Automazione dei test di ruote e freni per aeromobile

Per qualsiasi laboratorio di test, l'integrazione di una nuova tecnologia fondamentale è spesso un processo complesso. Mentre le aziende devono bilanciare la necessità di rimanere all'avanguardia tecnologica, sviluppare nuove capacità e migliorare l'efficienza, spesso si scontrano con le sfide di controllo dei costi e la produttività. Inoltre, c'è una naturale resistenza al cambiamento e all'assunzione di rischi. Questa dinamica si riassume spesso nell'adagio "Se funziona, perché cambiarlo?"

Da oltre 85 anni, la divisione "Wheel and Brake" di Parker Hannifin si è affermata come un pioniere nel settore, specializzandosi nella progettazione, costruzione e test di sistemi di ruote e freni per aeromobili. Inoltre, l'azienda offre soluzioni idrauliche avanzate per l'aviazione generale, l'aviazione d'affari, l'elicotteristica e le applicazioni militari.

Attualmente, l'unità opera all'interno della Kaman Corporation, ma mantiene la sua sede originaria ad Avon, nelle vicinanze di Cleveland, Ohio. La divisione continua a svolgere una vasta gamma di test per assicurare il corretto e sicuro funzionamento dei sistemi di ruote e freni per aeromobili.

Il Problema - Integrazione di Sistema e Flessibilità

Il laboratorio di prova per la qualificazione delle ruote e dei freni degli aeromobili della divisione (AWB) disponeva di un insieme di strumenti di prova e misura per condurre tali test. Tuttavia, non aveva un "sistema" vero e proprio, poiché questi strumenti non erano sincronizzati e dovevano essere utilizzati in modo separato.

La configurazione di ogni test richiedeva un notevole sforzo manuale, passo dopo passo. Poiché erano coinvolti più tecnici , le configurazioni spesso non erano uniformi da un test all'altro. La mancanza di un sistema integrato di acquisizione dati significava che dovevano essere annotati a mano su carta i dettagli delle configurazioni dei test ed alcuni dati stessi.

AWB si trovava davanti alla decisione comune: optare per un sistema COTS (Commercial Off-The-Shelf) di acquisizione dati ed adattarlo alle proprie esigenze, oppure impiegare tempo e risorse per sviluppare un software personalizzato utilizzando LabVIEW o un altro linguaggio di programmazione insieme a hardware DAQ( acquisizione dati). La ricerca era orientata verso una soluzione che potesse coniugare vantaggi di entrambe le opzioni, eliminando la necessità di sviluppare costosi e prolungati progetti di programmazione.

Non fraintendetemi. L'AWB ha condotto i test in modo professionale, ottenendo dati affidabili che hanno contribuito alla produzione di prodotti di alta qualità. Tuttavia, il processo non risultava altamente efficiente. Alla fine, è emerso che era indispensabile adottare un sistema DAQ completamente integrato. Un sistema che consentisse ai tecnici di configurare i test in modo coerente ogni volta, semplicemente selezionandoli da un elenco all'interno di uno strumento unico, che combinasse hardware e software in modo integrato.

L'adozione di una soluzione integrata come questa porterebbe gioia agli ingegneri, in quanto la comparazione dei dati tra diverse prove diventerebbe notevolmente più agevole grazie alla uniformità delle configurazioni. Anche la direzione sarebbe soddisfatta dell'incremento dell'efficienza, con conseguente riduzione dei costi per ciascun test.

L'applicazione - Test di Ruote e Freni degli Aeromobili

Prima di discutere della soluzione implementata da ABW, è importante fare una panoramica dei tipi di test a cui erano chiamati a lavorare ogni giorno.

AWB deve svolgere test sulle ruote principali e del muso, nonché sui freni principali e sui componenti idraulici correlati, in quanto il decollo e l'atterraggio costituiscono i momenti più critici nell'operazione di qualsiasi aeromobile.

I test tracciabili e ripetibili sono cruciali per il processo di certificazione dei nuovi progetti di aeromobili e per il costante mantenimento e la sicurezza delle flotte aeree esistenti. Questi test sono condotti secondo gli standard e le normative del settore, come quelli stabiliti dalla Federal Aviation Administration (FAA), dalle specifiche DO-160 e MIL, ed anche dalle direttive dell'Agenzia Europea per la Sicurezza Aerea (EASA).

