Meccanica delle macchine Problemi e prospettive Sergio della Valle Università di Napoli Federico II AIMETA 03

Meccanica delle Meccanica delle macchinemacchine

Problemi e prospettiveProblemi e prospettive

Sergio della ValleSergio della Valle

Università di Napoli Federico IIUniversità di Napoli Federico II

AIMETA ’03AIMETA ’03

AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003AIMETA '03 - Ferrara, settembre 200322

Gruppo italiano Gruppo italiano di Meccanica Applicata di Meccanica Applicata

Sito web del GMA:http://cds.unina.it/~dellaval/GMA/GMA_home.htm


Prospettive:Prospettive:

MicromacchineMicromacchine MeccatronicaMeccatronica Metodo dei Bond GraphMetodo dei Bond Graph


MicromacchineMicromacchine

Le micromacchine (MEMS, Micro Electro Le micromacchine (MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) sono sistemi di Mechanical Systems) sono sistemi di dimensioni dell’ordine del micron, costituiti dimensioni dell’ordine del micron, costituiti da motori, ingranaggi, sensori, attuatori, che da motori, ingranaggi, sensori, attuatori, che possono interagire con l’ambiente nel quale possono interagire con l’ambiente nel quale operano, scambiando dati con l’esterno; esse operano, scambiando dati con l’esterno; esse possono essere comandate da un operatore, possono essere comandate da un operatore, ovvero programmate per funzionare in modo ovvero programmate per funzionare in modo autosufficiente.autosufficiente.


Micromacchine: Micromacchine: applicazioniapplicazioni LeLe principali applicazioni attuali dei MEMS sono principali applicazioni attuali dei MEMS sono

state sviluppate nel campo della medicina; tra state sviluppate nel campo della medicina; tra quelle più significative figurano in particolare:quelle più significative figurano in particolare:

strumenti diagnostici, come sensori di pressione strumenti diagnostici, come sensori di pressione sanguigna e oculare;sanguigna e oculare;

distributori programmati di medicinali, dotati di distributori programmati di medicinali, dotati di micropompe e microvalvole;micropompe e microvalvole;

strumentazione chirurgica endoscopica;strumentazione chirurgica endoscopica; comando e gestione di organi artificiali.comando e gestione di organi artificiali.


Micromacchine:Micromacchine:struttura e struttura e funzionamentofunzionamento I MEMS vengono realizzati con una tecnologia I MEMS vengono realizzati con una tecnologia

microelettronica analoga a quella dei microprocessori, microelettronica analoga a quella dei microprocessori, dei quali sembrano costituire il naturale sviluppo dei quali sembrano costituire il naturale sviluppo tecnologico, aggiungendo alle tecnologico, aggiungendo alle capacità computazionalicapacità computazionali di questi abilità di di questi abilità di interazione meccanicainterazione meccanica con l’ambiente con l’ambiente nel quale operano. I MEMS “nel quale operano. I MEMS “intelligentiintelligenti”, che sono la ”, che sono la frontiera più avanzata delle micromacchine, integrano le frontiera più avanzata delle micromacchine, integrano le capacità computazionali e quelle “meccaniche”, capacità computazionali e quelle “meccaniche”, svolgendo in modo spesso completamente automatico svolgendo in modo spesso completamente automatico compiti complessi, decisi autonomamente in base alle compiti complessi, decisi autonomamente in base alle risposte di sensori incorporati. risposte di sensori incorporati.


Micromacchine:Micromacchine:costruzionecostruzione

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.

Bell Lab


Micromacchine:Micromacchine:componenti componenti

SANDIA


Micromacchine:Micromacchine:applicazioniapplicazioniBell Lab 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.


Micromacchine:Micromacchine:applicazioniapplicazioni

CSEM

Microcuscinetti magnetici

microspire

metà dello statore del cuscinetto magnetico attivo con microspire integrate


Micromacchine:Micromacchine:applicazioniapplicazioni

Microcuscinetti magnetici

sensore PCB con tre sensori ASIC

mezzo statore montato sul sensore PCB e due rotori

CSEM


Micromacchine:Micromacchine:tematiche di interessetematiche di interesse

MicrotribologiaMicrotribologiaProgettazione funzionaleProgettazione funzionaleSviluppo di moduli di Sviluppo di moduli di

calcolo dedicaticalcolo dedicati


Micromacchine:Micromacchine: MicrotribologiaMicrotribologia Nei MEMS l’influenza delle forze d’inerzia e peso sul Nei MEMS l’influenza delle forze d’inerzia e peso sul

comportamento dinamico del sistema può ritenersi quasi comportamento dinamico del sistema può ritenersi quasi sempre trascurabile.sempre trascurabile.

