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Meccatronica

03BPZNE

A.A. 2022/23

2021/22

Meccatronica

L’insegnamento è inserito nell’orientamento "Automazione". Esso intende affrontare le problematiche riguardanti i dispositivi misti meccanici - elettronici presenti nelle applicazioni dell'automazione industriale e descrivere alcuni esempi caratteristici al riguardo, con l’obiettivo di formare figure professionali con competenze multidisciplinari.

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This subject belongs to the “Automation” field. It discusses topics related with the mechanical – electronics systems that are used in industrial automation and transport systems, and presents some typical applications. The subject intends to provide the instruments useful to carry out a systemic analysis of servo-systems used both in industrial automation and in automotive/aerospace applications. The components of standard mechanical servo-systems are analysed, with a special attention for actuation and measuring components. Methodological aspects of the design are described. The choice of a servo-system considering its components (regulation, interface, actuators, transducers) and various possible actuation techniques (electric, pneumatic, hydraulic) are considered. Construction aspect will be emphasised. Indications will be given about performance obtainable with fluid power servo-systems, applied in typical closed loop control such as position, velocity, speed, force, torque and pressure control. Performance of proportional continuous and digital PWM modulated pneumatic components are described. Functional and constructive typologies for sensors and feedback instruments sensible to physical and mechanical quantities are described, as well as interfaces and power regulation systems.

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Lo studente dovrà acquisire conoscenza delle caratteristiche dei sistemi meccatronici, considerando tipiche applicazioni per il controllo della posizione, della velocità, della forza in servosistemi meccanici. Verranno acquisite conoscenze relative a sistemi con attuazioni elettriche, pneumatiche ed idrauliche, con particolare riguardo ai componenti di sensorizzazione, di interfaccia e di regolazione della potenza. In particolare saranno acquisite conoscenze riguardo alle prestazioni dei componenti proporzionali pneumatici sia di tipo digitale sia di tipo continuo (valvole proporzionali e servovalvole). Lo studente dovrà essere in grado di effettuare l’analisi di servosistemi meccatronici, il dimensionamento di sistemi di attuazione controllata e la modellazione e simulazione di servosistemi a fluido.

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Interpretation of the requirements for the servo-system; evaluation of static and dynamic performance of a controlled actuation system; critical evaluation of the transduction principles and of the static and dynamic performances of a measurement chain for mechanical quantities; design a system with controlled actuation, design a test rig, simulate a servo-system.

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Sono richieste conoscenze di base di elettrotecnica, di meccanica teorica e applicata, di elementi di controllo dei sistemi meccanici.

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Regulation of Mechanical systems, Applied Mechanics

