3 Test del sistema su un componente di prova
I vari test per verificare l’effettivo funzionamento del banco prova automatico sono stati effettuati su componenti attualmente in fase di indagine presso il dipartimento, ossia pale statoriche orientabili per compressori assiali. Nella figura seguente si riporta una immagine del sottogruppo pala e leva di comando dello stadio 5 (S5).
Fig. 3-1: Fotografia della paletta statorica con relativa leva di comando.
Si riporta di seguito tutta la procedura passo per passo per l’acquisizione automatica dei dati.
3.1.1 Preparazione del modello CAD ed esportazione dei punti
Il primo passo prevede ovviamente la costruzione di un modello CAD tridimensionale
del componente da indagare: tale fase è necessari per estrarre i dati geometrici
(posizione ed orientamento della normale uscente alla superficie) dei punti da
scansionare. Il software utilizzabile per la costruzione del modello solido risulta
ininfluente ed è a discrezione dell’operatore. L’esportazione della geometria, come
visto può avvenire secondo due diversi procedimenti: modello ANSYS o file Excel. Il
primo caso potrebbe essere preferito qualora si vogliano effettuare analisi numeriche
e sperimentali parallelamente: in questo caso si procederà con l’importazione della
geometria all’interno del programma ANSYS ed alla preparazione della mesh per
l’esecuzione del calcolo. Poiché il tool per l’esportazione delle superfici da scansionare
condivide i nodi con la mesh utilizzata per il calcolo, in fase di preparazione di
quest’ultima si cercherà di evitare un affinamento eccessivo: il numero dei punti da
scansionare altrimenti diventerebbe enorme richiedendo grandi tempi nell’esecuzione
della prova senza ottenere benefici nella quantità di informazioni ricavate. Tale
necessità non risulta tuttavia in contrasto con la mesh adatta ad un’analisi modale o
della risposta armonica, per le quali un numero eccessivo di gradi di libertà
appesantisce inutilmente il modello e moltiplica rapidamente i tempi di calcolo. Nel
caso test, il modello non si prestava particolarmente ad una esportazione diretta
della geometria da ANSYS: essendo la superficie alare della pala quella da
scansionare ed essendo la pala di ridotto spessore, la dimensione della mesh
risultava eccessivamente ridotta per l’esportazione diretta, come mostrato nella
figura successiva.
Fig. 3-3: Modello ANSYS utilizzato per l'analisi numerica.
Si è quindi ricostruito l’elenco dei punti da scansionare utilizzando l’interfaccia Excel.
Di seguito si riporta il modello CAD sul quale sono state misurate le posizioni e
l’orientamento delle normali uscenti alla superficie nei vari punti.
Si è quindi compilato il file Excel come di seguito riportato.
Posizione ID CS (Eulero) Dir.
ID nodo X Y Z
XY
YZ
ZX acq.