Di converso, così come nel caso degli hard-disk e degli Di converso, così come nel caso degli hard-disk e degli spettrometri fotoelettronici, la mutua interazione a livello spettrometri fotoelettronici, la mutua interazione a livello molecolare tra superfici in contatto o vicinissime pone molecolare tra superfici in contatto o vicinissime pone rilevanti problemi connessi all’attrito, all’usura, e rilevanti problemi connessi all’attrito, all’usura, e soprattutto alla lubrificazione, problemi che sembrano soprattutto alla lubrificazione, problemi che sembrano richiedere appropriate indagini e ricerche specifiche, a richiedere appropriate indagini e ricerche specifiche, a volte concettualmente molto diverse da quelle svolte volte concettualmente molto diverse da quelle svolte tradizionalmente nel campo della Meccanica.tradizionalmente nel campo della Meccanica.


Micromacchine:Micromacchine: Progettazione funzionaleProgettazione funzionale Tali caratteristiche particolari dei MEMS e dei loro Tali caratteristiche particolari dei MEMS e dei loro

componenti, unitamente alle loro specifiche metodologie componenti, unitamente alle loro specifiche metodologie costruttive, sembra debbano modificarne in misura costruttive, sembra debbano modificarne in misura consistente i criteri di progettazione funzionale e le consistente i criteri di progettazione funzionale e le logiche di controllo rispetto a quelli tradizionali della logiche di controllo rispetto a quelli tradizionali della Meccanica applicata, aprendo così in tale ambito un Meccanica applicata, aprendo così in tale ambito un campo di indagine specifico.campo di indagine specifico.


Micromacchine:Micromacchine: Moduli di calcolo dedicatiModuli di calcolo dedicati In particolare, nell’ambito dei principali ambienti di In particolare, nell’ambito dei principali ambienti di

calcolo utilizzati per l’analisi dinamica e la progettazione calcolo utilizzati per l’analisi dinamica e la progettazione funzionale e costruttiva dei sistemi meccanici, quali funzionale e costruttiva dei sistemi meccanici, quali ADAMS, LabView, Working Model, e così via, si ADAMS, LabView, Working Model, e così via, si potrebbe pensare allo sviluppo e messa a punto di moduli potrebbe pensare allo sviluppo e messa a punto di moduli di calcolo specifici dedicati ai MEMS.di calcolo specifici dedicati ai MEMS.


MeccatronicaMeccatronica

La meccatronica è costituita dalla La meccatronica è costituita dalla fusione integrata delle competenze fusione integrata delle competenze tipiche della meccanica applicata, tipiche della meccanica applicata, dell’elettrotecnica, dell’elettronica dell’elettrotecnica, dell’elettronica e dell’informazione. Il suo obiettivo e dell’informazione. Il suo obiettivo primario è quello di pensare, primario è quello di pensare, progettare e ingegnerizzare progettare e ingegnerizzare

in modo unitario sistemi meccanici “intelligenti”, formati in modo unitario sistemi meccanici “intelligenti”, formati da componenti meccanici, elettrici ed informatici integrati da componenti meccanici, elettrici ed informatici integrati tra loro.tra loro.

Mechatr. org


MeccatronicaMeccatronica

Ponti Eng.L’innovazione della meccatronica consiste nel progettare e realizzare L’innovazione della meccatronica consiste nel progettare e realizzare un’apparecchiatura, un componente, o un intero sistema, ricorrendo alla un’apparecchiatura, un componente, o un intero sistema, ricorrendo alla sinergia e alla integrazione concettuale tra esperti delle discipline sinergia e alla integrazione concettuale tra esperti delle discipline soprariportate.soprariportate.


MeccatronicaMeccatronicaapplicazioniapplicazioni

Alcuni campi di applicazione della meccatronica



Veicoli terrestri e aerei

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.Mechatr.

Inc.



Macchine utensiliAd 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.Melbourne Un.



Robotica

Mechatr. org

Lo studio di tutti i componenti di un robot, ed anzi dell’intero robot, può essere affrontato con un approccio di tipo”meccatronico”.



RoboticaIn 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



Roboticatale 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


Metodo dei Bond Metodo dei Bond GraphGraph Proprio nelle ricerche nel campo della Proprio nelle ricerche nel campo della

Meccatronica, sembra auspicabile e di Meccatronica, sembra auspicabile e di particolare rilievo una maggiore diffusione del particolare rilievo una maggiore diffusione del metodo dei bond graphmetodo dei bond graph..

L’importanza e l’utilità di tale approccio alla L’importanza e l’utilità di tale approccio alla modellazione dei sistemi meccatronici consiste modellazione dei sistemi meccatronici consiste infatti nella peculiare caratteristica di questo infatti nella peculiare caratteristica di questo metodo di modellare unitariamente sistemi metodo di modellare unitariamente sistemi “misti”, composti cioè da sottosistemi di tipo “misti”, composti cioè da sottosistemi di tipo diverso. diverso.


