MECCATRONICA Modulo 4: azionamenti elettrici e controlli automatici Manuale (concetto) Matthias Römer Università Tecnica di Chemnitz, Istituto di macchine utensili e dei processi produttivi Germania Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no. 2005-146319 Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute. www.minos-mechatronic.eu
Partners per la creazione, valutazione e diffusione dei progetti MINOS e MINOS**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Articolazione del materiale didattico Minos : moduli 1 8 (manuale, soluzioni e esercizi): Conoscenze fondamentali/ competenze interculturale, gestione del progetto/ tecnica pneumatica/ azionamenti elettrici e controlli automatici/ componenti meccatronici/ sistemi meccatronici e funzioni/ attivazione, sicurezza e teleservizio/ manutenzione remota e diagnosi Minos **: moduli 9 12 (manuale, soluzioni e esercizi): Prototipazione Rapida/ robotica/ migrazione/ Interfacce Tutti i moduli sono disponibili nelle seguenti lingue: tedesco, inglese, spagnolo, italiano, polacco, ceco e ungherese Per ulteriori informazioni si prega di contattare Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz Tel.: + 49(0)0371 531-23500 Fax.: + 49(0)0371 531-23509 Email: minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch oder www.minos-mechatronic.eu
Azionamenti elettrici e controlli automatici Minos 1 Le basi dell elettrotecnica 1.1 Introduzione L elettrotecnica abbraccia l insieme delle conoscenze tecniche che sfruttano l effetto della corrente elettrica e le caratteristiche di campi elettrici e magnetici. Rientrano in tale ambito la produzione di energia elettrica, la sua trasmissione e il suo uso. L energia elettrica non viene usata soltanto per la propulsione di macchine, ma anche nella metrologia, nella tecnica del e delle telecomunicazioni. Il funzionamento di macchine o impianti moderni non è quasi più immaginabile senza l impiego di energia elettrica. Anche in ambito meccanico, pertanto, è un vantaggio avere conoscenze di base sulla funzione di componenti elettrici, quali la capacità di poter leggere schemi elettrici. Molti impianti lavorano con forme di energia miste. Alcune valvole per esempio sono azionate tramite la corrente elettrica ma controllano pro- Generalmente correnti maggiori di 50 v di tensione alternata o di 120 v di Per il lavoro con queste tensioni bisogna aver partecipato a speciali corsi di formazione e avere il permesso di manovra. I lavori con basse tensioni possono essere eseguiti da chiunque. Pertanto,durante le prove pratiche, nei corsi di formazione si lavora con una tensione continua di 24 V. 7
Minos Azionamenti elettrici e controlli automaticii 1.1.1 Sfera di competenza dell elettrotecnica Di solito l elettrotecnica si divide fra tecnica delle correnti forti e tecnica delle correnti deboli. La prima viene chiamata anche tecnica dell energia elettrica e tecnica di azionamento elettrico. La tecnica delle correnti deboli invece è diventata la tecnica delle telecomunicazioni. Altri ambiti dell elettrotecnica sono l elettronica, la tecnica di misura elettrica e di regolazione dell elettrotecnica ha dato vita a numerosi campi di specializzazione. 1.1.2 Tecnica dell energia elettrica e tecnica d azionamento elettrico La tecnica delle correnti forti è attualmente denominata tecnica dell energia elettrica e riguarda la produzione, la trasmissione e la trasformazione di energia elettrica. Rientrano in tale branca anche gli studi per l azionamento elettrico di dispositivi per il consumo di energia elettrica e la tecnica delle alte tensioni. Nel maggior numero di casi l energia elettrica viene prodotta trasformando energia meccanica con l ausilio di generatori rotanti. Esempi di tecnica di azionamento per macchine elettriche che trasformano energia elettrica in energia meccanica sono le macchine sincrone, asincrone e le macchine di tensione continua. Nell ambito delle piccolepropulsioni, inoltre, esistono ulteriori esempi. Nella tecnica di azionamento elettrico si lavora allo sviluppo di motori lineari che trasformano energia elettrica direttamente in un movimento meccanico lineare, senza alcun movimento di tipo rotatorio. 8