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Descrizione L'insegnamento affronta le problematiche riguardanti i dispositivi misti meccanici - elettronici presenti nell'automazione industriale e presenta alcune applicazioni caratteristiche al riguardo. Vengono in particolare analizzati componenti di sensorizzazione, sia descrivendo le tipologie costruttive e funzionali degli strumenti atti al rilievo delle tipiche grandezze fisiche e meccaniche, sia i componenti di interfaccia e di regolazione della potenza, considerando tipiche attuazioni elettriche, pneumatiche ed idrauliche. In particolare vengono descritte le prestazioni dei componenti proporzionali pneumatici sia di tipo digitale sia di tipo continuo (valvole proporzionali e servovalvole). Vengono infine analizzati tipici schemi di sistemi di controllo della posizione, della velocità, della forza in servosistemi meccanici. Programma delle lezioni Definizione di sistema meccatronico. Componenti costituenti un sistema meccatronico: attuazione, sensorizzazione, interfacciamento, controllo. Specifiche di progetto e caratteristiche funzionali. Cenni su differenti tipologie di attuazione: elettrica, oleoidraulica e pneumatica. Trasmettitore e interfaccia. Scopo, funzione, e requisiti dei trasduttori utilizzati nei sistemi meccanici automatizzati. Struttura funzionale. Caratteristiche statiche: sensibilità, linearità, risoluzione, isteresi. Caratteristiche dinamiche: modello di un sistema meccanico. Richiami di funzioni di trasferimento e spazio degli stati. Esempi. Sistemi di ordine 0,1,2. Identificazione del sistema nel dominio del tempo e in frequenza. Criteri di scelta dei sensori per macchine automatiche. Principi di trasduzione. Trasduttori meccanici, pneumatici, elettrici, ottici, sonici. Trasduttori resistivi, capacitivi, induttivi, laser, effetto Hall, piezoelettrici. Trasduttori digitali: encoder e riga ottica. Tipologie costruttive di sensori per il rilievo delle grandezze meccaniche: prossimità, spostamento, velocità, forza, coppia, pressione. Scopo, funzione e requisiti dei dispositivi di interfaccia nell'attuazione a fluido (oleodinamica e pneumatica). Valvole continue e digitali. Valvole proporzionali e servovalvole. Tipologie costruttive. Blocchi funzionali di valvole proporzionali: regolazione, comando, attuazione. Valvole proporzionali in pressione e in portata. Caratteristiche funzionali, ambientali, elettriche, dimensionali, gradi di protezione, caratteristiche statiche e dinamiche. Criteri di scelta e di dimensionamento di interfacce in servosistemi a fluido. Modellazione di valvole proporzionali. Applicazioni di sistemi meccatronici con attuazione a fluido. Controlli di forza, di posizione, di pressione. Effetto dei disturbi e metodi per eliminarne gli effetti. Applicazioni delle tecniche di controllo analogico e digitale nei sistemi meccatronici. Problematiche di acquisizione di segnali analogici, di conversione A/D e D/A e di comunicazione digitale. Esempi di applicazioni industriali di sistemi meccatronici.

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Reminders about regulation of mechanical systems, with a special attention to type zero and type one systems, with first and second order transfer function. Design consideration of the regulation system based on the Bode diagram. Definition of mechatronic servo-system. Components of a mechatronic system: transmitter, interfacing, actuation and control. Design requirements and functional properties. Different kind of actuation: electric, pneumatic, hydraulic; examples of system with controlled actuation. Non-linear and linearized modelling. Simulation of servo-systems. Static and dynamic characteristics of the instrumentation within a servo-system. Static characteristics: sensitivity, accuracy, linearity, resolution, hysteresis. System identification in time and frequency domain. Time constant, response time, band width, Response frequency, BODE diagram. Regulation systems: application of analogue and digital control technique to mechatronic systems. Problems related with the acquisition of analogue signals, A/D and D/A conversion, and digital communication. Performance and comparison. Effect of disturbance and methods to avoid them. Fluid power servo-systems. Interface devices: continuous and digital valves. Pressure and flow proportional servo-valves. Modulating digital valves. Construction typology. Properties: functional, environmental, electrical, size, protection. Static and dynamic characteristics. Actuation devices. Layout of fluid power servo-systems. Position and velocity control: open loop and closed loop systems. Mechanical, pneumatic, electric, optical and sound transducers. Resistive, capacitive, inductive, laser, Hall effect, piezoelectric transducers. Digital transducers: encoder, optical linear encoder. Constructive typology of sensors for the detection of mechanical quantities: proximity, position, speed, torque, force, pressure. Functional properties. Analysis of servo-system used in test rigs, in flight control systems, in road and railway vehicle, in industrial application.

