MECCATRONICA: cosa significa?xoomer.virgilio.it/tsc/appunti/meccatronica.pdf · 2004. 1. 31. · Il...

FORMAZIONE PROFESSIONALE IN MECCATRONICA Alessandro De Carli

Dipartimento di Informatica e Sistemistica Università degli Studi di Roma “La Sapienza”

e-mail: [email protected]

In molti settori industriali, la produzione è affidata a macchine automatiche, realizzate in modo da ottenere che un insieme finito di interventi singoli consenta di raggiungere le finalità desiderate. In tali macchine, la movimentazione controllata risulta di fondamentale importanza in quando condiziona la qualità delle prestazioni e di conseguenza l’efficienza del ciclo produttivo.

Fino ad alcuni anni or sono, tutte le movimentazioni erano attuate da pochi motori a-limentati direttamente dalla rete e la trasmissione del moto e la sincronizzazione delle sin-gole movimentazioni era ottenuta tramite trasmissioni meccaniche e cinematismi. Attual-mente, la linea di tendenza è quella di realizzare con dispositivi elettronici alcune funziona-lità una volta ottenute con dispositivi meccanici. L’ampia disponibilità e varietà di compo-nenti elettromeccanici, alimentati e controllati singolarmente da dispositivi elettronici, non-ché quella di dispositivi dedicati di elaborazione e di software specialistici, finalizzati al controllo e al coordinamento delle singole movimentazioni, ha reso sempre più concreta tale tendenza. L’innovazione ottenuta con l’inserimento di dispositivi elettronici in un si-stema meccanico, al fine di ottenere sostanziali miglioramenti nella qualità delle prestazio-ni senza incidere in modo significativo sul costo complessivo della macchina automatica, è indicata da molti costruttori come una “realizzazione meccatronica”.

MECCATRONICA: cosa significa? Il termine Meccatronica è un neologismo coniato dalla Japan’s Yaskawa Electric

Company nel 1960 per caratterizzare quei sistemi meccanici in cui la funzionalità e le pre-stazioni erano determinate dalla sinergia della meccanica e dell’elettronica, entrambe coinvolte nella realizzazione di sistemi meccanici in cui la qualità delle prestazioni poteva venire migliorata mediante l’applicazione congiunta e coordinata di tali tecnologie.

Al termine Meccatronica sono state attribuite differenti interpretazioni. Quando è uti-lizzato per indicare l’innovazione ottenuta sostituendo alcuni dispositivi meccanici con di-spositivi elettronici caratterizzati da funzionalità analoghe, viene data un’interpretazione fin troppa riduttiva, in quanto i miglioramenti ottenuti sono senz’altro inferiori a quelli che sa-

rebbe stato possibile raggiungere con una progettazione basata su una co-noscenza più approfondita sia del comportamento delle parti meccani-che sia delle prestazioni offerte dalla vasta gamma di dispositivi elettronici adatti allo scopo.

SIG NIFICATO DI M ECCATRO NICA

M ECCANICA & ELETTRO NICA =

NICA

ELET

INTERPRETAZIO NE RIDUTTIVA

INTERPRETAZIO NE CORRENTE

ECCANICALETTRONICAONTROLLISTICAONVERTITORI ZIONAMENTIRASMISSIONI MECCANICHEIDUTTORI E INGRANAGGILEODINAMICAORMATIVE

NFORMATICAIRCUTIMPLIFICATORIINTERPRETAZIO NE GIAPPO NESE

SIG NIFICATO DI M ECCATRO NICA

M ECCANICA & ELETTRO NICA =

NICA

ELET

INTERPRETAZIO NE RIDUTTIVA

INTERPRETAZIO NE CORRENTE

ECCANICALETTRONICAONTROLLISTICAONVERTITORI ZIONAMENTIRASMISSIONI MECCANICHEIDUTTORI E INGRANAGGILEODINAMICAORMATIVE

NFORMATICAIRCUTIMPLIFICATORIINTERPRETAZIO NE GIAPPO NESE

M ECCATRO NICA

M ECCATRO NICA

MECCATRONICA

M ECCATRO NICA

M ECCATRO NICA

MECCATRONICA

Quando invece la progettazione delle parti meccaniche è stata effettuata in funzione delle prestazioni ottenibili dai dispositivi elettronici opportunamente selezionati, il termine Meccatronica è utilizzato per indicare l’applicazione congiunta della tecnologia meccanica e della tecnologia elettronica entram-be finalizzate alla particolare applica-zione di interesse.

Figura 1 – I vari significati di Meccatronica.

Alessandro De Carli: Formazione professionale in Meccatronica

Questa interpretazione rispecchia solo in parte il significato dato dai giapponesi al termine Meccatronica. Infatti, quest’ultimo viene considerato come un acronimo inteso ad indicare l’applicazione congiunta e coordinata di un insieme di tecnologie tutte coinvolte nella rea-lizzazione di particolari dispositivi meccanici. I diversi significati che vengono attribuiti al termine Meccatronica sono posti in evidenza nella Fig. 1.

La movimentazione controllata costituisce uno dei settori innovativi in cui risulta con-veniente applicare l’approccio meccatronico per elevare la qualità delle prestazioni e mi-gliorare la convenienza economica.

MOVIMENTAZIONE CONTROLLATA: approccio convenzionale e ap-

proccio meccatronico. Gli elementi che compongono un sistema di movimentazione controllata possono

essere rappresentati come illustrato nella Fig. 2. L’elemento centrale è costituito dall’insieme dei cinematismi destinati ad imprimere la movimentazione al carico tramite gli attuatori. I dispositivi di misura e il dispositivo di elaborazione dedicato consentono di in-

viare agli attuatori i segnali di co-mando necessari per ottenere le fina-lità e le prestazioni desiderate. Fra dispositivi di misura, dispositivo di e-laborazione ed attuatori deve essere attivato un flusso di dati. L’energia necessaria per rendere operativa la movimentazione viene assorbita dalla rete di alimentazione primaria. In par-te è utilizzata per ottenere la movi-mentazione dei cinematismi e in par-te viene ceduta al carico. Un’interfaccia uomo/macchina, in cui sono raggruppati i comandi e sono visualizzati i dati ricavati dai dispositi-vi di misura completa la realizzazione

di un sistema di movimentazione.

