L'obbiettivo di questo lavoro di tesi consiste nella sperimentazione di un metodo per diminuire il fenomeno di "stick-slip" nel piantaggio meccanico con interferenza. Il metodo che andremmo a sperimentare per diminuire questo fenomeno, è il "micro-hammering", che si basa sull' effettuare micro-urti sulla spina da accoppiare al foro con interferenza tramite un' attuatore piezoelettrico, in modo tale da diminuire lo "stick-slip" e di conseguenza tutti i problemi inerenti al piantaggio meccanico. Nella prima parte della tesi si spiegherà lo "stick-slip" e i motivi che ci hanno spinto alla sperimentazione della tecnica del "Micro-hammering". Nel secondo capitolo, si illustrerà il banco prova e come è stato allestito spiegando nel dettaglio i principali strumenti. Nella terza parte, si approfondisce l'hardware utile a una acquisizione dati e analizzeremo la parte software sviluppata in ambiente Labview. Infine nell'ultima parte ci si occuperà dei test effettuati, spiegando la procedura utilizzata e i dati raccolti fino a giungere alle nostre conclusioni.
Sperimentazione su “stick slip” e micro-hammering mediante piezo-attuatore e vibrometri laser in ambiente labview di marco basilici
1. UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE
MARCHE
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di laurea in Ingegneria Meccanica
SPERIMENTAZIONE SU “STICK-SLIP” E "MICRO-
HAMMERING" MEDIANTE PIEZO-ATTUATORE E
VIBROMETRI LASER IN AMBIENTE LABVIEW.
EXPERIMENTATION ABOUT "STICK-SLIP" AND
"MICRO-HAMMERING" THROUGH
PIEZO-ACTUATOR AND LASER VIBROMETERS IN
LABVIEW ENVIRONMENT.
Relatore: Tesi di laurea di:
Prof. Nicola Paone Marco Basilici
Anno accademico 2014/2015
3. 3
Sommario
L'obbiettivo di questo lavoro di tesi consiste nella sperimentazione di un metodo per
diminuire il fenomeno di "stick-slip" nel piantaggio meccanico con interferenza. Il
metodo che andremmo a sperimentare per diminuire questo fenomeno, è il "micro-
hammering", che si basa sull' effettuare micro-urti sulla spina da accoppiare al foro
con interferenza tramite un' attuatore piezoelettrico, in modo tale da diminuire lo
"stick-slip" e di conseguenza tutti i problemi inerenti al piantaggio meccanico. Nella
prima parte della tesi si spiegherà lo "stick-slip" e i motivi che ci hanno spinto alla
sperimentazione della tecnica del "Micro-hammering". Nel secondo capitolo, si
illustrerà il banco prova e come è stato allestito spiegando nel dettaglio i principali
strumenti. Nella terza parte, si approfondisce l'hardware utile a una acquisizione dati
e analizzeremo la parte software sviluppata in ambiente Labview. Infine nell'ultima
parte ci si occuperà dei test effettuati, spiegando la procedura utilizzata e i dati
raccolti fino a giungere alle nostre conclusioni.
5. 5
Capitolo 1
Stick-slip e Micro-hammering
Un gran numero di fenomeni naturali all'apparenza molto differenti, sono accomunati
del fatto che, in determinate circostanze, possono presentare dinamiche di tipo
intermittente: fasi "statiche" in cui il sistema accumula energia potenziale, si
alternano a fasi "dinamiche" in cui l'energia potenziale si trasforma in movimento.
Questi processi sono chiamati stick-slip, poiché caratterizzati da questa alternanza di
fasi di aderenza (stick) e fasi di scorrimento (slip). Esempi comuni di questo
fenomeno sono il cigolio dei cardini di una porta aperta lentamente, lo stridio che si
avverte nello spostare un tavolo o come nel nostro caso nel piantaggio meccanico.
Il sistema fisico più semplice che può presentare una dinamica di questo tipo, è
costituito da un blocco, che scivola con attrito su una superficie piana. Il blocco è
trascinato da una molla, in maniera che l'estremità libera della molla si muove a
velocità costante.
La traiettoria del blocco è una successione di fasi di aderenza e di scorrimento. Il
grafico dello spostamento x(t) della massa ci mostra le varie fasi.
Figura 1:Blocco di massa M trascinato da una molla di costante elastica k.
L'estremo libero della molla si muova a velocità costante v.
Figura 2: grafico spostamento x(t) - tempo t
6. 6
Se associamo i risultati dell'esempio alla situazione di un processo di piantaggio
meccanico si può affermare che non si possono raggiungere elevati livelli di
precisione nel posizionamento di componenti meccanici in accoppiamenti con
interferenza. Ciò si traduce in un aumento della percentuale di scarto dei prodotti e
quindi un' aumento dei costi di produzione. Il Micro-hammering è stato sviluppato al
fine di soddisfare queste richieste:
• Maggiore precisione di posizionamento.
• Eliminazione degli effetti stick-slip durante il piantaggio
• Minor stress dei componenti tramite la riduzione del carico statico
• Controllo intelligente del processo caratterizzato da elevata affidabilità
• Riduzione dell'influenza della componente elastica di deformazione sul risultato
del posizionamento.
Purtroppo non ci sono articoli scientifici che trattano questa tecnica.
Il micro-hammering come si deduce dal nome, è un azione di "micro martellamento"
del componente durante il processo di piantaggio.Tramite questa sperimentazione
andremmo a valutare se le richieste poste prima, verranno soddisfatte da questo
innovativo metodo.
Un' analogia in scala macro di movimenti per semplificare la spiegazione è quella del
martellamento di un chiodo per piantarlo nel legno.
Figura 3:Esempio in scala macro di micro-
hammering
7. 7
Capitolo 2
Banco prova
2.1Introduzione alla prova
L'idea alla base della sperimentazione è quella di misurare forza e spostamento
nell'azione di calettamento di una spina in un foro; affiancheremo alla tecnica
tradizionale, che utilizza una pressa (che può essere pneumatica, idraulica o
meccanica) per compiere il lavoro meccanico, un attuatore dinamico per la
generazione della forza impulsiva, in serie alla pressa, che fornirà una parte del
carico, in questo caso statico. Per la misura di spostamento abbiamo bisogno di un
trasduttore senza contatto, al fine di non influenzare la misura; per questo motivo
abbiamo scelto un vibrometro laser. Inoltre le grandezze in gioco sono veramente
modeste e si è reso necessaria una misura differenziale, che abbiamo realizzato con
due vibrometri laser, uno puntato sulla spina e l'altro invece sulla struttura di
supporto. Per quanto riguarda invece l'attuatore dinamico la scelta è ricaduta su un
attuatore piezoelettrico.
