Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

Numerical and experimental analysis of 3D printed smart structures and systems

Three dimensional (3D) printers of continuous fiber reinforced composites, such as MarkTwo (MT) by Markforged, can be used to manufacture such structures. To date, research works devoted to the study and application of flexible elements and CMs realized with MT printer are only a few and very recent. A good numerical and/or analytical tool for the mechanical behavior analysis of the new composites is still missing. In addition, there is still a gap in obtaining the material properties used (e.g. elastic modulus) as it is usually unknown and sensitive to printing parameters used (e.g. infill density), making the numerical simulation inaccurate. Consequently, the aim of this thesis is to present several work developed. The first is a preliminary investigation on the tensile and flexural response of Straight Beam Flexures (SBF) realized with MT printer and featuring different interlayer fiber volume-fraction and orientation, as well as different laminate position within the sample. The second is to develop a numerical analysis within the Carrera' s Unified Formulation (CUF) framework, based on component-wise (CW) approach, including a novel preprocessing tool that has been developed to account all regions printed in an easy and time efficient way. Among its benefits, the CUF-CW approach enables building an accurate database for collecting first natural frequencies modes results, then predicting Young' s modulus based on an inverse problem formulation. To validate the tool, the numerical results are compared to the experimental natural frequencies evaluated using a digital image correlation method. Further, we take the CUF-CW model and use static condensation to analyze smart structures which can be decomposed into a large number of similar components. Third, the potentiality of MT in combination with topology optimization and compliant joints design (CJD) is investigated for the realization of automated machinery mechanisms subjected to inertial loads.

Vision-Based Solutions for Human-Robot Collaboration in Industrial Workcells

Industrial robots are both versatile and high performant, enabling the flexible automation typical of the modern Smart Factories. For safety reasons, however, they must be relegated inside closed fences and/or virtual safety barriers, to keep them strictly separated from human operators. This can be a limitation in some scenarios in which it is useful to combine the human cognitive skill with the accuracy and repeatability of a robot, or simply to allow a safe coexistence in a shared workspace. Collaborative robots (cobots), on the other hand, are intrinsically limited in speed and power in order to share workspace and tasks with human operators, and feature the very intuitive hand guiding programming method. Cobots, however, cannot compete with industrial robots in terms of performance, and are thus useful only in a limited niche, where they can actually bring an improvement in productivity and/or in the quality of the work thanks to their synergy with human operators. The limitations of both the pure industrial and the collaborative paradigms can be overcome by combining industrial robots with artificial vision. In particular, vision can be exploited for a real-time adjustment of the pre-programmed task-based robot trajectory, by means of the visual tracking of dynamic obstacles (e.g. human operators). This strategy allows the robot to modify its motion only when necessary, thus maintain a high level of productivity but at the same time increasing its versatility. Other than that, vision offers the possibility of more intuitive programming paradigms for the industrial robots as well, such as the programming by demonstration paradigm. These possibilities offered by artificial vision enable, as a matter of fact, an efficacious and promising way of achieving human-robot collaboration, which has the advantage of overcoming the limitations of both the previous paradigms yet keeping their strengths.

Preventing worker’s musculoskeletal disorders with wearable inertial sensors: ergonomics and modelling of physical human-robot interactions

The most widespread work-related diseases are musculoskeletal disorders (MSD) caused by awkward postures and excessive effort to upper limb muscles during work operations. The use of wearable IMU sensors could monitor the workers constantly to prevent hazardous actions, thus diminishing work injuries. In this thesis, procedures are developed and tested for ergonomic analyses in a working environment, based on a commercial motion capture system (MoCap) made of 17 Inertial Measurement Units (IMUs). An IMU is usually made of a tri-axial gyroscope, a tri-axial accelerometer, and a tri-axial magnetometer that, through sensor fusion algorithms, estimates its attitude. Effective strategies for preventing MSD rely on various aspects: firstly, the accuracy of the IMU, depending on the chosen sensor and its calibration; secondly, the correct identification of the pose of each sensor on the worker’s body; thirdly, the chosen multibody model, which must consider both the accuracy and the computational burden, to provide results in real-time; finally, the model scaling law, which defines the possibility of a fast and accurate personalization of the multibody model geometry. Moreover, the MSD can be diminished using collaborative robots (cobots) as assisted devices for complex or heavy operations to relieve the worker's effort during repetitive tasks. All these aspects are considered to test and show the efficiency and usability of inertial MoCap systems for assessing ergonomics evaluation in real-time and implementing safety control strategies in collaborative robotics. Validation is performed with several experimental tests, both to test the proposed procedures and to compare the results of real-time multibody models developed in this thesis with the results from commercial software. As an additional result, the positive effects of using cobots as assisted devices for reducing human effort in repetitive industrial tasks are also shown, to demonstrate the potential of wearable electronics in on-field ergonomics analyses for industrial applications.

