IT202100018827A1 - Dispositivo di registrazione senza fili dei dati fisico-meccanici di corsa, di una seduta di una giostra, per analisi cinetodinamica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

Dispositivo di registrazione senza fili dei dati fisico-meccanici di corsa, di una seduta di una giostra, per analisi cinetodinamica

STATO DELL?ARTE

Per poter stabilire se un dato circuito per giostre di tipo roller coaster rientra nei limiti previsti dalla norma occorre misurare lungo tutto il tracciato le accelerazioni e le vibrazioni che una seduta subisce nella sua corsa.

Per fare questo ? necessario misurare con una certa frequenza tali dati nelle tre direzioni spaziali.

L?esecuzione dell?analisi cinetodinamica richiede la preparazione di un modello tramite l?utilizzo di software CAD dedicati, come ad esempio Solidworks, ovvero una semplificazione del modello stesso per alleggerire la parte di calcolo nel software utilizzato per l?analisi, devono essere tuttavia rispettate le posizioni dei baricentri e dei centri di massa. La posizione della massa centrale e delle masse inerziali non devono infatti essere alterate dalla ri-modellazione del componente in quanto potrebbero portare ad errori che allontanerebbero i risultati dalla condizione reale in termini dinamici.

Con l?intento di rendere pi? chiaro l?intero algoritmo di analisi cinetodinamica verr? presa in considerazione la seduta oggetto del bando, di seguito verranno presentati i principali step da eseguire per completare la preparazione del modello in CAD.

Nel caso della seduta il modello preparato per l?analisi cinetodinamica coincide a quello preparato per l?ottimizzazione topologica, in quanto la definizione dei carichi presenti su questo componente sar? legata alle accelerazioni del passeggero sulla seduta stessa.

I. Analisi del modello originale del cliente: questa prima analisi assume un ruolo molto importante in quanto l?operatore impegnato con la modellazione CAD dovr? tener conto sia delle modifiche da apportare per l?esecuzione dell?ottimizzazione topologica sia delle modifiche che dovranno essere apportate al fine di ottenere il modello per l?analisi cinetodinamica. La fase di analisi comprende anche la fase di studio per quanto riguarda l?applicazione del moto al fine di ottenere una simulazione la pi? realistica possibile.

II. Semplificazione del modello 3D: in un primo momento, immediatamente successivo a quello dell?analisi al punto I, vengono identificati i diversi subcomponenti del componente, inteso sia come assieme o in alternativa come una parte composta da diverse sottoparti, con l?obiettivo di studiare la migliore geometria attribuibile nella fase di semplificazione. L?identificazione dei subcomponenti inoltre assume grande importanza per capire anche quelli che saranno i cinematismi tra le diverse parti del componente studiato e come queste possano influire sulla dinamica complessiva.

Successivamente vengono rimosse tutte quelle geometrie superflue non utili all?esecuzione dell?analisi cinetodinamica, inoltre una semplificazione del modello consente di sottoporre il modello stesso ad una meno difficoltosa riproduzione del modello con strumenti FEM. Nel caso il componente sia costituito da diversi subcomponenti durante la fase di semplificazione questi verranno uniti tra loro in modo da avere un?unica parte che, se necessario, potr? essere inserita in un assieme per eseguire l?analisi cinetodinamica.

Sono tecnica nota i seguenti brevetti:

Il brevetto WO2020068499A1 descrive una piattaforma di gestione per gestire una linea di produzione di fabbricazione additiva e include una macchina di fabbricazione additiva con sensori integrati, un server con protocolli di sicurezza, un modulo per il flusso di lavoro, un modulo per IoT, un modulo di apprendimento automatico che elabora il feedback dai sensori per controllare il funzionamento della macchina di produzione AM attraverso il modulo del flusso di lavoro e il modulo IoT. Quindi questo brevetto non considera ne gli standard internazionali di fabbricazione additiva e ne tantomeno rappresenta un metodo di controllo qualit? e gestione della produzione per la realizzazione di componenti con tecnologia additiva nel settore delle giostre suddiviso nelle fasi e nei passi della presente domanda ma rappresenta invece un brevetto per una piattaforma gestionale della produzione in AM a sistema chiuso senza tenere in considerazione la qualit? di produzione del componente secondo gli standard specifici per il settore delle giostre.