1 21.35 34.00 3.51 0.0000 -0.1176 0.0000 6
3 41.35 34.00 3.51 0.0000 -0.1176 0.0000 6
5 61.35 34.00 3.51 0.0000 -0.1176 0.0000 6
7 81.35 34.00 3.51 0.0000 -0.1176 0.0000 6
9 101.35 34.00 3.51 0.0000 -0.1176 0.0000 6 11 121.35 34.00 3.51 0.0000 -0.1176 0.0000 6 12 21.35 17.00 5.05 0.0000 -0.1176 0.0000 6
14 41.35 17.00 5.05 0.0000 0.0000 0.0000 6
16 61.35 17.00 5.05 0.0000 0.0000 0.0000 6
18 81.35 17.00 5.05 0.0000 0.0000 0.0000 6
20 101.35 17.00 5.05 0.0000 0.0000 0.0000 6 22 121.35 17.00 5.05 0.0000 0.0000 0.0000 6
23 21.35 0.00 3.50 0.0000 0.1953 0.0000 6
25 41.35 0.00 3.50 0.0000 0.1953 0.0000 6
27 61.35 0.00 3.50 0.0000 0.1953 0.0000 6
29 81.35 0.00 3.50 0.0000 0.1953 0.0000 6
31 101.35 0.00 3.50 0.0000 0.1953 0.0000 6
33 121.35 0.00 3.50 0.0000 0.1953 0.0000 6
34 21.35 -17.00 -2.31 0.0000 0.4434 0.0000 6 36 41.35 -17.00 -2.31 0.0000 0.4434 0.0000 6 38 61.35 -17.00 -2.31 0.0000 0.4434 0.0000 6 40 81.35 -17.00 -2.31 0.0000 0.4434 0.0000 6 42 101.35 -17.00 -2.31 0.0000 0.4434 0.0000 6 44 121.35 -17.00 -2.31 0.0000 0.4434 0.0000 6 45 21.35 -34.00 -14.36 0.0000 0.8874 0.0000 6 47 41.35 -34.00 -14.36 0.0000 0.8874 0.0000 6 49 61.35 -34.00 -14.36 0.0000 0.8874 0.0000 6 51 81.35 -34.00 -14.36 0.0000 0.8874 0.0000 6 53 101.35 -34.00 -14.36 0.0000 0.8874 0.0000 6 55 121.35 -34.00 -14.36 0.0000 0.8874 0.0000 6 FINE
Fig. 3-5: File Excel dei nodi per la pala S5.
Nodi
i J k
3 1 12
3 12 14
5 3 14
5 14 16
7 5 16
7 16 18
9 7 18
9 18 20
11 9 20
11 20 22
14 12 23
14 23 25
16 14 25
16 25 27
18 16 27
18 27 29
20 18 29
20 29 31
22 20 31
22 31 33
25 23 34
25 34 36
27 25 36
27 36 38
29 27 38
29 38 40
31 29 40
31 40 42
33 31 42
33 42 44
36 34 45
36 45 47
38 36 47
38 47 49
40 38 49
40 49 51
42 40 51
42 51 53
44 42 53
44 53 55
posizionamento del componente che permetta l’agevole inquadratura di tutti i punti da scansionare. Per gli utenti che conoscono il software Workspace è possibile effettuare la stessa verifica anche con tale programma (che anch’esso dispone già del modello del ROBOT utilizzato nel banco prova all’interno della propria libreria).
Fig. 3-7: Modello CAD del TEST BENCH.
Scelta la posizione ottimale del test bench si può andare direttamente sul banco prova reale e procedere al set-up della prova.
3.1.2 Determinazione dei parametri del LASER CS
Come prima operazione, supponendo che il LASER sia stato appena montato sul
polso del ROBOT, si deve procedere alla determinazione dei parametri che
caratterizzano la posizione reale del LASER rispetto al polso del ROBOT. Il punto da
utilizzare come riferimento per allineare il LASER può essere uno qualsiasi: per
ottenere una misura più accurata e per motivi pratici di facilità di puntamento con il
LASER sono da preferirsi punti posti su superfici orizzontali. Si posiziona
manualmente, utilizzando il teach pendant, il ROBOT con il polso orientato
perpendicolarmente a terra. Utilizzando il filo a piombo si posiziona la flangia del
polso ad una distanza verticale nota dal punto scelto come riferimento. Si esegue
quindi la procedura indicata al par. 2.4.2.3 per la misura dell’allineamento del LASER.
Si vuole sottolineare che il problema di determinazione dell’errore di allinemanto del LASER risulta meglio condizionato se si utilizzano ampi spostamenti in direzione Z tra la prima e la seconda posizione. La matrice di trasformazione risultante deve essere copiata nell’apposito controllo dell’interfaccia LabVIEW del modulo ODS.
Si può quindi procedere oltre con la determinazione della posizione ed orientamento reali del componente in prova.
