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[20] Mimmi G., Rottenbacher C., Frosini L., Negri A., “Apparato Sperimentale per Indagini Diagnostiche su Ingranaggi”, negli atti di XVI Congresso AIMETA di Meccanica Teorica e Applicata, Ferrara, 9-12-Settembre, 2003.
Programma di ricerca
Modellazione dei sistemi meccanici per la diagnostica
Università di riferimento
Università degli Studi di PAVIA -
MECCANICA STRUTTURALE - PAVIA(PV)
Responsabile dell'Unità di ricerca
Giovanni MIMMI
Descrizione
FINALITÀ DELLA RICERCA Sulla base delle premesse che sono state elencate al punto 2.4 della presente domanda, si intende procedere verificando per ciascuno degli organi menzionati, quali sono i parametri di progetto, di corretto funzionamento e di malfunzionamento. Mediante una procedura sistematica, si intende analizzare pertanto, elemento per elemento, i principali parametri caratterizzanti e successivamente registrare la "firma" del meccanismo indagato, in condizioni di funzionamento regolare. Il passaggio successivo consisterà nell'arrecare appositamente uno squilibrio ovvero un errore di lavorazione o di montaggio, su ciascuno degli elementi della catena meccanica in studio. Tale difetto, prodotto determinatamente, provocherà un comportamento che andrà rilevato in maniera automatizzata mediante apposita strumentazione di misura. Lo scostamento nella lettura del parametro in questione, confrontata con la firma dell'elemento in oggetto "integro", denuncerà l'elemento guasto e il tipo di malfunzionamento riscontrato. Il risultato finale della ricerca consisterà nella messa a punto di modelli per la diagnostica delle macchine in oggetto. TEMPI DELLA RICERCA E STRUMENTAZIONE NECESSARIA L'attività sperimentale inerente alla diagnostica dei motori brushless e alla diagnostica di meccanismi ad ingranaggi e giunti potrà partire sin dal primo anno, in quanto l'unità di ricerca dispone già di adatti apparati sperimentali necessari per queste prove [20]. Tuttavia, tali apparati dovranno essere migliorati con l'impiego di nuovi sensori che consentano il rilevamento di specifiche grandezze non ancora considerate finora per l'analisi dei guasti e con l'impiego di nuovi strumenti per l'analisi e l'elaborazione dati. A tal fine, si prevede di acquistare un torsiometro per la misura della coppia e quindi della potenza nelle indagini sperimentali riguardanti la diagnostica e modellazione di meccanismi di trasmissione. Per quanto riguarda le misure di posizione, l'unità di ricerca è già dotata di un sensore laser, con un range di lettura di +/- 50 mm. Si è potuto osservare la grande utilità di questo strumento, che rimane tuttavia limitata ad un range relativamente ridotto. Si pensa pertanto di acquistarne un secondo in grado di effettuare misurazioni su di un campo più ampio di lettura; tale strumento potrà essere impiegato anche insieme a quello esistente, per effettuare due rilievi simultanei in due posizioni diverse. I trasduttori di misura di dimensione minore, quali accelerometri, encoder, resolver, estensimetri, dovranno essere in parte rimpiazzati e completati mediante nuovi acquisti. Si pensa di acquisire un analizzatore di spettro per le analisi in tempo reale durante le indagini sperimentali. In questo modo, l'analisi in frequenza delle grandezze, attualmente effettuata attraverso elaborazione dati off-line, risulterebbe estremamente immediata e le procedure velocizzate. Si prevede inoltre l'acquisto di nuovi motori brushless del tipo a magneti permanenti interni IPM ("Interior Permanent Magnet") e dei relativi azionamenti al fine di ottenere un confronto quantitativo degli indicatori di eccentricità considerati nel precedente studio [17, 19]. Infine, si prevede di svolgere un'analisi per approfondire lo studio sui guasti in meccanismi per moti