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.

L’attività della tesi riguarda le protesi mioelettriche, gli arti protesici maggiormente diffusi, le quali sono descrivibili come arti robotici in cui i segmenti artificiali sono attuati da giunti elettromeccanici alimentati da batterie ricaricabili ed attivati mediante segnali elettromiografici (segnali elettrici generati dalla contrazione dei muscoli). Tali protesi di arto superiore attualmente disponibili in commercio potrebbero essere inadeguate per una riabilitazione soddisfacente di alcuni pazienti con una amputazione di alto livello che richiedono una elevata funzionalità nella vita quotidiana. In questo contesto si inserisce l’attività di ricerca del Centro Protesi INAIL di Budrio di Vigorso, Bologna, e dell’Università di Bologna i quali stanno sviluppando nuovi arti protesici con il progetto a lungo termine di rendere disponibili svariate soluzioni di protesi di arto superiore in grado di soddisfare la maggior parte delle richieste degli amputati. Lo scopo di questa tesi è l’introduzione di un nuovo rotatore omerale attivo da integrare alla protesi di arto superiore disponibile presso i nostri laboratori. Per ottenere questo risultato è stata utilizzata una procedura di progettazione già consolidata in attività precedenti per lo sviluppo di una protesi di spalla a due gradi di libertà. Differenti modelli cinematici sono stati studiati tramite analisi cinematiche per determinare l’incremento delle prestazioni a seguito dell’introduzione del nuovo rotatore omerale attivo. Sono state inoltre condotte analisi cinetostatiche per definire le specifiche tecniche di riferimento (in termini di carichi agenti sul rotatore omerale) e per guidare il dimensionamento della catena di trasmissione di potenza del nuovo dispositivo protesico. Ulteriori specifiche tecniche sono state considerate per garantire l’irreversibilità spontanea del moto sotto carichi esterni (quando i giunti attivi della protesi non sono alimentati), per salvaguardare l’incolumità del paziente in caso di caduta, per misurare la posizione angolare del rotatore omerale (in modo da implementare strategie di controllo in retroazione) e per limitare i consumi e la rumorosità del dispositivo. Uno studio di fattibilità ha permesso la selezione della architettura ottimale della catena di trasmissione di potenza per il nuovo rotatore omerale. I criteri di scelta sono stati principalmente la limitazione del peso e dell’ingombro del nuovo dispositivo protesico. Si è quindi proceduto con la progettazione di dettaglio alla quale è seguita la costruzione di un prototipo del nuovo rotatore omerale presso i nostri laboratori. La tesi tratta infine una attività preliminare di sperimentazione che ha permesso di fare considerazioni sulle prestazioni del prototipo ed osservazioni importanti per le successive attività di revisione ed ottimizzazione del progetto del rotatore omerale.

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The 3-UPU three degrees of freedom fully parallel manipulator, where U and P are for universal and prismatic pair respectively, is a very well known manipulator that can provide the platform with three degrees of freedom of pure translation, pure rotation or mixed translation and rotation with respect to the base, according to the relative directions of the revolute pair axes (each universal pair comprises two revolute pairs with intersecting and perpendicular axes). In particular, pure translational parallel 3-UPU manipulators (3-UPU TPMs) received great attention. Many studies have been reported in the literature on singularities, workspace, and joint clearance influence on the platform accuracy of this manipulator. However, much work has still to be done to reveal all the features this topology can offer to the designer when different architecture, i.e. different geometry are considered. Therefore, this dissertation will focus on this type of the 3-UPU manipulators. The first part of the dissertation presents six new architectures of the 3-UPU TPMs which offer interesting features to the designer. In the second part, a procedure is presented which is based on some indexes, in order to allows the designer to select the best architecture of the 3-UPU TPMs for a given task. Four indexes are proposed as stiffness, clearance, singularity and size of the manipulator in order to apply the procedure.

The study presented in this work deals with the investigation of the effects produced by two common techniques of static balancing on the dynamic performances of closed-chain linkages, taking into account the compliance of the mechanism components. The long-term goal of the research consists in determining an optimal balancing strategy for parallel spatial manipulators. The present contribution is a starting point and it focuses on the planar four-bar linkage, intended as the simplest example of closed-chain mechanism. The elastodynamic behaviour of an unbalanced four-bar linkage and two balanced ones, respectively obtained by mass and elastic balancing, is investigated by means of both numerical simulations and experimental tests. The purpose of this work is to obtain preliminary results, to be refined and broadened in future developments

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. / I meccanismi paralleli possiedono caratteristiche vantaggiose, quali un elevato carico pagante rispetto al peso del robot, una considerevole rigidezza, bassa inerzia e alte prestazioni dinamiche. In particolare, i manipolatori paralleli con meno di sei gradi di libertà hanno recentemente attratto l’attenzione dei ricercatori, potendo il loro impiego risultare utile in applicazioni nelle quali non sia necessaria una più alta mobilità. L’oggetto della presente tesi è costituito dai manipolatori paralleli traslanti (TPM), così detti in quanto il proprio membro terminale (piattaforma) esibisce un moto di pura traslazione rispetto al telaio. La prima parte affronta, in termini generali, il problema della sintesi topologica, nonché della classificazione, dei TPM. In particolare, s’individuano le architetture che le gambe di un TPM devono possedere affinché la piattaforma del meccanismo possa traslare liberamente nello spazio senza alterare il proprio orientamento. La seconda parte studia le singolarità dei TPM, tanto quelle di vincolo quanto quelle dirette, e individua speciali famiglie di meccanismi completamente isotropi. Tali manipolatori mostrano proprietà notevoli, in quanto sono privi di singolarità e possiedono una matrice jacobiana ortogonale e costante in tutto lo spazio di lavoro. I problemi di posizione sia diretto che inverso risultano lineari e l’analisi cinematica immediata.