Nel brevetto US2018001570A1 viene descritto un metodo di autenticazione, test e certificazione di articoli criogenici prodotti con AM. Nel particolare viene rivendicato un metodo per autenticare, testare e certificare articoli prodotti con AM, ovvero un metodo per autenticare i manufatti utilizzando un processo che collega le caratteristiche della produzione del manufatto, per procura, alla parte referenziata. Lo scopo ? quello di certificare la parte referenziata producendo un primo articolo o un altro certificato di prova basato su standard che certifichi la parte tramite il manufatto testimone certificato. Tale brevetto si differenzia non poco dalla presente domanda in quanto non esplicita alcuna normativa di riferimento e/o tecnica specifica di produzione AM e/o tecnica specifica di analisi meccanica, fisica e ottica sul componente in accordo con le normative di riferimento nel settore AM e n? tantomeno nel settore di produzione componenti con AM per giostre. Il brevetto WO2019070644A2 riguarda una sorta di algoritmo multicriterio di ottimizzazione per la produzione in additive manufacturing. Non ? specificato n? il settore n? le tecniche di testing e collaudo che nella presente domanda sono invece specificate e in accordo con tutte le normative di riferimento per il settore della produzione di componenti tramite AM per il settore delle giostre.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

Il presente dischiude un dispositivo dotato di sensori IOT per la misurazione delle accelerazioni e delle vibrazioni subite da una seduta di giostra durante la sua corsa.

Le norme di riferimento generale del settore giostre impongono che i valori combinati rientrino in un volume confinato nello spazio delle fasi. Pertanto si rende necessario misurare tali valori lungo tutto il tracciato ed applicare un algoritmo di verifica del rispetto dei limiti.

L?analisi cinetodinamica ricopre uno dei ruoli pi? importanti in tutto il processo di progettazione, proprio perch? saranno i risultati di quest?ultima a determinare i valori delle forze ed accelerazioni da applicare al componente nella fase di ottimizzazione topologica nel contesto della progettazione per componenti realizzati con tecnologie additive. A seguire verranno presentati i diversi step dell?analisi eseguita con il software ADAMS:

I. Analisi ?preliminare? del modello: vengono definiti i movimenti del componente grazie allo studio della descrizione del funzionamento di quest?ultimo;

II. Modellazione in Solidworks/CAD: viene preparato il modello destinato all?analisi e viene svolta l?acquisizione dei pesi, della posizione del baricentro e dei valori d?inerzia agenti sul componente, quest?ultimi verranno utilizzati poi nello step III;

III. Import del modello SW in ADAMS: viene importato un modello semplificato preparato precedentemente in Solidworks, infine viene eseguita l?analisi cinetodinamica con un?impostazione di quest?ultima ad elementi rigidi.

IV. Estrazione dei risultati: per ogni snodo del modello vengono estratte reazioni vincolari, velocit? ed accelerazioni rispetto ad un sistema di riferimento prestabilito in fase preliminare dell?analisi.

I valori delle masse dipendono dal dimensionamento strutturale, come ad esempio spessori, nervature, ecc., e dalle prescrizioni EN13814, come le masse dei passeggeri.

I modelli della posizione della massa centrale e delle masse inerziali sono stati modificati in base al modello CAD fornito dal cliente al fine di rappresentare la dinamica pi? realistica della corsa.

Il processo di analisi ? stato eseguito in un processo a circuito chiuso: partendo dai valori di massa e dalle posizioni dei centri di gravit?, l'analisi cinetodinamica ha restituito una serie di forze di reazione e accelerazioni che ? stata utilizzata per le analisi strutturali, in caso di non verifica le strutture dei componenti sono state modificate e sono stati ricalcolati i valori delle nuove masse e i nuovi centri di gravit? per ciascun componente.

