Indice Prefazione IX 1. Un nuovo approccio alla progettazione e costruzione di macchine 1 1.1 Sistemi tecnici nella costruzione di macchine: esempi 1 1.2 Concetti essenziali del nuovo approccio alla progettazione e costruzione delle macchine 5 2. Componenti meccanici 9 2.1 Trasferimento di energia meccanica 11 2.1.2 Panoramica e funzioni degli organi per il trasferimento di energia meccanica 11 2.1.2 Configurazione degli organi meccanici per il trasferimento di energia 12 2.1.2.1 Suddivisione in base alla funzione 12 2.1.2.2 Suddivisione in base al principio di funzionamento 13 2.1.2.3 Classificazione degli organi per il trasferimento di energia meccanica 13 2.1.3 Organi per il trasferimento di energia meccanica con moto rotatorio (alberi con cuscinetti) 14 2.1.4 Organi per il trasferimento di energia meccanica con movimenti di traslazione (elementi di trazione e compressione con guide) 21 2.2 Organi per la trasformazione dell energia meccanica 22 2.2.1 Panoramica degli organi per trasformare l energia meccanica e descrizione della loro funzione 23 2.2.2 Classificazione dei meccanismi 24 2.2.2.1 Meccanismi analoghi a quello della bicicletta 24 2.2.2.2 Suddivisione in base alla funzione 26 2.2.2.3 Suddivisione in base al principio di funzionamento 27 2.2.2.4 Suddivisione in base alla forma costruttiva 29 2.2.2.5 Classificazione dei meccanismi trasformatori di energia 30
VI Indice 2.2.3 Comportamento degli organi che trasformano l energia meccanica 32 2.2.3.1 Effetti inerziali 32 2.2.3.2 Effetto della rigidezza e dello smorzamento 33 2.2.3.3 Effetto dell attrito 33 2.2.3.4 Effetto dell usura 35 2.2.4 Rotismi 35 2.2.4.1 Rotismi ad accoppiamento di forma (ingranaggi) 36 2.2.4.2 Rotismo ad accoppiamento per attrito 42 2.2.5 Meccanismi a vite ed a camma 43 2.2.5.1 Meccanismi a vite e madrevite 43 2.2.5.2 Meccanismi a camma 47 2.2.5.3 Meccanismi a glifo 49 2.2.6 Meccanismi con organi flessibili (trasmissioni a cinghia) 50 2.2.6.1 Organi flessibili ad accoppiamento di forma (trasmissioni a catena e cinghia dentata) 51 2.2.6.1.1 Trasmissioni a catena 51 2.2.6.1.2 Trasmissioni a cinghia dentata 55 2.2.6.2 Organi flessibili ad accoppiamento per attrito (trasmissioni a cinghia piatta o trapezoidale) 57 2.2.7 Meccanismi articolati 62 2.3 Accumulatori di energia 65 2.3.1 Energia e lavoro 65 2.3.2 Panoramica degli accumulatori di energia 66 2.3.3 Classificazione degli accumulatori di energia 68 2.3.3.1 Classificazione in base alla funzione 68 2.3.3.2 Classificazione in base al principio di funzionamento 68 2.3.4 Classificazione degli accumulatori di energia 69 2.3.5 Comportamento degli accumulatori di energia 70 2.3.5.1 Energia interna 70 2.3.5.2 Densità d energia, livello di utilizzo e durata 71 2.3.6 Accumulatori di energia meccanica 71 2.3.6.1 Accumulatori a gravità 71 2.3.6.2 Accumulatori a massa oscillante 73 2.3.6.3 Volani 74 2.3.6.4 Accumulatori a molla 75 2.3.7 Accumulatori pneumatici 75 2.3.7.1 Accumulatori a gas compresso 76 2.3.7.2 Accumulatori a pistone o a membrana 76 2.3.8 Accumulatori capacitivi 77 2.3.9 Accumulatori elettrochimici (pile e batterie) 78 2.4 Organi di regolazione meccanici (accoppiamenti per l innesto e il distacco) 80 2.4.1 Panoramica e funzioni degli accoppiamenti di innesto e distacco 80 2.4.2 Classificazione degli innesti e dei giunti limitatori di coppia 81