A ROS-based software architecture for a versatile collaborative dual-armed autonomous mobile robot for the manufacturing industry

The industrial context is changing rapidly due to advancements in technology fueled by the Internet and Information Technology. The fourth industrial revolution counts integration, flexibility, and optimization as its fundamental pillars, and, in this context, Human-Robot Collaboration has become a crucial factor for manufacturing sustainability in Europe. Collaborative robots are appealing to many companies due to their low installation and running costs and high degree of flexibility, making them ideal for reshoring production facilities with a short return on investment. The ROSSINI European project aims to implement a true Human-Robot Collaboration by designing, developing, and demonstrating a modular and scalable platform for integrating human-centred robotic technologies in industrial production environments. The project focuses on safety concerns related to introducing a cobot in a shared working area and aims to lay the groundwork for a new working paradigm at the industrial level. The need for a software architecture suitable to the robotic platform employed in one of three use cases selected to deploy and test the new technology was the main trigger of this Thesis. The chosen application consists of the automatic loading and unloading of raw-material reels to an automatic packaging machine through an Autonomous Mobile Robot composed of an Autonomous Guided Vehicle, two collaborative manipulators, and an eye-on-hand vision system for performing tasks in a partially unstructured environment. The results obtained during the ROSSINI use case development were later used in the SENECA project, which addresses the need for robot-driven automatic cleaning of pharmaceutical bins in a very specific industrial context. The inherent versatility of mobile collaborative robots is evident from their deployment in the two projects with few hardware and software adjustments. The positive impact of Human-Robot Collaboration on diverse production lines is a motivation for future investments in research on this increasingly popular field by the industry.

Modellizzazione numerica e caratterizzazione sperimentale di macchine e componenti oleodinamici

Nella prima parte di questa tesi di dottorato sono presentate le attività svolte, di carattere numerico, ai fini della modellizzazione di macchine volumetriche ad ingranaggi esterni. In particolare viene dapprima presentato un modello a parametri concentrati utilizzato per l’analisi dei fenomeni che coinvolgono l’area di ingranamento della macchina; un codice di calcolo associato al modello è stato sviluppato ed utilizzato per la determinazione dell’influenza delle condizioni di funzionamento e delle caratteristiche geometriche della macchina sulle sovra-pressioni e sull’eventuale instaurarsi della cavitazione nei volumi tra i denti che si trovano nell’area di ingranamento. In seguito vengono presentati i risultati ottenuti dall’analisi del bilanciamento assiale di diverse unità commerciali, evidenziando l’influenza delle caratteristiche geometriche delle fiancate di bilanciamento; a questo proposito, viene presentato anche un semplice modello a parametri concentrati per valutare il rendimento volumetrico della macchina ad ingranaggi esterni, con l’intenzione di usare tale parametro quale indice qualitativo della bontà del bilanciamento assiale. Infine, viene presentato un modello completo della macchina ad ingranaggi esterni, realizzato in un software commerciale a parametri concentrati, che permette di analizzare nel dettaglio il funzionamento della macchina e di studiare anche l’interazione della stessa con il circuito idraulico in cui è inserita. Nella seconda parte della tesi si presentano le attività legate alla messa in funzione di due banchi prova idraulici per la caratterizzazione sperimentale di macchine volumetriche e componenti di regolazione, con particolare attenzione dedicata alla messa a punto del sistema di acquisizione e gestione dei dati sperimentali; si presentano infine i risultati di alcune prove eseguite su componenti di regolazione e macchine volumetriche.

Topological analysis of singularity loci for serial and parallel manipulators

Singularities of robot manipulators have been intensely studied in the last decades by researchers of many fields. Serial singularities produce some local loss of dexterity of the manipulator, therefore it might be desirable to search for singularityfree trajectories in the jointspace. On the other hand, parallel singularities are very dangerous for parallel manipulators, for they may provoke the local loss of platform control, and jeopardize the structural integrity of links or actuators. It is therefore utterly important to avoid parallel singularities, while operating a parallel machine. Furthermore, there might be some configurations of a parallel manipulators that are allowed by the constraints, but nevertheless are unreachable by any feasible path. The present work proposes a numerical procedure based upon Morse theory, an important branch of differential topology. Such procedure counts and identify the singularity-free regions that are cut by the singularity locus out of the configuration space, and the disjoint regions composing the configuration space of a parallel manipulator. Moreover, given any two configurations of a manipulator, a feasible or a singularity-free path connecting them can always be found, or it can be proved that none exists. Examples of applications to 3R and 6R serial manipulators, to 3UPS and 3UPU parallel wrists, to 3UPU parallel translational manipulators, and to 3RRR planar manipulators are reported in the work.

