SUPPORTI SOFTWARE PER LA PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE

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1 SUPPORTI SOFTWARE PER LA PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE Alessandro DE CARLI - Luigi PARIS Dipartimento di Informatica e Sistemistica Università degli Studi di Roma La Sapienza Via Eudossiana ROMA tel fax decarli@dis.uniroma1.it Presentazione dei software di simulazione impiegati per la progettazione di un sistema di simulazione. Vantaggi e principali ambiti di utilizzo. PREMESSA Un sistema di movimentazione multiasse può essere progettato in modo più rispondente alle esigenze dell apparecchiatura su cui dovrà essere inserito se, alle modalità di progettazione basate sull esperienza, si affiancano procedure intese a migliorare la qualità delle prestazioni senza richiedere il sovradimensionamento degli azionamenti, dei cinematismi e della struttura meccanica di supporto. Tale procedure possono essere applicate più facilmente se di dispone di software specialistici che consentano di realizzare in modo semplice e diretto la simulazione dei cinematismi, l elaborazione delle variabili coinvolte nella movimentazione, la verifica di validità delle scelte effettuate per quanto concerne il dimensionamento degli azionanti oltre che la progettazione delle modalità di controllo. L approccio innovativo basato sulla simulazione dell intero sistema di movimentazione, nelle condizioni operative che vengono ritenute più significative in relazione alla particolare applicazione a cui è destinata la movimentazione, può sembrare meno immediato di quello fondato sulla realizzazione di un sistema di movimentazione ottenuto applicando criteri empirici e sulla messa a punto a punto delle modalità di controllo durante il funzionamento, ma consente di raggiungere prestazioni di qualità superiore, di evitare il sovradimensionamento degli azionamenti, l insorgere di condizioni operative impreviste, le perdite di tempo per la messa a punto per tentativi delle modalità di controllo empiriche, l individuazione di cause di guasto evidenti e latenti. In definitiva, i vantaggi che se ne possono trarre giustificano ampiamente il nuovo approccio, ormai consolidato in quei settori in cui i miglioramenti tecnologici hanno reso disponibili componenti di elevate prestazioni. Questi ultimi, opportunamente assemblati possono portare a sostanziali innovazioni nelle apparecchiature progettate secondo modalità non più empiriche. Si tenga inoltre presente che la simulazione è ormai un passaggio obbligato se si vuole ottenere un sostanziale miglioramento delle prestazioni senza dover ricorrere al sovradimensionamento della struttura meccanica e degli azionamenti. Il nuovo approccio alla progettazione dei sistemi di movimentazione richiede una formazione preliminare degli esperti nel settore della movimentazione in modo che sappiano utilizzare i software necessari e soprattutto trasferire le loro conoscenze nella realizzazione e nella messa a punto di un modello di simulazione che fornisca una realtà virtuale dell apparecchiatura durante il funzionamento.

2 1 A. DE CARLI, L. PARIS :SUPPORTI SOFTWARE PER LA PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE Il software da utilizzare per la progettazione di un sistema di movimentazione è ormai così evoluto da consentire un rapido auto apprendimento da parte di persone che hanno già dimestichezza con software finalizzati ad altri scopi e professionalità consolidata nel settore della movimentazione. APPROCCIO ALLA PROGETTAZIONE TRAMITE SIMULAZIONE Il primo passo consiste nella realizzazione di un programma di simulazione della apparecchiatura che tenga conto dei cinematismi e della struttura di supporto. A tale scopo è essenziale conoscere i dettagli costruttivi relativi alla realizzazione dei cinematismi e alla natura del carico. Per rendere più efficace la simulazione è opportuno affiancare alla simulazione dei cinematismi anche quella della struttura geometrica della apparecchiatura, in modo da realizzare una realtà virtuale del sistema di movimentazione. Disponendo di tale modello, si possono imporre i