intermittenti. La ricerca si svolgerà in un primo tempo come ricerca bibliografica. Ad essa seguirà un'attività sperimentale che potrà essere realizzata e completata durante il secondo anno di attività. Tale attività comprenderà la progettazione, il disegno, la realizzazione, il montaggio e la messa a punto di prototipi, che in parte richiederanno l'ausilio di aziende esterne. La ricerca si chiuderà con la scrittura dei risultati conclusivi e con una serie di relazioni e memorie scientifiche sui risultati ottenuti. Più dettagliatamente, i compiti dell'unità di ricerca si svolgeranno secondo il programma illustrato nei seguenti paragrafi. A1) DIAGNOSTICA E MODELLAZIONE DEI MOTORI BRUSHLESS: ATTIVITÀ SPERIMENTALE SUGLI APPARATI ESISTENTI Sulla base dell'esperienza acquisita, verranno svolte nuove prove a vuoto a basse velocità su entrambi i motori ("integro" ed eccentrico), per verificare quanto vengano amplificate le differenze tra gli spettri di corrente e di vibrazione dei due motori al diminuire della velocità. Inoltre, verranno svolte nuove prove, imponendo andamenti di velocità oscillanti. Questo tipo di prove ha infatti fino ad ora messo in luce ulteriori differenze negli spettri di corrente dei due motori. Successivamente, verranno svolte prove attivando il controllo dei motori in coppia invece che in velocità. Infine, ulteriori prove saranno realizzate per confrontare la forma della corrente e della velocità effettiva durante il transitorio di avviamento anziché in condizioni di funzionamento a regime. A2) DIAGNOSTICA E MODELLAZIONE DEI MOTORI BRUSHLESS: SVILUPPO DEGLI APPARATI SPERIMENTALI ESISTENTI Si prevede di migliorare l'apparato sperimentale attuale, impiegando diversi accelerometri opportunamente posizionati sul telaio dei due motori. Successivamente verranno acquistati due motori brushless del tipo a magneti permanenti interni IPM ("Interior Permanent Magnet"), dei quali uno privo di difetti e l'altro opportunamente modificato con eccentricità di rotore, al fine di ottenere un confronto quantitativo degli indicatori di eccentricità considerati nella fase precedente. La differenza sostanziale tra i motori del tipo SMP e quelli IPM è data dal fatto che i primi, dal punto di vista magnetico, sono considerati isotropi, mentre i secondi sono considerati anisotropi. Di conseguenza, l'effetto della saturazione magnetica è presente nel ferro dei rotori dei motori IPM, mentre non lo è nei motori SPM. A causa della saturazione magnetica, l'ampiezza delle forze magnetiche sbilanciate (UMP) dovrebbe essere maggiore nei motori IPM rispetto a quelli SPM. Queste nuove prove sui motori brushless serviranno per costruire le basi di un sistema diagnostico da impiegare in linea, per individuare l'eccentricità in questo tipo di motore. B1) DIAGNOSTICA E MODELLAZIONE DI MECCANISMI: ATTIVITÀ SPERIMENTALE SUGLI APPARATI ESISTENTI Allo scopo di pervenire alla modellazione diagnostica di meccanismi, si intende procedere in maniera sistematica, analizzando una serie di meccanismi diversi facenti parte della catena di trasmissione dai motori fino agli utilizzatori finali. La catena di trasmissione che si pensa di analizzare potrà comprendere riduttori ad ingranaggi, giunti, variatori di velocità, meccanismi per moti intermittenti, ecc. Apparato sperimentale e sistema di acquisizione dati sperimentali. L'apparato sperimentale di prova comprende: il prototipo da analizzare, un motore di azionamento a velocità variabile, tipo brushless, strumenti di misura, accelerometri, encoder e resolver, estensimetri, martello dinamometrico, sensore laser, ecc. E' attualmente disponibile presso l'unità di ricerca un sistema di acquisizione dati che utilizza le seguenti schede National Instruments: 1) AT-MIO 16XE 50 (con frequenza di campionamento di 20kS/s, risoluzione 