Il banco prova è allestito con questo schema di collegamento:
Figura 4: Schema generale del banco prova
8. 8
2.2Allestimento banco
Il banco deve permettere la corretta funzionalità di tutti i dispositivi che andiamo a
utilizzare, per questo motivo è di cruciale importanza, mostrare come è stato allestito.
La pressa Si Plan è stata integrata da un supporto in acciaio, appositamente progettato
per poter permettere la procedura di piantaggio della spina nel foro.
Come si può ben notare all'interno del supporto è stato posizionato uno specchio
necessario per puntare il fascio laser 1 sul provino maschio, e al fascio laser 2 sulla
struttura di supporto. Si può notare nella figura 5 che il supporto è stato
appositamente forato per poter permetter il passaggio del fascio laser che colpisce
direttamente il provino di nostro interesse. Con questa disposizione dei laser abbiamo
modo di poter fare una misura differenziale del provino maschio rispetto a quello
femmina fissato al supporto.
Figura 5: Banco prova
9. 9
Per ciò che riguarda la prova di "Micro-hammering", si è provveduto a istallare
l'attuatore dinamico piezo in serie con il pistone della pressa. Quindi durante la prova
mentre la pressa crea la forza costante, il piezo crea gli impulsi caratteristici della
tecnica che andiamo ad analizzare.
Figura 6: struttura di supporto
Figura 7: Piezo montato in catena con il pistone della
pressa
10. 10
2.3Provini
I provini che si andrà a utilizzare sono composti da coppie di due componenti:
Provino Maschio
Materiale: AISI 304
Provino Femmina
Materiale :AISI 304
Durante il piantaggio andranno accoppiati con
interferenza come mostrato in figura. Le
tolleranze di lavorazione garantiranno
interferenza solo nella zona finale, mentre gli
altri contatti hanno il gioco necessario per un
buon allineamento in fase di piantaggio.
Figura 9:provino femmina sezionato
parzialmente in questa illustrazione
Figura 8:provino maschio
Figura 10: Accoppiamento provini con
interferenza.
11. 11
2.4Vibrometro laser Doppler
2.4.1 Vibrometria
La vibrometria laser Doppler (LDV)(1)
basata sull’interferometria ottica viene
efficacemente impiegata per la misura e l’analisi delle vibrazioni che affliggono
componenti meccaniche e strutture di qualunque tipo. La tecnica LDV offre il
notevole vantaggio della totale assenza di intrusione nell’ambiente di misura, il quale
deve, tuttavia, garantire un adeguato accesso ottico al fascio laser. Infatti motivazioni
che hanno spinto a scegliere questo tipo di tecnologia rispetto ad altre è la futura
implementazione nel settore automotive, in cui si disporrà di minimi accessi per la
misurazione di questi fenomeni microscopici. La configurazione basilare di un
vibrometro laser è detta single-point. Essa consente misurazioni della componente
della velocità di vibrazione nella direzione del fascio laser incidente sulla struttura
vibrante. La testa laser è sensibile allo shifting in frequenza indotto dall’effetto
Doppler. La differenza, in termini di frequenza, fra il fascio laser incidente e quello
riflesso è direttamente proporzionale alla velocità di vibrazione v dell’oggetto
secondo la seguente relazione:
dove è la lunghezza d'onda. Il laser da noi utilizzato è He-Ne ( =632,8) quindi per
una misura di una velocità di 1m/s, la frequenza =4,7 1014
Hz del nostro fascio è
variata di =3.16 106
Hz. Per conoscere le informazioni sulla frequenza Doppler, si
adottano diverse configurazioni interferometriche, tra cui la più utilizzata è lo schema
di Mach-Zender.
12. 12
Figura 11: schema ottico di un single-point vibrometer Mach- Zender
La figura sopra riportata mostra il set-up sperimentale di interferometro laser utile
alla misurazione delle vibrazioni. Il fascio laser è scisso in un fascio di riferimento e
nel fascio di misura da un beam splitter. Il fascio di misura transita attraverso un
semireflecting mirror per poi essere focalizzato sull'oggetto vibrante per mezzo di
una lente focalizzatrice. Il fascio riflesso dall'oggetto vibrante è deviato dal
semireflecting mirror dopo che ha subito lo shifting Doppler e confrontato con
un fascio laser di rifermento per ottenere i nostri risultati di misura.
Invece per la misura dello spostamento ci dobbiamo affidare al conteggio del numero
N di "frange". Infatti, lo spostamento d è direttamente proporzionale al numero N
secondo questa relazione:
Ogni frangia corrisponde a uno spostamento della meta della lunghezza d'onda .
13. 13
2.4.2 Vibrometri laser utilizzati
Figura 12: Polytec Sensor head OFV300 e OFV505
Per la nostra sperimentazione sono stati impiegati due vibrometri laser, composti di
Sensor head e Controller e sono:
POLYTEC : OFV505 sensor head, OFV5000 controller
POLYTEC : OFV300 sensor head, OFV1102 controller
Figura 13: Polytec Controller OFV5000 (sopra) e OFV1102 (sotto)
14. 14
2.5Attuatore piezoelettrico
2.5.1 Introduzione
L'attuatore piezoelettrico (2)
è noto per la sua capacità di gestire movimenti
estremamente piccoli che vanno da 10 pm a 200 μm, con notevole velocità,precisione
e forza. In questo lavoro, verrà impiegato per effettuare il Micro-hammering, di cui si
è parlato in precedenza. Il fenomeno fisico che sta dietro a questo attuatore è la
piezoelettricità, un fenomeno incontrato spesso nella vita quotidiana. Ad esempio in
molti accendini a gas, la scintilla viene prodotta applicando pressione su una
piezoceramica. I primi ad osservare tale fenomeno furono Jacques e Pierre Curie nel
1890. Scoprirono che si poteva generare un potenziale elettrico applicando una
pressione su cristalli di quarzo e battezzarono il fenomeno “effetto piezo”, che in
greco significa “pressione”. Più tardi scoprirono che un materiale piezoelettrico
cambia forma se sottoposto a un campo elettrico, e chiamarono questo fenomeno
“effetto piezo inverso”. La prima applicazione commerciale di questo effetto si ebbe
nella Grande Guerra, con l’avvento dei primi sonar, ma la vera rivoluzione ci fu negli
anni quaranta, quando si scoprirono nuovi materiali con proprietà piezoelettriche più
evidenti. Da allora gli attuatori piezoelettrici hanno trasformato il mondo del
posizionamento di precisione e del controllo del movimento.
