Progettazione funzionale di sistemi meccatronci

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1 Progettazione funzionale di sistemi meccatronci Introduzione al modulo

2 Introduzione Quali sono le aperture che si possono scorgere dal punto di vista Funzionale ricorrendo alla meccatronica? Estensione del concetto trasformazione del moto visto nel primo semestre Applicazioni industriali Quali sono gli strumenti disponibili e come possiamo utilizzarli Esempi applicativi

3 Programma Introduzione Introduzione alla progettazione funzionale di sistemi meccatronici in ambito industriale. La generazione del moto distribuita Tipologie di macchinari in relazione alla produzione richiesta Trasmissioni trasmissioni caratteristiche poste a valle degli attuatori: trasmissioni a vite, cinghia, cremagliera. Considerazioni cinematiche e dinamiche. Modellazione di un sistema generatore di moto modello dinamico di un sistema di azionamento completo ad 1 gdl. Effetti dell'attuatore e della trasmissione sulle prestazioni complessive Controllo del moto distribuito Esempi applicativi introduzione ai bus di campo per applicazioni industriali profili e standardizzazioni per il controllo del moto

4 Meccatronica e Produzione In questa parte del corso faremo riferimento a sistemi meccatornici dedicati a linee di produzioni ad elevata cadenza produttiva Basso impatto di manodopera Situazione di vantaggio per i paesi occidentali Molte persone non hanno più impiego diretto nel settore industriale Sono impiegati in settore di servizio Sono necessari impianti ad elevata automazione ed a elevata cadenza produttiva Si pensi a questo proposito Industrie alimentari Produzione di apparecchiature elettroniche o elettrodomestici Prodotti dedicati direttamente all'utente finale

5 Meccatronica e Produzione Industria automobilistica Produzione di 1 milione di autovetture, su un impianto con due turni, vita media di 15 anni Deve essere prodotta un auto ogni 3 minuti circa VW Golf è prodotta ad una cadenza 0.3 minuti Nel settore alimentare Come possiamo pensare di inserire in questo contesto la progettazione meccatroncia? Un milione di confezione ogni 24 ore 14 pezzi al secondo (50000 pezzi/ora) Gli elementi chiave sono: Flessibilità operativa Flessibilità progettuale Elevata cadenza operativa e ripetibilità

6 Meccatronica e Produzione A livello industriale, elemento chiave per ottenere questi risultati Azionamenti elettrici controllati, destinati a: Muovere Lavorare Confezionare Inscatolare Immagazzinare Ecc.. Piccole parti lasciate ancora oggi agli attuatori pneumatici Modesto rendimento Impossibilità di un controllo efficace in posizione Attorno ad essi due elementi fondamentali Sistema meccanico per la trasformazione del moto Sistema di controllo distribuito Nuovo concept per la progettazione e la modularità delle macchine

7 Progettazione Meccatronica Il sistema meccatronico nel suo insieme NON deve replicare gli stessi movimenti o la stessa sequenza utilizzata per la realizzazione manuale del prodotto La macchina automatica deve essere in grado di eseguire anche più funzioni in parallelo Ovvero un sistema che opera con più di due mani in parallelo La precisione del movimento di ogni singola mano è garantito dagli attuatori controllati Il coordinamento delle mani è garantito da Un sistema di controllo della macchina e del sotto-sistema Evoluzione degli stati della macchina Controllo del movimento di ogni singolo attuatore Sensori disposti a bordo macchina per la determinazione dello stato delle parti operative della macchina Alcuni di questi sensori possono essere direttamente integrati nei sistemi di azionamento

8 Progettazione Meccatronica Le caratteristiche Sono in contrapposizione alla tradizionale soluzione meccanica Generazione del moto distribuita (più attuatori distribuiti sulla macchina) Sistema di controllo (eventualmente distribuito) Una sola sorgente di moto Un solo motore (asincrono) in ingresso alla macchina per convertire energia elettrica in meccanica In passato ruota ad acqua Alberi di trasmissione per il trasferimento del moto Camme e meccanismi per la realizzazione delle funzioni richieste (un meccanismo per ogni funzione) Soluzione rigida Consente elevatissima cadenza produttiva Elevata affidabilità

9 Sistemi di azionamento Caratteristiche specifiche dei sistemi di azionamento Qui introduciamo solamente i concetti base Affrontate in Meccanica degli Azionamenti Attuatore elettrico per la conversione di energia elettrica in meccanica Alimentatore di potenza per il trasferimento modulato di energia verso l'attuatore Saranno affrontati più in dettaglio quegli aspetti che consentono Progettazione funzionale Impostazione della logica di funzionamento della macchina Avanzamento degli stati macchina Coordinamento di più assi Pilotaggio in posizione degli assi (in contrapposizione alla generazione del moto ottenuta con le camme)

