Performance and mechanical limits evaluation of a 6 d.o.fs manipulator for wind tunnel tests

Energy generation from renewable sources is one of the most relevant topics in the energy production field. Wind turbines have an important role in this field and 10 MW offshore deep water installations have been recently investigated in order to reduce energy production costs in the short term. Politecnico di Milano is directly involved in this topic, being part of the Lifes50+ european project. Its main role is the creation of a test bench for experimental tests. The set-up must be able to take into account the simultaneous effects introduced by floater movements and wind. For this purpose a Hardware In the Loop technology has been specifically designed. Hexaslide is a 6 d.o.f.s Parallel Kinematic manipulator whose purpose is to replicate the floating substructure movements. This thesis is characterised by a strong experimental activity in which the machine shake down session is executed. Furthermore, the thesis deals with the evaluation of the manipulator mechanical limits, the control system influence on the machine and the system performance. The machine characterization is done through first natural frequency identification, which is pose dependent, all over the workspace. Then, the influence of the controller is experimentally investigated by quantifying the effects on 1st natural frequency when the control system is turned on. The system performance are tested with the aim of identifying the machine operational range and verifying the project requirements. Explaining more in deep the work, in the initial stage, the first natural frequency dependency on manipulator pose in the workspace is numerically evaluated through Adams multibody simplified model. Frequency maps are generated as function of manipulator position and orientation in order to check first eigenfrequency is always much above the motion frequency content. Experimental tests are carried out in order to understand the entity of the difference between simulated results and reality. Furthermore, the controller effects on first natural frequency is checked experimentally in order to investigate a system component which was not modelled in Adams. Control system performance in terms of transparency and accuracy in reference signal reproduction is evaluated through sweep sinusoidal signal applications, thus allowing to identify the manipulator operational range. The thesis concludes with a brief analysis of signals acquired during the experimental tests in the wind tunnel.

La produzione energetica da fonti rinnovabili, in particolar modo il vento, è stata ampiamente studiata e continui miglioramenti e innovazioni sono introdotte per rendere sempre più economicamente conveniente questa fonte di energia. Lifes50+ è un progetto europeo incentrato sulla tematica della produzione energetica attraverso l'utilizzo di turbine offshore da 10 MW localizzate su piattaforme galleggianti, da installare in mari con elevate profondità di fondale. Politecnico di Milano è direttamente coinvolto nella parte sperimentale del progetto con l'obiettivo di creare condizioni di prova in cui testare gli effetti indotti dalla combinazione del movimento della piattaforma e del vento. Con l'obiettivo di replicare i movimenti della struttura galleggiante soggetta a carichi idrodinamici e di altra natura, non essendo disponibile una vasca navale, un manipolatore a 6 gradi di libertà è stato progettato e realizzato per essere inserito nella tecnologia Hardware In the Loop appositamente pensata per sviluppare il progetto. Hexaslide è stato progettato per simulare correttamente i movimenti del floater, caratterizzati da un contenuto in frequenza non superiore ai 3Hz. Questo lavoro di tesi parte dalla messa in opera della macchina. Una volta reso il manipolatore operativo, i principali obiettivi del lavoro di tesi sono finalizzati ad indagare i limiti meccanici della macchina, l'influenza del sistema di controllo su tali limiti e gli effetti sulle performance. L'analisi dei limiti meccanici viene effettuata attraverso l'identificazione della prima frequenza propria della macchina in funzione della posa assunta all'interno dello spazio di lavoro. L'influenza del sistema di controllo viene verificata attraverso la valutazione della variazione della prima frequenza propria quando il sistema di controllo è attivo. Le prestazioni della macchina sono valutate attraverso l'operazione di shaking, utile per identificare il campo operativo del manipolatore ed effettuare la verifica conclusiva sul rispetto delle specifiche di progetto. In primo luogo, è stata condotta un'indagine per valutare l'influenza della posa del manipolatore sulla sua prima frequenza propria. Tale operazione è effettuata attraverso l'utilizzo di un modello multibody semplificato realizzato in Adams. Il calcolo della prima frequenza propria è effettuato in diversi punti dello spazio di lavoro e considerando diverse orientazioni della piattaforma. I risultati ottenuti sono analizzati e confrontati con i dati acquisiti durante la campagna sperimentale, necessaria per quantificare l'attesa differenza in frequenza tra modello e manipolatore reale. L'effetto del controllo su tali variazioni in frequenza è analizzato con l'obiettivo di quantificare la differenza tra il sistema fisico controllato e non. Le performance del sistema sono invece valutate attraverso l'applicazione di un segnale sinusoidale variante in frequenza. La banda in cui si ha una perfetta trasparenza del sistema controllato è identificata, assicurando in questo range una corretta esecuzione dei riferimenti. Un'ultima analisi dei dati sperimentali acquisiti durante una prima fase di test in galleria del vento conclude il lavoro di tesi.