Azionamenti elettrici e controlli automatici Minos 1.1.3 Tecnica dell automatizzazione Nella tecnica dell automatizzazione vengono automatizzati o sorvegliati diversi step di lavoro manuali con l ausilio di metodi della tecnica di misura, della tecnica del comando e della tecnica della regolazione. Per il comando e la regolazione stessa si usa molto la tecnica digitale. Per quanto attiene la tecnica della regolazione, essa riguarda molti sistemi tecnici. Ne sono semplici esempi la regolazione di temperatura nel ferro da stiro o nelle lavatrici. Applicazioni più complesse sono necessarie per l uso di robot industriali, per la stabilizzazione del numero di giri di un motore, per il comando dei motori nelle macchine, per il controllo di stabilità del telaio delle stesse e nell industria chimica per la regolazione dei processi. Tra i vari ambiti uno dei più importanti è certamente quello delle tecniche di avanzamento in cui gioca un fattore fondamentale l elettronica per quanto attiene il controllo e la regolazione delle propulsioni nonchè la fase di alimentazione tramite elettronica a correnti forti con energia elettrica. L elettronica studia inoltre le possibilità di riduzione delle punte di carico e l ottimizzazione dell energia. 9
Minos Azionamenti elettrici e controlli automaticii 1.1.4 Elettronica Lo sviluppo, la produzione e l uso di elementi di costruzione elettronici come p.e. condensatori e puleggie o elementi costruttivi a semiconduttore come diodi o transistori fanno parte dell ambito dell elettronica e dell elettrotecnica. La microelettronica è la parte dell elettrotecnica che si dedica allo sviluppo e la produzione di circuiti logici integrati di elementi costruttivi a semiconduttore. Ne fanno parte gli elementi per collegare semplicemente segnali, processori principali di computer o processori delle schede L elettronica a correnti forti, con lo sviluppo di semiconduttori, gioca un ruolo sempre più importante nella tecnica di azionamento. Con convertitori di frequenza l energia elettrica viene messa a disposizione in maniera Anche la tecnica digitale fa parte dell elettronica. Questo ambito include i circuiti logici classici che oggi vengono costruiti con i transistori. La tecnica digitale è anche la base per tanti controllori ed è pertanto legata alla tecnica dell automatizzazione. 1.1.5 Tecnica delle telecommunicazioni La tecnica delle correnti deboli è attualmente denominata tecnica delle telecomunicazioni o tecnica dell informazione. Il compito della tecnica delle telecomunicazioni è di trasmettere informazioni tramite impulsi elettrici e onde elettromagnetiche da un trasmittente a uno più destinatari. Trasmittente e destinatario vengono chiamati anche la fonte di informazione e il ricevente dell informazione. Le informazioni dovrebbero essere trasmesse possibilmente senza o con poche perdite. Questo migliora il riconoscimento delle informazioni da parte del destinatario. Si chiama tecnica delle alte frequenze quell ambito dell elettrotecnica che si dedica alla trasmissione di informazioni ad alte frequenze. Un aspetto importante della tecnica delle telecomunicazioni è anche 10
Azionamenti elettrici e controlli automatici Minos 1.1.6 Storia dell lettrotecnica campo si fecero le prime scoperte intorno alla corrente elettrica. Con i lavori di Alva Edison e Werner von Siemens l elettrotecnica diventò una disciplina vera e propria. Nel 1752 Benjamin Franklin inventò il parafulmine. Pubblicò i risultati dei suoi esperimenti negli anni 1751-53. Nel 1792 Luigi Galvani fece il famoso esperimento con coscie di rana. Alessandro Volta fu ispirato dal suo lavoro e costruì intorno al 1800 la cosiddetta colonna voltaica. Questa rappresentava la prima batteria funzionante. Nel 1820 Hans Christian Ørsted fece esperimenti per spostare una ago magnetico tramite la corrente elettrica. Sempre nel 1820 Andrè Marie Ampère con i suoi esperimenti dava la prova del fatto che