Attuatori piezoelettrici offrono all'utente numerosi benefici e vantaggi rispetto ad
altre tecniche di spostamento:
Spostamenti ripetibili di dimensioni nanometriche e sub-nanometrica ad alta
frequenza possono essere ottenuti con i dispositivi piezoelettrici perché il loro
movimento deriva dagli effetti del cristallo. Non ci sono parti in movimento
quindi nessun effetto "stick-slip".
I dispositivi piezoelettrici possono essere progettati per carichi pesanti (diverse
tonnellate) o può essere usato per carichi leggeri a frequenze oltre i 10 kHz.
I dispositivi piezoelettrici agiscono come i carichi capacitivi e richiedono
pochissima energia in funzionamento statico, semplificando le esigenze di
alimentazione.
I dispositivi di spostamento Piezo non richiedono manutenzione perché sono
allo stato solido e il loro movimento è basato su effetti molecolari all'interno
dei cristalli ferroelettrici.
15. 15
2.5.2 Piezomeccanica
La deformazione di una piezoceramica dipende principalmente dal campo elettrico
applicato (E), dalla lunghezza dell'attuatore (L), ma anche dalle forze applicate e dal
materiale usato; in ogni caso per quel che riguarda l’elongazione, il valore massimo si
aggira sul 0.2%. La legge di allungamento è la seguente:
dove è la lunghezza della ceramica a riposo.
Una ceramica PZT può sostenere
pressioni fino a 250 MPa senza
rompersi. Ciononostante, questo
valore non dovrebbe mai esser
raggiunto in applicazioni pratiche, in
quanto la depolarizzazione avviene
circa al 20-30% del limite meccanico.
Negli attuatori a pila o a più stadi
(pacchetto di dischi piezo disposti uno
sopra l'altro come in figura) si hanno
ulteriori limitazioni, e devono esser presi in
considerazione parametri come il fattore di
forma, l’instabilità, l’interazione degli
stadi, etc.
I carichi di trazione dei piezoattuatori non
precaricati sono limitati al 5-10% del limite
di compressibilità. Per di più le PZT sono
molto sensibili alle forze di taglio,che
devono essere prevenute da misure esterne
come guide flessibili o altre soluzioni.
L’elasticità del piezoattuatore è un parametro importante per calcolare la forza
sviluppabile, la frequenza di risonanza e il comportamento generale del sistema.
Essa dipende dal modulo di Young del materiale ed è generalmente espressa dalla
costante elastica kt, che descrive la deformazione del corpo in risposta ad una
sollecitazione esterna.
Figura 14:Trazione e contrazione di un disco
piezoelettrico quando viene applicata una tensione.
Notare l'effetto di deformazione laterale D è
negativa
Figura 15: Collegamento dei dischi in un' attuatore piezo a pila
16. 16
Ad ogni modo, benché è concettualmente incompleto e impreciso, il modello della
molla viene ampiamente usato e considerato sufficiente per la maggior parte dei
calcoli.
Benché i piezoattuatori vengano solitamente usati per la movimentazione, se usati in
modo controllato possono essere adoperati per sviluppare forze o pressioni come
nella nostra applicazione.
Figura 16: Forza sviluppata vs. spostamento per un piezoattuatore (corsa
30 μm, rigidità kt = 200 N/μm) alle varie tensioni operative. Le linee
tratteggiate sono le curve delle forze elastiche esterne, mentre i punti
d’intersezione, cerchiati, sono i punti di lavoro. Il lavoro massimo si fa
quando le elasticità interne ed esterne sono equivalenti.
17. 17
2.5.3 Piezo - attuatore utilizzato
Il PICA P-216.90 della PI (3)
da noi utilizzato è un esempio di un attuatore con precarico
a molla interna. Questo piezoattuatore fornisce uno spostamento di 180 micron e una
rigidità di 32 N/m. Può gestire carichi fino a 4500 N e sopportare forze di trazione a
500 N, e ha un tempo di risposta dell'ordine dei Sub - millisecondi.
Il piezoattuatore per essere operativo devi disporre di un' amplificatore, che riceve il
segnale dal sistema di controllo, amplifica il segnale e lo trasmette al piezo che si
deforma in modo proporzionale alla valore del segnale.
18. 18
Il PICA Servo Controller E-482 (4)
della PI, è l' amplificatore utilizzato per il nostro
attuatore.
19. 19
2.6 Pressa Si-Plan
La Si-Plan è una pressa pneumatica con integrata una cella universale di carico e
interamente gestita da servo controller e data acquisition con software dedicato.
