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.

Ingegneria di Manutenzione

Lo scopo di questa tesi di dottorato di ricerca consiste nel fornire la giusta collocazione della manutenzione fra le discipline dell'ingegneria, raccogliendo e formalizzando le metodologie di analisi di affidabilità e di pianificazione degli interventi all'interno di un unico processo di progettazione e di controllo. In linea di principio, un processo di analisi dei guasti e di programmazione della manutenzione deve essere in grado di fornire chiare e sicure risposte ai seguenti interrogativi: Quali sono le funzioni richieste e con quali criteri di prestazioni il sistema è chiamato ad assolverle? Qual'è l'andamento della disponibilità del sistema in funzione del tempo? Quanti guasti e di quale tipo si possono verificare durante la vita del sistema? Quali possono essere le conseguenze che ledono la sicurezza e la protezione ambientale? Quanti pezzi di ricambio sono necessari? Che tipo di interventi di manutenzione preventiva risultano tecnicamente fattibili? A quali scadenze devono essere programmati? A quanto ammonta la previsione del costo di esercizio del sistema? Quante squadre di manutenzione devono essere assegnate al sistema? Come deve essere organizzata la logistica di manutenzione? Con quali tecniche si prevede di riconoscere i guasti e quali procedure devono essere attivate per farvi fronte? E' possibile implementare tecniche di `condition monitoring' delle macchine? Su quali tempi di preavviso sui guasti si può contare? In tal senso, la manutenzione necessita delle tecniche e degli opportuni strumenti che siano in grado di misurarne l'efficacia e l'efficienza. L'efficacia in primo luogo, in quanto l'obiettivo principe consiste nel garantire che il sistema oggetto di studio continui a svolgere le proprie funzioni nei limiti di prestazioni accettabili, secondo le specifiche richieste degli utilizzatori. L'efficienza in secondo luogo, ma non per questo di minore importanza, in quanto perseguendo l'obiettivo di cui sopra, occorre impegnare il minimo di risorse possibili, organizzando con razionalità il supporto logistico del sistema al fine di raggiungere i massimi livelli di rendimento di gestione. La migliore strategia di manutenzione può essere pianificata, a priori, solo se si è in grado di prevedere con la necessaria precisione l'evoluzione del sistema nel suo contesto operativo futuro. E' allora possibile formulare un modello matematico del sistema, studiarne la dinamica ed osservare le reazioni alla simulazione di eventuali stimoli esterni. I metodi ed i modelli noti dell'ingegneria dei sistemi possono essere molto utili per la risoluzione di casi semplici, ma sovente richiedono la formulazione di ipotesi troppo restrittive che aumentano in modo inaccettabile la distanza del modello dalla realtà. Una strada alternativa ed affascinante, che ho percorso con entusiasmo durante questi tre anni di studi e ricerca, consiste nella simulazione numerica della vita del sistema, utilizzando il metodo Monte Carlo per la gestione dei processi stocastici di guasto e per l'esecuzione degli interventi di manutenzione. Ho quindi messo a punto il codice di simulazione RAMSES, perseguendo l'idea di costruire uno strumento di misura dell'efficacia e dell'efficienza di una politica di manutenzione simulata al calcolatore. Nella tesi si presentano i concetti di base dell'ingegneria dei sistemi applicata al caso della manutenzione e si introduce il formalismo della Reliability Centred Maintenance come miglior guida nella pianificazione delle schede di manutenzione. Si introducono le nozioni di base per fornire una struttura solida e corretta alla simulazione numerica dei sistemi riparabili e si presenta il codice RAMSES corredando le informazioni tecniche con i dovuti esempi ed applicazioni pratiche. Si conclude il lavoro, infine, con la presentazione di un modello di massima verosimiglianza particolarmente utile per le analisi dei dati sperimentali di guasto dei componenti.

