Introduzione al corso
MECCATRONICA/TAI 2009
Tecnologie di Automazione
Industriale
Automazione: Controllo di processi automatici
Produzione sia di beni che di servizi con un asservimento del processo ad una
supervisione di tipo elettronico/informatico
Obiettivo: minimizzare costi di prodzione, tempi di approntamento,
personalizzazione dei prodotti, controllo automatico della qualita` adattare I volumi
di vendita della produzione, produrre piu` dispositivi con la stesso attrezzaggio.
Sistemi di controllo di
processo
 La produzione industriale oggi
avviene tramite sistemi integrati
per il controllo della produzione,
in grado di ottimizzare le fasi di
produzione, verificare I risultati
del processo produttivo (PCS o
Process control System).
 Questi sistemi sono gestiti da un
controllore di pianificazione per
la produzione (MES:
Manufacturing Execution
System) ovvero un sistema di
gestione delle risorse aziendali
(ERP: Enterpise Resources
Planning)
Computer Integrated
Manufacturing
Nei moderni sistemi di gestione
industriale tutte le attivita` di
produzione sono monitorate dal
singolo dispositivo fino al
comportamento della azienda intera;
Azienda
Stabilimento
Area
Vi sono diversi ordini di controllori ed
asservimenti:
Reparto/Cella
Unita` operatrice
• Top-Dow, in grado cioe’ di creare I sottocomandi
per I livelli inferiori;
• Di controllo di livello
• Bottom-up, in grado di riassumere I risultati verso
I livelli superiori;
Attuatori e sensori
Dispositivi Meccanici
Tecnologie per l’Automazione Industriale
ESEMPI DI SISTEMI INTEGRATI
Pallettizzatori/Posizionatori
Nastri / Taglierine
Lavatrici / Filler
Macchine di lavorazione: CNC, Contornatrici,
fresatrici, torni, dentatrici, scanalatrici,
sabbiatrici, scanalatori, …
Meccatronica
Il termine Meccatronica appare per la prima volta in un documento di una compagnia
giapponese (La Yasakawa Electric company) verso la fine degli anni sessanta.
Il termine era stato composto dalle parole meccanica ed elettronica ad indicare che lo
sviluppo di questi sistemi richiede una conoscenza integrata e simultanea di
entrambe le discipline.
Vi è in questa disciplina una profonda differenza dai dispositivi elettro-meccanici nel
fatto che con questi ultimi si intende definire la realizzazione di particolare dispositivi
meccanici il cui movimento viene generato da fenomeni fisici di natura elettrica.
Nella meccatronica è invece l'elettronica ad essere il legante di riferimento. Questi
dispositivi asservono es integrano sempre di più componenti elettroniche nei sistemi
meccanici fino a divenire considerati parte integrante degli stessi.
Meccatronica
Lo sviluppo della meccatronica si può intendere come un processo
“evolutivo” delle tecniche di progettazione e controllo moderne.
Lo sviluppo dapprima di microcomputer, poi di computer embedded ed
infine di microcontrollori ha infatti rivoluzionato il modo di intendere le
logiche di controllo consentendo ad un tempo di concepire e realizzare
schemi di controllo molto complessi
Modelli teorici matematici possono oggi essere implementati in
maniera quasi completa all’interno di sistemi di controllo
Evoluzione dei sistemi di
controllo
Macchina di Watt
Embedded controller
Ad oggi sono state fornite decine di definizioni differenti di meccatronica
Fukada e Harashima nel 1996: “Meccatronica sono quei sistemi che
presentano una integrazione sinergica di ingegneria meccanica, elettronica
e sistemi di controllo intelligenti”.
Riteniamo questa definizione di particolare importanza in quanto mette in
evidenza come le tre componenti fondamentali che costituiscono sistemi
meccatronici non siano una subalterna all'altra ma richiedano una
considerazione equivalente e bilanciata nelle varie fasi di progettazione.
Si pensi ad esempio alla progettazione di un lettore per dischi rigidi oppure
di compact disk, sarebbe inimmaginabile che chi progetta l'elettronica non
tenga in considerazione specifiche problematiche meccaniche (come le
prestazioni elettriche dei motori), oppure di controllo.
