Banco prova tastatori per volanti automobilistici

Author(s):
G. Desiderio - ARTS
C. Campenni - ARTS
G. Merlo - KSS ITALIA

Industry:
Automotive

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
Progettare e realizzare un banco-test per i comandi presenti su volanti automobilistici, in grado di monitorare l’affidabilità meccanica ed elettronica a condizioni “misurabili e ripetibili”, al fine di rispondere alle rigorose procedure di test richieste dalle diverse case auomobilistiche.

The Solution:
Banco-prova basato sull’utilizzo di motori passo-passo e di celle di carico in grado di garantire l’intero ciclo di test e di monitorare le relative misure di caratterizzazione della sollecitazione (forza, temperatura, numero di cicli) e le misure di caratterizzazione dei dispositivi sotto test

Breve riassunto
E’ stato realizzato un banco-prova finalizzato a verificare il funzionamento meccanico ed elettronico dei comandi presenti su volanti automobilistici. Il banco-prova è stato realizzato in modo da essere conforme alle procedure di test fornite dalle differenti case automobilistiche, in termini di attuazione, controllo e misura.
L’architettura hardware del banco-prova utilizza celle di carico per la parte di misura, motori passo-passo per la generazione del movimento, una opportuna fixture per l’alloggiamento del volante, un sistema di acquisizione basato su architettura PC-based al quale affidare le attività di configurazione che di esecuzione della prova.

Articolo

Una delle maggiori novità che si stanno riscontrando negli ultimi anni nel settore automobilistico è la disposizione sul volante di una serie di comandi, al fine di ottenere una serie di vantaggi, primo fra tutti quelli relativi alla sicurezza.
Tale novità ha comportato, da parte delle aziende produttrici di volanti, una drastica modifica delle attività di verifica dei prodotti, che non sono più limitate ad un controllo di qualità manuale del prodotto, ma comportano la necessità di effettuare test rigorosi di funzionamento, sia di natura meccanica che elettronica.
La KSS ITALIA ha oggi l’esigenza di testare le prestazioni dei pulsanti di comando posti sui volanti secondo protocolli di prova forniti dalle stesse case automobilistiche. I protocolli di test risultano particolarmente rigorosi in quanto specificano in dettaglio non solo le modalità di esecuzione di cicli ripetuti di tastatura, ma richiedono che tali cicli siano svolti in condizioni “ripetibili” che comportano il monitoraggio e il controllo della forza massima da esercitare e le condizioni climatiche alle quali viene svolta la prova.
Sulla base delle esigenze descritte la ARTS, in collaborazione con la KSS ITALIA, ha realizzato un banco-prova, basato su motori passo-passo e su celle di carico. Il sistema di acquisizione delle misure è stato realizzato utilizzando una scheda multifunzione National Instruments. Il software di acquisizione, realizzato con LabVIEW, ha consentito di poter gestire l’intero ciclo di test e di monitorare le relative acquisizioni. (Fig.1)
La soluzione proposta si è rilevata nettamente più economica, ma comunque affidabile, di altre soluzioni che ipotizzavano l’utilizzo di motori lineari. La flessibilità introdotta dall’impiego di una scheda multifunzione ha consentito di effettuare contemporaneamente, su un massimo di 5 pulsanti, misure di caratterizzazione della sollecitazione (forza, temperatura, numero di cicli) e misure di caratterizzazione dei dispositivi sotto test (caduta di tensione ai contatti dei pulsanti, potenziale elettrico imposto ai capi dei contatti ) .
Il banco-prova realizzato è stato realizzato in modo da essere perfettamente rispondente alle esigenze disposte dalle specifiche di test, in termini di attuazione, controllo e misura. Inoltre essendo basata su un’architettura software-oriented consente di poter essere dimensionato sulla base delle procedure di test fornite dalle differenti case automobilistiche.
L’architettura hardware del banco-prova è composta da:
 sei sensori, relativi alle cinque celle di carico complete di elettronica di condizionamento e alla termocoppia K
 cinque attuatori, relativi ai motori passo-passo completi di elettronica di controllo dotata di porta RS485 per la comunicazione
 la fixture per l’alloggiamento del volante opportunamente realizzata per rendere agevole il sostegno ed il posizionamento dei blocchi motore-cella sui pulsanti da provare, indipendentemente dalla posizione dei comandi sul volante
 il generatore di corrente da applicare ai morsetti dei tasti per la misura di caduta di tensione ai contatti
 l’unità di acquisizione e controllo basato su architettura PC-based (PC Pentium con MS Windows XP), con una scheda NI-6224, modulo di condizionamento per l’acquisizione del segnale della tensione del generatore, il modulo di condizionamento per la termocoppia, i cinque moduli di condizionamento per celle di carico, le 5 unità di controllo per motori passo-passo, un convertitore RS232/RS485 per il collegamento alle elettroniche di controllo motore
Il funzionamento del banco-prova risulta essere particolarmente innovativo. La sollecitazione è trasmessa ai pulsanti tramite motori passo-passo, di cui è possibile definire la corsa massima e il ciclo di funzionamento; in funzione della corsa massima è possibile definire la forza che viene esercitata sul pulsante. La forza massima esercitabile dal motore selezionato è funzione della velocità in step secondo una curva data.(Fig. 2)
La caratterizzazione dei sensori è stata effettuata attraverso prove preliminari, anche nella camera climatica del laboratorio prove della KSS ITALIA, per qualificare l’uso di motori passo-passo e le celle di carico come coppia attuatore-sensore da utilizzare per la realizzazione del banco. (Fig.3)
Il banco prova è stato dotato di una termocoppia di riferimento in modo da effettuare una compensazione via software della lettura del segnale della cella di carico. L’informazione di temperatura è registrata anche nel report delle prove.
I segnali provenienti dalle celle di carico sono acquisiti da una scheda National Instruments PCI 6224 installata sul PC di gestione del banco. Tale scheda acquisisce inoltre i segnali dati dai contatti dei pulsanti a cui è collegata una tensione generata dal Generatore esterno.
Ogni motore è stato dotato di un proprio modulo elettronico di azionamento; ciascun azionamento è dotato di porta RS485. In questo modo il PC di gestione della prova colloquia con tutti gli azionamenti tramite un'unica porta seriale RS232 a cui è connesso un convertitore RS232/485.
L’elettronica del banco è stata alloggiata in un box in resina, disposto all’esterno della camera climatica, e connesso al PC tramite cavo RS232 e cavo National Instruments. Anche l’alimentazione è stata posizionata al di fuori dalla camera climatica.
L’applicativo software che gestite la prova guida l’operatore sia nelle operazioni di configurazione che di esecuzione della prova. Nella fase di configurazione si procede prevalentemente alla definizione dei parametri di corsa, velocità, duty-cicle e numero di cicli da effettuare. Il settaggio viene effettuato una volta che la temperatura a cui svolgere la prova si sia stabilizzata in un range di ± 1°C rispetto al valore medio delle letture.
Durante la prova il Software verifica che il segnale di contatto chiuso/aperto sia variabile, segua il duty cicle impostato ed abbia una caduta di tensione non superiore ad una soglia di accettazione. Se il segnale si blocca in uno dei due stati o la caduta di tensione dovesse aumentare, il sistema provvede a segnalare un allarme di tasto bloccato e ferma il motore corrispondente.
Al termine della prova il sistema provvede a registrare l’andamento dei segnali e a generare un Test report della prova, che integra sia i dati misurati che le condizioni alle quali la prova è stata effettuata in modo da essere rispondente alle esigenze delle case automobilistiche.

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