Di Patrick Fu, Application Manager, Dewesoft China

I freni di stazionamento elettrici (sistemi EPB - Electric Parking Brake) possono ormai essere considerati un sottoinsieme della tecnologia Brake-by-wire. Generalmente funzionano con un attuatore, la MGU (Motor Gear Unit), ovvero l'Attuatore EPB.

L'affidabilità della MGU è sicuramente un fattore chiave per il corretto funzionamento e l'assemblaggio dell'EPB. Il pluripremiato software DAQ Dewesoft X insieme ai sistemi di acquisizione dati chiavi in mano di Dewesoft, possono essere utilizzati nel controllo qualità automatizzato. 

I freni di Stazionamento elettrici sono utilizzati nelle autovetture per tenere fermo il veicolo tanto su strade pianeggianti che su quelle in pendenza. Oggigiorno fanno sempre più parte dell'equipaggiamento standard delle auto in commercio. In passato questa funzionalità era assicurata da un freno di stazionamento manuale (Freno a mano).

Electric park brake in the center console in a Volkswagen TouranFreno di stazionamento elettrico nella consolle centrale in una
Volkswagen Touran
Immagine per gentile concessione di Wikicommons

Negli ultimi anni con l’avvento dei freni di stazionamento elettrici, il guidatore, agendo semplicemente su un pulsante, attiva il meccanismo di ritenuta. Questo, a sua volta, comanda le pastiglie dei freni che vengono fatte aderire ai freni posteriori.

Il  freno di stazionamento elettrico o elettronico (EPB), noto anche come freno di stazionamento automatico (APB), è una funzione essenziale che offre al guidatore maggiore comfort e praticità. Inoltre, visto che la leva del freno a mano non viene più montata, le case automobilistiche hanno più libertà di scelta sul dove posizionare parti operative all'interno dell’abitacolo.

Il freno di stazionamento elettrico ha una moltitudine di usi. Oltre ad attivare e disattivare i freni, permette l’hill-hold e/o l’auto-hold. L’Hill-hold impedisce all'auto di muoversi accidentalmente sia quando è ferma che quando è in partenza. L’auto-hold mantiene applicata la pressione del freno anche dopo che il conducente ha rilasciato il pedale. Nel caso in cui i sensori dell'ABS  rilevino qualsiasi movimento, la pressione dei freni viene aumentata. Se invece si preme l'acceleratore o si rilascia la frizione, i freni vengono rilasciati di conseguenza.

Attualmente, le principali tipologie di freno di stazionamento in uso sono due: il tipo a fune e il tipo elettroidraulico. Entrambi i metodi prevedono la presenza di una spia visiva sul cruscotto che ne segnala l’attivazione/disattivazione. Al momento il sistema maggiormente installato è quello elettroidraulico. Un terzo tipo, completamente elettrico, verrà utilizzato nel prossimo futuro.

Electric-hydraulic caliper system
Sistema elettroidraulico a pinza

I sistemi a pinza elettroidraulica sono generalmente impiegati come parte di un sistema di controllo più ampio come, ad esempio, un Programma elettronico di stabilità (ESP). Il sistema EPB, controllato elettronicamente, è composto dall'interruttore EPB, dalla pinza EPB e dall' unità di controllo elettronica (ECU), in cui il Motor Gear Unit (MGU, ovvero l’EPB Actuator) è dotato di una pinza che viene azionata dal segnale proveniente da l'ECU tramite il semplice tocco dell'interruttore.

Quando la persona al volante preme l'interruttore per attivare il freno di stazionamento, l'unità ESP genera automaticamente una pressione nell'impianto frenante che permette alle pastiglie dei freni di premere contro il disco. Le pinze vengono quindi bloccate in posizione da un'elettrovalvola comandata elettricamente. La pinza rimane bloccata senza bisogno di pressione idraulica. Per rilasciare il freno, l'ESP genera nuovamente una breve pressione, leggermente superiore a quella servita per bloccare la pinza, e la valvola viene rilasciata.

Durante la guida, invece, l'EPB ha di solito un comportamento molto rapido e si disinnesta automaticamente quando non necessario.Queste sue caratteristiche sono particolarmente utili per la guida nel traffico intenso e per effettuare parcheggi su terreni scoscesi. Avendo riscontrato un gran successo tra i consumatori, moltissime case automobilistiche hanno introdotto l’EPB nella dotazione di serie dei loro veicoli.