MECCATRONICA: Progettazione
Integrata
Approccio Meccatronico
Approccio Meccatronico
Vantaggi nell’automazione
industriale: Flessibilita’
Vantaggi: Retroazione e
qualita`
Vantaggi: Integrazione con
soluzioni tradizionali
Vantaggi: networking
Ed ancora
 Cambio prodotto, formato
 Basso costo aggiornamento
 Meccanica minimale
 Regolazioni software
Un elegante esempio del ruolo della meccatronica nello sviluppo dei sistemi moderni è offerto dall'ambiente
automobilistico, rispetto agli anni cinquanta dove la presenza di elettronica a bordo non era richiesta, via via nel
corso degli ultimi trent'anni un numero sempre più considerevole di componenti elettroniche sono state
integrate.
L'uso di queste componenti permette infatti non solo di raggiungere prestazioni sempre più spinte e vicine ai
limiti “fisici” del modello fisico da controllare piuttosto che a quelle del meccanismi di controllo, ma anche di
verificare il corretto funzionamento delle parti senza richiedere ad un intervento esterno di aprire la “scatola”
per comprendere cosa non funziona dentro al meccanismo.
L'elettronica dentro i veicoli ha avuto una continua evoluzione: lo spinterogeno si è col tempo trasformato da un
albero di distribuzione meccanico ad un sistema elettronico di rilevamento della posizione e chiusura dei circuiti
relativi in grado di provocare l'accensione delle miscele nei cilindri.
Ben presto anche il carburatore, l'elemento meccanico in grado di miscelare aria e benzina, e di controllare il
flusso di miscela da mandare ai cilindri, veniva sostituito dalla iniezione elettronica.
L'iniezione elettronica ha dimostrato ben presto un progresso notevole rispetto l'approccio classico, la riduzione
di parti meccaniche in movimento, soggette ad usura, depositi, vibrazioni, ha ridotto notevolmente sia i guasti
dei dispositivi che semplificato le tecniche di manutenzione.
L'iniezione elettronica era realizzata tramite una serie di sensori di posizione per l'albero a camme, i pistoni, il
flusso d'aria, e l'acceleratore, mentre un microcontrollore dedicato determina il tempo di apertura delle valvole.
Non solo evoluzione dei sistemi esistenti ma anche innovazione:
I primi sistemi che ne risultarono furono i sistemi per il controllo elettronico della
frenata (Automatic Braking System, ABS)
ed il sistema per il controllo elettronico della accelerazione (Traction Control
system, TCS).
Il primo in grado di relazionare le velocità di relazione dei pneumatici con
l'accelerazione rilevata da sensori a bordo, e quindi in grado di modulare la
pressione del circuito idraulico in maniera da evitare il bloccaggio delle ruote,
il secondo (introdotto all’inizio degli anni 90) in maniera opposta regolava
l'iniezione elettronica per evitare lo slittamento delle gomme durante fasi di
accelerazione troppo spinta.
Approccio Meccatronico
Alcuni di voi, quelli che hanno autovetture di più recente costruzione si saranno
resi conto dell'introduzione ormai in tutti i veicoli di un “computer di bordo”,
una sorta di visualizzatore di molte delle componenti di stato del veicolo: dalla
velocità corrente al consumo istantaneo, dal limitatore di velocità, al
contachilometri elettronico.
Il motivo di questo cambiamento è dovuto soprattutto al fatto che in questi
ultimi venti anni, di pari passo al processo di generazione di nuovi servizi
controllati elettronicamente all'interno della vettura, vi è stata una spinta di
“accentramento ed integrazione” dell'elettronica di modo che gli stessi sensori
possano essere utili a più di un servizio contemporaneamente.
L'uso combinato di questi sensori/attuatori, insieme alla ricerca nei fenomeni
fisici che essi controllano ed ai meccanismi di ottimizzazione ha permesso oggi
di ottenere da questi veicoli prestazioni estreme, come per il più recente
“common rail”, che consente ai motori diesel di consumare circa la metà dei
motori a benzina offrendo ad oggi le stesse prestazioni in termini di potenza
Un ascensore può considerarsi un sistema meccatronico?
I primi modelli di ascensore, erano una specie di carrucole evolute azionate tramite forza
umana e/o animale, essi venivano usati sopratutto nell'edilizia come sistemi montacarichi
per trasportare i pesi in alto.