Vendemmia meccanica: aspettative, problematiche e risposte sperimentali

Lo vendemmia meccanica incontra ancora resistenze legate al timore di peggiorare la qualità del prodotto e di avere elevate perdite di raccolta. In questo contesto sono state effettuate quattro prove sperimentali, finalizzate a definire le interazioni macchina, pianta e prodotto raccolto e a valutare nuove possibilità di regolazione delle vendemmiatrici e di gestione del prodotto raccolto. Le prime due sono state realizzate con vendemmiatrici a scuotimento orizzontale e verticale. L’obiettivo è stato quello di individuare l’influenza della frequenza del battitore sull’efficienza di raccolta e sulla qualità del prodotto e di verificare il maltrattamento provocato dagli organi di intercettazione e trasporto della vendemmiatrice. I risultati hanno dimostrato l’importanza della corretta regolazione del battitore delle vendemmiatrici a scuotimento orizzontale che operano direttamente sulla fascia produttiva del vigneto. Questa regolazione risulta più semplice sulle macchine a scuotimento verticale che agiscono indirettamente sui fili di sostegno delle doppie cortine. La misura delle sollecitazioni all’interno della macchina ha evidenziato valori anche elevati, pericolosi per l’integrità del prodotto raccolto, legati alla differente costruzione degli organi d’intercettazione e trasporto. La terza prova ha valutato l’efficacia di due nuovi accessori per le vendemmiatrici: la regolazione dell’ampiezza del battitore e un sensore per misurare in continuo il grado di ammostamento provocato. I risultati hanno dimostrato la loro validità per migliorare le prestazioni operative delle vendemmiatrici e per fornire agli operatori uno strumento di controllo in tempo reale sulla qualità della raccolta. Infine, considerando che le vendemmiatrici producono sempre un ammostamento dell’uva, abbiamo verificato un sistema innovativo che permette di anticipare la protezione del mosto libero già durante il trasporto dal campo. Il sistema si è dimostrato semplice, efficace ed economico. Queste esperienze hanno dimostrano che la vendemmia meccanica, se correttamente gestita, permette di ottenere ottimi risultati sotto il profilo qualitativo, tecnologico ed economico.

Componentistica avanzata per Impianti di Combustione a Biomassa

In un quadro internazionale di forte interesse verso uno sviluppo sostenibile e sfide energetiche per il futuro, il DIEM, in collaborazione con altri istituti di ricerca ed imprese private, sta progettando l’integrazione di componentistica avanzata su di una caldaia alimentata a biomasse. Lo scopo finale è quello di realizzare una caldaia a biomasse che produca energia in maniera più efficiente e con un impatto ambientale ridotto. L’applicazione è indirizzata inizialmente verso caldaie di piccola-media taglia (fino a 350 kW termici) vista la larga diffusione di questa tipologia di impianto. La componentistica in oggetto è: - filtro sperimentale ad alta efficienza per la rimozione del particolato; - celle a effetto Seebeck per la produzione di energia elettrica direttamente da energia termica senza parti meccaniche in movimento; - pompa Ogden per la produzione di energia meccanica direttamente da energia termica; La finalità dell’attività di ricerca è la progettazione dell’integrazione dei suddetti dispositivi con una caldaia a biomassa da 290 kW termici per la realizzazione di un prototipo di caldaia stand-alone ad impatto ambientale ridotto: in particolare, la caldaia è in grado, una volta raggiunte le condizioni di regime, di autoalimentare le proprie utenze elettriche, garantendo il funzionamento in sicurezza in caso di black-out o consentendo l’installazione della caldaia medesima in zone remote e prive di allaccio alla rete elettrica. Inoltre, la caldaia può fornire, tramite l'utilizzo di una pompa a vapore o pompa Ogden, energia meccanica per il pompaggio di fluidi: tale opportunità si ritiene particolarmente interessante per l'integrazione della caldaia nel caso di installazione in ambito agricolo. Infine, l'abbinamento di un filtro ad alta efficienza e basso costo consente l'abbattimento delle emissioni inquinanti, favorendo una maggiore diffusione della tecnologia senza ulteriori impatti sull'ambiente.

