Selezione moto-riduttore per calibrazione torsiometri con carichi statici

Smez22

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#1
Salve a tutti, sono un tirocinante presso un azienda che produce torsiometri per rilevazioni dinamiche della coppia.

Devo modificare un banco per prova e calibrazione di torsiometri, la cui attuazione della coppia attualmente avviene tramite il controllo manuale di un attuatore oleodinamico.

Il mio obiettivo è automatizzare il processo di applicazione della coppia tramite un motoriduttore e un sistema di controllo della coppia in uscita dal riduttore.
Vi scrivo poiché avrei bisogno di un aiuto nella selezione del motoriduttore adeguato alle mie necessità.

I dati di interesse sono i seguenti:
  • Coppia nominale in uscita dall’albero del riduttore 3500 Nm
  • Sistema motoriduttore ad assi ortogonali
  • Motore elettrico preferibilmente Brushless (precisione nel controllo di coppia piuttosto che di posizione) con scheda di controllo dedicata
Ho un quesito a cui non riesco a venir a capo: dovendo applicare, durante la taratura, la massima coppia a motore fermo, come posso dimensionare il riduttore avendo velocità nulla in uscita dal riduttore?

In allegato vi mando uno schema del sistema che devo realizzare.

Grazie mille a chi mi aiuterà.
 

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#2
La cosa migliore è che prendi un riduttore rossi o Bonfiglioli e ti fai assistere da un loro tecnico, così ti levi tutti i dubbi.
Se la coppia massima ce l'hai a velocità nulla occorre un dimensionamento del riduttore statico. Vai sul configuratore della rossi sul sito e prova a smanettare.
Il rapporto di riduzione lo scegli in funzione della coppia che vuoi dare sull'asse di uscita in funzione del regime di rotazione.

Comunque sui cataloghi c'è riportata la coppia in uscita....e quella è. Poi se stai fermo non devi verificare la capacità termica del riduttore. Quindi ti consiglio un riduttore epicicloidale con il massimo rendimento e minori giochi possibili.
 

exxon

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#3
Anche secondo me il riduttore ad assi ortogonali non è la scelta migliore. Il problema è l'attrito di primo distacco che renderebbe impossibile regolare finemente la coppia in uscita e manderebbe in instabilità un eventuale controllo retroazionato.

Se la coppia è da applicare a velocità di rotazione nulla, l'utilizzo di un motore con riduttore è una pessima scelta.
 

Smez22

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#4
Grazie mille delle risposte.
Se l'utilizzi di un riduttore è una pessima scelta, che altro attuatore potrei scegliere?
 

exxon

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#5
Se devi applicare un momento a velocità zero, il tutto si riduce ad applicare una forza (o una coppia di forze).

Il metodo che assicura la maggior precisione è tramite una molla compressa o allungata con retroazione tramite cella di carico (un po' come viene fatto nelle macchine per le prove di trazione). Il movimento lineare lo puoi fare con una vite a circolazione di sfere e relativo servomotore.

Altra soluzione e tramite una molla di torsione, e a questo punto puoi utilizzare il motore con il motoriduttore epicicloidale, ma l'applicazione della cella di carico per la retroazione è molto più complessa.

In entrambi i casi, la coppia applicata varia con lo spostamento del motore e risulta facilmente controllabile.
 
Ultima modifica:
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#6
Io ho fatto un banco di taratura di frizioni industriali e ho realizzato praticamente l'attrezzatura che tu hai indicato: motore, riduttore, frizione, estremità fissa.
Semplicemente con l'encoder sul motore gestisco coppia e angolo. A dire il vero essendo coppie alte sopra i 500Nm sto usando un motore asincrono trifase.
 

cacciatorino

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#7
Anche io userei un sistema biella manovella con cella di carico. Secondo me la procedura di misurare la coppia applicata tramite la scheda di controllo assi del motore ha un margine di errore molto superiore a quello dello strumento che si vuole tarare, e inoltre più la catena cinematica è lunga più si introducono variabili impossibili da controllare (cioè dici al motore di applicare una certa coppia ma hai poi un'idea molto vaga di quanta ne arriverà realmente al torsiometro).
La tua macchina di prova dovrebbe avere un'accuratezza almeno dieci volte superiore a quella dello strumento che stai tarando, io partirei da questa considerazione per progettare il tutto.
 