due conduttori elettrici esercitano una forza reciproca l uno sull altro. I nomi della tensione elettrica e della corrente elettrica si devono a lui. Un grande contributo nell ambito dei campi elettrici e magnetici è stato forza elettrica. Sulla base dei lavori di Faraday sulla teoria del magnetismo elettrico, James Clerk Maxwell ha sviluppa l elettrodinamica e la sua espressione matematica. Nel 1864 Maxwell pubblicò le equazioni che hanno preso il suo nome e che sono una delle teorie di base nell elettrotecnica. Nel 1860 Phillip Reis all Istituto Garnier a Friedrichsdorf scoprì il telefono che rese possibile la trasmissione elettrica della lingua. La sua scoperta però non suscitò un grande interesse. Il primo telefono economico fu costruuito nel 1876 da Alexander Graham Bell negli Stati Uniti e soltanto il suo telefono fu venduto con successo. 11
Minos Azionamenti elettrici e controlli automaticii Werner von Siemens fa parte dei pionieri della cosiddetta tecnica delle correnti forti. Nel 1866 scoprì il principio dinamoelettrico e in seguito sviluppò il primo generatore elettrico, attraverso il quale, l energia elettrica per la prima volta era a disposizione in una grande quantità. ne. Con questa scoperta faceva entrare la luce elettrica nelle abitazioni. In tal modo la corrente elettrica iniziava ad occupare sempre più spazzi della vita domestica quotidiana. Contrariamente ad Edison che si dedicava prevalentemente alla tensione costante, Nicola Tesla e Michail von Dolivo-Dobrowolsky studiavano nel campo della tensione alternata creando le basi per i sistemi di approvvigionamento energetico di oggi. La prima scuola di elettrotecnica del mondo fu creata presso l Istituto Tecnico Superiore di Darmstadt in Germania. Il corso di studi durava quattro anni e terminava con un esamecon il quale si conseguiva il titolo di ingegnere per l elettrotecnica. Altre cattedre indipendenti per l elettrotecnica venivano create nel 1885 e nel 1886 in Inghilterra allo University College London e negli Stati Uniti all Università di Missouri. Gli ingegneri che avevano studiato là furono Nel 1884 Heinrich Rudolf Hertz riusciva di provare la giustezza delle equazioni di Maxwell tramite un esperimentoche affermava l esistenza di onde elettromagnetiche e poneva così le basi per la trasmissione di mite radiotrasmissione, superando una distanza di 3 km. Sui suoi lavori si basano i primi impianti trasmittenti e riceventi, che dal 1900 in poi sono stati disponibili anche in commercio. La prima valvola radio, un diodo, è stato scoperto nel 1905 da John A. Fleming. Nell anno seguente Robert von Lieben e Lee De Forest sviluppavano indipendentemente l uno dall altro il triodo. Questo tubo Le basi della TV nel 1926 sono stati costruiti da John Logie Baird che con mezzi semplici ha realizzato la prima TV meccanica sulla base del disco di Nipkow. Nel 1928 già era possibile la trasmissione a colori. Nello stesso anno si svolse anche la prima trasmissione transatlantica da Londra e New York. Manfred von Ardenne nel 1931 sviluppò il tubo a raggi catodici. Con la televisione elettronica la TV sulla base del disco meccanico di Nipkow velocemente passò di moda. 12
Azionamenti elettrici e controlli automatici Minos Nel 1942 Konrad Zuse costruì il primo computer funzionante. Questo computer portava il nome Z3. John Presper Eckert e John Mauchly nel 1946 presentavano la ENIAC (Electric Numerical Integrator and Computer). Iniziò così l epoca del computer che con la sua potenza di calcolo rendeva possibile lo sviluppo di tecnologie assolutamente moderne. Così ad es. l atterraggio sulla luna è stato possibile soltanto grazie a queste scoperte. Il transistor è stato scoperto nel 1947 nei Bell Laboratories negli Stati Uniti da Wiliam B. Shockley, John Barden e Walter Brattain. Con l aiuto dell industria di semiconduttori tanti strumenti furono costruiti in maniera più compatta. Un altro passo importante in questa direzione fu lo sviluppo di circuiti di commutazione integrati e degli attuali microprocessori. Il primo robot industriale