Path planning for image based visual servoing

This thesis deals with Visual Servoing and its strictly connected disciplines like projective geometry, image processing, robotics and non-linear control. More specifically the work addresses the problem to control a robotic manipulator through one of the largely used Visual Servoing techniques: the Image Based Visual Servoing (IBVS). In Image Based Visual Servoing the robot is driven by on-line performing a feedback control loop that is closed directly in the 2D space of the camera sensor. The work considers the case of a monocular system with the only camera mounted on the robot end effector (eye in hand configuration). Through IBVS the system can be positioned with respect to a 3D fixed target by minimizing the differences between its initial view and its goal view, corresponding respectively to the initial and the goal system configurations: the robot Cartesian Motion is thus generated only by means of visual informations. However, the execution of a positioning control task by IBVS is not straightforward because singularity problems may occur and local minima may be reached where the reached image is very close to the target one but the 3D positioning task is far from being fulfilled: this happens in particular for large camera displacements, when the the initial and the goal target views are noticeably different. To overcame singularity and local minima drawbacks, maintaining the good properties of IBVS robustness with respect to modeling and camera calibration errors, an opportune image path planning can be exploited. This work deals with the problem of generating opportune image plane trajectories for tracked points of the servoing control scheme (a trajectory is made of a path plus a time law). The generated image plane paths must be feasible i.e. they must be compliant with rigid body motion of the camera with respect to the object so as to avoid image jacobian singularities and local minima problems. In addition, the image planned trajectories must generate camera velocity screws which are smooth and within the allowed bounds of the robot. We will show that a scaled 3D motion planning algorithm can be devised in order to generate feasible image plane trajectories. Since the paths in the image are off-line generated it is also possible to tune the planning parameters so as to maintain the target inside the camera field of view even if, in some unfortunate cases, the feature target points would leave the camera images due to 3D robot motions. To test the validity of the proposed approach some both experiments and simulations results have been reported taking also into account the influence of noise in the path planning strategy. The experiments have been realized with a 6DOF anthropomorphic manipulator with a fire-wire camera installed on its end effector: the results demonstrate the good performances and the feasibility of the proposed approach.

Sul comportamento dinamico di macchine fresatrici in alcune condizioni critiche di lavorazione

Questa tesi affronta lo studio di una tipologia di vibrazione autoeccitata, nota come chatter, che si manifesta nei processi di lavorazione ad asportazione di truciolo ed in particolare nelle lavorazioni di fresatura. La tesi discute inoltre lo sviluppo di una tecnica di monitoraggio e diagnostica del chatter basato sul rilievo di vibrazioni. Il fenomeno del chatter è caratterizzato da violente oscillazioni tra utensile e pezzo in lavorazione ed elevate emissioni acustiche. Il chatter, se non controllato, causa uno scadimento qualitativo della finitura superficiale e delle tolleranze dimensionali del lavorato, una riduzione della vita degli utensili e dei componenti della macchina. Questa vibrazione affligge negativamente la produttività e la qualità del processo di lavorazione e pregiudica l’interazione uomo-macchina-ambiente. Per una data combinazione di macchina, utensile e pezzo lavorato, i fattori che controllano la velocità di asportazione del materiale sono gli stessi che controllano l’insorgenza del chatter: la velocità di rotazione del mandrino, la profondità assiale di passata e la velocità di avanzamento dell’utensile. Per studiare il fenomeno di chatter, con l’obbiettivo di individuare possibili soluzioni per limitarne o controllarne l’insorgenza, vengono proposti in questa tesi alcuni modelli del processo di fresatura. Tali modelli comprendono il modello viscoelastico della macchina fresatrice e il modello delle azioni di taglio. Per le azioni di taglio è stato utilizzato un modello presente in letteratura, mentre per la macchina fresatrice sono stati utilizzato modelli a parametri concentrati e modelli modali analitico-sperimentali. Questi ultimi sono stati ottenuti accoppiando un modello modale sperimentale del telaio, completo di mandrino, della macchina fresatrice con un modello analitico, basato sulla teoria delle travi, dell’utensile. Le equazioni del moto, associate al processo di fresatura, risultano essere equazioni differenziali con ritardo a coefficienti periodici o PDDE (Periodic Delay Diefferential Equations). È stata implementata una procedura numerica per mappare, nello spazio dei parametri di taglio, la stabilità e le caratteristiche spettrali (frequenze caratteristiche della vibrazione di chatter) delle equazioni del moto associate ai modelli del processo di fresatura proposti. Per testare i modelli e le procedure numeriche proposte, una macchina fresatrice CNC 4 assi, di proprietà del Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche Nucleari e Metallurgiche (DIEM) dell’Università di Bologna, è stata strumentata con accelerometri, con una tavola dinamometrica per la misura delle forze di taglio e con un adeguato sistema di acquisizione. Eseguendo varie prove di lavorazione sono stati identificati i coefficienti di pressione di taglio contenuti nel modello delle forze di taglio. Sono stati condotti, a macchina ferma, rilievi di FRFs (Funzioni Risposta in Frequenza) per identificare, tramite tecniche di analisi modale sperimentale, i modelli del solo telaio e della macchina fresatrice completa di utensile. I segnali acquisiti durante le numerose prove di lavorazione eseguite, al variare dei parametri di taglio, sono stati analizzati per valutare la stabilità di ciascun punto di lavoro e le caratteristiche spettrali della vibrazione associata. Questi risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti applicando la procedura numerica proposta ai diversi modelli di macchina fresatrice implementati. Sono state individuate le criticità della procedura di modellazione delle macchine fresatrici a parametri concentrati, proposta in letteratura, che portano a previsioni erronee sulla stabilità delle lavorazioni. È stato mostrato come tali criticità vengano solo in parte superate con l’utilizzo dei modelli modali analitico-sperimentali proposti. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato proposto un sistema automatico, basato su misure accelerometriche, per diagnosticare, in tempo reale, l’insorgenza del chatter durante una lavorazione. È stato realizzato un prototipo di tale sistema di diagnostica il cui funzionamento è stato provato mediante prove di lavorazione eseguite su due diverse macchine fresatrici CNC.

