Sistema di acquisizione e controllo per Banco Prova Semiassi

Author(s):
G. Maini - CATE

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems, ATE/Instrumentation

Products:
LabVIEW, Multifunction DAQ

The Challenge:
Un semiasse ricopre un ruolo fondamentale in un autoveicolo, in particolare il suo moto permette la trasmissione dalla coppia motrice dal motore alle ruote, passando per la catena cinematica del veicolo. Diventa quindi importante rilevare le grandezze che caratterizzano il semiasse, cioè coppia di rottura/deformazione e angolo di torsione, a seguito di opportune sollecitazioni esterne.

The Solution:
Attraverso il Banco Prova Semiassi si è cercato di riprodurre le condizioni d’impiego estreme in cui si può trovare un semiasse durante il suo funzionamento all’interno di un autoveicolo, al fine di rilevare le grandezze d’interesse utili alla determinazione della qualità costruttiva.

Simulare le condizioni di impiego di un semiasse

Il primo problema che ci si è posti è stato quello di ricostruire le condizioni d’impiego limite di un giunto omocinetico o semiasse nel corso del suo funzionamento. Dopo opportune analisi si è optato per due tipologie di sollecitazioni:
 una sollecitazione di tipo statica, in cui applicando un carico torsionale, si va ad analizzare l’andamento della deformazione elastica che il semiasse subisce.
 una sollecitazione di tipo dinamica, in cui al semiasse viene continuamente applicata una torsione da un verso e poi dall’altro con una opportuna frequenza di ripetizione. La torsione avviene, come nel primo caso, applicando un carico torsionale al semiasse in prova.
Per entrambe le prove il carico torsionale viene applicato attraverso il motore e successiva catena cinematica di riduzione, in modo da poter generare carichi elevati senza doversi affidare a motori elettrici con particolari prestazioni.

Il problema dell’acquisizione e controllo

Per rilevare e quindi poter acquisire le grandezze d’interesse per l’analisi del giunto/semiasse si è optato per una cella di carico torsionale posta a valle della catena cinematica del banco di collaudo e di un encoder di tipo incrementale posto su di una ruota dentata, in serie alla catena cinematica, in modo da aumentarne la risoluzione.
L’acquisizione della prova a torsione di tipo statica avviene nelle seguenti modalità:
1. Al pezzo in prova viene applicato un carico torsionale con una certa accelerazione sulla velocità d’applicazione.
2. Si rilevano le grandezze d’interesse, in questo caso coppia applicata e angolo di torsione attraverso gli strumenti precedentemente presentati.
3. Nel momento in cui il sistema di controllo rileva che il carico torsionale applicato al pezzo in prova subisce una diminuzione(impostabile), si provvede ad interrompere la prova e a mostrare a video l’andamento della coppia in funzione dell’angolo.
Per la prova a torsione dinamica, invece, si provvede ad applicare un carico torsionale al pezzo in prova prima in una direzione e poi nell’altra secondo un certo periodo. Per mantenere costante la coppia applicata al semiasse, il sistema va ad eseguire un controllo ad anello chiuso che ad ogni periodo di torsione va ad effettuare accurate manovre di correzione. Per l’intera durata della prova si va ad acquisire l’angolo di torsione(nei due versi) in funzione del numero di cicli d’applicazione della coppia. Il sistema provvede, quindi, ad arrestare la prova in presenza di una significativa variazione di angolo in un verso o nell’altro. Questa condizione ci suggerisce che il semiasse in prova possa aver subito una rottura o una deformazione importante.

Il sistema di acquisizione e controllo

Per la gestione del Banco Prova Semiassi si è utilizzato un PC IBM Compatibile equipaggiato con processore Intel di classe Pentium 4 a 3.0 Ghz di clock e 512 Mega Byte di RAM, il sistema operativo utilizzato è
Windows XP Professional. Per lo sviluppo del software è stato utilizzato il sistema di sviluppo National Instruments LabVIEW 7.1 con i driver NI-DAQmx 7.4.
Per quanto riguarda il sistema di acquisizione si è utilizzato una scheda National PCI-6229 della serie M; questa scheda ci ha permesso di soddisfare tutti i nostri requisiti di acquisizione e controllo, in particolare l’acquisizione del segnale proveniente dalla cella di carico torsionale e l’acquisizione del segnale in quadratura da encoder.
Per effettuare il controllo di coppia si è fatto affidamento ad inverter che continuamente effettuano precise regolazioni al valore di tensione di alimentazione dei motori. L’inverter utilizza le uscite analogiche della scheda National come segnali di riferimento; questi segnali sono utili per regolare il motore al fine di ottenere i valori di coppia e velocità angolare richiesti, considerando anche la catena cinematica.
L’interfacciamento attraverso tutti i componenti elettronici del banco di collaudo avviene per mezzo di due morsettiere National Instruments CB a 68 poli.

Risultati

In riferimento alla figura 1(vedere immagini nella cartella), viene mostrato l’andamento del carico torsionale applicato al semiasse in funzione dell’angolo di torsione. E’ interessante notare come il grafico mostri un andamento “pulito” e privo di “spike” o altre alterazioni: questo è stato possibile andando ad effettuare un’operazione di post-processing software sul segnale proveniente dalla cella di carico acquisito dalla scheda National PCI-6229.
La versatilità della scheda PCI-6229 è stata fondamentale per l’acquisizione del segnale da encoder: è stato possibile creare un TASK(in ambiente LabVIEW) che permette l’acquisizione del segnale da encoder con decodifica X4 in modo semplice e del tutto trasparente allo sviluppatore. E’ stato solo necessario interporre una scheda di conversione di segnale tra l’encoder e l’ingresso della NI PCI-6229, al fine di ottenere un segnale di tipo push pull compatibile con l’elettronica della scheda National Instruments.

Commenti Finali

Attraverso il Banco Prova Semiassi sono stati soddisfatti tutti i requisiti che ci si era posti al fine di collaudare semiassi e giunti omocinetici. In particolare è stato possibile simulare le condizioni di impiego limite per questa tipologia di organi meccanici in modo da potere ottenere degli indici utili per la verifica dei parametri di qualità richiesti.
Attraverso l’accoppiata software LabVIEW e le schede NI è stato possibile realizzare uno strumento efficace e robusto in piena autonomia e con relativa facilità.

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