Il laboratorio esegue tali test impiegando diverse metodologie, che comprendono l'uso del dinamometro, il test di rotolamento, il carico combinato, la resistenza e l'impulso, il test di tenuta e rottura, ed i test ambientali. Ecco una breve descrizione di ciascuna di queste applicazioni:

Test Dyno (dinamometrico)

I dinamometri, o dyno, consentono agli ingegneri di simulare condizioni reali in un ambiente controllato. Misurano la coppia e la velocità di rotazione di una ruota in contatto con esso, permettendo di replicare i carichi sperimentati dalla ruota durante decollo, atterraggio e rullaggio. Applicando carichi alla ruota, gli ingegneri possono valutare le prestazioni in varie situazioni, come diverse velocità, temperature, pressioni degli pneumatici e carichi. Questo consente di valutare le prestazioni della ruota in diversi scenari ed apportare le modifiche necessarie per migliorare il sistema.

Test di Carico Combinato

Il test di carico valuta la capacità delle ruote e dei freni dell'aeromobile di sopportare i carichi e gli stress che verranno applicati durante decollo, atterraggio e rullaggio. Nel test di carico combinato, vengono applicati carichi verticali, laterali e longitudinali alle ruote ed ai freni, simulando le condizioni reali sperimentate dall'aereo. 

Test di Resistenza

In questa fase di test, gli ingegneri valutano la resistenza e la durata delle ruote e dei freni dell'aeromobile in condizioni di utilizzo continuo. Durante il test di resistenza, le ruote ed i freni vengono sottoposti a cicli ripetuti di frenata ed accelerazione, simulando i cicli di decollo ed atterraggio che un aeromobile affronta durante le operazioni.

Test di Impulso

Il test di impulso valuta la capacità dei freni dell'aeromobile di resistere a cambiamenti improvvisi ed estremi di velocità o direzione. Durante questo test, i freni vengono sottoposti a fermate improvvisamente intense, simulando situazioni di frenata d'emergenza che potrebbero verificarsi durante l'operazione di un aeromobile.

Test di rotolamento

Il test di rotolamento valuta la capacità delle ruote di resistere allo stress del rullaggio e del rotolamento durante il decollo e l'atterraggio. Durante questo test, l'aeromobile è posizionato su un banco di prova ed un carico viene applicato mentre le ruote rotolano per simulare il peso dell'aeromobile.

Test di impermeabilità e rottura

Questi test sono essenziali per garantire la sicurezza delle ruote dell'aeromobile. Attraverso di essi, gli ingegneri possono stabilire la massima pressione operativa sicura per le ruote. Inoltre, possono verificare che le ruote siano in grado di resistere a carichi estremi senza cedimenti, assicurando che operino in modo sicuro ed affidabile sia in condizioni normali che di emergenza. 

Ci sono anche altri test, come il test di tenuta, il test di temperature estreme, il test di immersione in temperatura ed altri ancora.

Modifica dei sistemi di test

Il sistema AWB (Automatic Test Bench) esistente svolgeva il suo compito, ma stava invecchiando. Inoltre, il sistema era una collezione di strumenti separati, ognuno con il proprio display ed interfaccia. C'erano controllori, oscilloscopi, generatori di funzioni ed altro ancora, tutti combinati insieme ma privi di automazione.

I tecnici dovevano utilizzare registri cartacei per annotare le attività mentre utilizzavano gli strumenti separati contemporaneamente. Non disponevano di allarmi, controllo ciclico o possibilità di spegnimento remoto. Il "sistema" era operativo, ma non risultava ottimizzato.

AWB mirava ad ottenere un unico sistema in grado di gestire l'intero insieme di test. Tuttavia, come precedentemente accennato, desideravano evitare l'implementazione di un sistema che richiedesse anche programmazione a basso livello, in quanto mancavano sia il tempo che le risorse per farlo. Hanno scelto Dewesoft come fornitore per vari motivi fondamentali:

• L'hardware DAQ è più che in grado di fornire il campionamento richiesto e la risoluzione dell'asse verticale necessaria.

• Il software DewesoftX viene fornito insieme all'hardware senza alcun costo aggiuntivo e senza spese per licenze o aggiornamenti.

• Il software DewesoftX dispone di un sequencer integrato che consente ad AWB di automatizzare i suoi test. Possono creare test passo dopo passo con richieste agli utenti e visualizzazioni personalizzate, utilizzando solo configurazioni a livello macro e senza programmazione a basso livello.

• Oltre ai suoi ingressi analogici e digitali, aveva anche uscite analogiche e digitali che potevano sostituire i controllori esterni ed i generatori di funzioni - tutto poteva essere completamente integrato ed automatizzato.