del mondo è stato costruito nel 1958 da G.C. Devol e J. Engelberger negli Stati Uniti. General Motors nel 1960 per la prima volta usava tali motori nella produzione industriale. Oggi i robot industriali sono una parte importante della tecnica dell automatizzazione. In diversi ambiti industriali, come ad es. nell industria automobilistica sono addirittura indispensabili. Nel 1968 Marcian Edward Hoff nella ditta Intel sviluppava il microprocessore. La prima realizzazione di un microprocessore avvenne nel 1969 ed era l Intel 4004, un processore di 4 Bit. Il primo processore di 8 Bit, l Intel 8080, nell anno 1973, rese successivamente possibile la costruzione del primo computer personale. Un importante supporto digitale per la memorizzazione è il Compact Disk, conosciuto come CD. È stato sviluppato nel 1978 da parte della ditta Phillips. Nel 1982 da una cooperazione tra Philips e Sony nasceva l Audio-CD. Dal 1985 in poi era possibile memorizzare informazioni digitali anche sul CD-ROM. Dalla ditta Honda nell anno 1996 è stato presentato il primo robot umanoide nel mondo, il P2. Nel 1997 gli seguiva il P3. Lo sviluppo successivo è stato Asimo.Asimo ha un peso di soltanto 43 kg per di 1,20 m di altezza, mentre il P2 pesava ben 210 kg. Questi robot umanoidi rappresentano anche l interazione di componenti elettrotecniche e elettroniche con diverse componenti meccaniche. Il collegamento di questi diversi campi dello scibile viene chiamato meccatronica. 13
Minos Azionamenti elettrici e controlli automaticii 1.2 Tensione, corrente e resistenza 1.2.1 Carica elettrica e tensione La causa dell elettricità è da cercare nella struttura degli atomi. Secondo il modello di Bohr, intorno a un nucleo atomico girano elettroni con carica negativa. Ogni elemento chimico ha un proprio numero di protoni con carica positiva nel nucleo dell atomo. I neutroni esistenti nello stesso nucleo sono senza carica elettrica. Nello stato normale il numero degli elettroni che girano intorno al nucleo è uguale al numero di protoni. Nell immagine sono rappresentati 14 elettroni un numero che corrisponde all elemento silicio. Le cariche si neutralizzano; l atomo dunque è neutrale. Se si separano gli elettroni dall atomo nascono due potenziali diversi. Il nucleo restante ha una carica positiva, lo si chiama ione. Gli elettroni hanno una carica negativa. Immagine 1: Modello dell atomo. 14
Azionamenti elettrici e controlli automatici Minos Per separare gli elettroni dal resto dell atomo c è bisogno di lavoro. Questo lavoro si ritrova nella tensione elettrica che si forma tra potenziali diversi. La tensione viene indicata con il simbolo U e la sua unità di misura è il volt [v]. Tensione elettrica = lavoro che è stato necessario / cariche separate U = W/Q La tensione elettrica spesso viene chiamata anche soltanto tensione, da non confondere con la tensione del materiale. La quantità di cariche (Ladungsmenge) Q si misura in coulomb [c]. La quantità di cariche più piccola possibile è la carica elementare e, cioè la carica di un singolo elettrone. Questa carica elementare è pari a: e = 1,602 10... La separazione delle cariche è possibile con diversi metodi: - Sfregamento meccanico Durante lo sfregamento di diversi materiali con un altro corpo si separano degli elettroni che si trasmettono al corpo. Questo accade ad es. durante lo sfregamento di un palloncino con una maglia di lana. Se viene toccato un oggetto di metallo, le differenze di carica vengono neutralizzati e si sente una scossa elettrica non piacevole. - Induzione Durante l induzione in un campo magnetico viene mossa una bobi- L induzione viene usata nei generatori delle centrali elettriche, ma anche nell alternatore di una macchina o nel dinamo di una bicicletta. - Reazione chimica La separazione delle cariche a causa di processi elettrochimici si trova soprattutto in batterie e accumulatori. Gli accumulatori possono essere ricaricati e perciò sono adatti per immagazzinare energia elettrica. - Effetto della luce - Questo processo viene usato soprattutto nelle celle solari. 15