Successivamente, i motori elettrici hanno fatto la loro comparsa già dagli anni '40 ed i
primi ascensori furono introdotti verso la metà degli anni '50. Si può dire, in tempi non
sospetti per la Meccatronica.
Nessuno allora avrebbe osato pensare che questi sistemi potessero essere considerati
sistemi meccatronici. Ed in effetti è così, gli ascensori, almeno quelli stile anni '50 non sono
sistemi meccatronici:
l'apertura delle porte viene realizzata con dei dispositivi di sblocco meccanico all'arrivo al
piano, un selettore elettrico permette di combinare i punti di attacco e stacco per la
partenza e l'arrivo della cabina, non vi sono in sostanza nessun particolare accorgimento
elettronico e/o digitale per ottimizzare ed informatizzare il processo.
Se questo è vero per i primi ascensori, fino alla fine degli anni settanta,
lo stesso non può dirsi per gli ascensori moderni.
Oggi un sistema di prenotazione elettronica delle fermate permette di
definire il percorso ottimo che deve eseguire la cabina.
Un sistema di controllo elettronico dell'accelerazione permette di
percorrere nei grattacieli oltre centinaia di piani in pochi secondi senza
costringere i passeggeri a sensazioni sgradevoli di vuoto nello stomaco.
Sistemi di sicurezza elettronica consentono di auto-diagnosticare
problemi di sospensione e frenare la cabina verso l'uscita più vicina.
Si può dire sicuramente che i moderni ascensori sono il frutto di un
approccio meccatronico al problema del trasporto.
Confronto vecchio nuovo
Presentazione organizzazione del corso
TAI MECCATRONICA
Premesse
 Il corso 2009/2010 mutua elementi del corso
di Tecnologie di Automazione Industriale con
elementi di Meccatronica
 Il corso sara` strutturato in tre parti:
 Introduzione (1 Lezione)
 Moduli didattici (mutuati) – Esercitazioni (miste)
 Progettini (personalizzati)
Organizzazione di un sistema
Automatica / Meccatronico
 Nel corso affronteremo in maniera, talvolta
sequenziale, talvolta parallela una serie di
argomenti correlati allo sviluppo di sistemi
meccatronici.
 Lo scopo di questo approccio non è quello di
fornire una conoscenza onnisciente di tutte le
tipologie di risorse e componenti utili per la
Meccatronica, bensì quello di impostare un
approccio di base, teorico sperimentale, per
consentire lo sviluppo futuro di dispositivi
meccatronici.
TAI
Misura: (Avizzano)
• Elementi di misura e probabilita` (Avizzano)
• Sensori per Grandezze meccaniche: forza, velocita’
accelerazione, posizione, laser… (Paolo)
• Sensori per Pressione, portata, livello (Massimo)
• Sensori di temperatura (Massimo)
Elettronica (Tripicchio)
• Condizionamento segnali: amplificazione, filtri, traslatori,
potenza (a meta*, Paolo)
• Elementi di logica digitale*
• Realizzazione elettronica*
Esercitazioni (Tripicchio/Satler)
•
•
•
•
•
Modellazione di sistemi dinamici simulink
Modellazione di sensori e attuatori
Modellazione di schemi di controllo
Programmazione di microcontrollori
Modellazione integrata elettronica/informatica
MECCATRONICA
Modellazione (Avizzano)
•Elementi di fisica per la modellazione*
•Approcci bottom up e top down*
•Caratteristiche di sistemi tempo continui*
•Equivalenze*
•Modellazione di comportamenti ibridi (Macchine a stati)*
Realizzazione (Avizzano, Satler)
•Simulink e codice oggetto*
•Dal continuo al digitale*
Elementi di elettromeccanica (Satler)
•Il motore DC*
•STEP motor*
•Elettroniche di controllo (lineari e digitali)*
Elettronica e microcontrollori (Avizzano, Tripicchio)
•Architetture di calcolo*
•Interfacce di input*
•Interfacce di output*
Aspetti di rete e comunicazione
•Connessioni digitali: three state, pull up, pull down
•I2C, CAN, SPI*
•RS232*, TCP/IP*
•ISA*, IPC (InterProcess Communication)*
Riferimenti corso
 Carlo Alberto Avizzano [email protected]
 Emanuele Ruffaldi
 Massimo Satler
[email protected]
[email protected]
[email protected]
 Francesca Farinelli
[email protected]
 Paolo Tripicchio
LEZIONE 1: INTRODUZIONE E
RICHIAMI DI FISICA
ROTAZIONALE
Leggi fondamentali della
Dinamica
 F = dQ/dt
 Che per masse costanti diventa
 F = mA
 … le formule sono importanti ma bisogna
ricordarsi di usare sempre lo stesso sistema di
riferimento altrimenti non funzionano: MKS
Come rappresentare in Simulink
un sistema MASSA MOLLA?