Attuatore
Le specifiche :
Carico massimo : ±2kN
Carico massimo di sicurezza : ±3,5 kN
Corsa massima del pistone: ±25mm (50mm totali)
Pressione dell'aria: 6-10 bar
Figura 17: Pressa pneumatica Si-Plan
20. 20
Cella di carico
Digital controller
caratteristiche principali:
16bit input/output channels
Software operativo per controllo manuale e automatico di un singolo ciclo o
per test a fatica
Parametri di controllo in: carico, spostamento, deformazione
Include standard waveform: sine, half-sine, triangle, square, parabola
Figura 18: Cella di carico universale
21. 21
Capitolo 3
Architettura Hardware e Software
3.1Sistema DAQ
L'acquisizione dati (DAQ) (5)
è un processo per misurare un fenomeno elettrico o
fisico come la tensione, la corrente, la temperatura, la pressione o il suono. Un
sistema DAQ è formato da sensori, hardware di misura DAQ e da un computer con
software programmabile. Rispetto ai sistemi di misura tradizionali, i sistemi DAQ
basati su PC permettono di sfruttare tutte le funzioni avanzate di visualizzazione,
elaborazione, connettività e dei computer, offrendo una soluzione di misura efficace,
flessibile e potente. La struttura di un sistema di acquisizione dati è fatto in questo
modo:
Sensor:
La misura di un fenomeno fisico come la temperatura di una
stanza, l'intensità di una sorgente luminosa oppure la forza
applicata ad un oggetto, inizia con l'utilizzo di un sensore. Un
sensore, chiamato anche trasduttore, converte un fenomeno fisico in un segnale
elettrico misurabile. A seconda del tipo di sensore, l'uscita elettrica può essere
una tensione, una corrente, una resistenza o altro attributo elettrico che varia
nel tempo. Alcuni sensori potrebbero necessitare di componenti circuitali
aggiuntivi per ridurre correttamente un segnale per essere letto con accuratezza
e sicurezza da un dispositivo DAQ. Nel nostro caso i sensori sono composti dai
due Vibrometri laser Doppler (LDV).
22. 22
Actuator:
Gli attuatori sono quegli elementi che producono direttamente le azioni, sono
per cosi dire il "braccio" del sistema. Per questo rispetto ai sensori, utilizzano
un livello di potenza più elevati: quasi sempre sono alimentati da fonti di
energia separate dagli altri elementi del sistema. Solitamente questi elementi
sono gestiti tramite un segnale elettrico, che viene poi amplificato.
Nel nostro caso l'attuatore è un Piezoelettrico PI P-216.90.
DAQ Device:
Comunemente chiamate schede DAQ agisce da interfaccia tra
il computer e i segnali del mondo esterno. Le sue funzioni
principali sono:
Analog Inputs
Misura segnali analogici
Analog Outputs
Genera segnali analogici
Digital Inputs/Outputs
Misura/genera segnali digitali
Funziona come un sistema che digitalizza i segnali analogici in entrata in modo
che il computer possa interpretarli o viceversa se vengono generati dal
computer. I tre componenti fondamentali di un dispositivo DAQ utilizzati per
la misura di un segnale sono: il circuito di condizionamento del segnale, un
ADC (analog-to-digital converter) e un bus computer. La DAQ device da noi
utilizzata è :
NI DAQCard-6062E
Dotata di 16 input analogici single-ended (otto
differenziali) fornisce prestazioni fino a 500
KS/s e risoluzione a 12 bit.
23. 23
Condizionamento dei segnali.
I segnali che provengono dai sensori o esternamente potrebbero essere troppo
rumorosi o pericolosi da misurare direttamente. Il circuito di condizionamento
del segnale gestisce un segnale in modo da poterlo adattare per l'ingresso in un
ADC. Questo circuito può includere amplificazione, attenuazione, filtri e
isolamento. Alcuni dispositivi DAQ includono condizionamento del segnale
integrato per la misura di specifici tipi di sensori.
Analog-to-Digital Converter (ADC)
I segnali analogici dei sensori devono essere convertiti in digitali prima di
poter essere manipolati dai dispositivi digitali come ad esempio un computer.
Un ADC è un chip che fornisce una rappresentazione di un segnale analogico
in un determinato momento. In pratica, i segnali analogici variano
continuamente nel tempo e un ADC acquisisce "campionamenti" periodici del
segnale ad un intervallo predefinito. Questi campionamenti sono poi trasferiti
ad un computer attraverso un bus computer nel quale il segnale originale è
ricostruito dai campionamenti nel software.
Computer Bus
I dispositivi DAQ si collegano ad un computer tramite uno slot o una porta. Il
bus computer funziona da interfaccia di comunicazione tra il dispositivo DAQ
e il computer per il trasferimento delle istruzioni e dei dati misurati.
Computer e Software:
Un computer con software programmabile permette di
controllare il funzionamento dei dispositivi DAQ per la
visualizzazione, l'elaborazione e la memorizzazione dei dati di
misura. Il software applicativo semplifica l'interazione tra il computer e l'utente
per l'acquisizione,l'analisi e la presentazione dei dati misurati e anche per il
pilotaggio dei vari attuatori. Si tratta di un'applicazione pre-sviluppata con
funzioni predefinite oppure di un ambiente di programmazione per lo sviluppo
di applicazioni con funzioni personalizzate. Il software da noi utilizzato è
Labview di cui spiegheremo la programmazione successivamente.
24. 24
3.2 Acquisizione segnali
3.2.1 Programmazione in ambiente Labview
In questo paragrafo si illustrerà la realizzazione di un'acquisizione dati dei due
Vibrometri laser Doppler tramite l'interfaccia di Labview (6)
. Lo scopo è quello di
visualizzare tramite grafici i fenomeni di spostamento e velocità di un' attuatore, nel
nostro caso uno Shaker, di cui ne regoliamo i movimenti tramite altre
apparecchiature. Questa parte ci serve per costruire un'adeguata programmazione
nell'acquisizione dati da parte dei nostri sensori ottici, che poi sarà integrata nel
sistema finale per eseguire le nostre prove.
Ora andremo ad illustrare il diagramma a blocchi completato e analizzeremo le varie
parti per capire il suo funzionamento. Si possono suddividere in tre parti principali:
DAQmx - Acquisizione dati
Conversione e visualizzazione dei dati
Salvataggio dati
26. 26
3.2.1.1 DAQmx - Acquisizione dati
National Instruments mette a disposizione una libreria software chiamata
NI-DAQmx, che è un'evoluzione della libreria tradizionale NI-DAQ. La grande
utilità della libreria DAQmx è data dal fatto che le sue API (Application
Programming Interface) sono le stesse per tutte le famiglie di dispositivi della NI e
per le varie funzionalità che ogni scheda offre. Questo significa che tutte le
operazioni di ogni DAQDevice, vengono programmate con lo stesso insieme di
funzioni.
La programmazione di questa parte del diagramma a blocchi è relativa al riquadro
rosso, ma per ovvie motivazione di spazio, è stato riassunto in un Sub.VI. Ora
andremo ad analizzare ogni singola parte.