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E' previsto lo sviluppo di esercitazioni in supporto agli argomenti sviluppati a lezione. Gli studenti sono suddivisi in squadre, che si alternano nello svolgimento delle esercitazioni sperimentali e numeriche in 13 pomeriggi. All'esame finale viene presentata da ogni coppia di studenti una relazione sulle attività svolte nelle esercitazioni, in cui sono riportati gli obiettivi, le metodologie, le principali caratteristiche dei componenti usati, i risultati sperimentali acquisiti, i modelli MATLAB-Simulink, i risultati numerici. Esercitazioni sperimentali: sono svolte esercitazioni sperimentali in cui vengono analizzati e valutati sia singoli componenti di trasduzione, sia sistemi completi di controllo. Nello svolgimento pratico delle esercitazioni sono acquisiti i segnali delle prove sperimentali condotte. Temi: sensore di forza a sei assi di misura, sensori di posizione resistivi e LVDT, regolazione di portata con modulazione PWM, servoattuatore pneumatico controllato in posizione, servoattuatore elettrico controllato in posizione, servoattuatore idraulico controllato in posizione Esercitazioni numeriche: sono svolte esercitazioni numeriche presso il LAIB. Nelle prime esercitazioni viene richiamato il linguaggio MATLAB e vengono modellizzati e simulati tipici comportamenti di sistemi meccanici. Vengono nelle esercitazioni successive modellizzati i sistemi provati durante le esercitazioni sperimentali, ne viene simulato il funzionamento e vengono confrontati i rilievi sperimentali e numerici. Nel caso di limitazioni alla partecipazione di persona per COVID, le esercitazioni saranno sviluppate con percorsi on line, sulla base di video delle attività sui banchi prova e disponibilità di storie temporali preventivamente acquisite.

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Laboratory and/or exercises. Laboratory exercises are planned on different test rigs for servo-systems as well as simulation exercises in computer lab. Students are divided up in groups, each of them will develop all the practical and simulation exercises. For the final exam, each couple of students will prepare a presentation about the developed activity describing the targets, the methods, the main properties of the used components as well as results obtained in experimentation and simulation with a comparison between numerical and experimental results. In the case of limitations to the participation in person for COVID, the exercises will be developed with online courses, based on videos of the activities on the test benches and availability of previously acquired time histories.

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Documentazione fornita dal docente. [1] Bertolino A.C., De Martin A., Nesci A., Sorli M., “Meccatronica - Analisi, progettazione e modellazione di servosistemi”, CLUT Torino, 2021 [2] Bishop R. H.: "The Mechatronics Handbook", CRC Press, 2002 [3] Nordmann R., Birkhofer H., "Elementi di macchine e meccatronica", Mc Graw Hill, 2006 [4] Jacazio G., Piombo B.: "Meccanica Applicata alle Macchine - vol.III Regolazione e servomeccanismi", Levrotto & Bella, Torino, 1994. [5] Doebelin E.O., "Measurement systems - Application and design" McGraw Hill [6] Shetty D., Kolk R.A., "Mechatronics System Design", PWS Publishing Company, Boston, 1997 [7] Sorli M., Quaglia G., "Applicazioni di Meccatronica", CLUT Editrice Torino, aprile 1996 [8] Viersma T.J.: "Analysis, synthesis and design of hydraulic servosystems and pipelines", Elsevier, 1980

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Documents provided by the lecturer. [1]. Sorli M., Quaglia G.: “Meccatronica vol. 1”, Politeko, Torino, 2003 [2]. Bishop R. H.: ”The Mechatronis Handbook”, CRC Press, 2002 [3]. Nordmann R., Birkhofer H.,:”Elementi di macchine e meccatronica”, Mc Graw Hill, 2006 [4]. Jacazio G., Piombo B.: “Meccanica Applicata alle Macchine, vol. III, Regolazione e servomeccanismi”, Levrotto&Bella [5]. E.O. Doebelin: “Measurement systems – Application and Design” McGraw Hill [6]. Shetty D., Kolk R.A., “Mechatronic systems design”, PWS Publishing Company, Boston, 1997 [7]. Sorli M., Quaglia G.: "Applicazioni di Meccatronica", CLUT Editrice Torino, aprile 1996 [8]. Viersma T.J.: “Analysis, synthesis and design of hydraulic servosystems and pipelines”, Elsevier, 1980

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

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L'esame viene svolto in forma orale sui contenuti del programma delle lezioni e delle esercitazioni. Tipicamente l’esame si sviluppa in tre domande, una delle quali riguarda la presentazione del modello di un servosistema di controllo posizione, o velocità, o forza, o pressione, o portata, in attuazione elettrica o a fluido, una seconda riguarda aspetti metodologici di dimensionamento del servosistema, risposta dinamica, prestazioni dei dispositivi, configurazioni/architetture, una terza domanda è fatta sulle relazione dei laboratori, che devono essere presentate all'atto dell'appello all'esame. La discussione degli elaborati sui laboratori ha un peso fino al 30% della valutazione finale. La durata tipica è 45 minuti a esame. Il voto massimo è 30/30 e lode.