Il problema e la Misura effettuata

Nel caso che andremo ad analizzare l'utente finale è un’azienda, con sede a Shenzhen in Cina, che produce assemblati MGU per il principale produttore di e-mobility, la BYD Auto. Questa aveva, come target principale, quello di garantire la qualità dell’MGU ed era da tempo impegnata nella ricerca di un efficace metodo statistico per identificare eventuali MGU non conformi, prima che queste uscissero dalla catena di montaggio. La qualifica dei sottosistemi MGU è fondamentale per determinare l'affidabilità dell'intero assieme EPB.

Un metodo soggettivo per rilevare parti difettose si basa sulla percezione del rumore che deriva fisicamente da vibrazioni anomale. Tale rumore, in passato, veniva individuato in maniera empirica ed approssimativa dall'orecchio di un ispettore del controllo qualità. In generale si può affermare che, il rumore generato da parti non qualificate durante il funzionamento, differisce significativamente da quello delle unità qualificate.

Attualmente, però, tenendo in considerazione i parametri di coerenza e di accuratezza necessari e, vista l’impossibilità di effettuare la prova acustica direttamente sul posto, il produttore ha deciso di dotarsi di metodi oggettivi di verifica. Invece che con una semplice valutazione uditiva, il compito viene gestito attraverso l’analisi e la comprensione del modello vibrazionale.

La misura dell'accelerazione (vibrazione) è più pratica di uno schema acustico per un'applicazione sul campo. Questo modello di vibrazione rivela fisicamente le defezioni interiori. Nel caso in esame, si tratta della vibrazione lungo le direzioni X, Y dove l'asse Z della coordinata costruita è perpendicolare alla cover dell’MGU.

Nella pratica, la verifica inizia senza l’avere conformità o riferimenti pronti all'uso. Vale a dire che è probabile che l'utente esegua molteplici test su prodotti qualificati e non qualificati ottenendo risultati contrastanti, scoprendo così differenze numeriche sugli spettri.

Configurazione del Setup di Test

Questa applicazione rientra nell’ambito di un progetto nel quale il Sistema di Test e il Sistema DAQ Dewesoft sono collocati in un armadio. Questi sono integrati in un banco di prova per monitorare le accelerazioni di ogni MGU - come misure di QC efficaci. L’insieme risulta essere una stazione, all’interno della catena di montaggio, chiamata verificare la qualità del prodotto.re placed in a cabinet on-site, being integrated into a test bench to monitor accelerations of each MGU as effective QC measures. The facility will be working as a station in an assembly line to conduct product quality validation.

L'automazione è necessariamente implementata con un controllore logico programmabile (PLC) - un computer digitale industriale rugged, adattato per il controllo dei processi di produzione, come ad esempio le linee di montaggio. In questo caso parliamo di un SIMATIC WinCC® della SIEMENS.  

I processi di produzione stanno diventando sempre più complessi a causa dei crescenti requisiti di qualità abbinati a rapidi cambi di prodotto in lavorazione. Va da sé che, per garantire sempre la massima produttività possibile, deve essere possibile prendere decisioni tempestive e mirate in merito all'ottimizzazione dei processi all'interno di un'azienda. Ciò richiede un flusso integrato di informazioni attraverso tutti i livelli operativi e le postazioni di produzione.

SIMATIC WinCC® è un sistema di visualizzazione di processo scalabile, che include quello che viene generalmente chiamato Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), comunemente utilizzato per monitorare e controllare processi fisici completamente automatizzati con i controller SIEMENS. Il sistema fornisce controllo tecnico e operativo, funzioni diagnostiche integrate e l’analisi flessibile della produzione.

In questa applicazione di test vengono utilizzati il sistema Dewesoft SIRIUS DAQ e il software di acquisizione dati Dewesoft X

Il software di acquisizione dati Dewesoft X è progettato per test e misure - registrazione dei dati, analisi dei dati, reporting dei dati e molto altro. Include funzionalità per un'ampia gamma di settori, come quello automobilistico, aerospaziale e della difesa, dell'energia e della qualità dell’energia, manifatturiero e dell'ingegneria civile, nonché applicazioni specifiche come:

In questo caso, la soluzione di test chiavi in mano Dewesoft è composta da un analizzatore di spettro FFT  per attività NVH basato sul versatile sistema di acquisizione dati SIRIUS®. Le configurazioni dei canali di ingresso sono flessibili e il numero dei canali di ingresso può variare da 1 a 1000 di canali. 