16 bit, 16 ingressi analogici, 2 uscite analogiche a 12 bit), per acquisizione analogico/digitale e output analogici; 2) PC-516 (con frequenza di campionamento di 50kS/s, risoluzione a 16 bit, 8 ingressi analogici), per acquisizione analogica; 3) PCI 6601 (con 8 linee counter/timer a 32 bit, 80 MHz), per acquisizione canali counter da encoder e digitale; 4) NI-DAQ CARD PCMCIA 6036E (con frequenza di campionamento di 200 kS/s, risoluzione 16 bit, 16 ingressi analogici), per acquisizione analogica, tramite portatile. Attualmente il gruppo dispone di un programma sviluppato in proprio, per l'acquisizione dati in grado di acquisire fino ad un massimo di 8 canali analogici. Il gruppo di ricerca dispone inoltre di un software commerciale denominato "Misure 5" per acquisizione ed elaborazione dati su 16 canali analogici, basato su piattaforma LabView. Per le elaborazioni dati il gruppo di ricerca dispone oggi di un'avanzata strumentazione di calcolo, e di diversi pacchetti software, fra cui anche il software MATLAB, MATHCAD, LabView, ecc. In previsione di effettuare prove e misure con apparati mobili per la diagnostica di malfunzionamenti, si intende inoltre dotarsi di altri calcolatori fissi e portatili, e relative schede di acquisizione (PCMCIA) di opportune caratteristiche, di nuove licenze software e del sistema di acquisizione SCXI della National Instruments. Prove sperimentali previste. Impiegando l'apparato sperimentale specificato, potrà essere eseguita una serie di prove, utilizzando l'azionamento attraverso motori elettrici, eventualmente mediante i motori brushless già esistenti, così da poter realizzare opportune leggi di moto dell'albero in entrata, e poter di conseguenza sollecitare la trasmissione con variazioni periodiche della velocità angolare ed in diverse condizioni dinamiche. Una seconda serie di prove potrà essere eseguita a velocità di rotazione costante del motore, interponendo un giunto di Cardano tra il motore e l'ingranaggio: in tale modo si introducono nella trasmissione variazioni periodiche della velocità di rotazione di tipo sinusoidale, con generazione di irregolarità periodica nota. La procedura di monitoraggio prevede di acquisire inizialmente la "firma" del sistema integro con meccanismi in prova nuovi e privi di difetti. Attraverso ripetizioni sistematiche delle prove, sarà possibile acquisire, con un sistema di misura digitale, preliminarmente il comportamento dei meccanismi senza malfunzionamenti e successivamente, quello dei meccanismi modificati, con introduzione di difetti generati appositamente, procedendo quindi ad un confronto dei rispettivi segnali. I malfunzionamenti che verranno studiati saranno pertanto introdotti ad arte, apportando graduali modifiche peggiorative ed andando a verificare le modificazioni dei segnali ottenuti. B2) DIAGNOSTICA E MODELLAZIONE DI MECCANISMI: AMPLIAMENTO E MIGLIORAMENTO DEGLI APPARATI SPERIMENTALI ESISTENTI Attualmente è già disponibile un apparato sperimentale di prova attrezzato mediante una coppia di ingranaggi cilindrici a denti diritti ad evolvente di circonferenza, in grado di lavorare a distanza regolare, ovvero di lavorare a distanza variata con assi non paralleli. Gli ingranaggi verranno testati in diverse condizioni di funzionamento nonché con difetti generati appositamente, aumentando il grado di usura nel tempo e simulandone l'invecchiamento. È prevista la possibilità di operare la movimentazione anche realizzando variazioni di velocità istantanea degli alberi, attraverso i motori brushless di azionamento. Sono attualmente in corso di studio alcuni nuovi prototipi di meccanismi da sottoporre ad analisi diagnostica, adatti alla effettuazione di prove sperimentali analoghe, su meccanismi per moti intermittenti quali la croce di Malta, giunti ecc.
