Universit degli Studi di Ferrara Facolt di Scienze

Università degli Studi di Ferrara Facoltà di Scienze MM. FF. NN. Cd. L in Tecnologie Fisiche Innovative Tecnologia dei Processi di produzione Gabriele Canini, Franco Danielli MODULO B 7 : Progresso e Innovazione Tecnologica Febbraio - 2009 1

LIn. Kdex B 7. 01 Progresso Tecnologico B 7. 02 Meccatronica delle Macchine Automatiche Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 2

B 7. 01 Progresso Tecnologico Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 3

Progresso Tecnologico Rappresenta a livello macroeconomico il rate, cioè la velocità di crescita dell’ Efficienza dei processi produttivi Si manifesta sotto forma di : q nuovi processi produttivi, o miglioramento di quelli esistenti q ampliamento dell’offerta di prodotti tecnicamente realizzabili q nuovi modelli organizzativi, più rispondenti alle esigenze del mercato Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 4

Fattori del Progresso Tecnologico q Innovazione: attività inventiva dell’uomo diretta al perseguimento degli obiettivi di § diminuire i tempi § aumentare la quantità § migliorare la qualità dei beni prodotti con l’applicazione del lavoro q Automazione: capacità di una macchina a “fare da sé”, per realizzare operazioni ripetitive, o complesse, o impossibili all’uomo. La tecnologia è impiegata per realizzare macchine in grado di sostituire quante più prerogative possibili dell’uomo nell’effettuare un lavoro Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 5

Livelli di Automazione Il livello di Automazione esprime l’attributo umano sostituito (Classificazione di Amber, 1962): Liv Attributo sostituito Esempio 0 Nessuno Utensili manuali (cacciavite, forbici) 1 Energia Utensili motorizzati (trapano hobby) 2 Abilità Ciclo di lavoro fisso, mono-operazione 3 Diligenza Macchina a programma fisso, plurioperaz. 4 Scelta Centro flessibile di lavoro CNC 5 Valutazione Macchine a ciclo adattativo 6 Apprendimento Limitate capacità di autoprogrammazione Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 6

Automazione e Meccatronica Si intende per Meccatronica la sinergia di discipline quali: q meccanica q microelettronica q informatica q controlli automatici Gli sviluppi di questa disciplina hanno consentito di passare, dagli anni ’ 70 ad oggi, dal livello di Automazione 3 (meccanica pura) al livello 5 (cicli autoadattativi) ed in qualche caso, al livello 6 (auto-programmazione) Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 7

Automazione: due modelli a confronto Linea robotizzata di saldatura carrozzerie auto Linea di montaggio tradizionale Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 8

Macchine Automatiche a Prevalenza Meccanica Macchine Automatiche a Prevalenza Meccatronica Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 9

BIOMETRICA • Scansione Impronte Digitali • Scansione Iride o Retina • Misurazione Elettronica geometria Elementi Biologici (da organi interi a cellule microscopiche) Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 10

DIAGNOSTICA MEDICA NON INVASIVA TAC : Tomografia Assiale Computerizzata (basata su RX e antitrasformata di Radon) RMN : Risonanza Magnetica Nucleare (basata su interazioni megnetiche dei nuclei) PET : Tomografia Emissione Positronica (basata sul decadimento radioattivo) Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 11

B 7. 02 Meccatronica delle Macchine Automatiche Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 12

Un campo particolarmente espanso nel distretto industriale Emiliano Romagnolo è quello delle MACCHINE AUTOMATICHE per PACKAGING (impacchettamento). Tradizionalmente le macchine automatiche compiono le loro azioni di trasformazione sul prodotto attuando una sequenza ripetibile di movimenti (ciclo di funzionamento). I movimenti sono generati da organi meccanici chiamati sinteticamente “catena cinematica” -Alberi, trasmissioni, catene, cinghie, ingranaggi …. -Leve, camme, intermittori, riduttori … (sono tutti generatori o trasformazioni di funzione, da una posizione ad un’altra posizione) -La fonte primaria dell’energia meccanica è il MOTORE PRINCIPALE (elettrico) Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 13

