Meccanica e robotica 112 Storia delle macchine Archimede

Meccanica e robotica 1/12

Storia delle macchine - Archimede di Siracusa (III sec. a. c. ) studiò l’equilibrio della leva, introducendo i concetti di peso specifico e baricentro, enunciando il principio idrostatico del galleggiamento dei corpi. - Erone di Alessandria sperimentò le macchine semplici e degli ingranaggi, le applicazioni del sifone, la potenza motrice del vapore, ma solo in macchine di gioco o belliche. - I Romani non aggiunsero molto sul piano teorico, ma applicarono gli studi precedenti a numerose opere e costruzioni monumentali. Archimede Leonardo da Vinci, progettò macchine e sistemi meccanici di sorprendente attualità, ma non riuscì a influenzare il mondo scientifico del tempo. Nel Rinascimento, tuttavia, si verificarono continui progressi tecnici nelle macchine usate per l’agricoltura, nella produzione di manufatti e di energia, nella navigazione: in tutto ciò la meccanica rivestì un ruolo di primo piano. Nel XVII secolo numerosi scienziati si occuparono di meccanica: Galileo, Newton, Pascal ecc. Nel periodo della Rivoluzione industriale, con l’enorme sviluppo della tecnologia e l’applicazione della macchina a vapore, la meccanica trovò la sua definitiva affermazione in moltissimi ambiti operativi. Dalle prime macchine a vapore agli attuali sistemi meccanici controllati da computer, è stato un susseguirsi di perfezionamenti e innovazioni tecnologiche Dalla macchina operatrice si è arrivati agli automi, in grado di sostituire l’uomo in quasi tutte le fasi del processo produttivo. 2/12

Le macchine semplici L’equilibrio Ogni corpo, fermo o in movimento, è sottoposto in ogni istante a una serie di forze che tendono a modificarne l’assetto: quando la risultante di tutte le forze applicate è uguale a zero, cioè quando le forze si annullano reciprocamente, il corpo è nello stato di equilibrio. - Il baricentro (o centro di gravità) è il punto di un corpo in cui si può immaginare concentrata la sua forza-peso. Le macchine semplici Esistono dispositivi, noti fin dall’antichità, che possiamo individuare in numerose situazioni: sono le cosiddette macchine semplici: a. La leva - È formata da un’asta rigida girevole attorno ad un suo punto fisso, detto fulcro F, cui sono applicate due forze, la forza motrice P (o potenza) e la forza resistente R (o resistenza). - La distanza tra i punti di applicazione delle forze ed il fulcro si chiama braccio - La distanza dal fulcro alla resistenza è detta: “braccio della resistenza” (br) - La distanza tra la potenza e il fulcro è detta: “braccio della potenza” (bp) 3/12

Le leve In relazione alla posizione del fulcro rispetto alla potenza e alla resistenza, le leve si possono considerare di primo, secondo o terzo genere. Leva di primo genere - Il fulcro si trova tra il punto d’applicazione della resistenza e quello della potenza - Esempi: chiave inglese, grimaldello, forbici, tenaglie, ecc. - Leva vantaggiosa quando il braccio della potenza è più lungo di quello della resistenza Leva di secondo genere - Il punto di applicazione della resistenza si trova fra il fulcro e il punto di applicazione della potenza - Esempi: carriola, remo della barca schiaccianoci, pedale bicicletta, apribottiglia - Sempre favorevole e vantaggiosa. Leva di terzo genere - Il punto di applicazione della potenza si trova fra il fulcro e il punto di applicazione della resistenza - Esempi: canna da pesca, pinzette, molle per il camino. -Leva sfavorevole, perché il braccio della potenza è più corto di quello della resistenza - Consente però movimenti più precisi e prolunga lo spazio di azione. 4/12