 F = -Kx = m A
 … apriamo simulink e scopriamo
 I blocchi lineari
 Algebra
 Generatori
 E scopes
 Vale anche in nDimensioni (MUX e DEMUX)
Sistemi che ruotano?
 Massa ruotante
 Definizione di
Momento intorno
a un asse M=Fr
 Definizione di
velocita` angolare
 Equazioni del
moto
Sistemi che ruotano?

Ed ora? Le equazioni
precedenti erano lineari per
cui possiamo sovrapporre gli
effetti

Sistema di punti materiali:

Vale anche in caso di un
corpo rigido continuo:

Si crea il concetto di
momento di inerzia
Momenti Notevoli
-
Le soluzioni le trovate su Wikipedia
 Il momento di inerzia è una grandezza fisica utile per
descrivere il comportamento dinamico dei corpi in
rotazione attorno ad un asse. Tale grandezza tiene conto di
come è distribuita la massa del corpo attorno all'asse di
rotazione e dà una misura dell'inerzia del corpo rispetto alle
variazioni del suo stato di moto rotatorio.
 Il momento d'inerzia ha due forme, una forma scalare I
(usata quando si conosce l'asse di rotazione ) e una forma,
più generale tensoriale che non necessita della conoscenza
dell'asse di rotazione. La forma scalare I può essere
calcolata per ogni asse dalla forma tensoriale usando il
doppio prodotto scalare
Massa in caduta libera
attaccata a una molla
 Pari a un momento costante esercitato su di
una puleggia
Modellazione matematica dei
problemi
F
Primo problema: modellazione
 X=F
 P1 = 1000 g cm2
 P2 = 4000 g cm2
 R1 = 0.05 m R2 = 0.1 m
 M = 200 g
 Trasmissioni Rigide
Effetto delle trasmissioni
rigide:
 Esiste un vincolo cinematico tra I corpi in
oggetto, per cui potremo assumere
 R1 TH1 = R2 TH2 = X
 M1/R1 = F = M2/R2
Linearita` del sistema
 I vincoli cinematici sono lineari (X,TH1, TH2)
 I vincoli dinamici sono lineari (M1, F, M2)
 Le equazioni dei singoli corpi sono
differenziali lineari
 MI ASPETTO UN SISTEMA LINEARE !
Potremo quindi scrivere
 F = m A (equazione del corpo rigido)
 M1 = I Alfa1 (equazione della 1a puleggia)
 M2 = I Alfa2 (equazione della 2a puleggia)
 E per il principio di sovrapposizione:
 F+M1+M2 = m A + I Alfa1 + I Alfa2
SBAGLIATO !
Osservazione
 Le grandezze in gioco non sono omogenee:
 1Kg + 1gr == 2Kg == 2gr NO!!!
 1Kg + 0.001Kg == 1.001Kg OK
 1000gr+1gr = 1001 gr
 Per noi varra` sempre lo stesso
E quindi
 F+M1/R1+M2/R2
= mA+ (I1 A/R1)/R1+ (I2 A/R2)/R2
A (m+ I1/R1^2 + I2/R2^2) = F
A = F / (m+ I1/R1^2 + I2/R2^2)
Osservazioni
 I sistemi meccanici (lineari e rotazionali 1DOF
possono essere ridotti a sistemi equivalenti con
masse aggiunte)
 Dimensionalita` degli addendi (la dovremo
ritrovare sempre)
 Rispetto delle relazioni fondamentali
 Non linearita` nei parametri non alterano la
linearita` della struttura
 (non vero in generale)