Ottenuta la prima serie di risultati dall?analisi effettuata i dati dovranno tuttavia subire una prima verifica in termini di accettabilit?, per risolvere questa complessit? EAE si avvale dell?utilizzo di un tool sviluppato internamente ed esternamente, ovvero il CIRCULAR INTERPOLATION.

Il software tool CIRCULAR INTERPOLATION ? stato creato per essere utilizzato in due diversi approcci come applicativo, dando la possibilit? di essere applicato, quasi senza limitazioni, a tutti i datasheet ricavati dall?analisi cinetodinamica svolta con ADAMS, descritta precedentemente, ed ai dati ricavati dal sistema prototipale IoT.

I. Primo caso applicativo - Coaster toolkit: permette di utilizzare delle curve importate in file txt con precisate le posizioni dei punti costituenti una curva 3D nello spazio e trasformarla in segmenti di arco aventi delle caratteristiche che possono rendere costruibile tale curva con sistemi produttivi di curvatura (calandre) su un piano 2D.Le curve estrapolate sono frutto di una analisi cinetodinamica dedicata per il mondo dei Roller coaster (ma possono anche essere inserite singolarmente curve da CAD da altre applicazioni) atta a migliorare il comfort del passeggero nel tracciato. Il software ? stato concepito in modo che vengano poi estrapolate delle tabelle (datasheet) che in automatico andranno a compilare campi prestabiliti di disegni CAD senza che il progettista debba copiare ad uno ad uno i valori in tali disegni. (rimozione del problema di copiatura da cui potrebbero incorrere errori importanti). Analogamente anche una curva 3D dei risultati viene generata per esser sovrapposta e poter controllare la deviazione minima che ne nasce dalle tolleranze di progetto impostate. Quindi l?algoritmo ? dotato di una procedura semi-automatica per l?esportazione dei grafici e dei parametri fondamentali per generare anche dei report per le relazioni finali di progetto. I risultati di queste nuove curve 3D vengono reinserite nel software per poter controllare che le accelerazioni che ne usciranno dal ?nuovo? tracciato siano coincidenti con quanto richiesto dal progetto iniziale.

II. Secondo caso applicativo sfruttato per ottimizzazione topologica: in questo caso il tool serve per eseguire un assessment sui dati ricavati in termini di accelerazioni, velocit? e reazioni vincolari; l?algoritmo ? infatti dotato di una procedura semi-automatica per l?esportazione dei grafici e dei parametri fondamentali per eseguire l?assessment oltre a generare anche dei report per le relazioni finali di progetto. Diventa comprensibile come l?importanza di questo tool assuma un ruolo fondamentale nell?intero algoritmo di progettazione per produzione in additive, in quanto la correttezza dei valori di output da tutta l?analisi cinetodinamica, che assumeranno poi il ruolo di input per quel che riguarda la fase di ottimizzazione, incideranno direttamente sulla qualit? del risultato.

La raccolta dei dati telemetrici utili al confronto precedentemente descritto con I coefficienti presenti in normativa, ? resa possibile grazie alla presenza di un sensore accelerometrico triassiale e di un sensore giroscopico triassiale. Il Sistema consente anche di acquisire mediante un sensore di frequenza di identeficare sollecitazioni vibrazionali alle quali il componente ? sottoposto.

Un altro aspetto che deve essere tenuto in considerazione ? il sistema di comunicazione del Sistema stesso con una rete associata, la quale permetter? di valutare I dati ricavati in fase di progettazione e di monitorare il corretto funzionamento del componente stesso. Di seguito verr? quindi presentato uno schema riassuntivo e commentato del funzionamento e dell?architettura del logger accelerometrico.

I componenti del dispositivo:

Scheda Sensori e Data fusion: composta da sensore accelerometrico triassiale, sensore giroscopico triassiale, ricevitore GNSS, elettronica di condizionamento sensori e microcontrollore con le funzioni di integrazioni sensori e data fusion.