AWB ha valutato che un singolo modulo Dewesoft SIRIUS con quattro ingressi multifunzione e quattro ingressi a bassa tensione sarebbe stato in grado di gestire virtualmente ogni tipo di segnale dinamico che dovevano affrontare. L'amplificatore MULTI può gestire in modo nativo diversi estensimetri e celle di carico, così come misure a bassa tensione e potenziometriche. Mediante l'aggiunta di un piccolo adattatore DSI, qualsiasi ingresso MULTI può essere collegato ad accelerometri e microfoni IEPE, sensori LVDT, segnali ±200 V, termocoppie, sensori RTD e sensori di corrente.

È disponibile una selezione di connettori, ma AWB ha optato per il connettore DB9 per il modulo SIRIUS in quanto i loro collegamenti rimangono costanti tra i vari test. L'utilizzo di connettori multipin consente loro di accedere alle funzionalità di alimentazione dei sensori ed alla tecnologia TEDS per l'identificazione automatica dei sensori, rendendo il processo più efficiente ed agevole.

AWB ha selezionato i robusti ed impermeabili moduli multi-canale KRYPTON per ampliare il sistema di misura della temperatura e per aggiungere ulteriori canali di misura della tensione. Ogni modulo KRYPTON TH offre otto ingressi universali isolati per termocoppie. Questa scelta permette di posizionare i moduli KRYPTON vicino ai punti di misura, riducendo i costi dei cavi delle termocoppie. 

All'interno dei moduli, i dati vengono convertiti in formato digitale e trasmessi al SIRIUS tramite l'interfaccia EtherCAT, che gestisce anche la sincronizzazione e l'alimentazione del modulo. In questo modo, tutti i dati, indipendentemente dalla loro origine, vengono sincronizzati.

AWB ha integrato anche un modulo KRYPTON con quattro ulteriori ingressi di tensione attraverso connettori BNC, portando così il totale dei canali analogici a 20. È rilevante sottolineare che i moduli KRYPTON sono progettati per resistere a condizioni operative estreme, come urti, vibrazioni e temperature da -40 a +80 °C (-40 a +185 °F). Inoltre, sono sigillati ermeticamente secondo lo standard IP67, rendendoli impermeabili all'acqua, alla polvere, all'olio e ad altre particelle presenti nell'ambiente circostante. Di conseguenza, i moduli KRYPTON possono essere collocati in prossimità del punto di misura.

La decisione di optare per Dewesoft è stata influenzata significativamente dalla presenza del sequencer integrato in DewesoftX. Ciò consente la preconfigurazione dei test e l'esecuzione di essi con le specifiche richieste degli utenti, personalizzando le visualizzazioni e persino le uscite dei dati. Inoltre, il fatto che l'hardware includesse il software con aggiornamenti a vita, senza costi aggiuntivi, ha rappresentato un vantaggio considerevole in termini di valore dell'investimento.

L'integrazione tra hardware e software, unita alla profonda comprensione dell'applicazione da parte di AWB, ha permesso la creazione di una soluzione di test completa. Questo sistema consente a tutti i membri del team di ottenere risultati ripetibili ed accuratamente documentati.

Dopo aver scelto il tipo di test nel software, appare una seconda finestra di dialogo che offre all'utente l'opzione di selezionare un test precedentemente salvato oppure di crearne uno nuovo. 

Riconoscere e documentare le caratteristiche ambientali è di fondamentale importanza, pertanto AWB ha sviluppato una schermata dedicata per raccogliere tali informazioni prima di avviare ciascun test:

L'adattabilità del software rappresenta un valore inestimabile. DewesoftX costituisce un pacchetto software completo ed indipendente per l'acquisizione dati che opera senza richiedere alcuna programmazione. Tuttavia, grazie al suo sequencer integrato e ad altre funzionalità, è possibile personalizzare il software per adattarlo a scenari di test specifici.

AWB ha ora ottenuto il meglio di entrambi i mondi: un pacchetto software DAQ completamente personalizzabile senza affrontare la programmazione a basso livello. Eventuali modifiche richieste possono essere effettuate in modo molto flessibile, senza la necessità di creare qualcosa di completamente nuovo.

Dopo aver condotto un test, è possibile visualizzare graficamente i dati per una revisione dettagliata:

Durante la modalità di riproduzione, un cursore temporale giallo comparirà sugli schermi delle visualizzazioni storiche, come illustrato nella Figura 8. Gli utenti possono agevolmente spostare il cursore trascinandolo con il mouse. La lettura dei dati nelle altre visualizzazioni sarà sempre sincronizzata con la posizione temporale del cursore giallo, semplificando così il processo di revisione e convalida dei dati in modo rapido ed intuitivo. Naturalmente, i dati stessi sono memorizzati in formato digitale e possono essere esportati in vari formati (come MatLab® o Excel®) se ulteriori analisi sono richieste.