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Exam: Compulsory oral exam;

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The exam is held in oral form on the contents of classes and exercises program. Typically, the exam develops into three questions, one of which concerns the presentation of the model of a position or speed, or force, or pressure, or flow control servos, in electrical or fluid actuation technology. Weight is given to the discussion about the activities presented in the report describing the laboratory exercises; one of the questions is related to that. The typical duration is 45 minutes. The maximum rating is 30/30 cum laude.

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Modalità di esame: Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus); Elaborato progettuale individuale;

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L’esame è composto da un accertamento scritto (30 punti) e dalla valutazione delle relazioni di laboratorio (6 punti). La somma dei due punteggi fornisce il voto finale (un punteggio maggiore di 30 corrisponde a 30 e lode). Per superare l’esame è necessario ottenere un punteggio di almeno 18 punti in totale. Accertamento Scritto L’accertamento scritto si svolgerà online tramite la piattaforma Respondus e avrà una durata nominale di 1 ora e 40 minuti (sarà valutato se fornire tempo aggiuntivo per le necessità di autenticazione sulla piattaforma). Sarà possibile terminare l’esame a partire da 30 minuti dopo l’inizio. Se si esce dalla procedura d’esame non sarà possibile riaccedervi. L’accertamento scritto è composto da tre domande, di cui si indicano il tempo indicativo di svolgimento e il punteggio assegnato: 1. Domanda inerente l’argomento: servosistemi (50 min, 15 punti) 2. Domanda inerente l’argomento: componenti / metodologie / risposta nel tempo e in frequenza / ecc. (30 min, 9 punti) 3. Domanda inerente le relazioni di laboratorio (20 min, 6 punti) Le domande sono liberamente accessibili per la durata del test e svolgibili in ordine a piacimento. In analogia a quanto tradizionalmente svolto nelle sessioni di esame orale del passato, per ogni domanda lo studente dovrà rispondere producendo equazioni, dimostrazioni, schemi e diagrammi pertinenti all’elaborazione della risposta, scrivendo su fogli possibilmente A4 bianchi. Si consiglia di concentrare la descrizione su schemi circuitali, equazioni dei modelli, diagrammi, del tutto analoghi alle presentazioni operate per le lezioni e i laboratori, articolando le risposte in maniera concisa, facendo riferimento solo a brevi e ridotte note descrittive. Per ogni quesito lo studente dovrà caricare due screenshot eseguiti per mezzo della webcam, inquadrando quanto richiesto nel testo della domanda. In assenza di screenshot, alla risposta verrà assegnato un punteggio pari a zero. E’ obbligatorio caricare entro 10 minuti dal termine della prova la scansione in formato .pdf degli elaborati sulla pagina del corso alla sezione “Elaborati”. In mancanza di conformità fra screenshot e scansione in formato .pdf, alla risposta verrà assegnato un punteggio pari a zero. Valutazione delle relazioni di laboratorio Le relazioni sono da consegnare in formato pdf almeno tre giorni prima dell’appello cui l’allievo si iscrive, tramite il portale della didattica, sezione “Elaborati” presente nella pagina del corso. IL nome file deve essere del tipo: nome_cognome_matricola.pdf Al termine della correzione degli esami, saranno pubblicati i voti sul portale della didattica e verranno indicate le modalità di visione dei compiti.

