

Di seguito, per ogni campione, sono mostrati i grafici che mostrano al variare della pressione di alimentazione della pompa per il vuoto, i valori della forza di trazione sopportati dalle tre ventose prima di perdere la presa.

• Campione N°1

Trazione lato fiore campione N°1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0,2 0,4 0,6 p [MPa] Fz [ N ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Figura 3. 19: Confronto delle prestazioni delle ventose in una prova di trazione

Trazione lato carne campione N°1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0,2 0,4 0,6 p [MPa] Fz [N ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Su questo campione i valori massimi di trazione sono sopportati dalla ventosa R1, che mostra un comportamento nettamente superiore alle altre ventose, le quali sul lato carne del campione fanno registrare valori di forza che si discostano di un massimo di 2.5N gli uni dagli altri. In questo caso, la ventosa “a petali” non presenta alcun vantaggio rispetto alla ventosa commerciale, infatti anche sul lato fiore non si apprezzano grandi differenze di comportamento.

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• Campione N°2

Anche in questo caso, la ventosa R1 realizza forze di presa superiori alle altre ventose, mentre la ventosa “a petali” mostra le prestazioni peggiori.

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• Campione N°3

Su tale campione, pelle di capretto, che è caratterizzato da elevata flessibilità e piccolo spessore, la ventosa R1 risponde sopportando valori di forze minori rispetto ai casi precedenti, ma comunque più elevati di quelli propri delle altre ventose che hanno comportamenti simili.

(19)

• Campione N°4

Trazione lato B campione N°4

Trazione lato A campione N°4

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0,2 0,4 0,6 p [MPa] FZ [N ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

La presa su tale campione, crosta di bovino, fa registrare le peggiori prestazioni delle tre ventose. I valori di forza della ventosa commerciale e della ventosa “a petali”, sono inadeguate al fine di una possibile applicazione di movimentazione di tale pelle.

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3.4.2 Risultati prova di taglio

Per la ventosa “a petali” sono state previste due direzioni di sollecitazione di taglio (paragrafo 3.2.1.2). Dalle prove effettuate è emerso che l’orientazione della ventosa rispetto alla direzione di sollecitazione non è influente, per cui sono mostrati i grafici relativi ad una sola direzione di taglio.

• Campione N°1

Taglio lato fiore campione N°1

0 10 20 30 40 50 0,2 0,4 0,6 p [MPa] Fx [N ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Figura 3. 27: Confronto delle prestazioni delle ventose in una prova di taglio

tra incrementi di forza al variare della pressione di alimentazione della pompa per il vuoto.

In queste prove, il comportamento della ventosa “a petali” si distingue da quello della ventosa commerciale, che non mos

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Campione N°2

so sul campione più rigido e spesso la ventosa “a petali“ registra i minori valori di forza.

•

0 10 20 30 40 50 0,2 0,4 0,6 p [MPa] Fx [ N ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Taglio lato carne campione N°2

0 10 20 30 40 50 0,2 0,4 0,6 p [MPa] Fx [N ] ventosa F50 ventosa R1 Ventosa "a petali"

(22)

Ca

i aumen

lori di forza della ventosa R1 e della ventosa “a petali” hanno differenze minori di 10N.

• mpione N°3

Taglio lato carne campione N°3

Da notare come la ventosa F50, su tale campione, non abbia guadagni, in termini d to di forza, dall’aumento della pressione di alimentazione della pompa per il vuoto.

(23)

Ca

rova di taglio, per tutte le ventose, la presa sulla crosta di bovino si rivela la più difficile.

• mpione N°4

Taglio lato B campione N°4

Taglio lato A campione N°4

(24)

3.4.3 Risultati prova di strappamento

rientazione della ventosa “a petali” rispetto alla direzione di carico è risultata ininfluente.

• Campione N°1

arne, nessuna ventosa ha mostrato tale caratteristica, non Anche nella prova di strappamento, l’o

Strappamento lato fiore campione N°1

0 50 100 150 200 250 0,2 0,4 0,6 p [MPa] Fz [N ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Figura 3. 35: Confronto delle prestazioni delle ventose in una prova di strappamento

Strappamento lato carne campione N°1

0 50 100 150 200 250 0,2 0,4 0,6 p [MPa] Fz [ N ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

A differenza delle prove di trazione e di taglio, nella prova di strappamento risulta importante la flessibilità della ventosa nel seguire le deformazioni della pelle al fine di non provocarne il distacco. Sul lato c

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ntose, dopo un sollevamento di pochi millimetri non sono in grado di mantenere la presa.

• Campione N°2

Strappamento lato fiore campione N°2

0 50 100 150 200 250 0,2 0,4 0,6 p [MPa] FZ [ N ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Il campione N°2 è molto rigido, per cui durante la prova non subisce grandi deformazioni, in particolare sulla sua superficie non si hanno formazioni di pieghe come avviene per le altre pelli. In tali condizioni, solo la ventosa R1 riesce ad eseguire la prova, le altre ve

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realizzano una forza di presa troppo bassa per permettere il sollevamento della elle.

