AIMETA ’03
Meccanica delle
macchine
Problemi e prospettive
Sergio della Valle
Università di Napoli Federico II
Gruppo italiano
di Meccanica Applicata
Sito web del GMA:
http://cds.unina.it/~dellaval/GMA/GMA_home.htm
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Prospettive:
Micromacchine
 Meccatronica
 Metodo dei Bond Graph

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Micromacchine

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Le micromacchine (MEMS, Micro Electro
Mechanical Systems) sono sistemi di
dimensioni dell’ordine del micron, costituiti
da motori, ingranaggi, sensori, attuatori, che
possono interagire con l’ambiente nel quale
operano, scambiando dati con l’esterno; esse
possono essere comandate da un operatore,
ovvero programmate per funzionare in modo
autosufficiente.
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Micromacchine:
applicazioni





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Le principali applicazioni attuali dei MEMS sono
state sviluppate nel campo della medicina; tra quelle
più significative figurano in particolare:
strumenti diagnostici, come sensori di pressione
sanguigna e oculare;
distributori programmati di medicinali, dotati di
micropompe e microvalvole;
strumentazione chirurgica endoscopica;
comando e gestione di organi artificiali.
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Micromacchine:
struttura e funzionamento

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I MEMS vengono realizzati con una tecnologia
microelettronica analoga a quella dei microprocessori,
dei quali sembrano costituire il naturale sviluppo
tecnologico, aggiungendo alle capacità computazionali
di questi abilità di interazione meccanica con l’ambiente
nel quale operano. I MEMS “intelligenti”, che sono la
frontiera più avanzata delle micromacchine, integrano le
capacità computazionali e quelle “meccaniche”,
svolgendo in modo spesso completamente automatico
compiti complessi, decisi autonomamente in base alle
risposte di sensori incorporati.
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Micromacchine:
costruzione
Bell Lab
I MEMS vengono costruiti in modo del tutto simile ai
circuiti integrati. Incidendo in forme opportune i vari strati
di polisiliconi che vengono depositati su una piastrina di
silicio, si ottengono strutture del tipo rappresentato in figura
a sinistra; dopo l’eliminazione di parte delle strutture
intermedie, gli elementi rimanenti diventano mobili, come
nella figura a destra.
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Micromacchine:
componenti
SANDIA
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Micromacchine:
applicazioni
Bell Lab
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Microswitches disposti ai
punti nodali dei sistemi di
trasmissione a fibre ottiche,
che consentono un nuovo tipo
di trattamento dei segnali
ottici, e la moltiplicazione del
numero di canali.
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Micromacchine:
applicazioni
Microcuscinetti magnetici
CSEM
microspire
metà dello statore del cuscinetto
magnetico attivo con microspire
integrate
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Micromacchine:
applicazioni
Microcuscinetti magnetici
CSEM
sensore PCB con tre sensori ASIC
mezzo statore montato sul sensore PCB
e due rotori
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Micromacchine:
tematiche di interesse
Microtribologia
Progettazione
funzionale
Sviluppo di moduli di
calcolo dedicati
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Micromacchine:
Microtribologia


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Nei MEMS l’influenza delle forze d’inerzia e peso sul
comportamento dinamico del sistema può ritenersi quasi
sempre trascurabile.
Di converso, così come nel caso degli hard-disk e degli
spettrometri fotoelettronici, la mutua interazione a livello
molecolare tra superfici in contatto o vicinissime pone
rilevanti problemi connessi all’attrito, all’usura, e
soprattutto alla lubrificazione, problemi che sembrano
richiedere appropriate indagini e ricerche specifiche, a
volte concettualmente molto diverse da quelle svolte
tradizionalmente nel campo della Meccanica.
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Micromacchine:
Progettazione funzionale

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Tali caratteristiche particolari dei MEMS e dei loro
componenti, unitamente alle loro specifiche metodologie
costruttive, sembra debbano modificarne in misura
consistente i criteri di progettazione funzionale e le
logiche di controllo rispetto a quelli tradizionali della
Meccanica applicata, aprendo così in tale ambito un
campo di indagine specifico.
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Micromacchine:
Moduli di calcolo dedicati