Altre macchine semplici b. Cuneo - Prisma con sezione a triangolo isoscele, che penetra in un corpo, fino a spezzarlo - Penetrazione è facilitata dall’aumentare della lunghezza del lato obliquo del cuneo - Esempi: coltello, ferro triangolare che spezza i tronchi, spessore in legno che si infila sotto una porta per tenerla aperta c. Vite - Corpo cilindrico (o gambo) su cui viene inciso un solco a forma elicoidale - La parte in rilievo (filetto) si inserisce in un solco identico, inciso all’interno di un corpo, in modo tale che la vite diventa un organo di collegamento o di manovra d. Carrucola - Basata sulla ruota, può essere considerata come una leva a bracci uguali: l’equilibrio si ha quando F=F”. - Esempio: sollevamento del secchio da un pozzo. 5/12

Altre macchine semplici e. Verricello e argano - Cilindro (o tamburo) che può ruotare intorno al proprio asse orizzontale: su questo si avvolge una fune che solleva pesi - L’argano è molto simile al verricello, solo che il tamburo è disposto con l’asse in posizione verticale - Adatto per trascinare pesi lungo un piano inclinato Argano f. Piano inclinato - Superficie piana obliqua, cioè inclinata rispetto al piano d’appoggio - Lungo il piano inclinato è possibile tenere in equilibrio e far scorrere grossi carichi, portandoli ad altezze notevoli senza sforzi particolari - Usato anche per la costruzione delle grandi piramidi egizie. Piano inclinato di funicolare 6/12

La trasmissione del moto - Numerosi sono i meccanismi realizzati per la trasmissione meccanica di forza e movimento - In genere sono applicazione ulteriore o assemblaggio geniale di alcune macchine semplici, disposte in un certo ordine e grandezza - Alcuni meccanismi sono originali: cinghie, funi, catene, ingranaggi, ruote di frizione, ecc. a. Trasmissione per contatto Ruote dentate Ruote di frizione b. Trasmissione per legame rigido Alberi di trasmissione Trasmissione per legame flessibile Cinghie, catene, funi 7/12

La trasformazione del moto Spesso è necessario trasformare il tipo di moto per poterlo utilizzare. Esistono, al riguardo, alcuni dispositivi che trasformano il moto rotatorio continuo dell’albero motore in moto oscillatorio e viceversa. a. Camma Organo dalla forma particolare, con una prominenza eccentrica che, nel corso della rotazione, è in grado di spostare un’asta cedente nella direzione del suo asse: così trasforma il moto rotatorio in moto traslatorio. Esempio: controllo delle valvole dei motori a scoppio e nelle macchine operatrici. Albero a camme Biella b. Sistema biella-manovella Trasforma il moto rettilineo alternativo in moto rotatorio continuo, - La biella è un collegamento rigido, a forma di asta, che unisce fra loro due manovelle o una manovella e un pattino. - La manovella è in grado di ruotare intorno a un centro ed è collegata a una biella mediante uno snodo (testa di biella). La biella è collegata, a sua volta, con un elemento che scorre in una guida rettilinea. - Esempi: motore a scoppio delle automobili, o trasformazione in moto rettilineo della pedalata in rotazione della stella nella bicicletta. Manovella 8/12

L’industria meccanica Produce beni di consumo finali, semilavorati e molti degli stessi mezzi di produzione (macchine utensili e macchine per lavorare materiali, ecc. ). - Il progettista si avvale dei sistemi di CAD (Computer Aided Design, progettazione assistita dal computer), che semplificano il disegno progettuale - I reparti di produzione sono organizzati per isole produttive, interamente gestite da robot e governate da computer di controllo - Ogni singola macchina può eseguire più operazioni, prima affidate a macchine diverse, costituendo un sistema di produzione flessibile - Automatizzate le attività di montaggio, saldatura, verniciatura, misura e controllo. I sistemi meccanici - Comprendono anche componenti elettrici ed elettronici Tre funzioni fondamentali: a. Funzione motrice (Fm), che indica la generazione di potenza meccanica; b. Funzione di trasmissione e trasformazione (Ft) per adattare la potenza alle esigenze del sistema; c. Funzione operatrice o utilizzatrice (Fo) completa, in pratica, il sistema. - Le funzioni possono svolgersi in modo sequenziale, secondo uno schema aperto, oppure essere connesse tra loro con un collegamento a ciclo chiuso. 9/12