INTERFACCIA UOMO / MACCHINA

VISIONE COMANDI

ATTUATORI DISPOSITIVIDI MISURA

ALIMENTAZIONEPRIMARIA

ENERGIA CEDUTAAL CARICO

FLUSSODI DATI

DISPOSITIVO DI ELABORAZIONEDEDICATO

INTERFACCIA UOMO / MACCHINA

VISIONE COMANDI

ATTUATORI DISPOSITIVIDI MISURA

ALIMENTAZIONEPRIMARIA

ENERGIA CEDUTAAL CARICO

FLUSSODI DATIFLUSSODI DATI

DISPOSITIVO DI ELABORAZIONEDEDICATO

CINEMATISMICARICO

FLUSSODI ENERGIA

CINEMATISMICARICO

FLUSSODI ENERGIA

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Rimanendo nell’interpretazione corrente del termine Meccatronica, finalizzato alla movimentazione controllata, l’utilizzazione di sensori, di attuatori e di reti di comunicazione scelti congiuntamente con modalità di controllo adeguate, consente di elevare il rapporto

costo/prestazioni della macchina automatica in cui i cinematismi e la struttura meccanica sono stati già realizzati. La Fig. 3 mette in luce tali aspetti. Al fine di mettere meglio a fuoco la differenza fra l’approccio di tipo convenzionale e l’approccio di tipo meccatronico si tenga presente che ancora oggi, nella maggior parte dei casi, la realizzazione di una mac-china automatica è ottenuta assem-blando dapprima i cinematismi e il

s

SENSORI ATTUATORI

MODALITÀDI CONTROLLO

RETI DICOMUNICAZIONE

SENSORI ATTUATORI

MODALITÀDI CONTROLLO

RETI DICOMUNICAZIONE

Figura 3 – Sinergia di competenze e finalità dellaMeccatronica.

Figura 2 – Elementi che compongono un sistema di movimentazione controllata.

sistema meccanico di supporto e uccessivamente scegliendo e assemblando i componenti in grado di realizzare l’insieme

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delle movimentazioni desiderate. Le modalità di controllo sono scelte in modo empirico fra quelle convenzionali e i parametri che consentono di finalizzarle alla particolare applica-zione sono per lo più messi a punto quando il sistema di movimentazione è già in grado di funzionare.

Le prestazioni sperate non sempre vengono raggiunte in quanto possono essere state ef-fettuate scelte non adeguate sia dei componenti per la movimen-tazione sia delle modalità di con-trollo e dei relativi parametri. In definitiva, la realizzazione di una macchina automatica si riduce ad una integrazione di componenti. Tale approccio è ancora accetta-bile quando le prestazioni richie-ste non sono troppo spinte per quanto riguarda la precisione sta-tica e il comportamento dinamico, nonché quando tali prestazioni sono compatibili con quelle del

processo produttivo.

APPROCCIO INNOVATIVOAPPROCCIO INNOVATIVO

��

APPROCCIOCONVENZIONALE

��

APPROCCIOCONVENZIONALE

INTEGRAZIONEDEL CONTROLLOINTEGRAZIONE

DEL CONTROLLOINTEGRAZIONE

DEI COMPONENTIINTEGRAZIONE

DEI COMPONENTI

INGEGNERIAMECCANICA

ELETTROTECNICA

INGEGNERIAMECCANICA

ELETTROTECNICA

PROGETTAZIONEDELLA

STRUTTURA

PROGETTAZIONEDELLA

STRUTTURA

INGEGNERIAELETTRICA EDELETRONICA

CONNESSIONIAUTTATORI

MISURE

CONNESSIONIAUTTATORI

MISURE

INGEGNERIAAUTOMATICAINGEGNERIAAUTOMATICA

INGEGNERIAGESTIONALEINGEGNERIAGESTIONALE

MODALITÀDI

CONTROLLO

MODALITÀDI

CONTROLLO

MODALITÀDI

IMPIEGO

MODALITÀDI

IMPIEGO

PRESTAZIONI

Figura 4 – Movimentazione controllata. Approccio convenzionale e approccio innovativo.

Il più delle volte, la spinta verso l’innovazione è determinata dal fatto che le presta-zioni ottenibili dalla macchina automatica risultano inadeguate alle esigenze del processo produttivo, e per motivi economici o contingenti, non può essere resa operativa una altra macchina in parallelo con la prima.

La necessità di migliorare le prestazioni della macchina automatica già installata e funzionante costituisce il più delle volte l’occasione per introdurre innovazioni nel sistema di movimentazione affiancando alla integrazione dei componenti l’integrazione del control-lo. Ciò consente di rendere operative modalità di controllo scelte e progettate da specialisti in Ingegneria Automatica e modalità di impiego individuate esperti di Ingegneria Gestiona-le. Ovviamente per raggiungere il sostanziale miglioramento delle prestazioni, e i vantaggi economici ad essi connessi, è indispensabile uno stretto coordinamento di competenze nelle specializzazioni ormai consolidate, riconducibili all’Ingegneria Meccanica e all’Ingegneria Elettrica ed Elettronica, con le competenze è più innovative inquadrate

nell’ambito dell’Ingegneria Automatica e dell’Ingegneria Gestionale. Nella Fig. 4 sono illustrate le competenze coinvolte nell’approccio di tipo convenzionale e in quel-lo di tipo meccatronico.

