PROGETTO M.E.S.A. MECHATRONICH IN ENERGY SAVING APPLICATION

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1 PROGETTO M.E.S.A. MECHATRONICH IN ENERGY SAVING APPLICATION HANDBOOK Progetto realizzato dagli studenti dell ITIS G. CARDANO delle classi 5 AM 5 BM 5 AE 4 BI Anni scolastici e Commission. 1

2 INDICE La storia del Progetto MESA. Pag. 3 Gli obiettivi del progetto.. Pag. 3 Cosa abbiamo realizzato. Pag. 4 Il gruppo di lavoro iniziale. Pag. 4 Come l abbiamo realizzata. Pag. 6 Iniziamo la progettazione. Pag. 7 Proseguiamo i lavori. Pag. 10 Le lavorazioni meccaniche dei componenti.. Pag. 15 L impianto elettrico della macchina... Pag. 16 L impianto fotovoltaico... Pag. 18 L impianto per l inseguimento solare..... Pag. 20 Conclusioni e Ringraziamenti..... Pag. 22 Commission. 2

3 LA STORIA DEL PROGETTO Il Progetto M.E.S.A. nasce nel mese di aprile 2011 dalla risposta ad un bando Leonardo per l innovazione scolastica. Il nucleo fondante che ha partecipato alla progettazione era composto da: Prof. Fabrizio Maggi, Prof. Luigi Magrelli, Prof. Nicola Muto, Prof. Marcello Gambini, Prof. Bancale Giuseppe, Prof. Marco Magrini Polloni. Nel mese di novembre 2011 l approvazione del progetto e il suo mandato presso l Agenzia Europea Slovena. Le scuole partner del progetto sono inizialmente di nazionalità Slovena, Italiana e Ungherese. Successivamente la scuola partner Ungherese verrà sostituita da una scuola Croata di Pula. Scuola capofila del progetto è la scuola tecnica TSC di Nova Gorica. Nel gennaio 2012 sono iniziati i lavori al progetto con il primo meeting a Nova Gorica. Sono seguiti un secondo meeting a Pavia nel mese di marzo 2012 ed un terzo meeting nel mese di ottobre 2012 a Pula. Nel mese di ottobre 2012 sono anche iniziate le attività tecniche per la realizzazione della macchina elettrica e lo studio delle energie rinnovabili. GLI OBIETTIVI DEL PROGETTO E un progetto per l innovazione didattica che, attraverso un processo di sperimentazione in classe di nuovi argomenti e mediante l utilizzo di nuove metodologie didattiche, tende a formare negli studenti quello spirito di curiosità e di iniziativa personale che a volte nella didattica verticale vengono ad essere sacrificate. Lo studio degli argomenti tradizionali viene mantenuto a livello teorico, mentre a livello pratico si inseriscono tutte quelle metodiche di lavoro per la realizzazione dei manufatti pensati e progettati a livello teorico. In particolare questo progetto prevedeva la progettazione e realizzazione di un impianto di ricarica elettrica mediante energia Commission. 3

4 fotovoltaica e la trasformazione di un auto con motore endotermico in una vettura a trazione elettrica. COSA ABBIAMO REALIZZATO Abbiamo lavorato su quattro argomenti fondamentali: La didattica sperimentale delle materie di Meccatronica, Informatica e Elettrotecnica l auto elettrica l impianto fotovoltaico di ricarica delle batterie il sistema di inseguimento del sole mediante la movimentazione dei pannelli solari. Abbiamo preso una microcar con motore diesel e l abbiamo trasformata in una vettura a trazione elettrica. Abbiamo realizzato lo studio, la progettazione e il montaggio dei pannelli solari per il circuito di ricarica delle batterie, li abbiamo installati sul tetto dell istituto e completato l impianto elettrico completo di controllo e misura della corrente prodotta. Abbiamo realizzato lo studio, la progettazione e il montaggio di micro-pannelli solari su un sistema meccatronico per l inseguimento ottimizzato durante il giorno dei raggi solari mediante il movimento azimutale dei pannelli. Il GRUPPO DI LAVORO INIZIALE Il primo giorno di attività si sono presentati i seguenti studenti per prendere possesso della microcar: Commission. 4