Indice VII 2.4.2.1 Suddivisione in base alla funzione 81 2.4.2.2 Suddivisione in base al principio di funzionamento 81 2.4.2.2.1 Innesti e limitatori di coppia con accoppiamento per attrito 82 2.4.2.2.2 Innesti e giunti limitatori di coppia, ad accoppiamento di forma 83 2.4.2.3 Classificazione degli innesti e dei giunti limitatori di coppia 83 2.4.3 Innesti a frizione 85 2.4.4 Innesti ad accoppiamento di forma 94 3. Creazione di modelli di sistemi e componenti meccatronici 97 3.1 Motivazione e obiettivi 97 3.2 Un semplice esempio di creazione dei modelli: rotore di un compressore 99 3.2.1 Dal sistema reale al modello 99 3.2.2 Equazione differenziale e schemi a blocchi 100 3.2.3 Simulazione: alcuni risultati relativi al rotore di un compressore 102 3.3 Elementi fondamentali per la creazione di un modello 106 3.3.1 Elementi meccanici (traslazione, rotazione) 106 3.3.2 Elementi dell elettrotecnica 110 3.3.3 Elementi dell idraulica e della pneumatica 112 3.3.4 Elementi della tecnica della regolazione 115 3.4 Strumenti software di simulazione 117 3.5 Esempi di creazione di modelli di sistemi tecnici (meccatronici) 117 3.5.1 Sedile del conducente per camion e autoveicoli 118 3.5.2 Pompa con motore asincrono e accoppiamento magnetico 122 3.5.3 Il sistema meccatronico della bilancia a compensazione 126 4. Componenti meccatronici: attuatori 129 4.1 Descrizione e funzioni degli attuatori 129 4.2 Classificazione degli attuatori 132 4.2.1 Classificazione in base alla funzione 132 4.2.2 Classificazione in base al principio di funzionamento 136 4.2.3 Trapano con motore elettrico, regolatore di tensione e riduttore 138 4.2.4 Servosterzo idraulico 138 4.2.5 Classificazione degli attuatori 140 4.3 Attuatori elettromeccanici 141 4.3.1 Principi di funzionamento di base per gli attuatori elettromeccanici 141 4.3.1.1 Principio elettrodinamico 141 4.3.1.2 La legge di induzione magnetica 142 4.3.1.3 Principio dell elettromagnetismo 142 4.3.1.4 Classificazione degli attuatori elettromeccanici 149
VIII Indice 4.3.2 Il motore a corrente continua 153 4.3.2.1 Configurazione di base di un motore a corrente continua con commutatore 153 4.3.2.2 Equazioni di base del motore a corrente continua (creazione del modello) 156 4.3.2.3 Comportamento a regime (curve caratteristiche del motore) 160 4.3.2.4 Comportamento dinamico 163 4.3.2.5 Grandezze variabili di regolazione e regolatore di energia 167 4.3.2.6 Tipi diversi di configurazione 169 4.3.2.7 Esempi di applicazione dei motori a corrente continua 171 4.3.2.8 Pro e contro dei motori a corrente continua 172 4.3.3 Il motore asincrono 173 4.3.3.1 Configurazione di base del motore asincrono 173 4.3.3.2 Creazione del modello ed equazioni fondamentali del motore asincrono 175 4.3.3.3 Funzionamento a regime (curve caratteristiche del motore) 180 4.3.3.4 Comportamento dinamico 181 4.3.3.5 Variabili di regolazione e regolatore di energia 184 4.3.3.6 Tipi diversi di configurazione di rotore 188 4.3.3.7 Esempi di applicazione dei motori asincroni 188 4.3.4 Il motore sincrono a corrente alternata 190 4.3.4.1 Configurazione di base del motore sincrono 190 4.3.4.2 Funzionamento e caratteristiche della macchina sincrona 192 4.3.4.3 Variabili di regolazione e regolatore di energia 194 4.3.4.4 Tipi diversi di configurazione 195 4.3.4.5 Esempi di applicazione dei motori sincroni 195 4.3.5 Il motore passo passo 195 4.3.5.1 Configurazione di base dei motori passo passo a riluttanza 196 4.3.5.2 Funzionamento del motore passo passo a riluttanza 197 4.3.5.3 Controllo del motore passo passo 198 4.3.5.4 Tipi diversi di configurazioni: motore passo passo a magneti permanenti e motore passo passo ibrido 198 4.3.5.5 Esempi di applicazione dei motori passo passo 201 4.3.5.6 Vantaggi e svantaggi dei motori passo passo 201 4.3.6 Motori elettrici lineari 202 4.3.6.1 Struttura di base di un motore lineare asincrono 202 4.3.6.2 Funzionamento e comportamento del motore lineare 202 4.3.6.3 Tipi diversi di configurazioni del motore lineare 204 4.3.6.4 Esempi di applicazione dei motori lineari 205 4.3.6.5 Vantaggi e svantaggi dei motori lineari 205
