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

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Presentazione sul tema: "Meccanica delle macchine Problemi e prospettive Sergio della Valle Università di Napoli Federico II AIMETA 03."— Transcript della presentazione:

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

2 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Gruppo italiano di Meccanica Applicata Sito web del GMA:

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

4 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Micromacchine Le micromacchine (MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) sono sistemi di dimensioni dellordine del micron, costituiti da motori, ingranaggi, sensori, attuatori, che possono interagire con lambiente nel quale operano, scambiando dati con lesterno; esse possono essere comandate da un operatore, ovvero programmate per funzionare in modo autosufficiente. Le micromacchine (MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) sono sistemi di dimensioni dellordine del micron, costituiti da motori, ingranaggi, sensori, attuatori, che possono interagire con lambiente nel quale operano, scambiando dati con lesterno; esse possono essere comandate da un operatore, ovvero programmate per funzionare in modo autosufficiente.

5 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Micromacchine: applicazioni Le principali applicazioni attuali dei MEMS sono state sviluppate nel campo della medicina; tra quelle più significative figurano in particolare: 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; strumenti diagnostici, come sensori di pressione sanguigna e oculare; distributori programmati di medicinali, dotati di micropompe e microvalvole; distributori programmati di medicinali, dotati di micropompe e microvalvole; strumentazione chirurgica endoscopica; strumentazione chirurgica endoscopica; comando e gestione di organi artificiali. comando e gestione di organi artificiali.

6 AIMETA '03 - Ferrara, settembre 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 lambiente 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. 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 lambiente 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.

7 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Micromacchine: costruzione 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 leliminazione di parte delle strutture intermedie, gli elementi rimanenti diventano mobili, come nella figura a destra. Bell Lab

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

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

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

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

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

13 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Micromacchine: Microtribologia Nei MEMS linfluenza delle forze dinerzia e peso sul comportamento dinamico del sistema può ritenersi quasi sempre trascurabile. Nei MEMS linfluenza delle forze dinerzia 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 allattrito, allusura, 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. 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 allattrito, allusura, 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.

14 AIMETA '03 - Ferrara, settembre 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. 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.

15 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Micromacchine: Moduli di calcolo dedicati In particolare, nellambito dei principali ambienti di calcolo utilizzati per lanalisi 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. In particolare, nellambito dei principali ambienti di calcolo utilizzati per lanalisi 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.

16 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Meccatronica La meccatronica è costituita dalla fusione integrata delle competenze tipiche della meccanica applicata, dellelettrotecnica, dellelettronica e dellinformazione. 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. Mechatr. org

17 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Meccatronica Ponti Eng. Linnovazione della meccatronica consiste nel progettare e realizzare unapparecchiatura, un componente, o un intero sistema, ricorrendo alla sinergia e alla integrazione concettuale tra esperti delle discipline soprariportate.

18 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Meccatronica applicazioni Alcuni campi di applicazione della meccatronica

19 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Meccatronica applicazioni 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.

20 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Meccatronica applicazioni 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.

21 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Meccatronica applicazioni Robotica Mechatr. org Lo studio di tutti i componenti di un robot, ed anzi dellintero robot, può essere affrontato con un approccio di tipomeccatronico.

22 AIMETA '03 - Ferrara, settembre 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

23 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Meccatronica applicazioni Robotica tale risultato obiettivo è stato conseguito progettando la struttura del robot con lintegrazione 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 lintegrazione dei vari componenti è stata realizzata con il minor numero possibile di lavorazioni meccaniche e di cablatura. Un. Napoli

24 AIMETA '03 - Ferrara, settembre 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. Proprio nelle ricerche nel campo della Meccatronica, sembra auspicabile e di particolare rilievo una maggiore diffusione del metodo dei bond graph. Limportanza e lutilità 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. Limportanza e lutilità 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.

25 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Metodo dei Bond Graph teoria dei Bond Graph La teoria dei Bond Graph si sviluppa infatti proprio intorno al concetto di scambio di 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 lunica comune a tutti i domini della fisica, ed in grado di essere scambiata da questi.

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

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

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

29 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Metodo dei Bond Graph Sottosistemi ed elementi i sottosistemi sono le parti di un sistema che scambiano tra loro potenza; i sottosistemi sono le parti di un sistema che scambiano tra loro potenza; lelemento fondamentale di un bond graph e ilbond ovvero lelemento di connessione tra sottosistemi; lelemento fondamentale di un bond graph e ilbond ovvero lelemento di connessione tra sottosistemi; sul bond scorrono, in senso causale, le due grandezze effort e flow il cui prodotto è la potenza che fluisce. sul bond scorrono, in senso causale, le due grandezze effort e flow il cui prodotto è la potenza che fluisce.

30 AIMETA '03 - Ferrara, settembre 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: 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: Motorino Avviamento MCI Sottosistema 1 Sottosistema 1 Sottosistema Sottosistema 2 bond

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

32 AIMETA '03 - Ferrara, settembre Gli elementi scambiano potenza. Gli elementi scambiano potenza. sottosistemi che operano in domini energetici diversi possono essere facilmente collegati tra loro sottosistemi che operano in domini energetici diversi possono essere facilmente collegati tra loro La procedura di assegnazione di causalità è automatica. La procedura di assegnazione di causalità è automatica. si individuano subito le variabili di stato si individuano subito le variabili di stato si rilevano eventuali loop algebrici presenti nel modello si rilevano eventuali loop algebrici presenti nel modello Il b.g. consente unindagine immediata sulla osservabilità e la controllabilità dei parametri Il b.g. consente unindagine 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. 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. Metodo dei Bond Graph caratteristiche di un b.g.

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

34 AIMETA 03 Meccanica delle macchine Problemi e prospettive


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