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Università degli Studi di BolognaFACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria MeccanicaDISEGNO TECNICO INDUSTRIALE
SVILUPPO DI UNA MACCHINA AVVOLGITRICE DI FILO AD ALTA PRECISIONE PER IMPIEGHI
AEROSPAZIALI NELL’AMBITO DEL PROGETTO ESA YES2
Tesi di Laurea di: Relatore: Prof. Ing. Luca PiancastelliAndrea Morganti Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana
Prof. Ing. Alfredo LiveraniProf. Ing. Ferdinand Hermanns
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Argomenti trattati
� Impiego dei fili ad alta resistenza in campo aerospaziale
� Progetto YES2 (Young Engineering Satellite)
� Esperimento in condizioni di micro gravita’� Ottimizzazione di una macchina avvolgitrice
per la produzione di bobine da impiegare nel progetto Yes2
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Obiettivi della tesi
� Realizzazione di una struttura di supporto per un sistema di simulazione da impiegarsi durante il test in condizioni di microgravità
� Ottimizzazione di una macchina avvolgitrice di precisione
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Space tether
Fili conduttori Fili non conduttori
�Generatori di f.e.m.
�Collegamento tra satelliti
�Trasferimento di momento angolare
Progetto YES2
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Progetto YES2: Fili utilizzati
Materiale: fibra polietilenicaHT(high tenacity) di tipo Dyneema
������������
����������
���������
����������
������������������������������ �!������� "�Tenacità
Resistenza all’abrasione
Coefficiente d’attrito
Allungamento a rottura
Temperatura di fusione
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Sistema di simulazione Mr.YES: MISsion TEst Rig for YES2
EGSE FLOYD SIMULATORE DI TRAIETTORIA TENSIOMETRO SVOLGIMENTO RIAVVOLGIMENTO
FLOYD Freno ad attrito
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Test in condizioni di microgravità
Finalità principali del test:
• Collaudo del sistema di simulazione in micro gravità
• Configurazione di velocità e tensione del filo durante il test di svolgimento
• Confronto con i dati raccolti mediante i test effettuati a terra
STUDIO DELLA DINAMICA DI SVOLGIMENTO DEL FILO
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Per lo stivaggio del sistema di simulazione sull’AIRBUS 300 è stata necessaria la progettazione e realizzazione di una struttura perl’ancoraggio e la protezione delle apparecchiature componenti
Test in condizioni di microgravità
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Teoria dell’avvolgimento
BOBINA Di
QUALITÀ
•Tipo di avvolgimento
•Fattore di riempimento (densità)
•Velocità di avvolgimento
•Precisione di posizionamento
•Pretensionamento
CompattaStabile
Riproducile
AVVOLGIMENTO IN PARALLELO
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Avvolgimento in parallelo
h
R f R B
R m
R P
ls
Primo strato cilindricodi avvolgimento
)(2 stgRmh απ ⋅⋅=
RfRpRm +=1
RfRmRB += 11
1sl = 22)2( hRm +⋅π
⋅= nL1 1sl =22
1 )2( hRmhl +⋅⋅ π
Parametro di posizionamento h
Raggio medio della bobina
Raggio esterno della bobina
Lunghezza avvolta su una spira
Lunghezza avvolta sul primo strato
Numero di spire
hl
n =
Variazione del raggio
Analisi della qualità
Variazione della densità
Precisione di posizionamento del filo
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R m1
E F
D
BAC
m2R R m3
Strati cilindrici successivi
Lunghezza avvolta su una spira
Lunghezza avvolta sul primo strato
Avvolgimento in paralleloVariazione del raggio
Raggio medio della bobina
Raggio esterno della bobina
Lunghezza totale avvolta
+= 12 mm RR2
2
44
hRf −⋅
⋅−++= )1(iRRR fpmi
22
44
hRf −⋅
sil = 22)2( hRmi +⋅π
⋅= nLi sil =22)2( hR
hl
mi +⋅⋅ π
�=s
itotL1
22)2( hRhl
mi +⋅⋅ π
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.
Massa totale avvolta
Densità media della bobina
Variazione discreta della densità della bobina
totfB Lm ⋅= ρ
=BR ⋅++ sRR fp 22
2
44
hRf −⋅
Raggio finale della bobina
==B
BB V
mρ( )
��
�
�
��
�
�−
��
��
�
−⋅++⋅⋅
+⋅⋅⋅ �
2
22
2
1
22
442
2
PffP
s
miif
Rh
RsRRl
hRhl
π
πρ
)()1()()1(
iViVimim
Vm
BB
BB
B
BB −+
−−=
∆∆
=∆ρ
Variazione della densità
Avvolgimento in parallelo
R m1
E F
D
BAC
m2R R m3
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Analisi numerica
Variazione del raggio della bobina in funzione del posizionamento
RB=f(h)
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34h=0.5
h=0.55
h=0.6
h=0.650h=0.7
h=0.750h=0.8
h=0.850h=0.9
h=0.95h=1
35
40
45
50
55
60
65
70
diametro esterno
strato avvolto
posizionamento
variazioni della crescita del diametro in base al posizionamento 65-70
60-65
55-60
50-55
45-50
40-45
35-40
h RB
h
n
RB
Dati sperimentali•Ltot=3 km•l=260 mm•Rp= 39 mm •Rf= 0.25mm•h [0.5:1];∆h=5%
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andamento della densità media in base al posizionamento
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
strato avvolto
dens
ità
h=0.5
h=0.525
h=0.55
h=0.575
h=0.6
h=0.625
h=0.65
h=0.675
h=0.7
h=0.725
h=0.75
h=0.775
h=0.8
h=0.825
h=0.85
ρB
n
h ρΒ
n>> ρB cost
Variazione della densità media in funzione del posizionamento
ρB=f(h)
Analisi numerica
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Variazione della densità media in funzione del posizionamento
∆ρB=f(h)
andamento della variazione incrementale della densità in dipendenza del posizionamento
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
strato avvolto
vari
azio
ne in
crem
enta
le d
i den
sita
'
h=0,5
h=0,525
h=0,55
h=0,575
h=0,6
h=0,625
h=0,65
h=0,675
h=0,7
h=0,725
h=0,75
h=0,775
h=0,8
h=0,825
h=0,85
n
∆ρΒ
Analisi numerica
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Soluzione costruttiva per la macchina avvolgitrice
F a . R e x ro th S ta r G m b HP rä z is io n s -K u g elg e w in d etrie bK G T -S p in d el 1 2 x5 R x 2 ,00 0 M M - T 9
S ilbe rs ta h l (1 1 5 C rV 3 ) Ø 1 2 m m
Prototipo di partenza Nuova soluzione
Ottimizzazione del posizionamento
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Elementi strutturali per la movimentazione ed il controllo di posizione
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Versione finale della macchina
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Conclusioni� Progettazione e realizzazione del supporto per Mr. Yes per il test in
microgravità.� Studio teorico della qualità di una bobina.� Progettazione e realizzazione di una nuova guida di posizionamento
per la macchina avvolgitrice. � Nei test di avvolgimento effettuati utilizzando le dimensioni relative ai
grafici si e’ constatato che i valori massimi ottenuti per il parametro di posizionamento h (condizionatamente alla precisione della vite a sfere di ricircolo ed al controllo del motore passo passo che la movimenta) sono dell’ordine di 0.75 mm.
� Nel confronto con i valori ottenuti con la precedente soluzione costruttiva per la guida (h=0.9 mm) si è riscontrata una diminuzione del diametro finale della bobina ed un conseguente aumento di densità della stessa.
� La precisione della nuova guida di posizionamento del filo ha apportato un aumento della qualità della bobina.