• Campione N°3

Figura 3. 40: Confronto delle prestazioni delle ventose in una prova di strappamento Strappamento lato fiore campione N°3

La ventosa F50 e la ventosa “a petali” non sono state in grado di effettuare la prova, in quanto

(27)

Campione N°4

ale prova non è stata portata a temine da nessuna delle tre ventose. •

Strappamento Lato B campione N°4

Strappamento Lato A campione N°4

Figura 3. 42 Confronto delle prestazioni delle ventose in una prova di strappamento

(28)

1a disposizione della pelle 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0,2 0,4 0,6 p [MPa] te mp o d i man te n im en to d e ll a p resa [ s ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Figura 3. 44: Confronto delle prestazioni delle ventose in una prova di trazione con lembi cadenti

.4.4 Risultati prova di trazione con lembi cadenti

mantenimento della presa non si è mai verificato il distacco della pelle durante le prova.

•

ona la ventosa per realizzare la presa. Il

3

Durante la prova, al valore del tempo pari a 14.3 s viene provocata la caduta della pelle attraverso la disattivazione della depressione, quindi per le ventose che hanno tale valore come tempo di

Prima disposizione della pelle: tale disposizione presenta la condizione di minore sporgenza, rispetto alle altre due, del lembo di pelle in corrispondenza dello spigolo sopra il quale si posizi

carico da sollevare è pari a circa 9 N.

(29)

La ventosa F50 non è riuscita mai a realizzare la presa sulla pelle disposta in tale condizioni. Ciò vale anche per le altre due ventose con una pressione di alimentazione della pompa per il vuoto pari a 0.2MPa, mentre con pressioni superiori non si sono mai staccate dalla pelle afferrata.

• Seconda disposizione della pelle: in tale disposizione essendo aumentate le dimensioni del lembo sporgente dal piano d’appoggio, il carico da sollevare è pari a circa 14 N.

La ventosa R1 e la ventosa “a petali” riescono a trattenere la pelle per pochi secondi solo con la massima pressione

2a disposizione della pelle

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0,2 0,4 0,6 p [MPa] te mp o d i man ten im en to de ll a pr e s a [ s ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Figura 3. 45: Confronto delle prestazioni delle ventose in una prova di trazione con lembi cadenti

• Terza disposizione della pelle: si realizza il massimo valore di carico da sollevare, pari a circa 18N, ed il maggiore numero di pieghe formatesi sulla pelle. In tale prova, si sono ottenuti i risultati peggiori: il periodo di tempo di mantenimento della presa anche con il massino valore della pressione non supera i 4s (figura 3.46).

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Disposizione pelle N°3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0,2 0,4 0,6 p [MPa] te m p o di m a nte n im e n to d e ll a p e ll e [ s ] ventosa F50 ventosa R1 ventosa "a petali"

Figura 3. 46: Confronto delle prestazioni delle ventose in una prova di trazione con lembi cadenti

3.4.5 Conclusioni dell’analisi dei risultati

Dall’analisi dei risultati ottenuti dalla campagna prove, è emerso che la ventosa R1 presenta le migliori prestazioni in termini di massimi valori di forza sottoportabili prima di perdere la presa.

La ventosa commerciale si è mostrata inadeguata ai fini della realizzazione della presa nella totalità delle prove eseguite, mentre la ventosa “a petali” ha prestazioni lievemente migliori in quanto i valori di forza da essa sopportabili generalmente superano quelli della ventosa F50 di un’entità non superiore a 10N.

La prova di trazione con lembi cadenti ha evidenziato che nessuna delle tre ventose è dotata della capacità di mantenimento della presa in condizioni di grosse deformazioni della pelle. Tale aspetto fa sì che una volta montate le ventose sul gripper, quelle che si trovano in prossimità degli angoli della pelle non siano in grado di trattenerla, influendo inoltre sulla prestazione delle altre ventose che non lavorano più in condizioni ottimali.

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Figura 3. 47: Ventose R1 montate sul gripper

Nonostante la forma appositamente realizzata per superare con successo tale tipo di prova con lembi cadenti, la ventosa “a petali” presenta dei problemi di distacco dalla pelle, a cui consegue la perdita della presa, in corrispondenza di alcuni punti critici. Questi sono collocati sulla base inferiore del collare, in prossimità della zona di separazione dei petali, e sul bordo dei petali in prossimità dello spigolo (figura 3.43).

(32)

.5 Azioni correttive

elle ventose, che non consentono un utilizzo affidabile nella manipolazione delle p

resa nelle condizioni più sfavorevoli simulate nelle prova di trazione con lembi cadenti.

3

Attraverso l’analisi dei risultati delle prove, sono stati messi in luce i punti di debolezza d

elli.

E’ stato necessario individuare una nuova forma della superficie della ventosa a contatto con la pelle, al fine di ottenere elevati valori di forze sopportabili dalla ventosa ed al tempo stesso assicurare elevata flessibilità per assecondare le deformazioni della pelle e mantenere la p