La realizzazione porta a MACCHINE “PESANTI” e “COMPLESSE” La complessità per distribuire il movimento dal motore principale a dove serve realmente, spesso supera la complessità del movimento a contatto col prodotto Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 14

Tra gli anni 85/90 l’elettronica ha consentito di poter controllare con efficacia la posizione e la dinamica dei motori. Si sono diffusi motori ad alta efficienza, alta dinamica e costo ragionevole (Brushless o Servomotori). L’idea MECCATRONICA è stata quella di rimuovere le catene cinematiche pesanti e mettere tanti Servomotori direttamente dove serve il movimento. Il comando ed il controllo elettronico del motore consente di effettuare il movimento desiderato. La sincronizzazione di tutti i motori ora è ELETTRONICA, non più MECCANICA SERVOMOTORE RIDUTT T. CINGHIA NASTRO, M. TRASLANTE Y ATTUATORE 1: n Z 1 : Z 2 TRASMISSIONE Dx p Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE CARICO 15

VANTAGGI SVANTAGGI - Eliminazione pesanti catene cinematiche - Minor precisione del movimento - Flessibilità adeguamento a nuovi Formati - Aumento complessità Elettronica - Riduzione Manutenzione - Necessita Valutazione Attenta Costi - Riduzione tempi di progettazione/test - Maggior Dinamica del movimento - Diminuzione Complessità Meccanica Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 16

ES : Macchina per chiudere i bicchierini di Yogurt Servomotore 2 Servomotore 1 Servomotore 2 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 17

Es : Filmato Macchina Automatica a Servomotori (iperlink film macchina) Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 18

Attuatori e Movimento Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 19

CLASSIFICAZIONE ATTUATORI MOVIMENTO TECNOLOGIA Fluido Dinamici Rotativi Lineari Idraulici AC Asincr. Induzione Elettro Dinamici Pneumatici Stepper P. P. C. C. Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE AC Sincr. Brushless Piezo Elettrici 20

Mappa Attuatori in Forza vs Velocità Forza H Idraulici AC Asincr. Induzione AC Sincr. Brushless C. C. Pneumatici M Rotativi e Lineari Stepper P. P. Rotativi L Piezo Elettrici L Velocità M Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE H 21

Discipline alla base della MECCATRONICA per Macchine Automatiche CARICO MOTORE Y PID GENERATORE TRAIETTORIE C B A Generazione Moto Desiderato P P LOOP Feedback : Controllo del Moto Power Operatività : Attuazione del Moto Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 22

A : Generazione del Moto Generazione Profili Moto Analisi Matematica Interpolazione, Estrapolazione, (polin, trigon, ecc. . ) Analisi Matematica Leggi Cinematica, Differenziali, Integrali, Matrici Analisi Matematica, Geometria LIN POLY 5 LIN POLY 2 LIN Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 23

Es. A : Interpolazione Polinomiale 5° per ramo di profilo di moto Y r. K X Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 24

Posizione Velocità Accelerazione Impongo i vincoli in P, V, A nel primo punto master X 0 Impongo i vincoli in P, V, A nel secondo punto master X 1 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 25

Il problema è UNIVOCAMENTE determinato in quanto ci sono: • 6 g. d. l che rappresentano le incognite dai 6 coeff. del polinomio di 5° (P 5, P 4, P 3, P 2, P 1, P 0) • 6 g. d. v. rappresentati dai vincoli in X 0, e X 1 delle posizioni, velocità e accelerazioni (Y 0, V 0, A 0, Y 1, V 1, A 1) Si Riscrivono le eq. precedenti in forma matriciale, mettendo in evidenza il vettore delle incognite (P 5, P 4, P 3, P 2, P 1, P 0), il vettore dei termini noti (vincoli) (Y 0, V 0, A 0, Y 1, V 1, A 1) e la matrice delle potenze di X 0 e X 1, ottenendo il sistema lineare 6 x 6 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 26

