Meccanica delle macchine Problemi e prospettive Sergio della Valle

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

2. Gruppo italiano  di Meccanica Applicata Sito web del GMA: http://cds.unina.it/~dellaval/GMA/GMA_home.htm AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

3. Prospettive: • Micromacchine • Meccatronica • Metodo dei Bond Graph AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

4. Micromacchine • 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

5. Micromacchine: applicazioni • Leprincipali 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

6. Micromacchine:struttura e funzionamento • 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

7. 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

8. Micromacchine:componenti SANDIA AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

9. Micromacchine:applicazioni 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. Bell Lab AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

10. Micromacchine:applicazioni Microcuscinetti magnetici CSEM microspire metà dello statore del cuscinetto magnetico attivo con microspire integrate AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

11. Micromacchine:applicazioni Microcuscinetti magnetici sensore PCB con tre sensori ASIC CSEM mezzo statore montato sul sensore PCB e due rotori AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

12. Micromacchine:tematiche di interesse • Microtribologia • Progettazione funzionale • Sviluppo di moduli di calcolo dedicati AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

13. Micromacchine:Microtribologia • 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

14. Micromacchine:Progettazione funzionale • 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

15. Micromacchine:Moduli di calcolo dedicati • 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

16. 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

17. 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

18. Meccatronicaapplicazioni Alcuni campi di applicazione della meccatronica AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

19. Meccatronicaapplicazioni Veicoli terrestri e aerei • Ad esempio, in campo automobilistico e motociclistico: • componentistica servoassistita,comeimpianto 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

20. Meccatronicaapplicazioni Macchine utensili • 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. Melbourne Un. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

21. Meccatronicaapplicazioni 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 AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

22. Meccatronicaapplicazioni 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 AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

23. Meccatronicaapplicazioni 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 AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

24. Metodo dei Bond Graph • 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

25. Metodo dei Bond Graphteoria dei Bond Graph • La teoria dei Bond Graph si sviluppa infatti proprio intorno al concetto di scambio di 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

26. Potenza bond graph: Metodo dei Bond Graph Potenza Potenza meccanica (trasl.): Potenza meccanica (rotaz.): Potenza elettrica: Potenza idraulica: AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

27. Metodo dei Bond Graph Variabili equivalenti AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

28. Metodo dei Bond Graph Modellazione di un sistema Modi di rappresentazione di un Sistema: • modello matematico • modello con diagramma a blocchi • modello bond graph AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

29. Metodo dei Bond Graph Sottosistemi ed elementi • i sottosistemi sono le parti di un sistema che scambiano tra loropotenza; • 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 grandezzeefforteflowil cui prodotto è lapotenzache “fluisce”. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

30. 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: bond Sottosistema 1 Sottosistema 2 MotorinoAvviamento MCI AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

31. Metodo dei Bond Graph powertrain autoveicolo • Sottosistemi che scambiano potenza • Controlli AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

32. 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 diassegnazione di causalitàè 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. AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

33. Metodo dei Bond Graph bond graph della dinamica di un motociclo AIMETA '03 - Ferrara, settembre 2003

34. AIMETA ’03 Meccanica delle macchine Problemi e prospettive