FUNZIONALITÀ

PRESTAZIONI

SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE

VERIFICADELLA FATTIBILITÀ

REALIZZAZIONE

VERIFICADELLE PRESTAZIONI

INTEGRAZIONEDEI COMPONENTI

INTEGRAZIONEDELLE MODALITÀ

DI CONTROLLO

FUNZIONALITÀ

PRESTAZIONI

SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE

VERIFICADELLA FATTIBILITÀ

REALIZZAZIONE

VERIFICADELLE PRESTAZIONI

INTEGRAZIONEDEI COMPONENTI

INTEGRAZIONEDELLE MODALITÀ

DI CONTROLLO In definitiva, la procedura secondo cui realizzare una macchina automatica seguen-do gli approcci della Meccatronica, può esse-re sintetizzata come illustrato nella Fig. 5. Da tale figura si evince che, una volta individuate le finalità e fissate le prestazioni, l’integrazione dei componenti e l’integrazione delle modalità di controllo costituisce l’aspetto qualificante di tale procedura innovativa. Oc-corre quindi effettuare dapprima la verifica della fattibilità per quanto riguarda la realizza-zione del sistema di movimentazione e suc-

Figura 5 – Approccio meccatronico alla realizzazione di una macchina automa-tica.

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cessivamente la verifica delle prestazioni. Nel caso in cui tali verifiche siano tutte positive, il sistema di movimentazione risulta conforme alle prerogative della Meccatronica.

Formazione professionale finalizzata alla movimentazione controllata Una formazione professionale in Meccatronica richiede preventivamente la cono-

scenza dei problemi che devono essere affrontati e risolti nel contesto innovativo offerto da questa nuova “metatecnologia”.

L’acquisizione di una professionalità specifica per affrontare e risolvere i problemi di carattere applicativo è indispensabile in quanto i componenti utilizzati per rendere funzio-nante un sistema di meccanico, caratterizzato da elevate prestazioni, richiede in genere l’applicazione di componenti tecnologicamente avanzati e a volte anche molto avanzati.

Per una formazione finalizzata alla realizzazione, alla messa in esercizio e alla con-duzione di un sistema di movimentazione controllata per quando riguarda le tecnologie meccaniche dovrebbe essere approfondita la conoscenza:

• della componentistica meccanica da utilizzare per rendere operativa la movimentazione;

• delle nozioni collegate alla realizzazione dei cinematismi e della struttura mec-canica di supporto;

• delle metodologie di progettazione delle parti meccaniche; • delle modalità di analisi del comportamento dei cinematismi e delle strutture di

supporto finalizzate alla realizzazione della movimentazione. La conoscenza delle tecnologie elettriche ed elettroniche deve comprendere la co-

noscenza: • delle modalità di funzionamento e delle prestazioni degli azionamenti elettrici

e idraulici nonché degli attuatori pneumatici da utilizzare nella movimentazio-ne;

• delle modalità di misura delle grandezze meccaniche ed elettriche coinvolte nella movimentazione nonché delle prestazioni dei dispositivi commerciali;

• delle modalità di elaborazione e di archiviazione dei valori misurati delle gran-dezze meccaniche ed elettriche;

• dei dispositivi elettronici per l’elaborazione delle modalità di controllo e per l’interconnessione della strumentazione di misura con i dispositivi di controllo e la rete di comunicazione.

Per quando riguarda le tecnologie dell’informazione, la conoscenza deve compren-dere:

• le modalità di controllo necessarie per ottenere il raggiungimento delle pre-stazioni desiderate, ossia i fondamenti della teoria del controllo, della model-lazione e della simulazione, delle tecnologie dell’automazione;

• i software specialistici per la simulazione delle singole movimentazioni, per la pianificazione del moto, per il loro coordinamento, per la gestione dell’intero sistema di movimentazione e per la realizzazione dell’interfaccia uo-mo/macchina;

• le metodologie da utilizzare per realizzare procedure inquadrabili nella intelli-genza artificiale.

Al fine di poter inserire correttamente il sistema di movimentazione nella macchina automatica occorre inoltre:

• analizzare nel punto di installazione della macchina automatica le potenze disponibili nelle reti di distribuzione dell’energia elettrica, in quella dell’aria in pressione e in quella dell’olio in pressione;

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• valutare alcune grandezze (temperatura interna ed esterna, disturbi tipici de-gli ambienti industriali, spazi minimi richiesti dalle normative) riscontrabili nel punto nel quale verrà installato la macchina automatica.

Una tale formazione, in parte tecnologica e in parte metodologica, è necessaria quando si vogliono ottenere presta-zioni che non potrebbero essere rag-giunte applicando approcci empirici e aggiustamenti messi in atto durante il funzionamento della movimentazione controllata, come evidenziato nella Fig. 6.

AZIONAMENTI ELETTRICI

ATTUATORI PNEUMATICIDISPOSITIVI DI MISURA

TEORIA DEL CONTROLLOMODELLAZIONE E SIMULAZIONE

TECNOLOGIE PER L’AUTOMAZIONESOFTWARE SPECIALISTICI

INTELLIGENZA ARTIFICIALE

CINEMATISMI

COMPONENTISTICA MECCANICA

TECNOLOGIEELETTRICHE EDELETTRONICHE

TECNOLOGIEMECCANICHE

TECNOLOGIEDELLA

INFORMAZIONE

AZIONAMENTI IDRAULICI

DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE


CONOSCENZEAMBIENTALI

STRUTTURA DI SUPPORTORETI DI DISTRIBUZIONETEMPERATURA INTERNA ED ESTERNASPAZI

AZIONAMENTI ELETTRICI

ATTUATORI PNEUMATICIDISPOSITIVI DI MISURA

TEORIA DEL CONTROLLOMODELLAZIONE E SIMULAZIONE

TECNOLOGIE PER L’AUTOMAZIONESOFTWARE SPECIALISTICI

INTELLIGENZA ARTIFICIALE

CINEMATISMI

COMPONENTISTICA MECCANICA

TECNOLOGIEELETTRICHE EDELETTRONICHE


TECNOLOGIEDELLA

INFORMAZIONE

TECNOLOGIEDELLA

INFORMAZIONE

AZIONAMENTI IDRAULICI

DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE

TECNOLOGIEMECCANICHETECNOLOGIEMECCANICHE



STRUTTURA DI SUPPORTORETI DI DISTRIBUZIONETEMPERATURA INTERNA ED ESTERNASPAZI

Una progettazione efficace non può prescindere dall’impiego della si-mulazione dell’intero sistema di mo-vimentazione. Solo con tale approccio si possono superare i risultati rag-giungibili con l’empirismo e soprattutto valutare l’efficacia delle scelte proget-tuali prima ancora di affrontare i pro-blemi connessi alla realizzazione.

L’approccio innovativo alla pro-gettazione mediante simulazione ri-chiede un impegno iniziale per ap-prendere e familiarizzare con i pro-grammi finalizzati all’analisi del com-

portamento statico e dinamico dei cinematismi e con la progettazione delle modalità di controllo. Tali programmi sono attualmente disponibili in varie versioni a costo contenuto.

Figura 6 – Professionalità necessaria per un approccio meccatronico alla movimentazione controllata.

La fase d’apprendimento di tali programmi può apparire come un'inutile perdita di tempo per coloro che sono stati abituati ad entrare direttamente negli aspetti realizzativi e applicativi di un problema. Solo in un secondo tempo, quando si è stabilita la sinergia fra il programma di simulazione e il progettista, si riescono ad apprezzare i vantaggi di tale tipo di approccio.

Per la realizzazione di un sistema di movimentazione controllata è innanzitutto op-portuno inquadrare le finalità e le pre-stazioni che dovrebbero essere otte-nute dalla movimentazione al fine di proporre una formazione professionale adeguata, ossia né troppo semplicisti-ca e neppure troppo astratta e neppu-re eccessivamente specialistica.

GESTIONE

MOVIMENTAZIONI SINGOLE

COORDINAMENTOPIANIFICAZIONE DEL MOTO

DIGNOSTICASUPERVISIONE

GESTIONEGESTIONE

MOVIMENTAZIONI SINGOLEMOVIMENTAZIONI SINGOLE





È opportuno allora prendere le mosse dal fatto che nei sistemi di mo-vimentazione complessi può essere applicata una suddivisione gerarchica sia delle funzionalità sia delle modalità di controllo del tutto analoga a quella consolidata nell’ambito della Automa-zione Industriale per la caratterizza-zione caratterizzare della struttura del sistema da controllare e delle peculia-rità dei relativi problemi di controllo. Nella Fig. 7 è illustrata tale suddivisio-

Figura 7 – Organizzazione gerarchica delle modalità di controllo di un sistema di movimen-tazione complesso.

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ne. Tenuto conto che un sistema di movimentazione complesso è formato da vari siste-

mi di movimentazione elementari, ognuno caratterizzato da una sola variabile di comando e da una sola variabile controllata, è opportuno suddividere un sistema di movimentazione complesso o pluriasse in tanti sistemi di movimentazione monoasse quante sono le movi-mentazioni elementari che concorrono a formare la funzionalità globale desiderata. In ma-niera analoga, occorre suddividere il carico complessivo e individuare le finalità e le pre-stazioni relative alle singole movimentazioni monoasse in funzione delle finalità e delle prestazioni che si desidera ottenere dall’intero sistema di movimentazione.

Nel livello più basso vengono inquadrati i sistemi di movimentazione monoasse. O-gnuno è destinato a realizzare una singola movimentazione e a risolvere i problemi relativi a quella parte di carico complessivo coinvolta nel sistema di movimentazione a cui è de-stinato.

Per raggiungere la funzionalità desiderata dall’intero sistema di movimentazione oc-corre effettuare il coordinamento delle singole movimentazioni monoasse fissando sia l’andamento temporale del profilo di velocità o di posizione sia l’intervallo di tempo durante il quale ogni movimentazione deve risultare attiva. Tale finalità viene raggiunta nel livello intermedio di pianificazione del moto e di coordinamento delle singole movimentazioni.

Al livello direttamente superiore deve essere risolto il problema della supervisione, della diagnostica e dell’ottimizzazione globale della movimentazione. A tale livello deve ri-sultare attivo il coordinamento con il sistema di produzione entro cui è inserito il particolare sistema di movimentazione in esame.

Da quanto precedentemente esposto appare evidente che occorre risolvere dappri-ma i problemi relativi alla movimentazione monoasse, successivamente quelli relativi alla pianificazione del moto e al coordinamento delle singole movimentazioni e infine quelli ti-pici della supervisione globale. Le prestazioni ottenibili al primo livello, e in particolare le prestazioni dinamiche dei sistemi di movimentazione monoasse, condizionano quelle rag-giungibili al livello di coordinamento che a loro volta determinano le prestazioni globali, che quindi si riflettono nel sistema di produzione.

Classificazione della complessità della movimentazione Fra i vari criteri proposti per inquadrare i problemi connessi alla movimentazione

monoasse, quello che sembra essere il più esauriente, e nello stesso tempo il più vicino alle esigenze applicative, prende le mosse da una analisi dall’esterno di quei fattori che caratterizzano in modo determinante il comportamento dinamico di un sistema di movi-mentazione monoasse. In tale sistema si individuano:

• il carico; • il motore o l’attuatore lineare; • la modalità di controllo; • il profilo di velocità da imporre alla movimentazione.

Seguendo tale criterio, il comportamento dinamico di un sistema di movimentazione monoasse può essere inquadrato in una delle seguenti classi:

• movimentazione molto lenta; • movimentazione lenta; • movimentazione rapida; • movimentazione molto rapida.

Nella movimentazione controllata, moltissime applicazioni ricadono nell’ambito della movimentazione molto lenta e lenta. Abbastanza diffuse sono le applicazioni inquadrabili nell’ambito della movimentazione rapida. Nell’ambito della movimentazione molto rapida, le applicazioni sono rare e in genere molto particolari sono i problemi che vengono ad es-sere coinvolti.

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Nei sistemi di movimentazione molto lenta vengono per lo più utilizzati motori elettri-ci. Il carico è essenzialmente dissipativo ed è in genere collegato ad motore controllato in velocità tramite un riduttore ad elevato rapporto di riduzione. Tale scelta implica che il momento di inerzia proprio del carico abbia una influenza marginale sulla durata del tempo di avviamento del motore e che a parità di potenza nominale si preferisca impiegare motori ad elevata velocità e bassa coppia, in genere meno costosi di quelli a bassa velocità ed elevata coppia.

Data la limitata rapidità di variazione della velocità del carico è possibile assumere che:

• il carico di tipo dissipativo sia dominante mentre quello inerziale sia prati-camente trascurabile;

• il valore della coppia motrice in funzione del valore istantaneo della veloci-tà del carico sia deducibile dalle caratteristiche statiche coppia-velocità del motore.

La variabile di comando della movimentazione, imposta per lo più al livello di pianifi-cazione del moto e di coordinamento delle singole movimentazioni, è costituita dal profilo di velocità, a cui viene in genere assegnato un andamento di tipo trapezoidale, caratteriz-zabile tramite il valore della pendenza nel tratto iniziale e finale e dal valore della velocità nel tratto intermedio. In genere si tende a fissare il valore del rapporto di riduzione e il pro-filo di velocità in modo da ottenere che nel tratto a velocità costante venga raggiunto il va-lore nominale.

Il controllo della movimentazione è molto spesso del tipo a catena aperta per quanto riguarda la velocità del motore. Il motore è dimensionato in relazione alle escursioni che deve assumere la velocità, all’andamento del profilo di velocità e alle modalità previste per lo smaltimento della potenza dissipata al suo interno. Le tradizionali caratteristiche statiche coppia-velocità, relative al funzionamento continuativo, sono per lo più sufficienti allo sco-po.

A volte, quando la precisione con cui il carico deve raggiungere la posizione deside-rata rappresenta una specifica significativa, viene attivata una controreazione di posizione direttamente sul carico. Quando la precisione raggiungibile con un interruttore di fine corsa non è sufficiente, viene attivato un controllo a controreazione di tipo continuo in cui la va-riabile di comando del motore è ottenuta rendendo operativa un’azione di controllo del tipo proporzionale ed integrale.

Il coordinamento funzionale delle singole movimentazioni è realizzato tramite la strut-tura meccanica di supporto e i relativi cinematismi possono essere considerati di tipo rigi-do. Dal momento che le interazioni fra il carico globale e i singoli cinematismi sono in ge-nere poco significative, il coordinamento può essere ottenuto attraverso un controllore lo-gico, programmato in modo da determinare la sequenzializzazione temporale delle singole movimentazioni.

Nei sistemi di movimentazione lenta, la struttura del sistema di movimentazione e le condizioni operative sono molto analoghe a quelle che caratterizzano i sistemi di movi-mentazione molto lenta. La sostanziale differenza sta nella rapidità di variazione del profilo di velocità del carico. Nel tratto iniziale e finale la rapidità di variazione è tale da non poter più considerare trascurabile il contributo del carico inerziale ai fini del dimensionamento del motore, che però può essere ancora effettuato prendendo in considerazione solo le ca-ratteristiche statiche coppia-velocità del motore.

Il profilo di velocità è ancora di tipo trapezoidale in cui però il tratto a velocità costan-te può avere una durata molto ridotta e al limite nulla. In questo ultimo caso, il profilo di ve-locità viene ad assumere un andamento triangolare. Si tende a scegliere il rapporto di ri-duzione e a fissare il profilo di velocità in modo da ottenere che il motore raggiunga il valo-re nominale della coppia motrice. A volta conviene scegliere un profilo di velocità di tipo

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continuo anche nella derivata prima, indicato come “a doppia S”, al fine di evitare che sia-no imposte al carico variazioni di coppia troppo rapidi.

Quando interessa un profilo di velocità di tipo triangolare, conviene applicare motori che a parità di potenza nominale consentano di raggiungere valori più elevati della coppia motrice a scapito di una minore escursione della velocità. Di conseguenza è necessario applicare un riduttore con rapporto di riduzione minore.

Per il controllo della velocità del motore si fa più frequentemente ricorso ad un con-trollo a controreazione, realizzato impiegando un’azione di controllo del tipo proporzionale, integrale e a volte derivativo. Più diffuso è anche il controllo a controreazione della posi-zione, realizzato con la tradizionale azione di controllo del tipo proporzionale e integrale.

I sistemi di movimentazione molto lenta e lenta vengono per lo più progettati in modo empirico. Nel caso siano presenti azioni di controllo del tipo proporzionale, integrale e ra-ramente derivativo, il valore dei parametri viene molto spesso fissato in base a prove spe-rimentali effettuate sul sistema di movimentazione già realizzato e funzionante. Anche il programma di coordinamento della movimentazione viene predisposto e messo a punto direttamente sul sistema già realizzato e funzionante.

Tale approccio, che a prima vista può apparire il più semplice e il più conveniente in quanto non richiede una specifica professionalità nella movimentazione controllata, può potare a vari inconvenienti. Alcuni fra quelli più significativi sono:

• dimensionamento inadeguato dei motori. Se sono sovradimensionati ven-gono appesantite la struttura meccanica di supporto e i cinematismi che determinano la movimentazione. Peggiora inoltre il rendimento energetico della movimentazione ed aumenta sia il costo degli azionamenti sia il ri-schio di rottura delle parti meccaniche e l’usura delle stesse. Se sottodi-mensionati deve essere prolungata la durata degli intervalli di tempo previ-sti nel funzionamento transitorio e viene ad essere compromessa la fun-zionalità stessa del motore in quanto sottoposto a più gravose sollecitazio-ni meccaniche e termiche, diminuisce la precisione nel raggiungimento delle posizioni desiderate per attriti troppo forti.

• inadeguata scelta dei profili di velocità. Ciò provoca l’insorgere di fenomeni non previsti e richiede il rallentamento dell’evoluzione per riportare al valo-re desiderato le prestazioni relative alla funzionalità e alla precisione stati-ca.

• difficoltà di messa a punto dei programmi di coordinamento della movi-mentazione. Ciò può comportare l’insorgere di condizioni operative non previste con necessità di prove ripetute sul sistema di movimentazione per individuare le condizioni operative accettabili.

• difficoltà di individuazione del valore dei parametri relativi alle modalità di controllo quando è attivata una controreazione di posizione o di velocità.

• difficoltà di individuazione delle possibili cause di guasto e delle conse-guenze sulla qualità della movimentazione.

Per questi e per altri motivi conviene allora affrontare la progettazione del sistema di movimentazione molto lenta e lenta con una preparazione specifica basata sulle seguenti conoscenze:

• fondamenti della meccanica dei corpi rigidi; • analisi dei cinematismi; • componenti meccanici per i sistemi di movimentazione; • software specialistico per l’analisi dei sistemi di movimentazione; • motori elettrici per la movimentazione controllata; • fondamenti di elettronica di segnale e di elettronica digitale; • fondamenti di elettronica di potenza;

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• azionamenti elettrici per la movimentazione controllata a dinamica molto lenta e lenta;

• fondamenti di automazione industriale; • fondamenti di analisi del comportamento di un sistema dinamico semplice; • controllori a logica programmabile; • software specialistico per la pianificazione del moto e la progettazione e

realizzazione del coordinamento delle movimentazioni monoasse; • principi di controllo a controreazione; • fondamenti di comunicazioni tramite bus di campo; • software specialistico per la realizzazione della supervisione e della inter-

faccia uomo/macchina. • normative.

Nei sistemi di movimentazione rapida, il carico dissipativo è circa equivalente a quello inerziale, le prestazioni relative alla precisione sul valore desiderato della veloci-tà del motore sono dominanti e così pure quelle relative al tempo di avviamento e all’intervallo di tempo necessario per attenuare l’effetto dei disturbi di coppia. Tali circo-stanze comportano che non siano più applicabili gli approcci seguiti nella progettazione e nella realizzazione dei sistemi di movimentazione molto lenta e lenta per i seguenti motivi:

• la rapidità di risposta relativa alle variazioni di velocità del carico non può essere più ottenuta in modo conveniente con un controllo a catena aperta della velocità;

• il valore istantaneo della coppia motrice da applicare al carico non può es-sere più dedotto solo dalle caratteristiche statiche del motore, data la rapi-dità di variazione della velocità del motore;

• il riduttore con cui il motore è accoppiato al carico conviene che abbia un rapporto di riduzione tale da ottenere che il momento di inerzia del carico, riferito all’asse del motore, sia molto prossimo a quello del motore stesso;

• le oscillazioni dovute alla elasticità del giunto, che collega il motore al cari-co, possono avere effetto non trascurabile sul comportamento del motore e sulle prestazioni previste per il carico;

• la coppia di spunto del motore può essere nettamente superiore a quella nominale per intervalli di tempo di durata non trascurabile;

• l’effetto dei disturbi di coppia agenti sul carico deve essere il più possibile ridotto sia come entità sia come durata.

In linea di principio, alcune di tali prestazioni potrebbero essere raggiunte scegliendo un motore di potenza nominale nettamente superiore a quella strettamente necessaria per realizzare la movimentazione con le prestazioni desiderate, ma ciò potrebbe essere tecni-camente non accettabile ed economicamente poco conveniente per quanto riguarda il rendimento energetico della movimentazione.

Per realizzare un sistema di movimentazione caratterizzato da una dinamica rapida è opportuno allora:

• scegliere un motore elettrico in grado di: o fornire durante i transitori la coppia motrice necessaria per ottenere

la dinamica desiderata dalla movimentazione; o erogare una coppia di spunto varie volte superiore a quella nomina-

le per intervalli di tempo di durata non trascurabile; o smaltire l’energia dissipata in tutte le condizioni di funzionamento

prevedibili e in particolare in corrispondenza di velocità di rotazione molto bassa;

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• scegliere un azionamento in cui il motore sia controllato direttamente in coppia dal momento che attualmente in commercio sono disponibili azio-namenti che possono essere programmati per controllare il motore in cop-pia e/o in velocità;

• verificare che il comportamento dinamico proprio dell’azionamento non condizioni negativamente la dinamica desiderata dalla movimentazione;

• verificare che l’energia di recupero durante la frenatura transiti attraverso il convertitore senza modificare la dinamica propria dell’azionamento ed e-ventualmente venga rapidamente dissipata nelle resistenze di frenatura;

• applicare un’azione di controllo della velocità del motore in grado di assi-curare le prestazioni desiderate per quanto riguarda sia la durata dei tran-sitori di avviamento e di frenatura sia l’entità delle perturbazioni dovute ai disturbi di coppia agenti sul carico;

• scegliere un andamento dei profili di velocità del motore continuo almeno nella derivata prima in modo da assicurare, oltre al raggiungimento delle prestazioni, la scarsa rilevanza delle variazioni di coppia sulle sollecitazioni al giunto e alla struttura di supporto;

• applicare un’azione di controllo sulla posizione del carico in grado di assi-curare le prestazioni desiderate per quanto riguarda sia la precisione stati-ca sia quella dinamica;

• scegliere componenti meccanici (come cuscinetti, pulegge, cinghie), di alta qualità ed in grado di resistere ad elevate sollecitazioni;

• scegliere dispositivi (filtri di rete, toroidi in ferrite) da applicare agli aziona-menti per evitare di irradiare e di ricevere disturbi da altri azionamenti.

È inoltre opportuno verificare che in una movimentazione multipla il carico non pro-vochi interazioni fra le singole movimentazioni monoassi. In caso contrario occorre preve-dere anche a livello di coordinamento, l’impiego di un controllore dinamico in grado di at-tenuare l’effetto di tali interazioni.

Per ottenere una preparazione adeguata a risolvere anche i problemi relativi alla movimentazione a dinamica rapida occorre estendere le competenza già acquisite in mo-do da conoscere:

• il comportamento statico e dinamico delle catene cinematiche utilizzate nella movimentazione a dinamica rapida;

• il comportamento dei motori elettrici in funzionamento transitorio rapida-mente variabile;

• la modalità di controllo degli azionamenti elettrici a dinamica rapida con controllo diretto della coppia motrice;

• le modalità di misura delle grandezze elettriche relative al funzionamento del motore e del convertitore utilizzato per la sua alimentazione;

• la modalità di funzionamento e di impiego di attuatori e di azionamenti i-draulici;

• le modalità di controllo convenzionali e innovative della velocità del moto-re;

• il software di simulazione e di progettazione dei sistemi di movimentazio-ne a dinamica rapida.

Nei sistemi di movimentazione a dinamica molto rapida, il carico inerziale è netta-mente dominante rispetto a quello dissipativo.

In genere interessa controllare la posizione del carico. Ciò può essere effettuato rendendo operativa una modalità di controllo a controreazione direttamente sul carico, quando è possibile effettuare la misura istantanea della posizione, oppure a controreazio-ne sulla posizione dell’asse del motore, ed eventualmente anche sulla velocità di rotazione

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del motore con l’ausilio di altre azioni di controllo, quali la stima in linea del valore istanta-neo della coppia di carico oppure la predizione del valore istantaneo della coppia di carico in base al profilo di velocità previsto per la movimentazione.

La rapidità di evoluzione del carico rende evidenti alcuni fenomeni del comporta-mento dinamico sia del carico sia della struttura di supporto. Nella movimentazione a di-namica molto lenta e lenta, tali fenomeni avevano un effetto del tutto trascurabile sulle prestazioni mentre nella movimentazione a dinamica rapida poteva essere attenuato ap-plicando una opportuna modalità di controllo della movimentazione. Sono proprio tali fe-nomeni che condizionano le scelte di base nella realizzazione e nel controllo del sistema di movimentazione.

Infatti, hanno effetto determinante sulla qualità delle prestazioni raggiungibili: • gli attriti di primo distacco e gli attriti secchi, inevitabilmente presenti sul

carico; • i fenomeni di isteresi nella trasmissione del moto dal motore al carico; • i fenomeni non lineari nella trasmissione del moto dal motore al carico do-

vuti alla realizzazione dei cinematismi e degli organi di trasmissione; • le oscillazioni torsionali di entità non trascurabile dovute al giunto di colle-

gamento motore-carico; • le oscillazioni della struttura di supporto dovute a variazioni troppo bru-

sche della coppia motrice; • le ampie variazioni del valore di quei parametri del carico che risultano de-

terminanti per caratterizzare il comportamento dinamico. In definitiva, nei sistemi di movimentazione a dinamica molto rapida, il comportamen-

to dinamico del carico presenta nonlinearità e incertezze di origine e di entità definibile so-lo entro un campo di variazione e di non facile determinazione. Per tale motivo occorre prevedere un approfondimento nella conoscenza delle modalità di funzionamento del cari-co ottenuto sia da prove dirette sia dalla simulazione dei cinematismi e del carico.

Una preparazione adeguata per risolvere i problemi di progettazione e di realizzazio-ne di un sistema di movimentazione a dinamica molto rapida non può prescindere da una conoscenza approfondita:

• del comportamento dinamico lineare e nonlineare dei cinematismi e della struttura di supporto in corrispondenza delle variazioni di velocità e di cop-pia motrice che consentono di ottenere le prestazioni desiderate da tale ti-po di movimentazione;

• del comportamento statico e dinamico dei motori elettrici di coppia e di quelli lineari;

• degli azionamenti elettrici ad elevate prestazioni; • delle modalità di controllo della posizione e della velocità del carico, otte-

nibili con azioni di controllo non più di tipo proporzionale, integrale e deri-vativo ma di tipo robusto e adattativo;

• delle modalità di trattamento digitale dei dati misurati e di tracciamento dei profili di posizione e di velocità.

In una movimentazione molto rapida è essenziale scegliere un profilo di velocità con-tinuo almeno nella derivata seconda in modo da attenuare le sollecitazioni al giunto e alla struttura di supporto provocate da variazioni troppo rapide del valore istantaneo della cop-pia motrice. Sono stati individuati vari criteri secondo cui ricavare profili di velocità compa-tibili con le prestazioni che si desidera possano essere raggiunte.

Nella progettazione di un sistema di movimentazione a dinamica rapida e molto rapi-da la simulazione riveste un ruolo determinante. In particolare, le modalità di controllo non possono essere rese operative direttamente sul sistema funzionante ma devono essere progettate sulla base di adeguati modelli dinamici dell’intero sistema. A volte, è opportuno inserire nella simulazione anche le modalità di elaborazione delle variabili misurate e delle

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leggi di controllo della posizione e della velocità del carico. Altre volte conviene utilizzare una simulazione accurata del sistema di movimentazione per verificare la validità delle e-laborazioni digitali prima di renderle funzionanti nel sistema di movimentazione reale.

In definitiva la progettazione di una movimentazione a dinamica molto rapida richie-de una professionalità specifica che abbraccia molte tecnologie.

Procedura per la verifica della validità funzionale di un sistema di movi-

mentazione Una formazione professionale in Meccatronica, realizzata non più in modo sponta-

neo seguendo alcune necessità contingenti, ma articolata secondo un schema di acquisi-zione e di approfondimento di competenze, porta anche ad una razionalizzazione della procedura secondo cui affrontare, progettare, realizzare e verificare la validità e le presta-zioni di un sistema di movimentazione.

Anche nel settore della Meccatronica può essere applicata la procedura indicata come “diagramma a V” in altri settori tecnolo-gicamente evoluti. Il primo passo consiste nella definizione degli obiettivi con l’individuazione dei vincoli sulla struttura del sistema di movimentazione e sul-le apparecchiature. Segue la definizione delle specifiche con la scelta della architettura fun-zionale del sistema di movimentazione e con verifica della sua funzionalità per mezzo della simulazione. Il terzo passo è dedicato alla progettazione. In tale ambito viene fissata

e

REALIZZAZIONE

PROVE DIACCETTAZIONE

PROVE DIFUNZIONALITÀ

OBIETTIVIVINCOLI SULLA STRUTTURA

SULLE APPARECCHIATURE

PROVE PARZIALISUI COMPONENTI

SPECIFICHEARCHITETTURA FUNZIONALE

PROGETTAZIONEARCHITETTURA DI SISTEMA

REALIZZAZIONE













PROGETTAZIONEARCHITETTURA DI SISTEMAPROGETTAZIONEARCHITETTURA DI SISTEMA

SIMULAZIONE DELLA FUNZIONALITÀ

SIMULAZIONE DEL FUNZIONAMENTO



SIMULAZIONE DEL FUNZIONAMENTOSIMULAZIONE DEL FUNZIONAMENTO

cdzm

lc

alzsc

cpel

Figura 8 - Verifica della funzionalità di un sistema di movimentazione.

l’architettura del sistema di controllo e viene ffettuata la verifica di validità tramite la simulazione del funzionamento.

Una volta esaurita questa prima fase, si può passare alla realizzazione. Esaurita an-he questa fase, possono iniziare le prove parziali sui componenti con eventuale riesame ella progettazione. Dopo le prove sui singoli componenti si può passare alle prove di fun-ionalità con l’eventuale verifica ed aggiustamento delle specifiche. La procedura ha ter-ine con le prove di accettazione e della verifica finale sul raggiungimento degli obiettivi.

I vari passi della procedura sono illustrati in maniera molto efficace nella Fig. 8. Conclusioni Una valida formazione professionale in Meccatronica non può essere ottenuta svi-

uppando in maniera episodica solo alcuni argomenti senza tener conto delle sinergie che aratterizzano tale metatecnologia.

Corsi organizzati in modo da offrire una formazione completa e dedicata non sono ncora attuali in Italia mentre sono già disponibili in altri Paesi. Infatti, da una parte manca

a spinta da parte di coloro che potrebbero essere interessati ad acquisire una competen-a ampia e non finalizzata alla rapida soluzione di limitati problemi contingenti di loro pres-anti interessi e dall’altra parte l’iniziativa di un Ente o di una Istituzione in grado di farsi arico dell’organizzazione.

Una specializzazione in Meccatronica dovrebbe interessare non solo la generazione he inizia un percorso formativo, e che diventerà operativa nei prossimi 4 - 5 anni, ma so-rattutto coloro che desiderano ampliare e adeguare le conoscenze già acquisite in modo mpirico, episodico, settoriale. Per l’aggiornamento culturale di tali persone è essenziale

’impegno reciproco dei docenti e dei discenti in quanto è sempre molto difficile trasmettere

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cultura a persone già in parte acculturate e pertanto poco disponibili ad apprendere nozio-ni che in parte già si conoscono o ritengono di conoscere. L’acquisizione di nuove cono-scenze è altrettanto difficile in quanto richiede la presentazione dei nuovi argomenti con un approccio che possa essere accettato dal discente in quanto non si discosta troppo da quello secondo cui ha sviluppato le proprie competenze.

L’impegno reciproco di docenti e di discenti è di fondamentale importanza per il suc-cesso di una iniziativa inquadrabile più in un aggiornamento culturale che nella formazione di una nuova cultura. Essendo poi quest’ultima relativa ad una disciplina che spazia un ampio spettro di conoscenze, occorre che sia ben chiara la differenza fra l’acquisizione di una base culturale, che consente un proficuo scambio di competenze, e l’acquisizione di una specializzazione inquadrata in uno dei settori che caratterizzano la base culturale co-mune.

La Meccatronica è un concreto e tangibile esempio che è finita l’epoca della utilizza-zione di impianti complessi e tecnologicamente evoluti realizzati secondo il principio di una fornitura “chiavi in mano”. È pure tramontato il tempo in cui tali impianti potevano essere realizzati avvalendosi solo delle competenze degli esperti nella realizzazione delle struttu-re e dei servizi necessari per il funzionamento.

In un impianto complesso, in linea le tecnologie e le modalità di controllo, è bene an-che tenere presente che tanto più è complesso il sistema da utilizzare e da gestire, tanto più è indispensabile aggiornare, adeguare, specializzare anche la cultura degli utilizzatori e degli operatori.

Anche se non così evidente, come gli aspetti riconducibili alla realizzazione mecca-nica e alla utilizzazione in un sistema di produzione, occorre non dimenticare né sottovalu-tare il fatto che il controllo è una tecnologia nascosta ma sempre presente.

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MECCATRONICA: cosa significa?xoomer.virgilio.it/tsc/appunti/meccatronica.pdf · 2004. 1. 31. · Il...

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