La robotica Dai primi semplici meccanismi e trappole utilizzati per cacciare gli animali della foresta, agli splendidi automi del XVII secolo, per arrivare alle macchine automatiche (il telaio Jacquard, ad esempio) della Rivoluzione industriale e alla robotica. Obiettivi: - Imitare il comportamento dell’uomo in un meccanismo qualunque - Rendere il meccanismo automatico, svincolandolo dal controllo diretto dell’uomo. Il robot - Karel Capek, inventò il termine robot, derivante dalla parola “robota” che, in cecoslovacco, significa “lavoro forzato”. -Per robot oggi si intende un sistema automatico che può sostituirsi all’uomo nel compiere un lavoro - lavora seguendo le istruzioni impartite dall’uomo (mediante un “programma”) e agisce anche senza il suo diretto controllo. - In alcuni casi al robot si conferiscono sembianze umane (con testa, mani, braccia e gambe), - i robot industriali non hanno per nulla l’aspetto umano. La robotica si occupa dello studio e della progettazione di sistemi e dispositivi automatici, in cui l’elettronica trova larga applicazione, insieme alla meccanica. 10/12

Come funziona un robot - La struttura di un robot è assimilabile a uno scheletro, resistente e indeformabile, che regge i motori e gli elementi speciali per la trasmissione e la trasformazione del movimento (cinghie, ingranaggi, ecc. ) e per la raccolta di informazioni (sensori). - Grande importanza, oltre al motore, hanno gli elementi di rilevamento, controllo e azione, collegati tra loro da sistemi di trasmissione meccanica. Tra gli elementi principali ricordiamo: a. Sensori I sensori e i rivelatori sono strumenti costituiti da componenti meccanici, elettrici o elettronici, usati nei sistemi di controllo per rilevare la presenza di qualcosa e per misurare una grandezza fisica o i suoi cambiamenti. Ad esempio, un sensore tattile informa del tocco di una superficie o di un oggetto. b. Trasduttori Trasformano una grandezza fisica in un’altra, ad esempio: - una forza o una pressione in una tensione elettrica; - un tipo di energia, come calore, luce o energia acustica, in energia elettrica; - fotodiodi, fototransistori, fotoresistenze, per la luce; - microfoni, per l’energia acustica; - energia elettrica in energia sonora (altoparlante). c. Rivelatori Strumento in grado di scoprire o evidenziare un evento, una sostanza, un oggetto o un essere vivente (rivelatori di fiamma, di fughe di gas, di presenza di persone, ecc. ). Robot con sensore a telecamera 11/12

Programmazione e controllo dei robot - Per fornire l’automatismo operativo è necessaria un’azione di programmazione e controllo dei movimenti del robot. - È necessario programmare, in un linguaggio comprensibile dalla macchina, l’ordine preciso delle operazioni da compiere, i movimenti, la quantità di potenza da applicare, ecc. - Inoltre, quando il sensore rileva un’anomalia, il programma deve indicare alla macchina se segnalarla, se fermarsi o compiere un intervento per risolvere il problema. La meccatronica - La meccanica è sempre più integrata con le parti elettroniche: si parla di meccatronica, scienza che prepara ingegneri e tecnici conoscitori delle leggi e delle tecnologie meccaniche, ma, al tempo stesso, abili programmatori informatici e conoscitori dei circuiti elettronici. - I settori di impiego, ad esempio, sono la centralina di una moderna automobile o un robot inserito in una catena di montaggio. 12/12