Svolge la funzione di piattaforma inerziale assistita dal GPS (GNSS) integrando i dati provenienti dai sensori accelerometrici e giroscopici e dal GNSS nonch? la funzione di elaborazione delle vibrazioni utilizzando la terna accelerometrica.

Scheda Logger e Power management: composta da microcontrollore per la registrazione dei dati su scheda SD e trasferimento dati verso scheda IoT, gestione alimentazioni scheda sensori e scheda IoT, gestione batteria e carica batteria.

Elabora i dati provenienti dalla scheda Sensori e Data fusion per registrarli ad alta velocit? sulla scheda di memoria SD. Elabora il flusso di dati per trasferirli verso la scheda IoT. Gestisce le alimentazioni per le schede Sensori ed IoT. Gestisce la batteria in termini di carica, scarica e protezione della stessa.

Scheda IoT: composta da microcontrollore per la gestione dei protocolli internet e modulo di connessione Wi-Fi.

Riceve i dati provenienti dalle altre schede per distribuirli sull? IoT; gestisce i protocolli internet per IoT (gestione indirizzo IP, DNS, DHCP e HTTP), gestisce la sicurezza del protocollo e si interfaccia all? IoT mediante il modulo Wi-Fi integrato.

Fissaggio e posizionamento del dispositivo sulla seduta

Affinch? sia possibile raccogliere I dati telemetrici in modo corretto il dispositivo IoT deve essere posizionato correttamente sulla seduta oggetto del bando. Un non corretto posizionamento porterebbe alla raccolta di dati sbagliati e quindi inutilizzabili se non addirittura fuorvianti per quanto riguarda l?interfacciarsi con la progettazione o con il controllo durante le attivit? di SAT.

Ia posizione corretta ? stata definite grazie alla consultazione della normativa F2137-04(2009) la quale prevede un posizionamento in base alla tipologia di disposizione del passeggero ed alla tipologia di passeggero stesso, facendo distinzione tra adulto e bambino. Nel caso della seduta il logger accelerometrico ? stato fissato ad un?altezza, rispetto la zona d?appoggio delle gambe, di 41 cm, se la seduta fosse stata destinata ai soli bambini questa altezza sarebbe dovuta essere compresa tra I 28 ed I 33 cm.

Il logger accelerometrico viene fissato attraverso una giunzione bullonata alla struttura la quale prevede, nel caso dello stampaggio con tecnologia SLM, delle alette di supporto nella posizione corretta rispetto il passeggero, cos? da poter ricavare le accelerazioni che non solo andranno ad interessare la struttura, ma anche quelle direttamente rivolte al passeggero stesso.

Durante le fasi di progettazione nell?ambito delle giostre la normativa principale di riferimento oltre all?eurocodice ? sicuramente la EN13814:2019, la quale impone dei coefficienti correttivi nelle fasi di valutazione della vita a fatica di un componente. I coefficienti, quali quello d?impatto e quello legato alle vibrazioni, assumono valori compresi tra 1 ed 1,2, ? quindi comprensibile come un elevato campionamento dei dati telemetrici di un componente in movimento permetta di correggere in maniera significativa tali valori oltre a dare la possibilit? di capire se il componente stesso sia in grado di resistere a fatica durante l?esercizio. La variazione dei coefficienti citati infatti incide direttamente sulla curva di Wohler provocandone un abbassamento con una conseguente diminuzione del numero di cicli a rottura. I dati raccolti dal sensore IoT vanno confrontati direttamente con I dati provenienti dall?analisi cineto-dinamica, tale confronto permetter? poi di capire quali possano essere I danni in termini di calo della vita a fatica grazie alla realizzazione di una storia di carico pi? dettagliata realizzata a valle della raccolta dei valori delle accelerazioni sul componente e sulla struttura. A seguire vengono presentati I requisiti fondamentali del Sistema IoT affinch? sia possibile raccogliere valori di accelerazione, velocit?, vibrazioni e posizione in un determinato istante temporale e come questo venga inserito all?interno dell?intero Algoritmo di progettazione per componentistica realizzata con tecnologia additiva.

