Costruzione di una cella di carico multiassiale e del relativo sistema di taratura

A new high precision six-axis load cell is presented in the thesis. The main objective of the work is to improve the performance of the previous multi-axial load cells developed at “Politecnico di Milano”. The sensor is able to measure forces and torques along the 3 space directions and is basically a three spoke structure constrained by means of spherical joints. The measuring method is based on strain gauges measurements. These instruments have been developed in order to be used on the vehicle suspension’s test ring present at the “LAST” laboratory of Politecnico di Milano, but they can be used as general purpose sensors. This work describes the detail design, the realization of the components and the final calibration of the instrument. Analytical models have been developed to represent the sensor behaviour. Then a multi-objective optimization algorithm has been implemented for designing the spherical joints. The analytical results have been compared with the ones from the FEM analysis in order to reach an optimal configuration. Particular attention has been paid on the technological features regarding the construction of the different components; the interaction with the manufacturer has allowed a relevant simplification of the final layout. The development of an appropriate structure for the instrument’s calibration with the description of tests and required components closes the thesis. The sensor is able to measure forces and torques along the 3 space directions. The maximum loads allowed are: 10000 N along axial direction and 5000 N along the others, 250 Nm for torques around axial direction and 500 Nm around the remaining directions. Sensor’s stiffness are respectively 100∙106 N/m and 31∙106 N/m along axial and remaining directions. The higher resolution is 2 N for force measure and 0,1 Nm for torques. Mass has been reduced using aluminium alloy for the base structure.

In questo lavoro di tesi è presentata una nuova cella di carico multi-assiale di precisione. L’obbiettivo principale del lavoro è quello di riprogettare e migliorare le caratteristiche delle celle sviluppate in precedenza presso il “Politecnico di Milano”. Lo strumento realizzato è in grado di misurare forze e momenti agenti lungo le tre direzioni dello spazio ed è principalmente costituito da un elemento a tre razze vincolato tramite cerniere elastiche. Il principio di funzionamento è basato sulla misura della deformazione tramite estensimetri applicati sull’elemento sensibile della cella stessa. Questi strumenti sono stati inizialmente concepiti per essere utilizzati sul sistema di prova sospensioni veicolistiche del laboratorio LAST, tuttavia, il loro uso è estendibile a qualsiasi altro generico impiego. Il lavoro comprende sia la fase di progettazione, sia la successiva costruzione dei vari componenti e la taratura finale dello strumento. Sono stati sviluppati modelli analitici con lo scopo di descrivere il comportamento dell’intero strumento e di alcuni suoi componenti. È stato inoltre implementato un algoritmo di ottimizzazione multi-obbiettivo per il dimensionamento delle cerniere elastiche. I risultati dei modelli matematici sono stati confrontati con quelli derivati da analisi agli elementi finiti così da giungere ad un dimensionamento ottimale dei vari componenti. È stata posta particolare attenzione sulle questioni tecnologiche riguardanti la costruzione delle varie parti del sensore, effettuando, anche grazie a diversi confronti con i responsabili di produzione, scelte progettuali volte a facilitare il più possibile la realizzazione in officina. In chiusura di tesi è riportato lo sviluppo di un adeguato sistema per la taratura dello strumento con la descrizione delle modalità di prova e dei componenti necessari. Il sistema realizzato permette la misura simultanea di forze e momenti agenti lungo le tre direzioni dello spazio. Le forze massime indagabili dallo strumento sono di 10000 N in direzione assiale e di 5000 N nelle altre due, mentre le coppie massime lungo le stesse direzioni sono rispettivamente di 250 Nm e 500 Nm. Lo strumento dimensionato presenta valori di rigidezza pari a 100∙106 N/m in direzione assiale e 31∙106 N/m lungo le altre due direzioni. La risoluzione massima è di 2 N per le forze e 0,1 Nm per i momenti. L’utilizzo di una lega di alluminio per la struttura di base ha permesso di limitare la massa dello strumento.