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Exam: Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Individual project;

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The exam, if remotely, is carried out in written form with contents similar to those of the oral exam in presence, on the contents of the program of lessons and exercises. Typically, the exam develops into three questions, one of which concerns the presentation of the model of a position or speed, or force, or pressure, or flow control servos, in electrical or fluid actuation technology. Weight is given to the discussion about the activities presented in the report describing the laboratory exercises; one of the questions is related to that. The typical duration is 45 minutes. The maximum rating is 30/30 cum laude.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

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L'esame, se in presenza, viene svolto in forma orale sui contenuti del programma delle lezioni e delle esercitazioni. Tipicamente l’esame si sviluppa in tre domande, una delle quali riguarda la presentazione del modello di un servosistema di controllo posizione, o velocità, o forza, o pressione, o portata, in attuazione elettrica o a fluido, una seconda riguarda aspetti metodologici di dimensionamento del servosistema, risposta dinamica, prestazioni dei dispositivi, configurazioni/architetture, una terza domanda è fatta sulle relazione dei laboratori, che devono essere presentate all'atto dell'appello all'esame. La discussione degli elaborati sui laboratori ha un peso fino al 30% della valutazione finale. La durata tipica è 45 minuti a esame. Il voto massimo è 30/30 e lode. L'esame, se da remoto, è composto da un accertamento scritto (30 punti) e dalla valutazione delle relazioni di laboratorio (6 punti). La somma dei due punteggi fornisce il voto finale (un punteggio maggiore di 30 corrisponde a 30 e lode). Per superare l’esame è necessario ottenere un punteggio di almeno 18 punti in totale. Accertamento Scritto L’accertamento scritto si svolgerà online tramite la piattaforma Respondus e avrà una durata nominale di 1 ora e 40 minuti (sarà valutato se fornire tempo aggiuntivo per le necessità di autenticazione sulla piattaforma). Sarà possibile terminare l’esame a partire da 30 minuti dopo l’inizio. Se si esce dalla procedura d’esame non sarà possibile riaccedervi. L’accertamento scritto è composto da tre domande, di cui si indicano il tempo indicativo di svolgimento e il punteggio assegnato: 1. Domanda inerente l’argomento: servosistemi (50 min, 15 punti) 2. Domanda inerente l’argomento: componenti / metodologie / risposta nel tempo e in frequenza / ecc (30 min , 9 punti) 3. Domanda inerente le relazioni di laboratorio (20 min, 6 punti) Le domande sono liberamente accessibili per la durata del test e svolgibili in ordine a piacimento. In analogia a quanto tradizionalmente svolto nelle sessioni di esame orale del passato, per ogni domanda lo studente dovrà rispondere producendo equazioni, dimostrazioni, schemi e diagrammi pertinenti all’elaborazione della risposta, scrivendo su fogli possibilmente A4 bianchi. Si consiglia di concentrare la descrizione su schemi circuitali, equazioni dei modelli, diagrammi, del tutto analoghi alle presentazioni operate per le lezioni e i laboratori, articolando le risposte in maniera concisa, facendo riferimento solo a brevi e ridotte note descrittive. Per ogni quesito lo studente dovrà caricare due screenshot eseguiti per mezzo della webcam, inquadrando quanto richiesto nel testo della domanda. In assenza di screenshot, alla risposta verrà assegnato un punteggio pari a zero. E’ obbligatorio caricare entro 10 minuti dal termine della prova la scansione in formato .pdf degli elaborati sulla pagina del corso alla sezione “Elaborati”. In mancanza di conformità fra screenshot e scansione in formato .pdf, alla risposta verrà assegnato un punteggio pari a zero. Valutazione delle relazioni di laboratorio Le relazioni sono da consegnare in formato pdf almeno tre giorni prima dell’appello cui l’allievo si iscrive, tramite il portale della didattica, sezione “Elaborati” presente nella pagina del corso. IL nome file deve essere del tipo: nome_cognome_matricola.pdf Al termine della correzione degli esami, saranno pubblicati i voti sul portale della didattica e verranno indicate le modalità di visione dei compiti.

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Exam: Compulsory oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

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The exam, if onsite, is carried out in oral form on the contents of the program of lessons and exercises. Typically, the exam develops into three questions, one of which concerns the presentation of the model of a position or speed, or force, or pressure, or flow control servos, in electrical or fluid actuation technology. Weight is given to the discussion about the activities presented in the report describing the laboratory exercises; one of the questions is related to that. The typical duration is 45 minutes. The maximum rating is 30/30 cum laude. The exam, if online, is carried out in written form with contents similar to those of the oral exam in presence, on the contents of the program of lessons and exercises.

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