Figura 20:Libreria DAQmx
28. 28
Una cosa fondamentale per capire questa programmazione è conoscere cosa si
intende per task. Una task è una raccolta di uno o più canali virtuali con tempi,
triggering, e altre proprietà. Concettualmente, una task rappresenta una misura o la
generazione di segnale che si desidera eseguire. Tutti i canali in una task devono
essere dello stesso tipo I/O, come analog input o counter output. Tuttavia, una task
può includere canali di diversi tipi di misura, ad esempio un canale di temperatura in
ingresso analogico e un canale di tensione di ingresso analogico.
Per eseguire un'acquisizione dei segnali, bisogna attenersi alla seguente procedura:
1. Creare o caricare una task.
2. Configurare gli ingressi dei vari sensori, i tempi e infine il triggering, se
necessario.
3. Leggere i campioni acquisiti.
4. Cancellare la task.
DAQmx Create task
Questa funzione ha il compito di creare o
copiare una task. Se si specifica una task da
caricare, questo VI duplica la configurazione
della task specificata.
DAQmx Create virtual channel
Questa funzione crea un canale virtuale e
lo aggiunge a un task. Nel nostro caso
noi abbiamo quattro ingressi di tensione
analogici:
1. Displecement OFV300
2. Displecement OFV505
3. Velocity OFV300
4. Velocity OFV505
Gli ingressi del "Create Virtual Channel" differiscono per ogni istanza della funzione.
In questo caso viene utilizzato solo la voce "AI Voltage", in quanto permette di
acquisire segnali di tensione analogici. Con questo settaggio è necessario definire
il numero minimo e massimo del valore atteso in ingresso (+5,-5), la configurazione
dei terminali (pseudodifferenziale) e l'unità di misura (Volt).
29. 29
Property node DAQmx Channel
Questa property node è impostata
per scegliere il tipo di coupling.
Ovvero se AC o DC. Coupling
AC è utile perché la componente
continua di un segnale e agisce
come un offset di tensione, quindi
con la rimozione di questa parte
di segnale si può aumentare la
risoluzione dei segnali. Invece coupling DC consente hai segnali CA e CC di passare
attraverso la connessione quindi non filtra nessuna parte del segnale. Nel nostro caso
abbiamo optato per il DC per necessità di leggere anche segnali continui.
DAQmx Timing
Questo blocco serve per configurare il
numero di campioni da acquisire o generare,
e crea un buffer quando necessario. La voce,
per questa funzione, adottata in questa tesi è
il "Sample Clock". Attraverso questa é
possibile stabilire la frequenza e la modalità
di campionamento (continuo,finito), il numero di campioni da acquisire e il fronte
attivo del Sample Clock (rising, falling). Come opzione si può definire anche la
sorgente del clock; se questo ingresso rimane scollegato, viene usato, di default,
quello interno del dispositivo.
DAQmx Start task
Il blocco "NI-DAQmx Start Task" fa
transitare la task allo stato di esecuzione.
In questa fase viene eseguita l'acquisizione
dati o la generazione.
30. 30
DAQmx Read
La funzione "NI-DAQmx Read" legge
i campioni dalla task di acquisizione
specificata. Permette di scegliere il
formato dei dati, ad esempio un array
piuttosto che una "LabView Waveform", quanti campioni acquisire alla volta, e se
leggere da uno o più canali.
DAQmx Clear task
Questo blocco cancella la task. Se questo è in
esecuzione, la funzione arresta prima la task e poi
rilascia tutte le sue risorse. Una volta che è stato
cancellato, non può essere utilizzato. Per le
operazioni continue, questa funzione dovrebbe essere usata per fermare l'acquisizione
o la generazione.
3.2.1.2 Conversione e visualizzazione dati
Figura 22: Block diagram per conversione e visualizzazione dei dati
31. 31
In questa parte del block diagram si va convertire i dati in Volt nell'unità di misura
del fenomeno e si va a visualizzare tramite grafici i dati acquisiti. Il procedimento che
segue:
1. Smistamento
Dovendo acquisire 4segnali, avremo in uscita
dal "DAQmx Read" un' array formata da 4
righe ogni una contenente i valori in Volt di
ogni uscita. In questa "Index array" avviene
lo smistamento dei dati acquisiti, attraverso
la numerazione partendo dalla riga "0" fino
alla "3".
2. Conversione e visualizzazione
Dopo essere stati smistati, i dati vengono moltiplicati per una scala (che
leggiamo sul controller del sensore), in modo tale da ottenere i valori
campione per campione della nostra misura. I dati poi vengono mandati
hai grafici visualizzati sul "Panel control" di Labview.
Figura 23: Panel control
32. 32
3.2.1.3 Salvataggio dati
In questa fase finale, i dati acquisiti e visualizzati li andiamo a salvare in formato .txt
in una cartella, attraverso queste fasi:
1. Start Acquisition
Premere il tasto di salvataggio (start Acqusition) sul panel control in
modo tale da far avviare il procedimento di salvataggio tramite il "case
structure".
2. Costruzione Array
Tramite una "Build Array" i dati
prima separati vengo raggruppati
in un'unica array.
3. Salvataggio in file path
Servendoci di un "Write to spreadsheet file"
si va a salvare il file con i dati nella cartella
indicata sul panel control.
Figura 24: Block diagram riferito al salvataggio dati
33. 33
3.2.2 Prova acquisizione allo Shaker
In questo semplice esempio si realizza un'applicazione della programmazione prima
illustrata , e consiste in un test di acquisizione dati. La prova a come scopo misurare
lo spostamento e velocità generato da uno Shaker, prima con la testa laser OFV300 e
poi con OFV505 e verificare se misurano entrambi lo stesso fenomeno in modo
corretto.
Lo shaker viene pilotato a 10 Hz con un segnale sinusoidale, per entrambe le prove
dei due vibrometri.
Prova Acquisizione dati con OFV300.
34. 34
Prova Acquisizione dati con OFV505.
La differenza tra i due vibrometri laser come si nota è riguardante lo spostamento,
invece riguardo alla velocità, si ha risultati più che accettabili. Si può notare che
OFV300 che è anche il vibrometro più datato, misura sempre la stessa ampiezza di
segnale del OFV505 ma con un offset dato da disturbi dello strumento stesso. Quindi
le conclusioni a cui si può giungere: I dati acquisiti dai due sensori sono accettabili,
per quanto riguarda il disturbo di offset del OFV300 è facilmente risolubile tramite
software.