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In particolare, nell’ambito dei principali ambienti di
calcolo utilizzati per l’analisi dinamica e la progettazione
funzionale e costruttiva dei sistemi meccanici, quali
ADAMS, LabView, Working Model, e così via, si
potrebbe pensare allo sviluppo e messa a punto di moduli
di calcolo specifici dedicati ai MEMS.
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Meccatronica
Mechatr. org
La meccatronica è costituita dalla
fusione integrata delle competenze
tipiche della meccanica applicata,
dell’elettrotecnica, dell’elettronica
e dell’informazione. Il suo obiettivo
primario è quello di pensare,
progettare e ingegnerizzare
in modo unitario sistemi meccanici “intelligenti”, formati
da componenti meccanici, elettrici ed informatici integrati
tra loro.
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Meccatronica
Ponti Eng.
L’innovazione della meccatronica consiste nel progettare e realizzare
un’apparecchiatura, un componente, o un intero sistema, ricorrendo alla
sinergia e alla integrazione concettuale tra esperti delle discipline soprariportate.
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Meccatronica
applicazioni
Alcuni campi di applicazione della meccatronica
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Meccatronica
applicazioni
Veicoli terrestri e aerei
Mechatr. Inc.
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Ad esempio, in campo
automobilistico e motociclistico:
componentistica servoassistita,
come impianto frenante, sterzo,
iniezione del motore, sospensioni
attive, e così via;
sistemi di controllo automatico
integrati, quali il controllo ottimo
della trazione, della stabilità, della
frenata, e così via.
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Meccatronica
applicazioni
Macchine utensili
Melbourne Un.
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Ad esempio, controllo della precisione
nelle macchine ad alta velocità: un
tipico sistema CNC è costituito dai
seguenti elementi:
interpolatore
controllore feedforward
controllore di posizione
unità di controllo della velocità
attuatori, sensori, e convertitori ad
ingranaggi e/o rotazione-lineare.
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Meccatronica
applicazioni
Robotica
Lo studio di tutti i
componenti di un robot, ed
anzi dell’intero robot, può
essere affrontato con un
approccio di
tipo”meccatronico”.
Mechatr. org
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Meccatronica
applicazioni
Robotica
In figura, a titolo di esempio, è riportato
il progetto di un robot revoluto a cinque
assi per impieghi industriali, concepito
per essere realizzato in serie ad un costo
particolarmente contenuto
la struttura meccanica, per il
prototipo nella versione per impieghi
didattici, è costata € 2500
Un. Napoli
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Meccatronica
applicazioni
Robotica
tale risultato obiettivo è stato conseguito
progettando la struttura del robot con
l’integrazione più semplice possibile di
componenti elettromeccanici, elettronici ed
informatici commerciali, con un approccio,
quindi, di tipo “meccatronico”
si è inoltre fatto uso di semilavorati metallici,
e l’integrazione dei vari componenti è stata
realizzata con il minor numero possibile di
lavorazioni meccaniche e di cablatura.
Un. Napoli
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Metodo dei Bond Graph


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Proprio nelle ricerche nel campo della
Meccatronica, sembra auspicabile e di
particolare rilievo una maggiore diffusione del
metodo dei bond graph.
L’importanza e l’utilità di tale approccio alla
modellazione dei sistemi meccatronici consiste
infatti nella peculiare caratteristica di questo
metodo di modellare unitariamente sistemi
“misti”, composti cioè da sottosistemi di tipo
diverso.
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Metodo dei Bond Graph
teoria dei Bond Graph

La teoria dei Bond Graph si sviluppa infatti proprio
intorno al concetto di scambio di
d energia
potenza =
dt
tra sottosistemi “misti”, che operano cioè in “domini
diversi” (meccanico, elettrico, elettronico,
fluidodinamico, ecc.), riconoscendo tale grandezza quale
l’unica comune a tutti i domini della fisica, ed in grado
di essere scambiata da questi.
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Metodo dei Bond Graph
Potenza
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Potenza meccanica (trasl.):
P  F V
Potenza meccanica (rotaz.):
P  M 
Potenza elettrica:
P  V i
Potenza idraulica:
P  p  Q
Potenza bond graph:
P  e f
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Metodo dei Bond Graph
Variabili equivalenti
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Bond
Graph
domain
Electrical
e
effort
Fem
[V]
F
[N]
M
[N m]
p
[Pa]
f
flow
I
[A]
v
[ms-1]

[rad/s]
Q
[m3s-1]
p
momentum
L
[V s]
mv
[N s]
I
[N m s]
p dt
[Pa s]
q
displacement
q
[C]
x
[m]
q
[rad]
V
[m3]
domain
Mechanical Mechanical
Translational Rotational
domain
domain
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Hydraulic
domain
Metodo dei Bond Graph
Modellazione di un sistema
Modi di rappresentazione di un Sistema:
modello matematico
 modello con diagramma a blocchi
 modello bond graph

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Metodo dei Bond Graph
Sottosistemi ed elementi



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i sottosistemi sono le parti di un sistema che
scambiano tra loro potenza;
l’elemento fondamentale di un bond graph e’ il
“bond” ovvero l’elemento di connessione tra
sottosistemi;
sul bond scorrono, in senso causale, le due
grandezze effort e flow il cui prodotto è la
potenza che “fluisce”.
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Metodo dei Bond Graph
il bond

Il bond collega le 2 porte dei sottosistemi posti
ai suoi estremi, che attraverso di esso scambiano
potenza; ad esempio, in un motore a
combustione interna:
Sottosistema 1
bond
Motorino
Avviamento
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Sottosistema 2
MCI
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Metodo dei Bond Graph
powertrain autoveicolo
Sottosistemi che
scambiano potenza
Controlli
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Metodo dei Bond Graph
caratteristiche di un b.g.
 Gli elementi scambiano potenza.
 sottosistemi che operano in domini energetici diversi possono
essere facilmente collegati tra loro
 La procedura di assegnazione di causalità è automatica.
 si individuano subito le variabili di stato
 si rilevano eventuali loop algebrici presenti nel modello
 Il b.g. consente un’indagine immediata sulla osservabilità e la
controllabilità dei parametri
 per i sistemi lineari il comportamento dinamico può essere
previsto in modo qualitativo dalla sola analisi del bond graph,
anche senza conoscere a priori le relazioni costitutive degli
elementi, analizzandone i percorsi causali.
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Metodo dei Bond Graph
bond graph della dinamica di un
motociclo
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Meccanica delle
macchine
Problemi e prospettive