ES 1 : Profilo di Moto con 6 vincoli (6 g. d. v. ) rappresentati dai 3 vincoli Y 0 [mm], V 0 [mm/°] , A 0 [mm/°^2] e dai 3 vincoli in X 0=0 [°] Y 1 [mm], V 1 [mm/°] , A 1 [mm/°^2] in X 1 [°] servono 6 g. d. l. per cui si utilizzo un POLY 5° con le incognite dai 6 coeff. del polinomio (P 5, P 4, P 3, P 2, P 1, P 0) Y [mm] Y 1 V 1 A 1 Y 0 V 0 A 0 X [°] X 0=0 X 1=50 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 27

ES 2 : Profilo di Moto con 4 vincoli (4 g. d. v. ) rappresentati dai 2 vincoli Y 0 [mm], V 0 [mm/°] in X 0=0 [°] e dai 2 vincoli Y 1 [mm], V 1 [mm/°] in X 1 [°]. servono 4 g. d. l. per cui si utilizzo un POLY 3° con le incognite dai 4 coeff. del polinomio (P 3, P 2, P 1, P 0) Y [mm] Y 0 V 0 Y 1 V 1 X [°] X 0=0 X 1 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 28

C : Operatività – Mezzo Operativo Cinematica, Dinamica dei solidi Fisica, Meccanica Analitica Trasmissione Potenza, Energia, Rendimento, Calore, Dimensionamento organi meccanici, attuatori Fisica, Meccanica, Termodinamica Realizzazione dispositivi meccanici manipolazione prodotto Meccanica Applicata Resistenza Strutturale, Stabilità Strutturale , Stress Materiali Statica Costruzioni, Meccanica Applicata Vibrazioni, Analisi Modale Teoria dei sistemi Y CARICO Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 29

RIDUTT SERVOMOTORE t =1 : n NASTRO, M. TRASLANTE R [m/rad] : rapporto trasmissione [Kgm^2] : Inerzia rotore motore [Kg] : Massa Inerziale carico [Nm] : Coppia all’albero motore [N] : Forza lineare di spinta al carico [rad] : Posizione angolare albero motore [N] : Forza resistente al carico [rad/s] : Velocità angolare albero motore [m] : Posizione lineare carico [m/s] : Velocità lineare carico [rad/s^2] : Accel. angolare albero motore [m/s^2] : Accel. Lineare carico Il problema tecnico è calcolare la Coppia Motrice Fm al motore per muovere la catena cinematica, noto Y Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 30

Eq. Dinamica al Carico : Bilancio Forze R Eq. Dinamica al Riduttore bilancio potenza in/out riduttore riduzione velocità t =1 : n coppia riportata all’ingresso ridutt. Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 31

Coppia di carico riportata all’albero motore Eq. Dinamica al motore : Bilancio Coppie ricordando che Coppia che il motore deve generare per accelerare se stesso ed il carico e vincere le forze resistenti Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 32

Le forze inerziali del carico legate alla massa Mc si ripercuotono al motore moltiplicate per Y 2 , mentre le forze resistenti Fr si ripercuotono al motore moltiplicate per Y Inerzia equivalente del carico e del motore vista complessivamente all’albero motore Potenza ed Energia Meccanica all’albero Motore con La Potenza meccanica P deve uguagliare la potenza elettrica assorbita dal motore a meno del rendimento del motore stesso Potenza Elettrica Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 33

Per dimensionare correttamente il motore servono tre indicatori ricavabili dalla analisi dinamica precedente : - Coppia efficace o rms (root mean square) Fm rms sul periodo T[s] del ciclo di lavoro - Coppia di picco Fm pk - Velocità di picco Vel pk Criterio Dimensionamento Fm rms < M nom Fm pk < M max Vel pk < Vel max i quali vanno rispettivamente confrontati con i tre parametri caratteristici del motore riportati sul data sheet motore - M nom : Coppia Nominale - M max : Coppia massima - Vel max : Velocità massima Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 34

Concetti e parole chiave: q Innovazione q Automazione q Meccatronica q Regolazione – Feedback q Sistema q Cinematica - Dinamica Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 35

DOMANDE ? Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 36