35. 35
3.3Output segnale
3.3.1 Programmazione in ambiente Labview
Questa parte di lavoro di tesi, è incentrata nella programmazione per azionare il piez-
attuatore. Come per l'acquisione dati la NI Istruments ci mette a disposizione la già
conosciuta libreria DAQmx, che ciconsentira di inviare segnali in tensione al nostro
piezo.Particolare attenzione dovra essere fatta al non inviare tensione negative perchè
danneggerebbero l'attuatore.
Come per l'acquisizione dati anche qui bisogna eseguire una procedura simile:
1. Creare o caricare una task.
2. Configurare l' uscita in cui collegare l'attuatore, e i tempi.
3. Inviare i campioni di segnali impostati.
4. Cancellare la task.
Andiamo a analizzare nel dettaglio le varie parti che risultano differenti
dall'acquisione dati:
Flat sequence structure
Come si nota dal block diagram l'intera programmazione è
racchiusa in questa struttura. Consiste in uno o più
sottodiagrammi, che si eseguono in sequenza. Si usa la Flat
sequence per eseguire un'operazione prima o dopo un'altra.
Nel nostro caso è utilizzata per far partire con un ritardo di
500 millisec l'azionamento dell'attuatore.
DAQmx Create virtual channel
Questa funzione crea un canale virtuale e
lo aggiunge a un task. Nel nostro caso
noi abbiamo un' uscita di tensione
analogico. In questo caso a differenza
dell'acquisizione dati si imposta la voce
"AO Voltage", in quanto permette di
inviare segnali di tensione analogici. Con
questo settaggio è necessario definire il
numero minimo e massimo di tensione di pilotaggio (+10,-10), e l'unità di misura
(Volt).
37. 37
DAQmx Write
La funzione "NI-DAQmx Write" scrive i campioni nella task o virtual channel
specificata. In questo caso i dati sono in ingresso nella funzione perché siamo
noi a impostare una "waveform" di comando.
Sine Waveform
Genera una "waveform" di tipo
sinusoidale che andrà a collegarsi ai dati
in ingresso nella "DAQmx Write".
DAQmx Is Task Done
Interroga lo stato dell'attività e indica se
ha completato l'esecuzione. Utile per far
terminare l'esecuzione del segnale in
uscita a una tensione nulla.
DAQmx Stop Task
Questa funzione serve per arrestare la task
e riportarlo allo stato in cui era prima
dell'esecuzione.
38. 38
3.3.2 Prova Output
Effettuata la programmazione andiamo a verificare l'effettivo funzionamento. Per la
nostra prova utilizzeremo il piezoattuatore che dovremmo utilizzare e verificheremo
se il segnale da noi comandato, venga inviato allo strumento in modo corretto e lo
faremo grazie al canali di monitoraggio di cui è dotato il nostro attuatore.
La prova sarà costituita da l'invio di un segnale:
sinusoidale
offset di 1,5
ampiezza 1,5
frequenza di 20 Hz.
Abbiamo creato un output di questo genere con offset uguale all'ampiezza perché il
piezo non può essere pilotato a tensione negative (o per lo meno non a queste
ampiezze).
Figura 26: Grafico del output inviato all'attuatore
39. 39
L'output che è stato misurato arrivare effettivamente al piezo è quello sottostante.
Si può quindi concludere che come si può ben notare non si hanno errori e che ciò
che noi chiediamo al nostro attuatore avviene correttamente.
Figura 27:Grafico della misura dell'effettivo output ricevuto dall'attuatore
40. 40
Capitolo 4
Prova di piantaggio
4.1Procedimento Test
Andiamo ad illustrare la procedura suddividendola in 5 categorie:
1) Clean
2) Assembly
3) Warm-up
4) Setting
5) Run :
Statico
Dinamico
Entriamo nel dettaglio delle categorie:
Clean
1) Pulire per 10 min in bagno sonico di acetone il provino maschio e
femmina. Per i test sono stati provati due differenti tipi : acetone e
acetone+etanolo
Assembly
2) Prima di tutto se il test è dinamico bisogna montare sul pistone della
pressa il piezo-attuatore, viceversa se è un test statico bisogna montare la
testina a sfera
Warm-up
3) Allineamento assiale
Il supporto in acciaio nella zona di appoggio del provino è dotato di una
flangia mobile che permette l'allineamento del provino di centraggio
(cilindro con misure esterne identiche al provino test) con l'asse del
pistone.
In questa fase si fa scendere il pistone della pressa lentamente dando la
possibilità di centrare il sistema, poi si assicura la piastra tirando le viti.
41. 41
Questo per evitare problemi di disallineamento che causerebbero forze
perpendicolari all'asse di piantaggio e quindi problemi di rottura per il
piezo e anche errori di misura della forza perché la cella di carico è
sensibile solo a forze assiali.
4) Warm-up test
In questa fase collaudiamo e controlliamo che tutti gli strumenti
funzionino senza problemi. Si simula il test sul provino di centraggio
dando quindi una spinta costante ma in modulo molto minore a quella
che sarà effettivamente e si controlla che gli strumenti e l'acquisizione
dati funzioni per il meglio, senza errori. Se il test è dinamico si controlla
anche che il piezo-attuatore risponda correttamente.
Setting
5) Posizionamento provino test
Se il warm-up non ha dato problemi si passa a togliere il provino di
centraggio e posizionare il provino test. Il provino test, che è stato già
precedentemente lavato, non può essere afferrato a mani nude perche il
sudore corporeo creerebbe una variabile di lubrificazione per ogni
differente coppia di provini, quindi dopo avere indossato i guanti di
cotone si possono posizionare.
6) Setting panel control
Sul l'interfaccia panel control di labview andiamo a impostare prima di
tutto il sample rate e sample number poi le scale di misura e range dei
vibrometri (si fa un riscontro anche sui controller dei relativi vibrometri)
cosi da ottenere una buona risoluzione dei dati e infine impostiamo la
cartella di salvataggio. Se il test è dinamico inseriamo anche i dati di
ampiezza,offset e frequenza a cui deve lavorare il piezo.