L?analisi cinetodinamica ? stata utilizzata per ottenere l?accelerazione sul passeggero al fine di verificare il valore di accelerazione ammissibile e identificare l?area di sicurezza come spiegato nella EN13814:2019. L?utilizzo del sistema prototipale IoT permetter? in un secondo momento verificare che i dati utilizzati per l?assessment vengano effettivamente rispettati anche dopo le attivit? di SAT.

I passeggeri nella modellazione vengono sempre semplificati nel modello considerando comunque la posizione del centro di massa secondo le specifiche del modello dal cliente finale.

L?accelerazione positiva ? definita secondo normative seguendo il seguente Sistema di coordinate:

? az presses the body into the seat downwards, described as ?eyes down?.

? -az lifts the body out of the seat, described as ?eyes up?.

? ay presses the body sideward to the right, described as ?eyes right?.

? -ay presses the body sideward to the left, described as ?eyes left?.

? ax presses the body into the seat backward, described as ?eyes back?.

? -ax (deceleration) pushes the body out of the seat forward, described as ?eyes front?. (Trascrizione diretta dalla normative)

ATTUAZIONE DEL TROVATO

Il dispositivo di registrazione basato su IoT ? un dispositivo elettronico autonomo dal punto di vista energetico ed elettronico, posto nell?alloggiamento predisposto in una seduta appositamente modificata ed ? unica per singola vettura. La seduta modificata ha delle appendici (vedi Fig. 5) per poter fissare il dispositivo. La specifica seduta ? stata precedentemente selezionata dal progettista sulla risultanze della progettazione, essendo quella pi? soggetta a carichi, durante l?esercizio.

Per uso manutentivo, se vi sono diverse vetture, lo strumento viene inserito su una seduta per ciascuna vettura.

Per garantire una continuit? di funzionamento il dispositivo ? dotato di una batteria ausiliaria sempre inserita nell?alloggiamento all?interno della vettura, ed il trovato riconosce e segnala se la batteria si sta scaricando.

I dati cineto-dinamici sono acquisiti in una memoria non volatile capacit? atta a memorizzare una quantit? di dati provenienti dai sensori IoT, durante una corsa completa sul circuito chiuso di detta giostra e sono immediatamente elaborati per garantire la manutenzione ordinaria e straordinaria della giostra tutte le volte che detta giostra ferma il suo ciclo, inoltre vi ? la possibilit? di controllare i dati in post-processing ogni qualvolta viene registrato un set di dati, a frequenza prestabilita dal gestore della giostra.

L?algortimo programmato all?interno del dispositivo di registrazione implementa il metodo di calcolo cosiddetto circular interpolation.

In questo modo il trovato risolve il problema di non dover bloccare il servizio per lunghi periodi per consentire delle misure di verifica come previste dalla norma.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

L?invenzione verr? descritta qui di seguito anche con riferimento alle figure annesse, in cui sono rappresentati:

FIGURA 1 sistema di coordinate per la misura cinetodinamica

FIGURA 2 grafico delle accelerazioni

FIGURA 3 diagramma reazioni vincolari

FIGURA 4 grafico bidimensionale delle sollecitazioni

FIGURA 5 posizionamento del dispositivo sulla seduta

Claims (9)

RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo di registrazione di dati fisico-meccanici di corsa di una seduta di una giostra a circuito chiuso, del tipo a titolo esemplificativo roller coaster, dotato di un vano di alloggiamento ergonomico, composto da:

a. almeno un'interfaccia elettronica, atta a ricevere senza soluzione di continuit?, dati digitali da sensori IoT;

b. almeno una scheda elettronica, contenente un insieme di sensori IoT e dotata di un microcontrollore per la gestione di protocolli sicuri TCP/IP e di un modulo di connessione wireless ad un gateway per la trasmissione dei dati

c. almeno un data logger accelerometrico e vibrazionale, atto a ricevere dati grezzi dai sensori IoT

d. almeno un'unit? di memoria, disposta all'interno del vano di alloggiamento e collegata elettricamente all'interfaccia elettronica per la memorizzazione dei dati provenienti dal data logger e dimensionata in modo da raccogliere almeno i dati acquisiti durante un intero giro sul tracciato della giostra a circuito chiuso;

e. almeno una piastra meccanica di collegamento ricavata sulla seduta per fissare il dispositivo elettronico solidamente su detta seduta

f. almeno un processore con un programma per l?analisi cineto-dinamica dei dati digitali registrati dai sensori IoT durante una corsa sul circuito chiuso di detta giostra.

2. Dispositivo di registrazione, secondo la rivendicazione 1, dotato di una fonte di alimentazione elettrica di riserva, collegata elettricamente all'alloggiamento per fornire una tensione operativa all'interfaccia elettronica e all'unit? di memoria di detto dispositivo di registrazione.

3. Dispositivo di registrazione, secondo la rivendicazione 2, dove le dimensioni fisiche di detta fonte di alimentazione elettrica di riserva e della parte di connessione elettrica rientrano in un fattore di forma predeterminato per il registratore di corsa, come definito da una norma applicabile al settore delle giostre.

4. Dispositivo di registrazione, secondo la rivendicazione 2, dotato di almeno un morsetto per fissare detta fonte di alimentazione elettrica di riserva all'alloggiamento.

5. Dispositivo di registrazione, secondo la rivendicazione 1, in cui l'unit? di memoria include un dispositivo di memoria non volatile, con una capacit? atta a memorizzare una quantit? di dati provenienti da sensori IoT, durante una corsa completa sul circuito chiuso di detta giostra.

6. Dispositivo di registrazione, secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo di alimentazione di riserva fornisce una tensione operativa all'interfaccia elettronica e all'unit? di memoria, a titolo esemplificativo e non limitativo di 5 volt

7. Dispositivo di registrazione, secondo la rivendicazione 1, in cui il processore con programma per l?analisi cineto-dinamica dei dati digitali registrati dai sensori IoT ? in grado di eseguire le seguenti funzioni:

a. Importare il modello numerico tridimensionale del circuito chiuso della giostra per recuperare i pesi, la posizione del baricentro e i valori d?inerzia agenti sulla singola seduta b. Estrarre, per ogni nodo di detto modello numerico, i dati delle misure di reazioni vincolari, velocit? ed accelerazioni, misurate durante una corsa su detto circuito chiuso, rispetto ad un sistema di riferimento prestabilito

c. Applicare il metodo di calcolo cosiddetto circular interpolation sui dati estratti per ogni singolo nodo per la verifica immediata del rispetto delle tolleranze di reazioni vincolari, velocit? ed accelerazioni, come previste dalla norma vigente quando applicato alle misure registrate dal dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti.

8. Programma per analisi cineto-dinamica, di cui alla rivendicazione 7, dotato di una componente software di controllo automatizzato per la rappresentazione grafica del rispetto dei limiti previsti dalla norma con indicazione dei tratti del circuito chiuso della giostra dove detti limiti non sono rispettati

9. Programma per analisi cineto-dinamica, di cui alla rivendicazione 8, che consente di determinare la posizione corretta del registratore dei dati fisico-meccanici di corsa, di cui alla rivendicazione 1, secondo la normativa vigente nel paese di applicazione che regola come stabilire il posizionamento del dispositivo di registrazione e dei sensori IoT, in base alla disposizione del passeggero ed alla tipologia del passeggero medesimo, facendo distinzione tra adulto e bambino, dove nel caso della seduta detto data logger deve essere fissato ad un?altezza, misurata rispetto alla zona d?appoggio delle gambe, presa come quota di riferimento, di 41 cm nel caso di passeggero adulto, e compresa tra i 28 ed i 33 centimetri nel caso della tipologia bambino.