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6 COME L ABBIAMO REALIZZATA Siamo partiti da una microcar equipaggiata da un motore diesel da 600 cc con trazione anteriore. La vettura fornitaci dal partner Sig. Gianini era già stata separata dal motore endotermico. Appariva così: Dopo una serie di attività che hanno previsto la rimozione dell impianto elettrico, del Commission. 6

7 serbatoio e di tute le parti ritenute superflue e pericolose per la realizzazione del prototipo, la microcar appariva così: INIZIAMO LA PROGETTAZIONE M Ø192 B A C R B R A C Q B 120 A ,5 Commission. 7

8 Calcolo del tiro della cinghia: Dati di partenza: Dimensionamento dell albero: Commission. 8

9 Dai calcoli ottengo un carico di snervamento minimo in base al quale scelgo un acciaio 36CrNiMo4 con un Scelta del cuscinetto: Il carico che agisce radialmente sul cuscinetto è di 1288,04 N. Per questioni di spazio l albero ha un diametro che non può superare i 22 mm nel punto in cui si deve posizionare i cuscinetto. Pertanto verificheremo la durata di un cuscinetto a rulli conici SKF 320/22 X, che ha un coefficiente di carico dinamico C=25100 N. Commission. 9

10 Il cuscinetto scelto ci garantisce una durata di milioni di giri, che, considerando una velocità media di funzionamento pari a, ci consente una durata di: Il cuscinetto risulta essere abbondantemente verificato. Con le attrezzature presenti all istituto non avevamo la possibilità di realizzare con sufficiente precisione i particolari da noi dimensionati. Ci siamo quindi rivolti a ditte esterne dopo aver realizzato i disegni necessari a tali ditte per la realizzazione dei pezzi. PROSEGUIAMO I LAVORI Una volta che la microcar è stata ripulita dal superfluo ci siamo dedicati alla progettazione dell alloggiamento per il motore, a quello per le batterie, alla realizzazione dei percorsi dei cavi, alla trasformazione della pedaliera. Abbiamo quindi iniziato la progettazione della culla di alloggiamento del motore che presentava la seguente scheda tecnica. Commission. 10

11 Per la progettazione della culla del motore abbiamo usato lo strumento Inventor di Autodesk con il quale abbiamo realizzato i seguenti schemi. La foto del motore: Commission. 11

12 La realizzazione della culla è stata fatta utilizzando un centro di lavoro CNC alimentato dal disegno prodotto con Inventor. Commission. 12

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14 Il materiale di realizzazione usato è lega leggera Anticorodal. Commission. 14

15 Ecco il risultato dopo il montaggio del motore nella culla con la puleggia centrifuga. Commission. 15

16 LE LAVORAZIONE MECCANICHE DEI COMPONENTI Alcuni particolari meccanici del progetto sono stati realizzati in officina dagli studenti Commission. 16

17 L IMPIANTO ELETTRICO DELLA MACCHINA Le parti componenti dell impianto elettrico sono nell ordine: Motore elettrico Controller elettronico di potenza Pacco batterie composto da n. 4 batterie 12V 100 AH collegate in serie Fusibile 400 A Contattore di sicurezza 48V 300 A Amperometro Acceleratore a pedale Interruttore principale a chiave Interruttore di sicurezza a fungo Deviatore per la marcia avanti e indietro Commission. 17

18 Il cablaggio dell impianto elettrico è stato realizzato con il seguente schema: L IMPIANTO FOTOVOLTAICO Commission. 18

19 L impianto fotovoltaico realizzato per ricaricare le batterie della macchina ha richiesto la costruzione dei telai di supporto per il posizionamento sul tetto della scuola. I lavori di realizzazione sono stati svolti dagli studenti in officina. Commission. 19