In combinazione con il software Dewesoft X DAQ, tquesto sistema di acquisizione dati modulare e chiavi in mano può funzionare con tutti sensori ad alta precisione. Il software supporta un'ampia varietà di interfacce di input e output. In questo caso, il SIRIUS funziona come un I/O avanzato per il sistema SCADA.

MGU Test bench HMIMGU Banco di Prova HMI

Il sistema DAQ Dewesoft è costituito dai seguenti elementi.

Sistema di acquisizione dati e Sensori:

  • Dewesoft SIRIUS 6xACC, 2xACC+: Funziona come un analizzatore di spettro FFT in tempo reale che fornisce tutte le funzioni principali per l'analisi spettrale con media avanzata
  • Dewesoft DS-REM-CTRL: Funziona come un “joystick” per semplificare il controllo del processo di misura.
  • Dytran triaxial accelerometer 3093B: Funziona come una sonda per rilevare l'accelerazione sul pezzo.

Dewesoft Dewesoft SIRIUS 6xACC, 2xACC+ data acquisition system and IEPE signal conditionerSistema di acquisizione dati Dewesoft SIRIUS 6xACC, 2xACC+  e condizionatore di segnale IEPE

Dytran accelerometer built-in fixtureAccelerometro integrato Dytran

Software

Elementi di terze parti

  • SIEMENS S7-1200: Funziona come un controller per elaborare comandi e azionare attuatori
  • Industrial PC: per l’esecuzione del software Dewesoft X e di piattaforme correlate di terze parti
  • Driver di controllo del freno integrato in una ECU fornito dal driver del motore elettrico BYD (un componente di MGU).
  • Banco prova meccanico con freno a pinza. Ogni MGU in prova verrà posizionato sulla pinza come un assieme.
  • Alimentazione programmabile: fornisce alimentazione a tutti gli strumenti.

Setup diagram: The blue lines with arrows denotes the data link for PLC while the orange ones are for Dewesoft.Schema di installazione: le linee blu con le frecce indicano il collegamento dati per il PLC mentre quelle arancioni per Dewesoft.

Misure

All'inizio di ogni ispezione o misura, un operatore è incaricato di montare correttamente l'MGU da testare nella fase di lavoro (ad esempio un freno a pinza). Successivamente, l'operatore avvia il macchinario per portare l'attrezzatura nella quale è installato un acceleratore triassiale, nella posizione di contatto con la superficie superiore della MGU. A quel punto si hanno le configurazioni necessarie per effettuare un vero e proprio test.

MGU under testMGU sottoposta a Test

Con l'obiettivo di semplificare notevolmente le misure e per meglio adattarsi alle operazioni sul campo, abbiamo sostituito tastiere e mouse.

Gli step della procedura di test:

  • Le parti vengono preparate fuori dalla catena di montaggio
  • Assicurarsi che l'MGU sia stata montata correttamente sulla pinza del freno
  • Tenerla lontano dagli attuatori
  • Avviare l’MGU prima della registrazione Dewesoft
  • L’ MGU entra in funzione non appena viene alimentata
  • Attendere che l'acceleratore triassiale venga azionato per entrare in contatto con l'MGU
  • Premere il pulsante su DS-REM-CTRL per memorizzare i dati di accelerazione
  • Dewesoft implementa l’ FFT rispetto alla soglia predefinita e definisce l'allarme di uscita
  • Il PLC emette un allarme se il risultato oltrepassa i parametri ed esegue l'arresto completo
  • Procedere con il reset di tutti gli attuatori
  • WinCC registra lo stato insieme al S/N del prodotto corrispondente
  • Interrompere la registrazione di Dewesoft
  • Effettuare un controllo visivo della parte testata
  • Ripetere il test
  • Classificare la parte testata nella colonna “non qualificato” se si riscontra lo stesso esito
  • Riavviare la procedura di test

La procedura di test deve essere la più breve possibile per evitare di causare ritardi all’intero ciclo di produzione. Questo tenendo anche ben presente l’importanza della ripetibilità del test stesso.