3.1.3 Determinazione dei parametri del TEST BENCH CS
Utilizzando la procedura indicata al par. 2.4.2.4 si procede con la determinazione dei parametri che caratterizzano la posizione reale del componente in prova rispetto alla base del ROBOT.
La matrice di trasformazione risultante deve essere copiata nell’apposito controllo dell’interfaccia LabVIEW del modulo ODS.
Si vuole sottolineare che il problema di determinazione dell’allineamento del componente in prova risulta meglio condizionato se si utilizzano angolazioni di inquadratura del LASER molto diverse tra loro.
3.1.4 Caricamento dei dati della geometria e verifica della traiettoria
Utilizzando l’interfaccia grafica di visualizzazione dei risultati è possibile verificare che il file dei nodi da utilizzare per la guida del ROBT corrisponda al componente attualmente montato sul banco prova, visualizzandone solamente la geometria (mostrata nell’immagine successiva, nel caso della pala S5).
Una volta appurato ciò, si può caricare lo stesso file dei nodi nell’interfaccia
automatica di guida del ROBOT e, una volta scelto l’offset del LASER rispetto alla
superficie da scansionare, procedere al test della traiettoria senza effettuare
l’acquisizione. Durante questa fase l’operatore deve essere presente e pronto con la
Fig. 3-8: Modello geometrico visualizzato nell'interfaccia LabVIEW.
3.1.5 Esecuzione automatica della prova e visualizzazione dei risultati
Per effettuare la prova, il componente è stato eccitato con una forzante del tipo PURE RANDOM in corrispondenza del nodo ID7 in direzione Z. Tale punto si trova sufficientemente lontano dai nodi dei modi propri di frequenza compresa almeno tra i 200 ed i 5000 Hz (range all’interno del quale si trovano le componenti armoniche principali della forzante): questo garantisce di eccitare tutti i modi propri presenti in questo range. Dopo un test della traiettoria senza effettuare acquisizioni ed una prova con martello strumentato (che permette di ottenere una prima F.R.F. dalla cui forma si possono dedurre ad esempio eventuali errori di montaggio) si è lanciata la prova in modalità automatica.
Nell’immagine alla pagina seguente sono mostrate le immagini (create utilizzando
l’interfaccia di visualizzazione dei risultati implementata in LabVIEW) delle deformate
operative in corrispondenza dei picchi della F.R.F. Nelle immagini precedenti sono
riassunti i principali risultati: lo strumento 3D permette una chiara visualizzazione dei
dati acquisiti nella prova appena terminata. Sono ben visibili i modi flessionali sul lato
lungo della paletta a 516 Hz e 2730 Hz ed il modo torsionale a 1855 Hz. Dalle
immagini 3D risulta invece sospetta la forma corrispondente al modo proprio a 1392 Hz, in particolare nella zona in cui agisce lo shaker.
-20 -10 0 10 20 30 40 50
200 700 1200 1700 2200 2700 3200 3700 4200 4700 5200
Freq. [Hz]
Ampl.[mm/s/N]
516 Hz
1086 Hz 1392 Hz
1855 Hz
2730 Hz
Dall’immagine seguente che mostra la fase di ciascun punto a 1392 Hz si nota come tutti i punti vicini allo shaker abbiano fasi molto diverse dagli altri punti.
Fig. 3-10: Fasi del moto dei punti in corrispondenza del modo proprio influenzato dallo shaker.
Confrontando infine le F.R.F. per uno stesso punto (ID 7) tra i risultati dello shaker test e dell’impact test effettuato con il martello strumentato si nota come tale modo sia presente nel primo tipo di prova ma assente nel secondo: è evidente che tale effetto sia dovuto alla presenza dello shaker. La possibilità di visualizzare i risultati della prova ha permesso di evidenziarne visivamente fin da subito la presenza, suggerendo di eseguire un impact test per una verifica.
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
200 700 1200 1700 2200 2700 3200 3700 4200 4700
Freq. [Hz]
Ampl.[mm/s/N]
Impact Test Shaker Test