Comparative Analysis of Alternative Hybrid Systems for Automotive Applications

The main objective of this work was to investigate the impact of different hybridization concepts and levels of hybridization on fuel economy of a standard road vehicle where both conventional and non-conventional hybrid architectures are treated exactly in the same way from the point of view of overall energy flow optimization. Hybrid component models were developed and presented in detail as well as the simulations results mainly for NEDC cycle. The analysis was performed on four different parallel hybrid powertrain concepts: Hybrid Electric Vehicle (HEV), High Speed Flywheel Hybrid Vehicle (HSF-HV), Hydraulic Hybrid Vehicle (HHV) and Pneumatic Hybrid Vehicle (PHV). In order to perform equitable analysis of different hybrid systems, comparison was performed also on the basis of the same usable system energy storage capacity (i.e. 625kJ for HEV, HSF and the HHV) but in the case of pneumatic hybrid systems maximal storage capacity was limited by the size of the systems in order to comply with the packaging requirements of the vehicle. The simulations were performed within the IAV Gmbh - VeLoDyn software simulator based on Matlab / Simulink software package. Advanced cycle independent control strategy (ECMS) was implemented into the hybrid supervisory control unit in order to solve power management problem for all hybrid powertrain solutions. In order to maintain State of Charge within desired boundaries during different cycles and to facilitate easy implementation and recalibration of the control strategy for very different hybrid systems, Charge Sustaining Algorithm was added into the ECMS framework. Also, a Variable Shift Pattern VSP-ECMS algorithm was proposed as an extension of ECMS capabilities so as to include gear selection into the determination of minimal (energy) cost function of the hybrid system. Further, cycle-based energetic analysis was performed in all the simulated cases, and the results have been reported in the corresponding chapters.

Hydroelastic impacts of deformable wedges

This work investigates the slamming phenomenon experienced during the water entry of deformable bodies. Wedges are chosen as reference geometry due to their similarity to a generic hull section. Hull slamming is a phenomenon occurring when a ship re-enters the water after having been partially or completely lifted out the water. While the analysis of rigid structures entering the water has been extensively studied in the past and there are analytical solutions capable of correctly predicting the hydrodynamic pressure distribution and the overall impact dynamics, the effect of the structural deformation on the structural force is still a challenging problem to be solved. In fact, in case of water impact of deformable bodies, the dynamic deflection could interact with the fluid flow, changing the hydrodynamic load. This work investigates the hull-slamming problem by experiments and numerical simulations of the water entry of elastic wedges impacting on an initially calm surface. The effect of asymmetry due to horizontal velocity component or initial tilt angle on the impact dynamics is also studied. The objective of this work is to determine an accurate model to predict the overall dynamics of the wedge and its deformations. More than 1200 experiments were conducted by varying wedge structural stiffness, deadrise angle, impact velocity and mass. On interest are the overall impact dynamics and the local structural deformation of the panels composing the wedge. Alongside with the experimental analysis, numerical simulations based on a coupled Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) and FEM method are developed. The experimental results provide evidence of the mutual interaction between hydrodynamic load and structural deformation. It is found a simple criterion for the onset of fluid structure interaction (FSI), giving reliable information on the cases where FSI should been taken into account.

Advanced Waste-To-Energy Cycles

The increase in environmental and healthy concerns, combined with the possibility to exploit waste as a valuable energy resource, has led to explore alternative methods for waste final disposal. In this context, the energy conversion of Municipal Solid Waste (MSW) in Waste-To-Energy (WTE) power plant is increasing throughout Europe, both in terms of plants number and capacity, furthered by legislative directives. Due to the heterogeneous nature of waste, some differences with respect to a conventional fossil fuel power plant have to be considered in the energy conversion process. In fact, as a consequence of the well-known corrosion problems, the thermodynamic efficiency of WTE power plants typically ranging in the interval 25% ÷ 30%. The new Waste Framework Directive 2008/98/EC promotes production of energy from waste introducing an energy efficiency criteria (the so-called “R1 formula”) to evaluate plant recovery status. The aim of the Directive is to drive WTE facilities to maximize energy recovery and utilization of waste heat, in order to substitute energy produced with conventional fossil fuels fired power plants. This calls for novel approaches and possibilities to maximize the conversion of MSW into energy. In particular, the idea of an integrated configuration made up of a WTE and a Gas Turbine (GT) originates, driven by the desire to eliminate or, at least, mitigate limitations affecting the WTE conversion process bounding the thermodynamic efficiency of the cycle. The aim of this Ph.D thesis is to investigate, from a thermodynamic point of view, the integrated WTE-GT system sharing the steam cycle, sharing the flue gas paths or combining both ways. The carried out analysis investigates and defines the logic governing plants match in terms of steam production and steam turbine power output as function of the thermal powers introduced.