Nell'esempio sottostante, AWB ha eseguito un Test di Pressione di Prova (<5K psi) - vedere i risultati effettivi del test nella Figura 9.

Il nuovo sistema Dewesoft consente la selezione di molte velocità di rampa richieste per soddisfare diverse specifiche. Rispetto all'hardware più vecchio, questo è un enorme vantaggio.

Il software DewesoftX consente di registrare video in sincronia con i dati analogici e digitali. Questa riproduzione combinata offre una rappresentazione drammatica, mostrando una ruota dell'aeromobile che entra in contatto con il banco di prova, simulando un atterraggio. Il video ed i dati sono perfettamente sincronizzati. Va notato che l'audio è incluso - il contatto della ruota con il banco di prova è udibile.

Conclusioni - Prima e Dopo

In precedenza, AWB si è trovata ad affrontare molte limitazioni, tra cui:

• Mantenere registri cartacei a mano,

• I dati venivano visualizzati su diversi strumenti separati,

• Gli strumenti separati non erano sincronizzati,

• Limitati all'uso di relè analogici,

• Dovendo utilizzare generatori di funzioni esterni anziché quelli programmabili integrati nel sistema Dewesoft,

• Non avendo un modo per aggiungere un video sincronizzato ai risultati del test,

• Diverse modalità per configurare i test, rendendo difficile confrontare i risultati in seguito,

• Nessuna traccia digitale ma affidamento su registri scritti a mano e snapshot dei dati durante la revisione dei dati,

• Nessun modo rapido e facile per esportare i dati su Excel per fornire report ai loro clienti.

Tutte queste problematiche sono state affrontate e risolte dal nuovo sistema Dewesoft.

I tecnici di AWB possono raggiungere una coerenza senza precedenti e risparmiare tempo significativo nella configurazione e nell'esecuzione di ciascun test. Ora operano un singolo strumento, guidati dal sequencer attraverso la selezione, la configurazione e l'esecuzione del test.

Gli ingegneri di AWB possono ora accedere ad un unico file contenente tutti i dati e le note nel formato "it". Possono facilmente installare il software sui propri computer, riprodurre i file dei dati ed estrarre qualsiasi informazione o risultato di interesse. Tutti i dati provenienti da diverse fonti sono sincronizzati, eliminando la necessità di mettere in discussione la configurazione del test poiché tutte le informazioni, compresa la configurazione stessa, sono contenute in un unico file.

Ora, grazie alle nuove capacità implementate, AWB ha potenziato il processo di test con funzioni di avviso ed annullamento automatico tramite email durante le prove. Ha la possibilità di visualizzare i dati in remoto utilizzando il semplice software VNC. Inoltre,

Dewesoft include un database dei sensori nel quale il laboratorio ha inserito i dati di calibrazione e le specifiche di funzionamento (EU) per tutti i sensori comunemente utilizzati. Questi dati semplificano la configurazione e documentano le proprietà di calibrazione specifiche di ogni sensore. Inoltre, il sistema Dewesoft è in grado di rilevare se un sensore ha superato la sua data di calibrazione, consentendo ad AWB di sostituirlo con un altro sensore.

L'implementazione del sistema Dewesoft ha portato con sé alcuni vantaggi aggiuntivi inaspettati. Ad esempio, ha spinto AWB a prendere decisioni definitive sulla configurazione di ciascun test, il numero di canali ed altre variabili. Questo ha portato ad una maggiore coerenza nei risultati del laboratorio, avendo un impatto positivo sull'efficienza del tempo e sui costi presso AWB.

Quando hanno implementato il nuovo sistema, AWB ha iniziato con un solo test e poi hanno aggiunto gradualmente altri man mano che ciascuno si dimostrava funzionale. Questo approccio graduale è stato sensato e sicuro per introdurre il nuovo sistema.

L'hardware Dewesoft è anche espandibile, consentendo di aggiungere ulteriori moduli SIRIUS e KRYPTON in futuro se necessario. L'implementazione è stata un grande successo su tutti i fronti.

È sempre un po' spaventoso sostituire un sistema che "funziona" con uno nuovo. Tuttavia, in questo caso, la decisione di optare per Dewesoft si è dimostrata corretta. Adesso, AWB può condurre i suoi test cruciali con maggiore facilità ed efficienza, ottenendo i dati necessari per costruire ruote e freni di aeromobili di alta qualità e sicuri.