Nell’ambito della presente tesi verrà descritto un approccio generalizzato per il controllo delle macchine elettriche trifasi; la prima parte è incentrata nello sviluppo di una metodologia di modellizzazione generale, ossia in grado di descrivere, da un punto di vista matematico, il comportamento di una generica macchina elettrica, che possa quindi includere in sé stessa tutte le caratteristiche salienti che possano caratterizzare ogni specifica tipologia di macchina elettrica. Il passo successivo è quello di realizzare un algoritmo di controllo per macchine elettriche che si poggi sulla teoria generalizzata e che utilizzi per il proprio funzionamento quelle grandezze offerte dal modello unico delle macchine elettriche. La tipologia di controllo che è stata utilizzata è quella che comunemente viene definita come controllo ad orientamento di campo (FOC), per la quale sono stati individuati degli accorgimenti atti a migliorarne le prestazioni dinamiche e di controllo della coppia erogata. Per concludere verrà presentata una serie di prove sperimentali con lo scopo di mettere in risalto alcuni aspetti cruciali nel controllo delle macchine elettriche mediante un algoritmo ad orientamento di campo e soprattutto di verificare l’attendibilità dell’approccio generalizzato alle macchine elettriche trifasi. I risultati sperimentali confermano quindi l’applicabilità del metodo a diverse tipologie di macchine (asincrone e sincrone) e sono stati verificate nelle condizioni operative più critiche: bassa velocità, alta velocità bassi carichi, dinamica lenta e dinamica veloce. / The Ph.D. work is focused on the development of a generalized method for controlling AC machines. The thesis is subdivided in three main sections. The first section presents the general method for modeling AC machines. Here is described the mathematical analysis that allows to describes the model of the main three-phase AC machine configurations using an unified approach. The second section describes a control algorithm for AC machines that is based on the exploitation of the characteristics and results given by the generalized model described in section one. This field oriented control algorithm (FOC) includes several advanced control strategies for improving dynamic performance and exploitation of the maximum torque all over the speed range of the AC drive. The third section collects the results of the experimental tests which are carried out for verifying the most important aspect of the proposed AC drives. First of all the precision and reliability of the proposed general model are presented, such as its parameter variation sensitivity. The performance of the full control system is then verified, especially during transients in many operating condition: low speed, high speed, low torque, and slow and fast dynamic. The experimental tests also demonstrate the control capability of the proposed system for different machine configurations (synchronous and asynchronous).

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.

This doctoral dissertation presents a new method to asses the influence of clearancein the kinematic pairs on the configuration of planar and spatial mechanisms. The subject has been widely investigated in both past and present scientific literature, and is approached in different ways: a static/kinetostatic way, which looks for the clearance take-up due to the external loads on the mechanism; a probabilistic way, which expresses clearance-due displacements using probability density functions; a dynamic way, which evaluates dynamic effects like the actual forces in the pairs caused by impacts, or the consequent vibrations. This dissertation presents a new method to approach the problem of clearance. The problem is studied from a purely kinematic perspective. With reference to a given mechanism configuration, the pose (position and orientation) error of the mechanism link of interest is expressed as a vector function of the degrees of freedom introduced in each pair by clearance: the presence of clearance in a kinematic pair, in facts, causes the actual pair to have more degrees of freedom than the theoretical clearance-free one. The clearance-due degrees of freedom are bounded by the pair geometry. A proper modelling of clearance-affected pairs allows expressing such bounding through analytical functions. It is then possible to study the problem as a maximization problem, where a continuous function (the pose error of the link of interest) subject to some constraints (the analytical functions bounding clearance- due degrees of freedom) has to be maximize. Revolute, prismatic, cylindrical, and spherical clearance-affected pairs have been analytically modelled; with reference to mechanisms involving such pairs, the solution to the maximization problem has been obtained in a closed form. / L’attività di ricerca presentata nella tesi di dottorato concerne lo studio dell’influenza del gioco nelle coppie cinematiche in meccanismi piani e spaziali. Tale tema è stato spesso oggetto di studi, tanto nella letteratura scientifica passata quanto in quella attuale. Da uno studio approfondito, si possono dedurre diverse metodologie per affrontare il problema: metodologie di tipo statico/cinetostatico, che determinano la ripresa nel gioco nelle coppie a seguito dell’azione di un carico; metodologie di tipo probabilistico, che esprimono lo spostamento nelle coppie con gioco in termini di funzioni densità di probabilità; infine, metodologie che si interessano al problema dinamico, volte a determinare effetti quali le effettive forze nelle coppie, o gli urti successivi al distacco e le conseguenti vibrazioni. La tesi in oggetto presenta una nuova metodologia per affrontare il problema. Tale metodologia differisce dalle precedenti poichè presenta un’analisi di tipo puramente cinematico. Con riferimento ad una configurazione assegnata per un meccanismo, l’errore di posizione del membro di riferimento viene espresso come funzione vettoriale dei gradi di libertà introdotti dal gioco. La presenza di gioco in una coppia, infatti, introduce gradi di libertà aggiuntivi; questi gradi di libertà sono però vincolati. Un’opportuna modellazione delle coppie cinematiche affette da gioco permette di esprimere analiticamente per mezzo di opportune funzioni il vincolo sui gradi di libertà introdotti. E’ quindi possibile studiare la funzione che rappresenta l’errore di posizionamento del membro di riferimento riconducendo il problema alla massimizzazione di una funzione continua definita su un dominio compatto. La soluzione al problema è ottenuta analiticamente in forma chiusa, modellando coppie di tipo rotoidale, prismatico, cilindrico e sferico per meccanismi piani e spaziali.