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#8
Sinceramente che un banco prova di torsione venga realizzato con un cilindro idraulico che non ruota e una leva a braccio costante, con il "problema" che il seno dell'angolo è quasi nullo (cateto quasi uguale all'ipotenusa) e quindi il braccio quasi non varia e che gli attriti del pistone sono bassi lo reputo abbastanza preciso quanto un riduttore epicicloidale con rendimento noto e un motore retroazionato. Comunque sono obbligato una volta montato il tutto, prendere un oggetto campione e verificare la taratura della macchina.
IMG_20190214_071813.jpg
Spesso negli impianti che realizzo ci sono bilance che pesano tonnellate e una volta installate le bilance vanno tarate con i pesi campione....quindi....nulla di strano.
 

cacciatorino

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#9
Sinceramente che un banco prova di torsione venga realizzato con un cilindro idraulico che non ruota e una leva a braccio costante, con il "problema" che il seno dell'angolo è quasi nullo (cateto quasi uguale all'ipotenusa) e quindi il braccio quasi non varia e che gli attriti del pistone sono bassi lo reputo abbastanza preciso quanto un riduttore epicicloidale con rendimento noto e un motore retroazionato. Comunque sono obbligato una volta montato il tutto, prendere un oggetto campione e verificare la taratura della macchina.

Spesso negli impianti che realizzo ci sono bilance che pesano tonnellate e una volta installate le bilance vanno tarate con i pesi campione....quindi....nulla di strano.
Beh dipende dove metti la cella di carico: se la posizioni molto vicino al carico resistente puoi fregartene di tutto quanto succede a monte.

Poi dipende anche da quanto sono i carichi da imporre allo strumento da tarare: la difficolta' e' quando i carichi sono piccoli piuttosto che quando sono grandi, per via del rapporto segnale/rumore.
 

exxon

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#10
Beh dipende dove metti la cella di carico: se la posizioni molto vicino al carico resistente puoi fregartene di tutto quanto succede a monte.
Non proprio. Il problema deriva dalla staticità del riduttore che impedisce una regolazione efficace.

Se ho il riduttore fermo, la coppia di uscita non è funzione lineare della coppia in ingresso a causa dell'attrito di primo distacco che gioca il ruolo principale. Basta pensare che se il riduttore è irreversibile, posso anche togliere completamente la coppia in ingresso e mantenere in uscita una coppia pressoché invariata.

In questa condizione, se voglio passare da una coppia T positiva a una T-dT, sempre positiva, ma leggermente inferiore, sono costretto ad applicare una coppia inversa all'ingresso del riduttore che, appena "sbloccato", vedrà la coppia in uscita crollare a zero.

Poco può fare la cella di carico all'uscita, se non chiedere al motore di invertire nuovamente la coppia, con conseguente instabilità del sistema.

E' indispensabile inserire un elemento elastico tra l'uscita del riduttore e la cella di carico che svolga la funzione di "integratore" nella funzione di trasferimento.

In questa nuova configurazione, la variabile di stato imposta dal riduttore non è più la coppia, ma la posizione angolare (che tramite l'elemento elastico viene convertita in coppia). Ecco che allora anche l'inversione di coppia con "sblocco" repentino del riduttore non comporta variazioni di posizione angolare alla sua uscita e la stabilità del sistema viene mantenuta.
 

cacciatorino

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#11
Non proprio. Il problema deriva dalla staticità del riduttore che impedisce una regolazione efficace.

Se ho il riduttore fermo, la coppia di uscita non è funzione lineare della coppia in ingresso a causa dell'attrito di primo distacco che gioca il ruolo principale. Basta pensare che se il riduttore è irreversibile, posso anche togliere completamente la coppia in ingresso e mantenere in uscita una coppia pressoché invariata.

In questa condizione, se voglio passare da una coppia T positiva a una T-dT, sempre positiva, ma leggermente inferiore, sono costretto ad applicare una coppia inversa all'ingresso del riduttore che, appena "sbloccato", vedrà la coppia in uscita crollare a zero.

Poco può fare la cella di carico all'uscita, se non chiedere al motore di invertire nuovamente la coppia, con conseguente instabilità del sistema.

E' indispensabile inserire un elemento elastico tra l'uscita del riduttore e la cella di carico che svolga la funzione di "integratore" nella funzione di trasferimento.

In questa nuova configurazione, la variabile di stato imposta dal riduttore non è più la coppia, ma la posizione angolare (che tramite l'elemento elastico viene convertita in coppia). Ecco che allora anche l'inversione di coppia con "sblocco" repentino del riduttore non comporta variazioni di posizione angolare alla sua uscita e la stabilità del sistema viene mantenuta.
Nel mio messaggio non parlavo di problemi di instabilita' ma della difficolta' di conoscere il reale valore di sollecitazione se l'oggetto che la misura e' al principio della catena cinematica. Per quanto riguarda il resto delle tue considerazioni sono d'accordo.
 

Smez22

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#12
Non proprio. Il problema deriva dalla staticità del riduttore che impedisce una regolazione efficace.

Se ho il riduttore fermo, la coppia di uscita non è funzione lineare della coppia in ingresso a causa dell'attrito di primo distacco che gioca il ruolo principale. Basta pensare che se il riduttore è irreversibile, posso anche togliere completamente la coppia in ingresso e mantenere in uscita una coppia pressoché invariata.