New mechanisms for modelling the motion of the human ankle complex

The relevance of human joint models was shown in the literature. In particular, the great importance of models for the joint passive motion simulation (i.e. motion under virtually unloaded conditions) was outlined. They clarify the role played by the principal anatomical structures of the articulation, enhancing the comprehension of surgical treatments, and in particular the design of total ankle replacement and ligament reconstruction. Equivalent rigid link mechanisms proved to be an efficient tool for an accurate simulation of the joint passive motion. This thesis focuses on the ankle complex (i.e. the anatomical structure composed of the tibiotalar and the subtalar joints), which has a considerable role in human locomotion. The lack of interpreting models of this articulation and the poor results of total ankle replacement arthroplasty have strongly suggested devising new mathematical models capable of reproducing the restraining function of each structure of the joint and of replicating the relative motion of the bones which constitute the joint itself. In this contest, novel equivalent mechanisms are proposed for modelling the ankle passive motion. Their geometry is based on the joint’s anatomical structures. In particular, the role of the main ligaments of the articulation is investigated under passive conditions by means of nine 5-5 fully parallel mechanisms. Based on this investigation, a one-DOF spatial mechanism is developed for modelling the passive motion of the lower leg. The model considers many passive structures constituting the articulation, overcoming the limitations of previous models which took into account few anatomical elements of the ankle complex. All the models have been identified from experimental data by means of optimization procedure. Then, the simulated motions have been compared to the experimental one, in order to show the efficiency of the approach and thus to deduce the role of each anatomical structure in the ankle kinematic behavior.

Studio del comportamento flesso-torsionale di un telaio in materiale composito per vettura sportiva

Lo studio svolto in merito alle tecniche di produzione di componenti strutturali in materiale composito ha permesso il raggiungimento di una precisa consapevolezza dello stato dell’arte del settore, in particolare in riferimento ai processi attualmente utilizzati per l’industrializzazione in media-grande serie. Con l’obiettivo di sintetizzare i principali vantaggi delle tecnologie suddette e permettere la realizzazione di forme più complesse, si è proceduto all’analisi di fattibilità, attraverso uno studio funzionale e una prima progettazione di una tecnologia di produzione per nastratura automatizzata di componenti strutturali in materiale composito. Si è voluto quindi dimostrare la flessibilità e la consistenza del processo disegnando un telaio nastrato in carbonio, intercambiabile al telaio FSAE 2009 in tubolare d’acciaio (stessi punti di attacco motore, punti di attacco telaietto posteriore, attacchi sospensioni anteriori) e che garantisca un sostanziale vantaggio in termini di peso, a pari rigidezza torsionale. La caratterizzazione di tale telaio è stata eseguita mediante l'utilizzo del calcolo strutturale, validato da prove sperimentali.

Produzione automatizzata per nastratura di componenti strutturali in materiale composito

