1 Università degli Studi di Ferrara Facoltà di Scienze MM.FF.NN. CdL in Tecnologie Fisiche Innovative Tecnologia dei Processi di produzione MODULO B7 :

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1 1 Università degli Studi di Ferrara Facoltà di Scienze MM.FF.NN. CdL in Tecnologie Fisiche Innovative Tecnologia dei Processi di produzione MODULO B7 : Progresso e Innovazione Tecnologica Febbraio - 2009 Gabriele Canini, Franco Danielli

2 2 LInKdex Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE B7.01Progresso Tecnologico B7.02Meccatronica delle Macchine Automatiche

3 3 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE Progresso Tecnologico B7.01

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

5 5 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE Fattori del Progresso Tecnologico  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  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

6 6 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE Livelli di Automazione Il livello di Automazione esprime l’attributo umano sostituito (Classificazione di Amber, 1962): LivAttributo sostituitoEsempio 0NessunoUtensili manuali (cacciavite, forbici) 1EnergiaUtensili motorizzati (trapano hobby) 2AbilitàCiclo di lavoro fisso, mono-operazione 3DiligenzaMacchina a programma fisso, plurioperaz. 4SceltaCentro flessibile di lavoro CNC 5ValutazioneMacchine a ciclo adattativo 6ApprendimentoLimitate capacità di autoprogrammazione

7 7 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE Automazione e Meccatronica 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 auto- adattativi) ed in qualche caso, al livello 6 (auto-programmazione) Si intende per Meccatronica la sinergia di discipline quali:  meccanica  microelettronica  informatica  controlli automatici

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

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

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

11 11 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 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)

12 12 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE Meccatronica delle Macchine Automatiche B7.02

13 13 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 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)

14 14 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 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

15 15 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 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 ATTUATORETRASMISSIONECARICO SERVOMOTORE RIDUTT 1 : n T. CINGHIA Z1 : Z2 NASTRO, M. TRASLANTE D  x  Y

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

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

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

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

20 20 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE MOVIMENTOTECNOLOGIA Elettro Dinamici Fluido Dinamici RotativiLineari IdrauliciPneumatici AC Asincr. Induzione Stepper P.P. C.C.AC Sincr. Brushless Piezo Elettrici CLASSIFICAZIONE ATTUATORI

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

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

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

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

25 25 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE Posizione Velocità Accelerazione Impongo i vincoli in P,V,A nel primo punto master X0 Impongo i vincoli in P,V,A nel secondo punto master X1

26 26 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE Il problema è UNIVOCAMENTE determinato in quanto ci sono: 6 g.d.l che rappresentano le incognite date dai 6 coeff. del polinomio di 5° (P5,P4,P3,P2,P1,P0) 6 g.d.v. rappresentati dai vincoli in X0, e X1 delle posizioni, velocità e accelerazioni (Y0,V0,A0, Y1,V1,A1) Si Riscrivono le eq. precedenti in forma matriciale, mettendo in evidenza il vettore delle incognite (P5,P4,P3,P2,P1,P0), il vettore dei termini noti (vincoli) (Y0,V0,A0,Y1,V1,A1) e la matrice delle potenze di X0 e X1, ottenendo il sistema lineare 6x6

27 27 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE ES 1 : Profilo di Moto con 6 vincoli (6 g.d.v.) rappresentati dai 3 vincoli Y0 [mm], V0 [mm/°], A0 [mm/°^2] in X0=0 [°] e dai 3 vincoli Y1 [mm], V1 [mm/°], A1 [mm/°^2] in X1 [°] servono 6 g.d.l. per cui si utilizzo un POLY 5° con le incognite date dai 6 coeff. del polinomio (P5,P4,P3,P2,P1,P0) Y [mm] X [°] X0=0 X1=50 Y0 V0 A0 Y1 V1 A1

28 28 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE ES 2 : Profilo di Moto con 4 vincoli (4 g.d.v.) rappresentati dai 2 vincoli Y0 [mm], V0 [mm/°] in X0=0 [°] e dai 2 vincoli Y1 [mm], V1 [mm/°] in X1 [°]. servono 4 g.d.l. per cui si utilizzo un POLY 3° con le incognite date dai 4 coeff. del polinomio (P3,P2,P1,P0) Y [mm] X [°] X0=0 X1 Y0 V0 Y1 V1

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

30 30 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE [Kgm^2] : Inerzia rotore motore [Nm] : Coppia all’albero motore [rad] : Posizione angolare albero motore [rad/s] : Velocità angolare albero motore [rad/s^2] : Accel. angolare albero motore [Kg] : Massa Inerziale carico [N] : Forza lineare di spinta al carico [m] : Posizione lineare carico [m/s] : Velocità lineare carico [m/s^2] : Accel. Lineare carico [N] : Forza resistente al carico SERVOMOTORE RIDUTT  =1 : n NASTRO, M. TRASLANTE R [m/rad] : rapporto trasmissione Il problema tecnico è calcolare la Coppia Motrice Fm al motore per muovere la catena cinematica, noto Y

31 31 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE Eq. Dinamica al Carico : Bilancio Forze R  =1 : n Eq. Dinamica al Riduttore bilancio potenza in/out riduttore riduzione velocità coppia riportata all’ingresso ridutt.

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

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

34 34 Corso Tecnologia dei Processi di Produzione – Tecnologie Fisiche Innovative - UNIFE 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 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

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

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