Il valore massimo assoluto e lo spettro di accelerazioni saranno i criteri per determinare se un prodotto è qualificato o meno.

  • Non è possibile determinare un riferimento utilizzando metodi statistici come criterio standard.
  • Test multipli di confronto tra prodotti non conformi e prodotti conformi, sono considerati affidabili per rivelare differenze numeriche sugli spettri. Per trarre una conclusione su come devono essere fissati i criteri di validazione. vengono testati più di 500 pezzi qualificati, 200 pezzi non qualificati ed MGU.
  • Impostare un limite superiore per il valore massimo assoluto delle accelerazioni X, Y a 8g, dove il superamento nella direzione X o nella direzione Y farà considerare il pezzo come non qualificato.
  • Prendere la media lineare di centinaia di spettri per determinare il limite superiore del modello di vibrazione nel dominio della frequenza e fare una curva di riferimento.
  • Con il calcolo online eseguito, l'analisi Abs max (valore singolo) o FFT, che soddisfa le condizioni, attiverà un allarme con uscita digitale.

Il sistemaDAQ Dewesoft SIRIUS è dotato di un counter, il cui collettore aperto viene portato fino a 24V dall'alimentatore. Il livello è in grado di essere in linea con la logica PLC SIEMENS. Il PLC SIEMENS mette in atto uno STOP in caso di allarme per pezzo non qualificato. L'operatore è così nella condizione di poter controllare il pezzo.

Tutte le informazioni inclusi il risultato, S/N, ora e data, vengono registrate in un file TXT da WinCC. I raw data file Dewesoft, ordinati in base al tempo, verranno utilizzati per una verifica della misura eseguita, in particolare per il monitoraggio dei pezzi non qualificati.

Risultati del test

Prima della misura, viene impostata una soglia personalizzata che combina la curva di riferimento nel dominio della frequenza e gli input dell'utente (Max di X, Y accelerazioni).

Frequency domain reference curve setup inside Dewesoft X DAQ softwareConfigurazione della curva di riferimento nel dominio della frequenza all'interno del software Dewesoft X DAQ

Ogni registrazione dura circa 10 secondi - normalmente 3 cicli di lavoro di una MGU - ad una frequenza di campionamento di 5000Hz.
Il massimo assoluto delle accelerazioni X, Y e degli spettri sarà controllato per definire la qualifica 

Appena l'acceleratore tocca la MGU, l’impatto è generalmente molto maggiore a 8g, specialmente sull’asse Z. Per questo motivo, per scartare il valore anomalo, il tecnico avvia la misura solo dopo che il contatto risulta completo.

Fondamentalmente, la soluzione di automazione integrata con Dewesoft DAQ è risultata essere un modo efficace per individuare prodotti non qualificati. Il cliente ha deciso di introdurre la soluzione integrata con Dewesoft a processi standardizzati e sta anche valutando di estenderla a più linee.

The Measurement display inside Dewesoft X DAQ softwareIl display di misura all'interno del software Dewesoft X DAQ

Conclusioni

Il produttore di MGU è stato per anni alla ricerca di metodi statistici per il controllo della qualità e, la soluzione fornita da Dewesoft, risulta essere sicuramente più efficiente rispetto all'analisi empirica condotta nel passato. Tutti i setup vengono predefiniti e bloccati preventivamente dal responsabile tecnico per evitare malfunzionamenti indesiderati provocati da altri.

Di norma ogni operatore è chiamato ad ispezionare circa 800 pezzi per turno di lavoro. Il nuovo approccio, volto all’implementazione e all'automazione del processo di verifica, è in grado di far risparmiare molto tempo e di garantire un livello più elevato di precisione e coerenza dei dati.

sistemi e software Dewesoft DAQ sono perfetti per l'automazione dei processi industriali. Consentono, non solo la registrazione dei dati grezzi alla massima velocità, ma anche l'analisi dello spettro di frequenza online e in tempo reale durante la misura. Questo è in grado di migliorare l'I/O del PLC SIEMENS per un'applicazione completa.