7) Setting Vibrometri e Si-plan
In questo step, si porta a contatto la pressa con il provino test, dando un
lieve carico per assicurare una stabilità iniziale e si azzera la misura di
forza dalla postazione della Si-plan. Si può procedere a fare la messa a
fuoco dei vibrometri per massimizzare il segnale di ritorno e la
successivo azzeramento di posizione tramite il pulsante sui relativi
controller.
42. 42
Run Statico
8) Restare fermi
Dopo che abbiamo azzerato i vibrometri bisogna evitare di fare passi,
perché abbiamo notato una sensibilità dei vibrometri agli spostamenti del
pavimento dovuti ai passi. Quindi per evitare la contaminazione della
prova bisogna fare attenzione a non muoversi.
9) Start acquisizione labview
Si fa partire l'acquisizione dati dei vibrometri come pre impostato da 25
secondi, più che sufficiente per misurare l'intera prova.
10)Start acquisizione Si-plan
Avvio acquisizione dati della postazione Si-plan quindi della cella di
carico e dello spostamento del pistone.
11)Start Pressa
Si manda in esecuzione la pressa dandogli uno spostamento tale da
eseguire l'intero piantaggio.
Run Dinamico
8) Restare fermi
Dopo che abbiamo azzerato i vibrometri bisogna evitare di fare passi,
perché abbiamo notato una sensibilità dei vibrometri agli spostamenti del
pavimento dovuti ai passi. Quindi per evitare la contaminazione della
prova bisogna fare attenzione a non muoversi.
9)Start acquisizione Si-plan
Avvio acquisizione dati della postazione Si-plan quindi della cella di
carico e dello spostamento del pistone.
10)Start acquisizione labview e Piezo-attuatore
Si fa partire l'acquisizione dati dei vibrometri e automaticamente con un
ritardo di mezzo secondo si avvia il piezo. L'acquisizione e il piezo
lavorano per un tempo finito di 25 secondi, più che sufficiente per
misurare l'intera prova.
11)Start Pressa
Si manda in esecuzione la pressa dandogli uno spostamento tale da
eseguire l'intero piantaggio.
43. 43
4.2Improving
Prima di iniziare a fare i test preliminari abbiamo effettuato prove a vuoto sul provino
di centraggio per verificare se si dovesse operare accortezze nella prova o qualche
miglioramento.
Filtro vibrometri laser
Operando sul provino di centraggio, applicando lievi pressioni abbiamo
definito se operare con filtri o meno sui vibrometri.
Quindi analizzando i dati raccolti sullo spostamento relativo, abbiamo notato
che impostare filtri nei relativi controller ha un' effetto rilevante SNR. Volendo
eliminare quanti più disturbi possibili abbiamo impostato :
1. Slow-5 kHz per OFV300
2. Fast-20 kHz per OFV505
Disturbi dei passi
Altro fattore che siamo andati a
prendere in considerazione erano i
disturbi casuali che si riscontravano in
alcune prove, quindi effettuando
acquisizioni a prova ferma abbiamo
notato che i nostri passi fatti nella
stanza venivano percepiti dai nostri
sensori ottici, come si può anche notare
dal grafico accanto. Quindi nei test
bisogna assicurarsi di restare immobili.
Figura 28: Misure di spostamento raccolte con e senza filtro
44. 44
Miglioramento risoluzione
Un' accortezza molto importante è quella di migliorare il più possibile la
risoluzioni dei dati di spostamento, inserendo dei range in cui rientra il segnale,
in modo di riuscire a visualizzare anche i fenomeni più piccoli di "stick-slip".
Questo perche lo spostamento del provino è controllato da noi tramite la
pressa, allora imponendo lo spostamento massimo come fondo scala
otteniamo una risoluzione più elevata rispetto al lavorare con il range dinamico
massimo dello strumento.
Questa modifica si è attuata lavorando in labview nella zona di acquisizione
dati, dove viene effettuata la trasformazione da A/D in cui il range dinamico
(fondo scala) viene suddiviso in un numero Q di "quanti" o intervalli che
dipende dal numero di bit della scheda di acquisizione.
Dove
FS: fondo scala, cioè il range dinamico impostato
: Stati rappresentabili con N bit
Le possibilità che abbiamo quindi per rendere questi "quanti" i più piccoli
possibili sono:
1. Lavorare con schede di acquisizione con molti bit
2. Selezionare il FS migliore tra quelli selezionabili per la scheda in modo
da ridistribuire i bit in un range minore.
Però noi avendo già una scheda di acquisizione da 12 bit, l'unica cosa che
possiamo variare è il fondo scala.
Operativamente noi abbiamo creato un block diagram in labview che a seconda
del fondo scala impostato va a immettere nella DAQmx create virtual channel,
più precisamente nel maximum e minimun value, dei valori massimi e minimi
in Volt che rappresenta il corrispettivo range dinamico impostato.
45. 45
Con questa soluzione abbiamo ottenuto una risoluzione come sotto indicato:
OFV300
Questo vibrometro che misura lo spostamento del supporto abbiamo un fondo scala
positivo molto piccolo di 40 µm e impostato il vibrometro con una scale di 8[µm/V]
quindi:
Max e min value [V] : +5 , -5
Range dinamico [V] : 10
Scale OFV300 [µm/V] : 8
Range dinamico [µm] : 80
OFV505
Questo vibrometro che misura lo spostamento del provino maschio abbiamo un fondo
scala positivo di 5100 µm cioè lo spostamento che avviene nel piantaggio e una scale
di 640[µm/V] quindi:
Max e min value [V] : +10 , -10 (valori massimi della scheda)
Range dinamico [V] : 20
Scale OFV300 [µm/V] : 640
Range dinamico [µm] : 12800
46. 46
4.3Test
Il test sarà effettuato su 10 coppie di provini con accoppiamenti con diversi gradi di
interferenza.
Le prime 5 coppie di provini sono stati impiegati per il test statico e i secondi 5 per il
test dinamico.
Test statico
Effettuati secondo la procedura, abbiamo malgrado per errore perso una coppia
ma abbiamo comunque ottenuto dei risultati caratteristici dalle rimanenti
coppie che mostrerò qui di seguito.