Metodo dei Bond Metodo dei Bond GraphGraph teoria dei Bond Graphteoria dei Bond Graph La teoria dei Bond Graph si sviluppa infatti proprio La teoria dei Bond Graph si sviluppa infatti proprio

intorno al concetto di scambio diintorno al concetto di scambio di

energiapotenza

tdd

=

tra sottosistemi “tra sottosistemi “mistimisti”, che operano cioè in “domini ”, che operano cioè in “domini diversi” (meccanico, elettrico, elettronico, diversi” (meccanico, elettrico, elettronico, fluidodinamico, ecc.), riconoscendo tale grandezza quale fluidodinamico, ecc.), riconoscendo tale grandezza quale l’unica comune a tutti i domini della fisica, ed in grado l’unica comune a tutti i domini della fisica, ed in grado di essere scambiata da questi.di essere scambiata da questi.


Metodo dei Bond Metodo dei Bond Graph Graph PotenzaPotenzaPotenza meccanica (trasl.):

Potenza meccanica (rotaz.):

Potenza elettrica:

Potenza idraulica:

MP

VFP

iVP

QpP

feP Potenza bond graph:


Metodo dei Bond Metodo dei Bond Graph Graph Variabili equivalentiVariabili equivalenti


Metodo dei Bond Graph Metodo dei Bond Graph Modellazione di un Modellazione di un sistemasistema

Modi di rappresentazione di un Sistema:

modello matematicomodello matematico modello con diagramma a blocchi modello con diagramma a blocchi modello bond graphmodello bond graph


Metodo dei Bond Metodo dei Bond Graph Graph Sottosistemi ed Sottosistemi ed elementielementi i sottosistemi sono le parti di un sistema che i sottosistemi sono le parti di un sistema che

scambiano tra loroscambiano tra loro potenzapotenza;; l’elemento fondamentale di un bond graph e’ il l’elemento fondamentale di un bond graph e’ il

““bondbond” ovvero l’elemento di connessione tra ” ovvero l’elemento di connessione tra sottosistemi;sottosistemi;

sul bond scorrono, in senso causale, le due sul bond scorrono, in senso causale, le due grandezzegrandezze efforteffort ee flowflow il cui prodotto è lail cui prodotto è la potenzapotenza che “che “fluiscefluisce”.”.

Domenico de Falco

Attraverso il Bond “fluisce” solo potenza(nel caso di un diagramma a blocchi attraverso l’elemento di connessione fluisce un segnale di tipo qualsiasi).


Metodo dei Bond Metodo dei Bond Graph Graph il bondil bond Il Il bondbond collega le 2 porte dei sottosistemi posti ai suoi collega le 2 porte dei sottosistemi posti ai suoi

estremi, che attraverso di esso scambiano estremi, che attraverso di esso scambiano potenzapotenza; ; ad esempio, in un motore a combustione interna:ad esempio, in un motore a combustione interna:

MotorinoMotorinoAvviamentoAvviamento MCIMCI

Sottosistema 1Sottosistema 1 SottosistemaSottosistema 2bond


Metodo dei Bond Metodo dei Bond Graph Graph powertrain autoveicolopowertrain autoveicolo

Sottosistemi che scambiano potenza

Controlli


Gli elementi scambiano Gli elementi scambiano potenzapotenza.. sottosistemi che operano in domini energetici diversi possono sottosistemi che operano in domini energetici diversi possono

essere facilmente collegati tra loroessere facilmente collegati tra loro La procedura diLa procedura di assegnazione di causalitàassegnazione di causalità è automatica.è automatica.

si individuano subito le si individuano subito le variabili di statovariabili di stato si rilevano eventuali si rilevano eventuali loop algebriciloop algebrici presenti nel modello presenti nel modello Il b.g. consente un’indagine immediata sulla Il b.g. consente un’indagine immediata sulla osservabilitàosservabilità e la e la

controllabilitàcontrollabilità dei parametri dei parametri per i sistemi lineari il comportamento dinamico può essere per i sistemi lineari il comportamento dinamico può essere

previsto in modo previsto in modo qualitativoqualitativo dalla sola analisi del bond graph, dalla sola analisi del bond graph, anche senza conoscere a priori le relazioni costitutive degli anche senza conoscere a priori le relazioni costitutive degli elementi, analizzandone i percorsi causali.elementi, analizzandone i percorsi causali.

Metodo dei Bond Metodo dei Bond Graph Graph caratteristiche di un caratteristiche di un b.g.b.g.


Metodo dei Bond Graph Metodo dei Bond Graph bond graph della dinamica bond graph della dinamica di un motociclodi un motociclo

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