Singularity-Free Fully-Isotropic Translational Parallel Manipulators

Parallel mechanisms show desirable characteristics such as a large payload to robot weight ratio, considerable stiffness, low inertia and high dynamic performances. In particular, parallel manipulators with fewer than six degrees of freedom have recently attracted researchers’ attention, as their employ may prove valuable in those applications in which a higher mobility is uncalled-for. The attention of this dissertation is focused on translational parallel manipulators (TPMs), that is on parallel manipulators whose output link (platform) is provided with a pure translational motion with respect to the frame. The first part deals with the general problem of the topological synthesis and classification of TPMs, that is it identifies the architectures that TPM legs must possess for the platform to be able to freely translate in space without altering its orientation. The second part studies both constraint and direct singularities of TPMs. In particular, special families of fully-isotropic mechanisms are identified. Such manipulators exhibit outstanding properties, as they are free from singularities and show a constant orthogonal Jacobian matrix throughout their workspace. As a consequence, both the direct and the inverse position problems are linear and the kinematic analysis proves straightforward.

Macchine esperienziali: Narrativa, cognizione e atto di lettura

La mia tesi si riallaccia al dibattito teorico-letterario contemporaneo sulla possibilità di un approccio cognitivo alla narrativa e alla letteratura in particolare. Essa si propone di esplorare il rapporto tra narrazione ed esperienza, ridefinendo il concetto di “esperienzialità” della narrativa introdotto da Monika Fludernik nel suo Towards a “Natural” Narratology (1996). A differenza di Fludernik, che ha identificato l’esperienzialità con la rappresentazione dell’esperienza dei personaggi, la mia trattazione assegna un ruolo di primo piano al lettore, cercando di rispondere alla domanda: perché leggere una storia è – o si costituisce come – un’esperienza? L’intuizione dietro tutto ciò è che le teorizzazioni dell’esperienza e della coscienza nella filosofia della mente degli ultimi venti anni possano gettare luce sull’interazione tra lettori e testi narrativi. Il mio punto di riferimento principale è la scienza cognitiva “di seconda generazione”, secondo cui l’esperienza è un relazionarsi attivo e corporeo al mondo. La prima parte del mio studio è dedicata all’intreccio tra la narrativa e quello che chiamo lo “sfondo esperienziale” di ogni lettore, un repertorio di esperienze già note ai lettori attraverso ripetute interazioni con il mondo fisico e socio-culturale. Mi soffermo inoltre sul modo in cui relazionarsi a un testo narrativo può causare cambiamenti e slittamenti in questo sfondo esperienziale, incidendo sulla visione del mondo del lettore. Mi rivolgo poi al coinvolgimento corporeo del lettore, mostrando che la narrativa può attingere allo sfondo esperienziale dei suoi fruitori anche sul piano dell’esperienza di base: le simulazioni corporee della percezione contribuiscono alla nostra comprensione delle storie, incidendo sia sulla ricostruzione dello spazio dell’ambientazione sia sulla relazione intersoggettiva tra lettori e personaggi. Infine, mi occupo del rapporto tra l’esperienza della lettura e la pratica critico-letteraria dell’interpretazione, sostenendo che – lungi dal costituire due modalità opposte di fruizione dei testi – esse sono intimamente connesse.