Questa dissertazione tratterà l’argomento dello studio di metodi di progettazione e processi tecnologici innovativi per l’industrializzazione in medio-grande serie di componenti strutturali in materiale composito. L’interesse della ricerca verso questo ambito è suscitato dai notevoli vantaggi che l’utilizzo di materiali dall’alto rapporto prestazioni meccaniche/peso danno nella ricerca di elevate prestazioni in applicazioni sportive e diminuzione dei consumi ed emissioni inquinanti in mezzi di trasporto di grande serie. Lo studio di componenti in materiale composito è caratterizzato dalla peculiarità di non poter disgiungere la progettazione della geometria della parte da quella del materiale e del processo, ed in questo senso nella figura del progettista si vanno a riassumere sinergicamente competenze riguardanti i tre ambiti. Lo scopo di questo lavoro è la proposizione di una metodologia di progettazione e produzione di componenti strutturali che permetta l’utilizzazione ottimale della natura fibrosa del materiale composito sia dal punto di vista del trasferimento dei carichi tra diversi componenti, sia dal punto di vista del processo di laminazione che avviene per nastratura automatizzata. Lo studio è volto a mostrare in quali termini tale tecnologia sia potenzialmente in grado di superare i vincoli di forma ed i limiti di efficienza meccanica delle giunzioni tra le parti e di garantire maggiore produttività e costi inferiori rispetti ai diversi metodi di produzione che rappresentano oggi lo stato dell’arte dell’industrializzazione in medio-grande serie. Particolare attenzione verrà posta sull’utilizzo della tecnologia oggetto di studio per la produzione di telai automobilistici.

A Design Method for Flexure-Based Compliant Mechanisms on the Basis of Stiffness and Stress Characteristics

Geometric nonlinearities of flexure hinges introduced by large deflections often complicate the analysis of compliant mechanisms containing such members, and therefore, Pseudo-Rigid-Body Models (PRBMs) have been well proposed and developed by Howell [1994] to analyze the characteristics of slender beams under large deflection. These models, however, fail to approximate the characteristics for the deep beams (short beams) or the other flexure hinges. Lobontiu's work [2001] contributed to the diverse flexure hinge analysis building on the assumptions of small deflection, which also limits the application range of these flexure hinges and cannot analyze the stiffness and stress characteristics of these flexure hinges for large deflection. Therefore, the objective of this thesis is to analyze flexure hinges considering both the effects of large-deflection and shear force, which guides the design of flexure-based compliant mechanisms. The main work conducted in the thesis is outlined as follows. 1. Three popular types of flexure hinges: (circular flexure hinges, elliptical flexure hinges and corner-filleted flexure hinges) are chosen for analysis at first. 2. Commercial software (Comsol) based Finite Element Analysis (FEA) method is then used for correcting the errors produced by the equations proposed by Lobontiu when the chosen flexure hinges suffer from large deformation. 3. Three sets of generic design equations for the three types of flexure hinges are further proposed on the basis of stiffness and stress characteristics from the FEA results. 4. A flexure-based four-bar compliant mechanism is finally studied and modeled using the proposed generic design equations. The load-displacement relationships are verified by a numerical example. The results show that a maximum error about the relationship between moment and rotation deformation is less than 3.4% for a flexure hinge, and it is lower than 5% for the four-bar compliant mechanism compared with the FEA results.

Sviluppo di metodologie per la Stima in Tempo Reale delle Grandezze Indicate in Motori a Combustione Interna

Modern Internal Combustion Engines are becoming increasingly complex in terms of their control systems and strategies. The growth of the algorithms’ complexity results in a rise of the number of on-board quantities for control purposes. In order to improve combustion efficiency and, simultaneously, limit the amount of pollutant emissions, the on-board evaluation of two quantities in particular has become essential; namely indicated torque produced by the engine and the angular position where 50% of fuel mass injected over an engine cycle is burned (MFB50). The above mentioned quantities can be evaluated through the measurement of in-cylinder pressure. Nonetheless, at the time being, the installation of in-cylinder pressure sensors on vehicles is extremely uncommon mainly because of measurement reliability and costs. This work illustrates a methodological approach for the estimation of indicated torque and MFB50 that is based on the engine speed fluctuation measurement. This methodology is compatible with the typical on-board application restraints. Moreover, it requires no additional costs since speed can be measured using the system already mounted on the vehicle, which is made of a magnetic pick-up faced to a toothed wheel. The estimation algorithm consists of two main parts: first, the evaluation of indicated torque fluctuation based on speed measurement and secondly, the evaluation of the mean value of the indicated torque (over an engine cycle) and MFB50 by using the relationship with the indicated torque harmonic and other engine quantities. The procedure has been successfully applied to an L4 turbocharged Diesel engine mounted on-board a vehicle.