Indice IX 4.4 Attuatori a fluido 206 4.4.1 Introduzione alla fluidotecnica 206 4.4.2 Principi di base della fluidotecnica 209 4.4.2.1 Conversione di energia con moto di traslazione 210 4.4.2.2 Conversione di energia con moto rotatorio 212 4.4.2.3 Trafilamento attraverso sezioni ristrette (sezioni trasversali delle valvole) 214 4.4.2.4 Comprimibilità del fluido (capacità idraulica) 216 4.4.3 Classificazione degli attuatori a fluido 218 4.4.4 Variabili di regolazione e regolatore di energia 223 4.4.4.1 Principio del controllo tramite la resistenza 223 4.4.4.2 Principio del controllo volumetrico 223 4.4.4.3 Valvole come regolatori di energia 224 4.4.4.4 Equazioni del moto per la valvola e per il cilindro idraulico 225 4.5 Attuatori di nuova generazione 227 4.5.1 Panoramica degli attuatori di nuova generazione 227 4.5.2 Attuatori piezoelettrici 228 4.5.2.1 Struttura e comportamento degli attuatori piezoelettrici 228 4.5.2.2 Equazioni di base degli elementi piezoelettrici 230 4.5.2.3 Funzionamento degli attuatori piezoelettrici 233 4.5.2.4 Tipi di attuatori piezoelettrici 235 4.5.2.5 Esempi di applicazione degli attuatori piezoelettrici 238 4.5.2.6 Vantaggi e svantaggi degli attuatori piezoelettrici 242 5. Componenti meccatronici: regolatori e dispositivi di comando 243 5.1 Panoramica e funzioni dei dispositivi di regolazione e di comando 244 5.1.1 Dispositivo con regolazione di un sistema tecnico, ad anello aperto 244 5.1.2 Dispositivo di regolazione di un sistema tecnico, regolazione ad anello chiuso 245 5.1.3 Esempi di comando e di regolazione dei sistemi 247 5.1.3.1 Regolazione della temperatura 247 5.1.3.2 Regolazione del numero di giri di una macchina a vapore 248 5.1.3.3 La guida di un autoveicolo 251 5.2 Classificazione dei regolatori 252 5.2.1 Classificazione in base alla funzione 253 5.2.2 Classificazione in base al principio di funzionamento 256 5.2.2.1 Regolatori meccanici 257 5.2.2.2 Regolatori pneumatici 257 5.2.2.3 Regolatori elettrici 259 5.2.2.4 Regolatori digitali 261 5.3 Comportamento dinamico e statico dei circuiti di regolazione 262 5.3.1 Funzioni di prova per la valutazione del comportamento dinamico dei circuiti di regolazione 262
X Indice 5.3.2 Effetto del tipo di regolatore sul comportamento di un anello con disturbi esterni 265 5.4 Esempi di regolazione di sistemi tecnici 266 5.4.1 Regolazione della bilancia a compensazione 266 5.5 Circuiti di regolazione multiloop 272 6. Componenti meccatronici: sensori 277 6.1 Descrizione e funzioni dei sensori 278 6.2 Classificazione dei sensori 279 6.2.1 Classificazione in base alla funzione 279 6.2.2 Classificazione in base al principio di funzionamento 281 6.3 Proprietà dei sensori 283 6.4 Esempi di sensori 289 6.4.1 L accelerometro 289 6.4.2 Il sensore di spostamento induttivo (LVDT) 292 7. Comportamento statico e dinamico dei sistemi meccatronici 297 7.1 Esempio di sintesi: progetto di un robot verniciatore 303 7.1.1 Impostazione del problema 303 7.1.2 Selezionare i componenti e combinarli in un sistema 305 7.1.3 Verificare che il sistema globale soddisfi i requisiti specificati 306 7.1.4 Eseguire analisi di sensibilità 312 7.1.5 Cercare soluzioni globali alternative 312 Indice analitico 315