profili desiderati di posizione e di velocità relativi alla movimentazione dei singoli assi e ricavare l andamento di quelli effettivamente raggiunti nonché quelli della forza e della coppia. Da tali andamenti è possibile effettuare il dimensionamento degli azionamenti in funzione delle prestazioni che si desidera raggiungere. È infatti immediato verificare se il campo di escursione effettivamente necessario è compatibile con quello previsto per l azionamento, e così via. Una ulteriore possibilità è quella di fissare le modalità di controllo della movimentazione a livello sia di coordinamento e di sequenzializzazione, sia di controllo del moto dei singoli assi, di verificare se è compatibile con i vincoli meccanici della apparecchiatura in cui il sistema di movimentazione a cui dovrà essere applicato. È possibile inoltre ricavare gli andamenti di quelle variabili (velocità e coppia) su cui si basa il dimensionamento dell azionamento in modo da effettuare una scelta mirata, senza ricorrere al sovradimensionamento precauzionale. Disponendo del modello di simulazione in realtà virtuale del sistema di movimentazione inserito in una apparecchiatura è anche possibile affrontare la progettazione di modalità di controllo più evolute di quelle tradizionali, che consentano di rendere più flessibile il coordinamento, di effettuare la diagnosi di funzionalità dell intero sistema di movimentazione, di individuare l insorgere di guasti latenti, di ottenere altre funzionalità, generalmente indicate come controllo intelligente. Verso tale tipo di controllo sono orientate le innovazioni più significative nel controllo della movimentazione. PRESENTAZIONE DEI SOFTWARE I software utilizzati per la progettazione di un sistema di movimentazione, singolarmente presi, sono caratterizzati ognuno da una notevole semplicità di applicazione in quanto consentono di effettuare una programmazione grafica ad oggetti o tramite macroistruzioni. Maggiori vantaggi si riescono ad ottenere facendo in modo che pos- Dalla rivista ORGANI DI TRAMISSIONE, n.4, Aprile 2001, editore TECNICHE NUOVE 2

3 sano funzionare in maniera interattiva, con scambio dei dati in tempo reale. Per ottenere ciò occorre utilizzare moduli d interfaccia già disponibili oppure realizzarli in un linguaggio che consenta di programmare in modo rapido l interfaccia che consenta di ottenere l interazione fra i software specialistici finalizzati alla progettazione. I software impiegati allo scopo sono: il VISUALNASTRAN 4D (della MSC SOFTWARE) per la simulazione e l analisi dei cinematismi, il MATLAB (della MATH WORKS) per l elaborazione dei dati ricavati dalla simulazione in VISUALNASTRAN e di tutte le modalità di controllo, il SIMULINK per la simulazione del comportamento dinamico di un sistema di movimentazione finalizzato alla progettazione delle modalità di controllo, lo STATE FLOW per la simulazione del comportamento dei sistemi a stati finiti, il LABVIEW (della NATIONAL INSTRUMENTS) per la realizzazione di una supervisione che consenta di rendere operative anche modalità di controllo già progettate. VISUALNASTRAN 4D permette di simulare il reale funzionamento dei cinematismi che realizzano la movimentazione. Al fine di ottenere in realtà virtuale anche la visione della apparecchiatura è necessario ricavare separatamente un modello CAD e importarlo direttamente nel programma del VISUALNASTRAN. VISUALNASTRAN 4D è un programma di simulazione dinamica tridimensionale, che trasferisce il mondo reale della meccanica dei cinematismi sullo schermo di un personal computer, mentre la semplice e potente interfaccia grafica costruisce gli scenari e le simulazioni del moto. Il concetto operativo di VISUALNASTRAN 4D è basato sulla individuazione dell insieme di corpi rigidi e dei vincoli (giunti, motori, attuatori, molle) che realizzano la movimentazione, sul loro assemblaggio attraverso una libreria grafica e sulla loro caratterizzazione attraverso un menù. Le elaborazioni che portano al tracciamento di tutte le variabili coinvolte nella movimentazione è effettuato senza ulteriori interventi da parte dell operatore. Le caratteristiche fisiche di ciascun elemento che realizza il cinematismo vengo definite in modo semplice e diretto tramite un menù e così pure quelli dei vincoli fisici (giunti, funi, molle, ecc.) e degli agenti esterni (forze di gravità, coppie e forze esplicate dagli attuatori, ecc). I vincoli cinematici sono risolti senza ulteriori impegni di programmazione. Le unità di misura sono fissate da menù. Una barra di controllo della simulazione permette di intervenire dall esterno sulla evoluzione e sulle modalità di rappresentazione del sistema di movimentazione. I risultati sono forniti in forma grafica in tempo reale e riguardano: velocità, accelerazione, posizione, momenti, orientazioni, velocità angolari, accelerazioni angolari, forze, coppie di attrito e di contatto. E possibile effettuare l elaborazione dei dati ottenuti dalla simulazione, tramite procedure opportunamente definite. Tutte le variabili coinvolte nella movimentazione possono essere memorizzate in modo da rendere possibile l animazione. MATLAB è un linguaggio interpretato, che consente di effettuare un gamma molto vasta di elaborazioni utilizzando macroistruzioni, facili da interpretare e utilizzare. I 3

4 risultati sono forniti in forma grafica secondo varie modalità. Utilizzando le macro i- struzioni possono essere realizzate procedure finalizzate a particolari elaborazioni, che ampliano l insieme delle microistruzioni di base. L insieme delle macro istruzioni comprende, fra l altro, tutte le procedure di base per l analisi dell evoluzione di un sistema dinamico, per la individuazione del modello matematico a partire dai dati e dall andamento delle variabili coinvolte nella evoluzione del sistema da modellizzare, per la progettazione delle modalità di controllo, sia convenzionali che evolute. Le macro istruzioni sono selezionate a seconda delle finalità e organizzate in Toolbox. Alcune Toolbox sono utilizzate per la progettazione dei controllori intelligenti. Per la simulazione del comportamento dinamico di un sistema complesso, in funzione del comportamento statico e dinamico degli elementi che lo costituiscono, può essere utilizzato il SIMULINK, che opera nell ambiente MATLAB. Per poterlo utilizzare correttamente occorre avere preventivamente effettuato una suddivisione in blocchi funzionali del sistema da analizzare ed aver caratterizzato il comportamento dei singoli blocchi attraverso un modello statico e dinamico, formulato in modo che un numero limitato di parametri possa caratterizzarne il funzionamento. La connessione dei singoli blocchi è effettuata attraverso un linguaggio grafico, molto simile a quello utilizzato per la rappresentazione classica degli schemi a blocchi. I risultati sono forniti in forma grafica e possono essere scambiati con il MATLAB senza ulteriori elaborazioni. Il SIMULINK è estremamente utile per l analisi del comportamento globale di un sistema a partire dalla conoscenza del comportamento dei singoli sottosistemi che lo compongono, per la verifica della validità di una modalità di controllo, per l analisi di possibili condizioni operative al verificarsi di eventi particolari (presa di carico abnorme, rottura di un componente, variazione di uno dei parametri caratterizzanti il comportamento statico o dinamico). Lo STATE FLOW è un linguaggio in cui ogni blocco rappresenta la modalità di comportamento dell elemento coinvolto nell evoluzione di un sistema a stati finiti e ogni arco orientato individua il passaggio da uno stato a quello successivo. I singoli stati vanno definiti tenendo conto sia della funzionalità che si vuole raggiungere sia dei vincoli che devono essere rispettati per ottenere il corretto funzionamento del sistema che deve essere controllato. LabVIEW è un ambiente per lo sviluppo rapido di applicazioni e si può considerare come alternativo ad altri strumenti RAD (Rapid Application Development) come il Visual Basic. La caratteristica fondamentale del LabVIEW rispetto agli altri ambienti di sviluppo è l uso di un linguaggio di programmazione grafico (detto linguaggio G) linguaggio simile a quello utilizzato negli schemi dei circuiti stampati - per la creazione di applicazioni utilizzando schemi a blocchi invece che linee di codice. Nell ambiente di programmazione LabVIEW sono contenute una serie di librerie di funzioni che possono essere utilizzate per realizzare un qualsiasi tipo di programma, per un qualsiasi grado di complessità: dalla supervisione del sistema di controllo della singola movimentazione, all applicazione per l acquisizione di dati dal campo, al controllo di interfaccia per strumenti basati su bus IEE488, all analisi dei dati in tempo reale alla presentazione dei dati su interfacce utente di tipo standard. 4

5 LabVIEW può essere utilizzato per rendere operative leggi di controllo di tipo standard come PID o di tipo innovativo come quelle basate su logica fuzzy o sulle reti neurali. La grande potenzialità del LabVIEW è dovuta alla crescente standardizzazione del mercato dei componenti di interfacciamento verso i sistemi da controllare, che vengono sempre più spesso forniti compatibili ai tool di National Instruments. Alcune librerie presenti in LabVIEW, consentono la realizzazione di modalità di controllo di tipo continuo e sequenziale, con prestazioni simili a quelle dei singoli dispositivi che realizzano un PID e un PLC, con enorme vantaggio in termini di flessibilità e di manutenzione. Sia il MATLAB che il LabVIEW consentono di realizzare animazioni in realtà virtuale utilizzando i dati disponibili durante l elaborazione. VISUALNASTRAN, MATLAB (con estensione SIMULINK e STATE FLOW) e LabVIEW possono essere resi operativi su un personal computer in cui il vincolo principale è costituito dalla memoria disponibile, e dalla velocità di elaborazione del processore per rendere più vivace l animazione 3D. VANTAGGI E INTEGRAZIONE VISUALNASTRAN e MATLAB tendono a rappresentare uno standard a livello di a- nalisi del comportamento statico e dinamico di un sistema complesso e di sintesi delle modalità di controllo. Mediante LabVIEW si tende a unificare il supporto software per la realizzazione della supervisione. In definitiva, si può affermare che VISUALNASTRAN 4D è un programma molto efficace di analisi tramite simulazione del comportamento di cinematismi complessi. La semplicità dell interfaccia grafica permette di svincolarsi dalla formulazione analitica del modello matematico delle singole parti e di realizzare un progetto CAD del sistema, prendendo in considerazione solo le caratteristiche meccaniche e la funzionalità delle singole parti. L animazione 3D consente di ottenere la visione efficace in realtà virtuale e di seguire facilmente l evoluzione della movimentazione nel tempo. VISUALNASTRAN 4D permette di includere nella simulazione controllori di tipo sequenziale, ossia PLC, ma non di tipo continuo, come ad esempio i PID, largamente utilizzati nel controllo a controreazione della movimentazione di un singolo asse. A tale carenza può sopperire allora il MATLAB purché i due ambienti di simulazione siano in grado di scambiarsi i dati in tempo reale. MATLAB è senza dubbio lo strumento software matematico più indicato per la progettazione delle modalità di controllo. Questo software richiede da parte dell utente la conoscenza delle procedure per la progettazione delle modalità di controllo richiede una competenza specifica in tale settore. Le varie demo e i manuali di istruzione, disponibili per ogni toolbox semplificano molto l autoapprendimento. L interazione di diversi ambienti software è permessa dal protocollo d interfaccia OLE (Object Linking and Embedding - collegamento e inclusione oggetti) di Microsoft Windows per l integrazione di componenti. Per poter scambiare dati in tempo reale tra due diverse applicazione, occorre che entrambe siano provviste di interfac- 5

6 cia OLE. Utilizzando il VISUAL BASIC, per la realizzazione di un interfaccia software, è possibile scambiare dati in tempo reale fra MATLAB e VISUALNASTRAN. Il VISUAL BASIC è adatto allo scopo poiché il MATLAB permette la comunicazione verso altri software unicamente con un protocollo di comunicazione chiamato DDE (Direct Data Exchange), caratteristico del WINDOWS, mentre WM3D utilizza l OLE, e il Visual Basic è in grado di comunicare con tutti e due i protocolli). La versione MSC VisualNastran Desktop di VISUALNASTRAN 4D LabVIEW attraverso la sua modularità è un software molto indicato per la simulazione dei protocolli di connessione, nel campo dell automazione, dove una volta identificati uno o più server e client, occorre stabilire le leggi che governano la comunicazione bidirezionale dei vari apparati per l ottimo funzionamento del sistema. Attraverso l uso di LabVIEW è possibile simulare un sistema di comunicazione digitale, seriale e bidirezionale, in grado di collegare in rete locale, i singoli apparati a livello di campo con il supervisore. Nella Fig. 1 sono rappresentati le interazioni fra i linguaggi utilizzati nella movimentazione controllata nonché il loro impiego nella progettazione, nella simulazione e nella realizzazione del sistema controllato. Nella Fig. 2 sono invece evidenziate le peculiarità di ognuno. MATLAB SINTESI DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO ANALISI DEL SISTEMA DA CONTROLLORE SIMULAZIONE DEI CINEMATISMI VISUAL NASTRAN SIMULAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO STATE FLOW INTERFACCIA VISUAL BASIC SIMULINK LABVIEW SISTEMA DA CONTROLLARE Fig. 1 Interazioni fra i linguaggi e loro impiego nella progettazione di un sistema di movimentazione. 6

7 CONCLUSIONI Con la presentazione dei software per la progettazione dei sistemi di movimentazione, si è voluto fornire al progettista una visione dei nuovi strumenti che consentono di passare da un approccio empirico ad una basato su procedure e che consentono di ottenere prestazioni di qualità superiore a quelli di tipo convenzionali, basate sulla improvvisazione e la messa a punto della modalità di controllo durante il funzionamento. AMBIENTE DI PROGRAMMAZIONE FINALITÀ DEL PROGRAMMA MODALITÀ DI COMUNICAZIONE CAMPO DI APPLICAZIONE CONOSCENZE NECESSARIE MATLAB ELABORAZIONI NUMERICHE D D E (DIRECT DATA EXCHANGE) ANALISI DEL COMPORTAMENTO DI SISTEMI DINAMICI PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO PER IL MATLAB ELEMENTI DI PROGRAMMAZIONE TESTUALE PER IL SIMULINK FONDAMENTI DI PROGRAMMAZIONE GRAFICA VISUAL NASTRAN 4D PROGETTAZIONE C A D (COMPUTER AIDED DESIG) O L E (OBIECT LINKING AND EMBEDDING) ANALISI DINAMICA DI CINEMATISMI COMPLESSI PROGETTAZIONE DI MODALITÀ DI CONTROLLO TIPO P L C PROGETTAZIONE C A D VISUAL BASIC LINGUAGGIO R A D (RAPID APPLICATION DEVELOPMENT) O L E, D D E E TUTTI GLI ALTRI REALIZZAZIONE RAPIDA DI INTERFACCIE PER L INTERAZIONE UTENTE - SIS TEMA CONTROLLA TO - BASE DI DATI FONDAMENTI DI PROGRAMMAZIONE AD OGGETTI LAB VIEW PROGRAMMAZIONE E INTERFACCIAMENTO GRAFICO R A D O L E, D D E E TUTTI GLI ALTRI REALIZZAZIONE RAPIDA DI INTERFACCIE GRAFICHE PER L INTERAZIONE UTENTE - SISTEMA CONTROLLATO SUPERVIONE DI SISTEMI CONTROLLATI SIMULAZIONE DI SISTEMI DINAMICI ATTIVAZIONE DI ALGORITMI DI CONTROLLO ELEMENTI DI PROGRAMMAZIONE TESTUALE Fig. 2 Peculiarità dei linguaggi impiegati nella progettazione di un sistema di movimentazione. Una movimentazione multasse può essere vista anche come un esempio di sistema complesso che attualmente non potrebbero essere progettato in maniera efficace senza l utilizzazione di strumenti software che consentano: - l impiego di modalità di controllo innovative, intese ad elevare la qualità delle prestazioni senza incidere in modo significativo sul costo globale del sistema controllato; - il confronto di soluzioni progettuali alternative, portate avanti con approcci e modalità differenti; - il corretto dimensionamento dei dispositivi necessari per rendere operativa una modalità di controllo; - un risparmio di tempo per la messa in funzione delle modalità di controllo sul sistema da controllare e per la verifica della loro validità. La progettazione tramite simulazione è preliminare alla realizzazione ed è intesa a mettere ad individuare modalità di controllo innovative che consentano di elevare in modo significativo la qualità delle prestazioni. Il nuovo approccio richiede ovviamente l acquisizione di nuove conoscenze, ma ciò è indispensabile se si vuole progredire e 7

8 introdurre innovazioni. Esempi di applicazione di tali software saranno illustrati nei susseguenti articoli. 8