47. 47
Come si nota facilmente, tutti i grafici presentano dei picchi o spostamenti repentini
all'inizio della prova, questo è dovuto al fatto che la pressa Si- plan quando
comandata con un ciclo automatico, fa un colpo iniziale e cioè ci sottrae una parte
dello spostamento utile, quindi queste prove si sono rivelate utili per migliorare
questo aspetto del funzionamento della pressa. Dal altra parte questo colpo iniziale
risulta molto utile per allineare le diverse storie temporali, ma in metodi diversi anche
eliminando il colpo si riesce a allineare le storie temporali delle due postazioni di
acquisizione e quindi guadagnare spostamento utile da analizzare.
Un'altro aspetto da sottolineare nelle prove sono la non rilevante presenza del
fenomeno di "stick-slip" come si può vedere meglio nel grafico sottostante.
48. 48
Nel post processing con i dati raccolti si è creato la curva forza- spostamento, molto
utile per calcolare il lavoro complessivo per realizzare il piantaggio. Qui di seguito
troviamo tutte le curve a confronto.
Come facilmente si nota si dividono in due gruppi, questo è dovuto al fatto
dell'incidenza del tipo di lavaggio che hanno ricevuto. Le coppie M6-F6 e M9-F4
sono state ripulite con un lavaggio in acetone mentre i restanti in acetone+etanolo,
questo fattore è importante per definire che il lavaggio in acetone da risultati migliori
visto il notevole aumento di attrito e quindi di forza.
Altro punto su cui porre l'attenzione è il fondo scala di forza a 3500 N perché è il
carico massimo di sicurezza che raggiunge la pressa.
49. 49
Test Dinamico
Il test sulle 5 coppie è stata affrontata oltre che con diversi gradi di interferenza
anche con diversi modi di pilotare il piezo-attuatore.
Il piezo per le diverse coppie a lavorato con queste frequenze e ampiezze
seguendo sempre un segnale sinusoidale con offset pari all'ampiezza.
M5-F7: f=20 Hz, Vpp=2 V,
M4-F8: f=20 Hz, Vpp=3 V
M3-F3: f=20 Hz, Vpp=3V
M2-F2: f=20 Hz, Vpp=2V
M1-F10: f=10 Hz, Vpp=2V
Da questi risultati la prima curva a saltare all'occhio è il trend più elevato del M5-F7.
Questo è dovuto non al diverso tipo di lavaggio perché queste coppie sono state
lavate tutte in acetone ma dal tempo passato dal lavaggio alla messa in opera ovvero
mentre gli altri sono stati lavati e utilizzati per il test, la coppia M5-F7 è stata lavata e
utilizzata 20 giorni dopo, questo a verificare l'influenza del tempo trascorso dal
lavaggio.
50. 50
Da porre attenzione in queste condizioni (basse frequenze e ampiezze ) alla capacità
della cella di carico di seguire la variazione di carico e della capacità della pressa di
non distaccarsi dal provino provocando solo urti senza spinta statica.
Per evidenziare le differenze tra test statico e test dinamico si è deciso di valutare
tramite la differenza di energia cioè lavoro impiegato al variare dell'interferenza.
Visto l'esiguo numero di provini non si può determinare un trend, ma a eccezione
della coppia M5-F7 si nota una diminuzione significativa dell'energia per il
piantaggio tramite Micro-hammering, risultato che fa ben pensare per i futuri test.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0,0065 0,007 0,0075 0,008 0,0085 0,009 0,0095 0,01
Energy[J]
Interference [mm]
Riepilogo Prove
Cost
10 Hz
20 Hz
51. 51
Conclusioni
Dai risultati ottenuti e analizzati in post-processing si può dedurre che attraverso
questi test preliminari bisogna correggere e fare determinata attenzione ai seguenti
fattori:
1. Il lavaggio dei provini deve essere effettuato in acetone
2. Il tempo che deve trascorrere dal lavaggio alla messa in opera del provino deve
essere breve e costante per tutti i provini.
3. Lavorare con impostazioni manuali di spostamento del pistone per evitare il
colpo iniziale.
Dopo aver analizzato e valutato questi test preliminari, abbiamo catalogato le
variabili da affrontare, in questo modo possiamo definire una campagna test adatta a
provare statisticamente l'effettiva validità del "micro-hammering". Le variabili che
abbiamo in gioco si possono suddividere in 3 categorie:
Geometria dei provini
interferenza di accoppiamento
lunghezza di contatto dell'accoppiamento
Materiale
Modulo di Yang
Coefficiente di Poisson
Carico
Carico statico
Carico impulsivo
Frequenza del carico impulsivo
Rapporto tra carico statico e impulsivo
Avendo a che fare con cosi tante variabili ci siamo affidati a una tecnica di
sperimentazione la "Design of Experiments tecniche" (DOE) che consente ai
progettisti di determinare contemporaneamente gli effetti individuali e interattivi di
52. 52
molti fattori che potrebbero influenzare i risultati di qualsiasi progetto. DOE fornisce
anche una visione completa di interazione fra gli elementi di progettazione .
Considerazioni da fare per migliorare la prova sono:
1. Bisogna avere un' assoluto controllo dell'interferenza in modo da eliminare
questa variabile
2. Aumentare il grado di interferenza e diminuire la corsa del piantaggio.
53. 53
Bibliografia
1. P.castellini,G.M. Revel,E.P Tomasini. In An introduction to optoelectronic sensors
(p. 1-5). Dipartimento di Meccanica Università degli studi di Ancona.
2. (s.d.). PI Tutorial. Tratto il giorno giugno 2015 da PI : http://www.pi-
usa.us/tutorial/4_4.html
3. (s.d.). P-216 PICA Power Piezo Actuator. Tratto il giorno giugno 2015 da PI:
http://www.physikinstrumente.com/product-detail-page/p-216-101555.html
4. (s.d.). E-482 PICA High-Power Piezo Driver / Servo Controller. Tratto il giorno
Giugno 2015 da PI: http://www.physikinstrumente.com/product-detail-page/e-482-
601655.html
5. (s.d.). Che cosa è l'acquisizione dati. Tratto il giorno giugno 2015 da National
Istruments: http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/i/
6. (s.d.). Labview Help.