In questa condizione, se voglio passare da una coppia T positiva a una T-dT, sempre positiva, ma leggermente inferiore, sono costretto ad applicare una coppia inversa all'ingresso del riduttore che, appena "sbloccato", vedrà la coppia in uscita crollare a zero.

Poco può fare la cella di carico all'uscita, se non chiedere al motore di invertire nuovamente la coppia, con conseguente instabilità del sistema.

E' indispensabile inserire un elemento elastico tra l'uscita del riduttore e la cella di carico che svolga la funzione di "integratore" nella funzione di trasferimento.

In questa nuova configurazione, la variabile di stato imposta dal riduttore non è più la coppia, ma la posizione angolare (che tramite l'elemento elastico viene convertita in coppia). Ecco che allora anche l'inversione di coppia con "sblocco" repentino del riduttore non comporta variazioni di posizione angolare alla sua uscita e la stabilità del sistema viene mantenuta.
Questo banco serve per caratterizzare dei torsiometri dinamici che vengono messi in serie al mio torsiometro statico di riferimento.
Una volta che io ho tarato con pesi campione il mio torsiometro statico di riferimento a bordo macchina con pesi campione e ne ho estrapolato la curva caratteristica sforzo/deformazione, se comando il motore in retroazione con i valori di coppia rilevati sul torsiometro a bordo macchina, non mi interessa se la coppia in entrata e in uscita dal riduttore sono diverse, giusto?
Anche se le coppie sono diverse a monte del riduttore, a me interessa sapere quella in uscita dal riduttore e che arriva sul torsiometro, per poter quindi caratterizzare il torsiometro dinamico del caso.

Comunque grazie mille a tutti del supporto.
 

exxon

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#13
Non è così, perché se il sistema non è in regolazione, la coppia in uscita non è stabile, ma dipendente dalla posizione angolare (in uscita), con una pendenza pressoché verticale.

Ciò significa che il minimo cedimento elastico del carico (il torsiometro in misura, nel tuo caso), che è sempre presente perché qualsiasi cosa è sempre elastica, porta a una variazione di coppia estremamente significativa, in grado di rendere priva di significato qualsiasi misura.
 

Smez22

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#14
Non è così, perché se il sistema non è in regolazione, la coppia in uscita non è stabile, ma dipendente dalla posizione angolare (in uscita), con una pendenza pressoché verticale.

Ciò significa che il minimo cedimento elastico del carico (il torsiometro in misura, nel tuo caso), che è sempre presente perché qualsiasi cosa è sempre elastica, porta a una variazione di coppia estremamente significativa, in grado di rendere priva di significato qualsiasi misura.
Ok grazie delle delucidazioni, ma veramente non ho mai affrontato un problema del genere. Ho chiesto aiuto ad un pò di persone e, tra chi diceva che non ci fossero problemi con il motoriduttore e chi diceva che non si può fare, non ci ho più capito molto.

Sapresti aiutarmi tu, descrivendomi un pò meglio la tua idea e dandomi un impostazione generale su come affrontare la questione?

Te ne sarei molto grato.
 

exxon

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#15
E' una questione semplice, se affrontata in modo superficiale, ma diventa dannatamente complessa non appena si inizia a scalfire la superficie. Dato che devi fare un progetto, non devi solo scalfire, ma scavare a fondo...

Fammi riorganizzare le idee e vediamo come si può procedere.
 

Smez22

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#16
Grazie mille dei consigli, effettivamente se avessi seguito l'approccio superficiale avrei sprecato tempo e risorse.
Un aspetto importante del sistema che vorrei costruire è il fatto che possa applicare i momenti in tutti e due i sensi di rotazione, poter cambiare angolo tra un applicazione del momento - uno scarico - ed un altra applicazione del momento, senza dover smontare e montare l'estremità fissa del banco.
Questo perchè devo seguire la normativa euramet per le procedure di taratura.
In allegato aggiungo una foto del sistema attuale e un immagine con la rampa dei cicli di carico e scarico che dovrei seguire per ogni calibrazione.

Grazie ancora.
 

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exxon

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#17
Prima puntata

Ho pensato un po’ a questo argomento: è proprio un bel progetto, mi sarebbe piaciuto svilupparlo. Per fare le cose fatte bene, dal punto di vista formale, bisognerebbe utilizzare le matrici di trasferimento per le variabili di stato di ogni componente. Certo la trattazione matematica diventerebbe abbastanza astrusa. Limitiamoci a un’analisi più vicina alla macchina e vediamo cosa ne esce.

Vediamo per primo il caso ideale e aggiungiamo poi le varie non-linearità per verificare se possono creare problemi al sistema.