20 Di seguito il data-sheet dei pannelli solari installati. Commission. 20

21 L IMPIANTO PER L INSEGUIMENTO SOLARE Per poter mettere a punto gli algoritmi di inseguimento solare in modo pratico e veloce è stato sviluppato e realizzato un modello ridotto dell'inseguitore solare con due gradi di libertà e riportato nelle foto qui sotto: Infatti il modello essendo di ridotte dimensioni è facilmente utilizzabile in attività laboratoriali standard, non necessita di particolari strumentazioni per la propria gestione e consente di testare il software di controllo in modo approfondito e scalabile. I motori utilizzati sono 2 motori passo-passo (stepper motor) identici che con le opportune riduzioni meccaniche possono essere utilizzati anche sul modello finale. Di seguito si riportano l'immagine e le caratteristiche fondamentali dei suddetti motori: Commission. 21

22 Si tratta di motori BIPOLARI, con 12.5 Kg x cm di coppia di tenuta con un assorbimento di corrente di 2.2 A ed una risoluzione di 1.8 a passo. Le tabelle seguenti ne riportano tutte le caratteristiche: Per il pilotaggio dei motori durante la messa a punto degli algoritmi si è deciso di usare una scheda Arduino con uno shield di pilotaggio motori in quanto facilmente reperibile, Commission. 22

23 programmabile ed economicamente conveniente. Per il sistema finale invece si è scelto di usare un prodotto industriale di massima affidabilità, prodotto dalla National Instruments. Di seguito vengono riportate le caratteristiche sia della scheda Arduino e relativo shield che del prodotto industriale destinato al prodotto finale. Soluzione economica per i test in laboratorio: Arduino Uno rev 3 con Motor Shield R3 : Caratteristiche Arduino Uno Rev 3: Microcontroller ATmega328 Operating Voltage 5V Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limits) 6-20V Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output) Analog Input Pins 6 DC Current per I/O Pin 40 ma Commission. 23

24 DC Current for 3.3V Pin Flash Memory SRAM EEPROM Clock Speed 50 ma 32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader 2 KB (ATmega328) 1 KB (ATmega328) 16 MHz Caratteristiche Motor Shield R3: Operating Voltage Motor controller Max current Current sensing 5V to 12V L298P, Drives 2 DC motors or 1 stepper motor 2A per channel or 4A max (with external power supply) 1.65V/A Free running stop and brake function Soluzione INDUSTRIALE per il sistema finale: CompactRIO con moduli I/O e controllo assi della National Instruments, gestiti con software di controllo Labview: MODULO CompactRIO: Caratteristiche Compact-RIO: Sistema robusto per il monitoraggio ed il controllo embedded Processore industriale real-time a 266 MHz per il controllo, il data-logging e l'analisi Chassis FPGA a 8 slot, 2M gate, per funzioni personalizzate di temporizzazione, controllo ed elaborazione I/O Porta Ethernet 10/100BaseT; porta seriale RS232 per il collegamento alle periferiche Temperatura di funzionamento compresa tra -20 e i 55 C; Commission. 24

25 singolo input di alimentazione da 19 a 30 VDC MODULO I/O: 8 canali, 100 ns high-speed digital I/O (DIO) I/O digitale sinking/sourcing, 5 V/TTL Bidirezionale, configurabile in base al nibble (4 bit) Connettore D-Sub a standard industriale a 25 pin Funzionamento hot-swapping Operatività da -40 C a 70 C Terminaliera a vite per moduli C Series Due viti per il fissaggio della terminaliera al modulo Copertura superiore dotata di quattro viti captive per un fissagio semplice AZIONAMENTO STEPPER MOTOR: Piattaforma strain relief per cavi zip tie (zip tie incluso) Azionamento per motori stepper controllato in step e direzione con le seguenti caratteristiche: Drive Full digital vettoriale ad orientamento di campo Range di tensione da +24VDC a +80 VDC Range di corrente da 0.1A a 4.0ARMS, 5,6APK Dynamic Electronic damping, Torque ripple control Stepless Ingressi Step e direzione, operatività CW e CCW in quadratura Riduzione di corrente (automatica o manuale) Diagnostica avanzata Commission. 25