10 Tipi di produzione Industrie di processo Il prodotto in uscita è caratterizzato da una specifico materiale (o composizione chimica) NON è fissata la forma Chimiche, processi meccanici di base, alimentari, ecc.. Il tempo caratteristico è ALTO Industrie manifatturiere Il prodotto in uscita è caratterizzato da uno specifico materiale e da una specifica forma Tutti i prodotti destinati ad un utente finale sono processati da questo tipo di industria Nel settore delle bevande, si pensi alla confezione Il tempo caratteristico è BASSO

11 Tipi di produzione Più difficile il controllo del processo in industrie manifatturiere Situazione dovuta all'elevata velocità con cui evolvono gli stati ed i movimenti Il tempo caratteristico nelle industrie manifatturiere è più BASSO rispetto a quello delle industrie di processo Nelle industrie di processo i parametri (temperature, portate, ecc..) cambiano lentamente (anche in decine di minuti) Nell'industria manifatturiera i movimenti necessari ad eseguire le funzioni prescritte avvengono in frazioni di secondo

12 Tipi di produzione Tecnologia di produzione Di processo Manifatturiera Ind. Chimica (ossidazione, polimerizzazione) Ind. Biologica (fermentazione) Processi termici Essicatura Vaporizzazione cristallizzazione DIN 8580 Formatura di base Formatura Separazione JOINING Rivestimento Cambiamento delle proprietà superficiali

13 Tipi di Produzione JOINING rappresenta un interessante aspetto delle funzioni che possono essere elaborate da un sistema automatico DIN 8593 definisce le seguenti attività per joining Assemblaggio Riempimento Montaggio forzato Collegamento per mezzo di formazione di base Collegamento per saldatura o brasatura Collegamento per incollaggio

14 Produzione continua Il materiale principale ha un movimento continuo, generalmente progressivo(spostamento monotono crescente), durante le fasi di elaborazione Trafilatura di fili metallici Produzione di lamiere Processo di estrusione di materiali termoplastici o metallici Fabbricazione della carta Il materiale non subisce accelerazioni o decelerazioni Velocità costante (ad eccezione dei transitori di avvio) Elevata qualità della produzione Elevata produttività (dipende esclusivamente dalla avanzamento del materiale) velocità di

15 Produzione continua Al termine della produzione sono spesso previsti dei sistemi per la separazione del prodotto in parti L'operazione di taglio richieste deve essere eseguita senza interrompere il movimento del materiale Sistemi di taglio al volo In questo tipo di macchine le movimentazioni sono sincronizzate con la velocità di avanzamento del prodotto principale Sincronizzazione e fasatura dei sistemi generatori di moto Sistemi di avvolgimento, eventualmente con controllo del tiro Sistemi per il taglio al volo

16 Produzione continua Velocità di lavoro fino a 1200 m/1' Riempimento fino a 7000 contenitori/h

17 Produzione intermittente Le operazioni necessarie alla realizzazione del prodotto finale sono suddivise in sotto operazioni elementari eseguite in parallelo Le operazioni elementari sono eseguite in posizione prestabilite, dette stazioni di lavoro Il prodotto, affinché subisca tutte le lavorazioni necessarie per renderlo completo, deve attraversare tutte le stazioni di lavoro Se sono presenti n stazioni di lavoro, sono lavorati contemporaneamente n prodotti Durante l'esecuzione delle operazioni elementari nelle stazioni il prodotto è fermo Tutte le operazioni elementari terminano nello stesso istante, successivamente tutti i sotto-prodotti sono portati nella stazione successiva che li compete Le attività in ogni singola stazione dipendono dal prodotto stesso

18 Produzione intermittente Tutte le stazioni DEVONO avere lo stesso tempo di ciclo La divisione in sotto-attività è un'attività complessa 1 La produttività della linea risulta P= [Pz /s ] T Il tempo di ciclo T dipende dal tempo di effettivo di lavoro e dal tempo dedicato al trasferimento del prodotto T =T l T m Due problematiche generali In questa categoria di macchine ricadono Determinazione dei sistema di trasporto del pezzo Realizzazione delle stazioni di lavoro Linee di assemblaggio linee transfer di lavorazione

19 Produzione intermittente

20 Generazione del moto distribuita La generazione del moto è distribuita nell'impianto o macchina Elementi caratteristici di questo tipo di impianti Sistema di controllo della macchina o di una parte della macchine Canale di comunicazione fra l'alimentatore di potenza ed il sistema di controllo Attuatore per introdurre forze/coppie nell'impianto Trasmissione a valle dell'attuatore Alimentatore di potenza a monte dell'attuatore Soluzione classica: analogica Digitale basata su bus di campo

21 Generazione del moto distribuita I sistemi di azionamento sono i principali attori in un impianto Permettono di introdurre l'energia necessaria a compiere attività di assemblaggio, movimentazione In impianti complessi più sistemi di azionamento devono essere fra loro coordinati Impianti di montaggio Macchine automatiche Robot

22 Generazione del moto distribuita Requisiti necessari Chiusura degli anelli di posizione del singolo motore Coordinamento di più assi secondo uno specifico profilo di moto Affidato ad un sistema centralizzato Sistema di controllo (master)

23 Generazione del moto distribuita Nelle versioni più semplici permettono di regolare il flusso di energia dalla sorgente verso il motore (PWM) Nelle soluzioni digitali oggi disponibili Controllo della corrente Controllo della velocità del motore Controllo della posizione del motore Possibilità di retroazione da sensori ausiliari Una parte delle funzioni del sistema di controllo può essere integrata nell'azionamento assieme all'alimentatore

24 Generazione del moto distribuita Le configurazioni attuali implicano segnali in ingresso all'azionamento con maggior contenuto informativo Dal semplice segnale per la regolazione dello stadio di potenza Al profilo di posizione che il motore deve seguire La legge di controllo del moto può essere distribuita in vario modo fra il master ed il singolo azionamento

25 Generazione del moto distribuita E' possibile attualmente distinguere quattro principali tipologie master/slave per la distribuzione delle attività di generazione del profilo di moto ed applicazione dell'algoritmo di controllo del moto: 1) Profilo di moto ed algoritmo di controllo elaborato dal master 2) Profilo di moto elaborato dal master e chiusura degli anelli da parte degli azionamenti 3) Profilo di moto ed algoritmo di controllo elaborato dall'azionamento 4) Profilo di moto generato off-line e preimpostato sull'azionamento, chiusura degli anelli da parte dell'azionamento

26 Generazione del moto distribuita La possibile distribuzione della legge di controllo fra master e singolo azionamento porta a due considerazioni immediate E' necessario disporre di un sistema digitale di comunicazione fra master ed azionamento per poter far fronte al maggior contenuto informativi richiesto in ingresso dall'azionamento E' possibile spostare alcune funzionalità dal master all'azionamento con una riduzioni dei costi Prestazioni del sistema di controllo nel suo complesso Costo HW Costo del cablaggio

27 Generazione del moto distribuita

28 Generazione del moto distribuita

29 Hardware abstraction layer virtualizza tutti i dispositivi che effettivamente interagiranno con l'impianto produttivo La virtualizzazione permette lo sviluppo di applicazioni che interagiscono con i dispositivi virtualizzati e non con quelli fisici, indipendentemente dal tipo di canale di comunicazione la stessa applicazione, potrà essere eseguita anche prescindendo dal tipo di bus di campo utilizzato o dal numero di reti utilizzato questa soluzione permette facilmente di passare da azionamenti con comando punto-punto ad azionamenti che richiedono la generazione del profilo di moto analogamente per quanto riguarda il passaggio da Can ad Ethernet L'hw abstraction layer deve inoltre contenere il master della rete In fase di aggiornamento Hardware o di nuovo indirizzamento delle periferiche sul bus di campo sarà necessario la riconfigurazione dell'hardware abstraction layer

30 Interfacce verso il bus di campo o I/O standard operano fra l'hardware abstraction layer ed i driver di accesso alle periferiche connesse al sistema master di controllo per queste interfacce si devono definire dei metodi operativi stadanrd verso l'hw astratto e devono interagire per mezzo dei comandi tipici verso i driver di comunicazione con le periferiche se tutte le periferiche industriali sono comandate via Bus di campo è necessario solo uno di questi moduli nel caso più generale è necessaria una interfaccia per ogni canale di comunicazione hardware che si intende installare sull'hardware del sistema di controllo.

31 Azionamenti virtualizzati Ogni azionamenti virtualizzato deve rispondere ad una serie di comandi/eventi tipici dell'ambiente del motion control ricerca dello zero passaggio dallo stato di riposo ad uno attivo emergenze, errore di inseguimento ammesso esecuzione di traiettorie punto-punto esecuzione di traiettorie interpolate, ecc.. Ognuna di queste azioni sarà opportunamente tradotta in funzione dello specifico azionamento utilizzato un'adeguata impostazione di questo tipo di entità permette di gestire tutte le possibili configurazioni di sistema master/slave a livello di motion control (si veda documento sul motion control e bus di campo) Gli azionamenti virtualizzati devono essere opportunamente configurati in fase di inizializzazione dell'applicazione A parte la fase di inizializzazione, gli azionamenti virtualizzati avranno tutti la stessa interfaccia verso l'applicazione vera e propria indipendentemente dalla tipologia del sistema di azionamento/master utilizzata.

32 Segnali I/O dal campo analogici e digitali virtualizzati I segnali dal campo o verso il campo virtualizzati rappresentano delle collezioni di entità che descrivono la loro controparte presente a livello di impianto E' necessario prevedere una collezione per ogni tipo di segnale in ingresso e per ogni tipo di segnale di uscita L'applicazione interagirà con il dispositivo virtualizzato, mentre la parte di hardware abstraction layer e le interfacce verso l'effettiva parte hardware incanaleranno opportunamente le informazioni del programma verso il dispositivo fisico e viceversa.

33 Programma di Controllo

34 Programma di Controllo Cinematica inversa. Permette di convertire le coordinate utente (nello spazio di lavoro del sistema di manipolazione) nelle coordinate dei sistemi di azionamento dipende dalla configurazione cinematica del robot, dai rapporti di trasmissione e dalla risoluzione dei trasduttori di misura taratura cinematica del sistema al fine di migliorare la precisione di posizionamento Cinematica Diretta Permette di convertire le posizioni determinate dal sistema di azionamento nella posizione della pinza di lavoro utilizzato per indagare la posizione raggiunta dalla pinza in fase di manovra da parte dell'operatore al fini di limitare urti con parti fisse della macchina utilizzato per visualizzare su sinottico la posizione attuale del manipolatore. Gestione Processo Gestisce stati del processo Parametri per le stesse tipologie di applicazione

35 Trasmissioni

36 Trasmissioni a valle dell'attuatore Trasmissioni con rapporto di trasmissione costante Trasmissioni con rapporto di trasmissione variabile Trasmissioni da rotativo a lineare Trasmissione da rotativo a rotativo Spesso l'elemento movente NON esegue una rotazione completa Sistemi articolati Settori di camme

37 Trasmissioni lineari La trasformazione del moto rotatorio dei motori in moto lineare, può essere ottenuta con: Vite a ricircolo di sfere Sistemi a cinghia dentata Pignone e cremagliera Concettualmente realizzano la stessa trasformazione del moto Le differenze riguardano Precisione Massima velocità Impatto inerziale Massima corsa realizzabile

38 Trasmissioni lineari Viti a ricircolo Cinghie dentate limitata 2 Pignone e cremaglier a illimitata 5 elevata elevata bassa Accuratez 0.01/0.00 za pos. 1 mm 0.1 mm 0.1/0.01 mm rigidezza elevata elevata bassa costo alto medio basso Corsa Velocità [m/s] Forza limitata 10

39 Trasmissioni a cinghia dentata Le cinghie dentate garantiscono il sincronismo fra il movimento comandata dal motore e lo spostamento del carico La taglia della cinghia dipende dalla forza/potenza da trasmettere Materiali interni per irrigidimento longitudinale Materiali esterni Gomma (neoprene) Plastica (poliuretano ) Devono essere flessibili, ad elevata rigidezza Funi in acciaio Fibre di vetro Materiali tessili speciali (kevlar)

40 Trasmissioni a cinghia dentata Le configurazioni principali sono 3 Cinghia chiusa, con motore a terra Configurazione ad omega, motore fisso Configurazione ad omega, motore mobile Il rapporto di trasmissione dipende dal passo e dal numero di denti della ruota motrice [mm/rad]

41 Trasmissioni a cinghia dentata Il carico interno dovuto al tiro delle cinghie è dimezzato nelle configurazioni ad omega Sono fornite in versione aperta o chiusa (lunghezze predefinite) Si distinguono in funzione del tipo di profilo e del passo T, AT, HTD, HTT, HPPD, ecc. Passo 3, 5, 8, 10, 14, 20 [mm]

42 Trasmissioni a cinghia dentata Dimensionamento in funzione del numero di giri e della potenza trasmessa

43 Trasmissione a cinghia dentata I tipi di puleggia ed il numero di denti è standardizzato Le pulegge possono avere dei risalti per guidare la cinghia Sono disponibile delle barre dentate da cui ricavare pulegge di forma conveniente Si trovano pulegge in: Ghisa Alluminio (le uniche utilizzabili per movimenti intermittenti

44 Trasmissione a cinghia dentata La rigidezza della trasmissione a cinghia dipende da: I dati caratteristici della rigidezza della sola cinghia possono essere acquisiti dal costruttore della cinghia o dal catalogo tecnico Può essere rappresentata come una rigidezza torsionale equivalente vista sulla puleggia in ingresso alla trasmissione Passo e sistema di irrigidimento longitudinale Larghezza della cinghia Lunghezza della trasmissione

45 Trasmissione a cinghia dentata Rigidezza equivalente all'albero in ingresso

46 Trasmissione a cinghia dentata Vantaggi Basso costo Bassa inerzia Elementi standardizzati di facile impiego Alta velocità di funzionamento (fino a 10 m/s) Contro Media precisione di posizionamento (0.1 mm) In funzione dello stato di tensione delle cinghie Bassa forza trasmissibile Bassa rigidezza Può essere incrementata sovradimensionando la cinghia Necessario sistema per la messa in tensione della cinghia Modellazione dinamica È necessario introdurre l'effetto della rigidezza della trasmissione

47 Viti a ricircolo di sfere Trovano ampia applicazione in sostituzione all'accoppiamento vite/madrevite L'attrito radente fra i due elementi della coppia cinematica è sostituito dall'attrito volvente di sfere interposte fra i due elementi della coppia cinematica Le sfere devono essere riportate all'ingresso per avere continuità di esercizio Ricircolo interno Ricircolo esterno Queste configurazioni variano da costruttore a costruttore

48 Viti a ricircolo di sfere Le stremità della vite possono essere fissate in vario modo

49 Viti a ricircolo di sfere Le estremità della vite possono essere richieste secondo alcune specifiche forme per il montaggio di Cuscinetti Sistemi di calettamento Organi terminali di lavoro

50 Viti a ricircolo di sfere Sono caratterizzate da: Passo della vite Numero di principi Diametro della vite Lunghezza della vite Si distinguono due principali tipo di viti Le maggiori precisioni, silenziosità e vita si ottengono con le viti rettificate, a scapito del costo Viti rullate Viti rettificate Deviazione del passo, rugosità superficiale, tolleranza geometrica, gioco

51 Viti a ricircolo di sfere Gioco longitudinale in funzione del grado di accuratezza Valutazione della deviazione del passo

52 Viti a ricircolo di sfere Precarico delle chiocciole per la riduzione dei giochi Di forma: sede delle sfere Di forza, utilizzando due chiocciole avvicinate od allontanate

53 Viti a ricircolo di sfere Due configurazioni principali Chiocciola rotante Vite rotante In questa configurazione il moto di rotazione viene imposto alla vite La chiocciola non ruota e quindi trasla La chiocciola è dotata di cuscinetti che ne consentono la rotazione rispetto al telaio È dotata di una flangia per calettare la trasmissione interposta fra motore e chiocciola (ruota dentata o cinghia dentata)

54 e La rigidezza dipende da: Tipo di chiocciola e numero delle sfere in presa Dimetro della vite, lunghezza della vite Rigidezza degli organi di collegamento fra motore ed elemento movente della coppia cinematica Cuscinetti che scaricano a terra le forze motrici trasmesse dalla vite Dal punto di vista meccanico, possiamo valutare la rigidezza dovuta alla vite Rigidezza torsionale, funzione della distanza della chiocciola da punto di ingresso del moto o dal telaio Rigidezza assiale (generalmente trascurabile)

55 Rigidezza torsionale vite La rigidezza torsionale può essere espressa per mezzo di un solo parametro rappresentate il rapporto fra il momento trasmesso dalla vite fra due sezioni e la loro conseguente rotazione relativa G modulo di elasticità tangenziale, Jp momento d'inerzia polare della sezione della vite, l distanza fra le sezioni prese in considerazione Da queste relazioni si ottiene

56 Rigidezza torsionale vite

57 Rigidezza torsionale vite La rigidezza torsionale aumenta all'aumentare del diametro All'aumentare del diametro aumenta anche l'inerzia delle vite e quindi il carico dinamico complessivo In serie alla rigidezza torsionale qui vista, deve essere presa in considerazione la rigidezza degli elementi posti in serie sulla trasmissione Organi o sistemi di calettamento (giunti) cuscinetti L'influenza del carico dinamico e della rigidezza devono essere valutati caso per caso, anche in relazione al posizionamento dei sensori Located vs co-located