Caso 1: perfettamente ideale
Il torsiometro da testare (D.U.T. = Device Under Test) ha una porta connessa stabilmente a un supporto inamovibile S e l’altra porta connessa a un generatore di coppia ideale T. Il D.U.T. è perfettamente rigido e privo di attriti. Vedi figura 1.

31-Figura1.PNG

In queste condizioni, la coppia applicata T1 è interamente vista da D.U.T. e la misura risulta corretta.

Caso 2: D.U.T. non rigido
Nulla è perfettamente rigido. Qualsiasi cosa a cui venga applicata una coppia, ruota. Nel nostro caso entra in torsione il torsiometro, ma anche il supporto, e pure il banco, e così via fino all'appoggio del generatore ideale di coppia che sta dall'altra parte.

Consideriamo che a essere non ideale sia solo il D.U.T., dato che questo è sufficiente per illustrare la situazione. Introduciamo allora un’altra variabile di stato: la posizione angolare ϑ. Vedi figura 2.

31-Figura2.PNG

In queste condizioni, la coppia applicata T1 è interamente vista da D.U.T. e la misura risulta corretta, ma se assumiamo ϑ0 = 0 come l’angolo di riferimento per tutti i componenti in assenza di coppia applicata, ecco che applicando T1 avremo ϑ1 = ϑ0 + k1T1 = k1T1, con k1 pari alla costante elastica torsionale del D.U.T.
Per ora, questa rotazione, per quanto grande o piccola essa sia, non genera errore nella misura.

Caso 3: D.U.T. non rigido e attrito radente (costante) prima del D.U.T.
Qui cominciano i guai. Dato che non è pensabile avere un sistema che applichi una coppia alla porta libera del torsiometro senza che vi siano attriti intermedi (si pensi agli stessi cuscinetti del motore, ma ben di più gli ingranaggi del riduttore), dobbiamo tenerne conto. Lo facciamo inserendo un componente (G) rigido, ma dotato di attrito. Per ora consideriamo l’attrito radente uguale a quello di primo distacco, costante e pari a τ. Vedi figura 3.

31-Figura3.PNG

In queste condizioni, la coppia applicata T2 non è più interamente presente alla porta di ingresso del D.U.T., ma arriva diminuita della quantità τ (quando superiore in modulo a τ stessa). Il fatto che ϑ1 vari con l’applicazione della coppia non crea alcun problema, essendo l’attrito di primo distacco uguale a quello radente.

Si viene in definitiva a creare un offset del quale tenere conto in fase di misura. In formule,

T1 = T2 - τ

Il tutto è evidenziato nel grafico in figura 4.

31-Figura4.PNG

Caso 4: D.U.T non rigido e attrito radente (qualsiasi) prima del D.U.T.
Sperare che l’attrito sia costante con la coppia applicata, con il tempo, la temperatura, l’usura è praticamente un’illusione. Consideriamo allora che τ sia un τ(T, ϑ, t, …).

Non posso più applicare la formula T1 = T2 - τ, ma posso inserire un controllo retroazionato che sistemi la faccenda. Vedi figura 5.

31-Figura5.PNG

Una volta inseriti i valori corretti nel PID, anche senza preoccuparsi troppo di questioni di stabilità, T1 sarà “magicamente” uguale alla coppia impostata T.

Una possibile rappresentazione grafica di T1 e T2 (con τ(*) di fantasia…) potrebbe essere quella
in figura 6.

31-Figura6.PNG

Anche in questo caso, il fatto che ϑ1 vari con l’applicazione della coppia non crea alcun problema, essendo l’attrito di primo distacco uguale a quello radente.

Fino a qui, potremmo dire “nulla di nuovo”. Mi pare che a questo punto (con piccole differenze su alcuni aspetti evidenziati) ci fossimo fin dal primo post sull'argomento. Abbiamo solo formalizzato un po’ meglio la questione. Nella prossima puntata vedremo i veri problemi legati a questo approccio un po' troppo semplicistico.
 

Smez22

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#18
Non trovo le parole per ringraziarti. Veramente un'ottima spiegazione.
Vediamo se ci comincio a capire qualcosa: l'elemento elastico con cella di carico retroazionata potrei metterla in corrispondenza di theta1 in fig.5?
 

exxon

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#20
@wttm

Il week-end bloccato a casa per questioni familiari e l'interesse per l'argomento hanno giocato a favore. Questo progetto, unito magari alla parte elettronica di controllo sarebbe una gran bella tesi di laurea per un ingegnere, sia meccanico, sia elettronico. Se penso invece a molte delle tesi che mi passano per le mani, mi viene da piangere.

@Smez22

Guarda che mi sono divertito (e mi sto divertendo a scrivere la seconda puntata...).
Da aggiungere, di fisico c'è solo la molla (in figura 5 c'è già il sensore di coppia). Il concetto generale viene però un po' sconvolto.

Suspense... :cool: