Daimler Trucks North America (DTNA) Daimler Trucks North America (DTNA) | HBM

HBK aiuta gli autocarri Daimler a garantire un’integrità strutturale

Daimler Trucks North America (DTNA) è il produttore di mezzi pesanti leader di mercato in Nord America. DTNA ha la sede principale a Portland, Oregon, e produce veicoli commerciali per i marchi Freightliner, Western Star e Thomas Built Buses.

I clienti si affidano agli autocarri Daimler, come ad esempio il nuovo Western Star 49X, per essere sicuri di portare a termine il lavoro e di far procedere la propria attività senza problemi. Per questo, hanno bisogno di veicoli in grado di percorrere senza intoppi centinaia di migliaia di miglia su strada. Per rispondere alle necessità di questi clienti, offrendo loro durabilità a lungo termine, massimo tempo di attività possibile e comfort e sicurezza per l’operatore, DTNA sottopone i propri autocarri a test in laboratorio, sul tracciato di prova e su strada.

Problema

Daimler Trucks North America doveva sviluppare una soluzione che unisse i dati provenienti dai test sul campo e quelli provenienti dai test in laboratorio per simulare condizioni reali, mantenendo allo stesso tempo inalterata l’affidabilità dei suoi prodotti. L’azienda era inoltre alla ricerca di un modo per ridurre notevolmente le tempistiche di configurazione, producendo allo stesso tempo risultati altamente affidabili e ripetibili.

Soluzione

Griffin ha scelto sensore, hardware e software di Hottinger Brüel & Kjær (HBK), inclusi l’automazione per la gestione dei dati e la collaborazione, GlyphWorks per l’analisi dei dati e il sistema di acquisizione dati SomatXR con software catman.

Risultati:

Con la nuova attrezzatura, il gruppo ha ridotto il tempo di configurazione del test del 60 percento, passando da 12 a 5 ore. I sensori sono connessi a un sistema di acquisizione dati SomatXR a bordo del veicolo connesso a sua volta al controller tramite EtherCAT. Questa soluzione non riduce soltanto i tempi per il cablaggio, ma elimina anche il tempo necessario per la risoluzione dei problemi di rumorosità analogici e per la ricerca e l’eliminazione dei loop di massa nel cablaggio analogico. 

La sfida dell’acquisizione dati

Questo approccio completo ai test costituiva un problema per Joe Griffin, un test engineer del Product Validation Engineering (PVE) Shaker Lab di Portland. In qualità di test engineer nel laboratorio per i test strutturali, Griffin aveva il compito di sviluppare una soluzione che unisse i dati provenienti dai test sul campo e quelli provenienti dai test in laboratorio per simulare condizioni reali, mantenendo allo stesso tempo inalterata l’affidabilità dei prodotti DTNA. Per riuscirci, Griffin ha scelto sensore, hardware e software di Hottinger Brüel & Kjær (HBK), inclusi:

  • Automazione per la gestione dei dati e la collaborazione
  • GlyphWorks per l’analisi dei dati
  • Sistema di acquisizione dati SomatXR con software catman

Oltre a dover garantire che i test in laboratorio simulassero in modo preciso le condizioni reali, Griffin ha dovuto semplificare il metodo con cui DTNA svolge le prove nel laboratorio dei test di durabilità strutturale. Ha dovuto trovare un modo per ridurre notevolmente le tempistiche di configurazione, producendo allo stesso tempo risultati altamente affidabili e ripetibili.

Nel 2016 DTNA ha aggiornato il suo laboratorio con l’acquisto dei controller per shaker Instron Labtronic 8800ML. Uno dei motivi per cui il team ha scelto il controller Istron è che quest’ultimo permetteva loro di connettere il software di acquisizione dati al controller tramite un bus basato su Ethernet in tempo reale chiamato EtherCAT™.

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) offre una connessione con ampia larghezza di banda tra i dispositivi (client) e l’applicazione master o il controller usando la tecnologia dei clock distribuiti (Distributed Clock) che integra e sincronizza tutti i dati. EtherCAT amplia lo standard IEEE 802.3 e consente la trasmissione dei dati con una tempistica prevedibile e con una sincronizzazione precisa. I pacchetti Ethernet non seguono più la procedura di ricezione, interpretazione, elaborazione e copia su ciascun dispositivo in ogni singola connessione. Il protocollo EtherCAT trasmettere in modo continuo i dati direttamente in un modulo Ethernet standard, senza modificare la struttura di base.

I dispositivi client di EtherCAT acquisiscono i dati ad essi destinati mentre il modulo passa attraverso il dispositivo. Analogamente, i dati di input vengono inseriti al loro passaggio con uno scarto di pochi nanosecondi. Poiché i moduli EtherCAT contengono dati provenienti da molti dispositivi diversi che operano sia in modalità di trasmissione che in modalità di ricezione, la percentuale di dati utilizzabili aumenta fino a oltre il 90%. Ciò consente di sfruttare completamente le caratteristiche full duplex di 100BASE-TX e di raggiungere frequenze di dati effettive di oltre 100Mbit/s.

In passato, tutti gli input del controller dello shaker erano linee di tensione puramente analogiche provenienti dalla connessione DAC di eDAQ bridge layer. I sensori, come l’estensimetro usato nelle configurazioni a ponte, venivano digitalizzati da ADC e nuovamente resettati a ± 10 V e collegati al controller in parallelo, sensore per sensore. Questa operazione richiedeva molto tempo ed era soggetta ad errori. L’uso di input e output analogici ha permesso anche di limitare il numero dei canali che potevano essere utilizzati per la correlazione e la lunghezza dei cavi.

Per ridurre i tempi di configurazione e i relativi errori, DTNA aveva bisogno di un’attrezzatura per l’acquisizione dati che supportasse l’integrazione master con EtherCAT di Instron tramite un unico cavo.

ConfrontoPercorso analogico precedenteNuovo percorso digitale
190 canali

190 x ADC

Configura 190 x ADC

190 X ADC

190 X tensione dei cavi (BNC)

Configura 190 x DAC

Configura 190 x ADC

190 x ADC

Configura 190 ADC(TEDS)

1 X cavo (Ethernet coppia 4 x 2)

Aggiornamento automatico master EC

# EtherCAT è un marchio registrato di Beckhoff

HBK scende in campo

Dopo qualche valutazione, i test engineer hanno deciso di affidarsi a HBK. Uno dei motivi per cui hanno scelto HBK è che l’azienda ha una vasta esperienza nel campo dell’integrità strutturale. Un altro motivo è che erano già utenti HBK. DTNA usa i sistemi di acquisizione dati Somat eDAQ da oltre 15 anni, per questo ha fiducia nella tecnologia di misura di HBK e nella robustezza dei prodotti in condizioni di test difficili.

HBK è stata in grado di fornire esattamente quello di cui avevano bisogno. Il sistema indicato da DTNA comprendeva le seguenti unità della nuova Serie SomatXR robusta con la seguente configurazione dei moduli:

Questo sistema consente di acquisire dati da tutti i diversi tipi di sensore usati nei test e si è dimostrato essere la soluzione ideale per la raccolta di dati in ambienti difficili, come il tracciato di prova e il laboratorio di durabilità.

In laboratorio, il sistema di acquisizione dati si connette a EtherCAT per fornire dati al controller Instron in tempo reale con una latenza minima e in parallelo via Ethernet e senza limitazioni di larghezza di banda a un PC dotato di software catman. L’unica differenza tra il sistema di acquisizione dati usato sul tracciato di prova e il sistema di acquisizione dati usato nel laboratorio di durabilità è il singolo modulo che connette il sistema alla rete, semplificando molto il processo e assicurando così l’integrità dei dati e la comparabilità tra le configurazioni in laboratorio e sul tracciato di prova.

Nonostante le sfide che ha dovuto affrontare inizialmente, come capire in che modo utilizzare il nuovo sistema di acquisizione dati e l’hardware e il software del controller dello shaker, HBK si è dimostrato il partner perfetto. HBK è una delle poche aziende che offre un registratore mobile in grado di funzionare tanto facilmente quanto in laboratorio.

QuantumX, il fratello senza caratteristiche di robustezza di SomatXR, ha introdotto l’integrazione EtherCAT in tempo reale nel 2008. Analogamente a QuantumX, anche SomatXR offre un percorso con segnale gemello. Tutti gli input creano 2 percorsi con segnale digitale, a causa delle limitazioni della larghezza di banda di EtherCAT e per consentire agli utenti di continuare a utilizzare il software catman per l'acquisizione dei dati e l’analisi dell’integrità strutturale del campione di prova:

-        1° segnale output a bassa latenza in tempo reale orientato con un tempo di loop di 1 ms

-        2° segnale acquisizione dati basata su time stamp del PC ad alta velocità con un massimo di 100KS/s per segnale a seconda del tipo di modulo

Dal tracciato di prova al laboratorio

Per eseguire test di durabilità realistici in laboratorio, DTNA si affida ai dati raccolti in situazioni reali, precisamente presso il loro sito di prova di High Desert a Madras, in Oregon. Il sito di prova di High Desert è stato completato nel 2017 e si estende su un terreno di circa 83 acri. Comprende un tracciato di prova di 3,5 miglia con superfici tecniche che permettono agli ingegneri di DTNA di simulare praticamente tutti i tipi di condizioni che i loro veicoli possono incontrare in qualsiasi parte del mondo. Il tracciato è una topografia in 3D delle condizioni stradali derivanti da un campione dei percorsi di Daimler sulle strade di tutta Europa finalizzato a creare un profilo di strada reale da applicare nei siti di prova in Germania e in Oregon.

Nel sito di prova, un veicolo di prova viene equipaggiato con diversi sensori, tra cui:

  • Accelerometri (Tipo DC MEMS: 50g, 0 … 2000 Hz)
  • Ponte / estensimetri (350 Ohm,con le proprie celle di carico con configurazione quarter-bridge, half-bridge e full-bridge)
  • Trasduttori di forza con ruote di misura (6 x WFT di MTS SWIFT con tensione analogica o Kistler RoaDyn su CAN)
  • Sensori di spostamento (LVDT, potenziometri a stringa)
  • Tensione (spostamento effetto Hall, homebrew...)

Anche se il numero di canali varia a seconda del tipo di veicolo, il numero minimo di sensori che DTNA collega a un veicolo è pari a sette; per azionare uno shaker è necessario disporre di un numero di canali registrati pari al numero di attuatori usati nel test di durabilità in laboratorio. Per questa applicazione, ci sono quattro attuatori verticali, due attuatori longitudinali e un attuatore a monte/a valle.

Nello specifico, DTNA raccoglie i dati da 48 sensori diversi durante il test su strada. Più dati vengono raccolti, più la simulazione nel laboratorio con lo shaker sarà realistica. Il sistema di acquisizione dati SomatXR raccoglie i dati da questi canali mentre un pilota guida il veicolo sul tracciato di prova. Questa fase richiede circa due settimane per essere completata.

Using GlyphWorks and nCode Automation for Data Analysis, Storage and Report

Once the test data has been collected, Griffin and his team use GlyphWorks to analyze the data. GlyphWorks is a data processing system offered by HBK that contains a comprehensive set of standard and specialized tools performing durability analysis. Designed to handle huge amounts of data, GlyphWorks provides a graphical user interface designed to allow users to visualize, analyze, and manipulate test data, saving users both time and money.

One of the things DTNA does with GlyphWorks is find the most significant parts of the road test data and edit out the data collected when the test vehicle was rolling over smooth road. Analysts also parts of the track data that can’t be simulated on the shaker. By concentrating on only the most applicable data, the lab tests can be run in much shorter time than durability tests on the test track.

Una volta che i dati sono stati raccolti, Griffin e il suo team usano GlyphWorks per analizzare i dati. GlyphWorks è un sistema di elaborazione dati offerto da HBK che contiene un set completo di strumenti standard e specializzati per l’esecuzione di analisi di durabilità. Progettato per gestire enormi quantità di dati, GlyphWorks offre un’interfaccia utente grafica che permette all’utente di visualizzare, analizzare e manipolare i dati dei test, risparmiando così tempo e denaro.

DTNA usa GlyphEorks, tra le altre cose, per rilevare gli aspetti più significativi dei dati relativi ai test su strada e per modificare i dati raccolti quando il veicolo di prova viene testato su una strada lineare. Gli analisti anche parti dei dati del tracciato che non possono essere simulate sullo shaker. Concentrandosi soltanto sui dati maggiormente applicabili, i test in laboratorio possono essere condotti in un tempo decisamente minore rispetto ai test di durabilità sul tracciato di prova.

Una volta che i dati dei test su strada sono stati “rifiniti”, gli ingegneri usano GlyphWorks per calcolare la funzione di trasferimento del sistema e il drive file iniziale. Il drive file contiene i dati forniti al controller Instron, che controlla gli shaker in laboratorio.

Il passaggio successivo consiste nel rifinire il drive file. A questo scopo usano una struttura, come ad esempio la cabina di un autocarro, per installarvi dei sensori nella stessa posizione in cui sono presenti sul veicolo di prova sul tracciato di prova. Poi inviano il drive file al controller Instron, lo eseguono e misurano i dati di risposta in corrispondenza di ogni singolo sensore.

Sempre usando GlyphWorks, confrontano i dati acquisiti ora con i dati acquisiti sul tracciato di prova. Se c’è una grande differenza tra i dati del tracciato di prova e i dati del laboratorio di prova, calcolano un nuovo drive file usando la percentuale di errore tra i due set di dati. Questo processo viene ripetuto fino a quando i dati del laboratorio di prova e quelli del tracciato di prova non vengono convertiti a un valore accettabile. Normalmente, ci vogliono dalle otto alle dodici iterazioni prima che gli ingegneri siano sicuri che il drive file possa garantire un test rigoroso.

Il valore ritenuto accettabile è frutto di una decisione presa a discrezione dei test engineer di Daimler che si occupano di durabilità, presa in base all’analisi delle differenze tra il veicolo completo e il solo telaio. Il software Intron TWR viene utilizzato per incorporare l’errore RMS e i calcoli dello pseudo danneggiamento sui trasduttori con un’intercettazione e un’inclinazione fisse. Gli ingegneri si servono anche di confronti tra più livelli per valutare se durante il test si è registrato il numero corretto di passaggi a zero e quali livelli di ampiezza vengono rilevati. Questa operazione viene svolta in modo diverso a seconda dello scopo del test: un semplice test del cofano viene trattato diversamente rispetto a un test sul telaio.

A questo punto, sono pronti per eseguire un test di durabilità usando il drive file finale. Una volta eseguito il test, usano nuovamente GlyphWorks per analizzare i dati di prova. Una volta ottenuti i dati pronti per essere archiviati, usano nCode Automation, un ambiente basato sul web per archiviare automaticamente i dati tecnici e produrre un report. nCode Automation fa parte della famiglia di prodotti di HBK: oltre a semplificare l’archiviazione e il recupero dei dati, consente anche di condividere con maggiore facilità i dati di prova con gli ingegneri di progetto.

"I Love This Job"

Some engineers are just naturally “truck guys.” Joe Griffin is one of those guys. His father was an engineer for Daimler Trucks, and his mother worked there, too, in several different positions. So, as a kid, he heard stories about the company and the work there.

After high school, Joe attended the University of Portland to pursue a degree in Mechanical Engineering. In 2014, he was an intern in the shaker lab, and in 2015, he earned his bachelor’s degree and joined Daimler full-time. One of his first assignments was to drive trucks around the country, gathering data that would help Daimler build a better test track.

When the durability test lab was upgraded in 2016, he was in the right place at the right time. As a recent graduate, he embraced the new technology, and his bosses relied on him to help bring the new systems online.

When you talk to Joe, you get the feeling that he’s the right guy for the job. He has a passion for trucks and for making them the best they can be. “I love this job!” he exclaims.

EtherCAT sincronizza le connessioni e permette di tagliare i costi

L’integrazione tra SomatXR e EtherCAt ha permesso a DTNA di:

  • risparmiare sui costi usando un’unica soluzione in campo, in laboratorio e sul banco prova.
  • ottenere dati analogici di alta qualità e una soluzione liberamente scalabile e affidabile
  • risparmiare tempo e spazio grazie alla completa digitalizzazione con un uso ridotto di materiale e pezzi (semplificazione)
  • risparmiare tempo e costi riducendo sensibilmente la complessità e i tempi di configurazione di almeno il 60% con un’integrazione automatica plug and play con INSTRON senza alcuna generazione e lettura intermedia di file (ESI).

Maggiori informazioni su EtherCAT

Conclusione

L’upgrade del laboratorio di prova è stato davvero utile a Daimler e Griffin ritiene che gran parte del loro successo è dovuto alla decisione di passare al digitale, ossia la scelta di EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) per connettere i sistemi di acquisizione dati ai banchi di prova in laboratorio e alla struttura IT. EtherCAT è una tecnologia che offre agli utenti tempi di ciclo brevi e una sincronizzazione basata su time stamp tra i nodi su una rete EtherCAT.

Nonostante alcune sfide iniziali, il passaggio al digitale si è rivelata una scelta vincente. Il sistema di acquisizione dati SomatXR funziona molto bene con i banchi prova Instron. “È fondamentalmente plug and play”, ci ha detto Griffin.

Con la nuova attrezzatura, il gruppo di Griffin ha ridotto il tempo di configurazione del test del 60 percento, passando da 12 a 5 ore. Invece di utilizzare i lunghi cavi dei sensori analogici tra il pezzo sottoposto al test e il controller, i sensori sono connessi a un sistema di acquisizione dati SomatXR a bordo del veicolo, connesso a sua volta al controller tramite EtherCAT. Questa soluzione non solo riduce i tempi per il cablaggio, ma elimina anche il tempo necessario per la risoluzione dei problemi di rumorosità analogici e per la ricerca e l’eliminazione dei loop di massa nel cablaggio analogico. Va sottolineato che il segnale digitale è immune dalla rumorosità perché si muove attraverso un filtro analogico integrato che digitalizza i dati immediatamente nell’amplificatore.

Griffin ritiene che il software catman di SomatXR permette anche di risparmiare sui tempi di configurazione e di migliorare la qualità dei dati. Griffin afferma:

“catman guida l’utente attraverso la configurazione in modo estremamente intuitivo. Ci piace il fatto che controlli i canali per individuare eventuali guasti del sensore o del cavo; inoltre, l’acquisizione dei dati grezzi, l’analisi dei dati e la preparazione ci aiutano a passare più rapidamente dall’idea al risultato”.

Un altro vantaggio è che i dati di misura hanno una qualità decisamente superiore a quella che eravamo in grado di ottenere in precedenza. Griffin aggiunge:

 “I dati migliorati offrono al nostro cliente interno - il dipartimento di ingegneria meccanica - spunti migliori su come migliorare e ottimizzare il design”.

Il risultato finale: autocarri più affidabili con costi per i test inferiori e un time-to-market più breve.

Informazioni su DTNA

Daimler Trucks North America è il produttore di mezzi pesanti leader di mercato in Nord America. DTNA ha la sede principale a Portland, in Oregon, e produce veicoli commerciali per i marchi Freightliner, Western Star e Thomas Built Buses. Il portafoglio di marchi importanti di DTNA serve numerosi settori e applicazioni di veicoli commerciali. L’azienda è anche un fornitore leader di mercato per motori diesel e componenti heavy-duty e medium-duty.