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.

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.

Sono richieste conoscenze di base di elettrotecnica, di meccanica teorica e applicata e di elementi di controllo automatico.

Descrizione

Il corso 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.

Programma delle Esercitazioni

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, controllo pressione in serbatoio, servoattuatore pneumatico controllato in posizione, servoattuatore elettrico controllato in posizione, regolazione di portata con modulazione PWM.
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.

Testi di riferimento

• Documentazione fornita dal docente.
• Sorli M., Quaglia G.:"Meccatronica vol.1 ", Politeko, Torino, 2003.
• Bishop R. H.: "The Mechatronis Handbook", CRC Press, 2002
• Nordmann R., Birkhofer H.,:"Elementi di macchine e meccatronica", Mc Graw Hill, 2006
• Jacazio G., Piombo B.:"Meccanica Applicata alle Macchine - vol.III Regolazione e servomeccanismi", Levrotto & Bella, Torino, 1994.
• E.O.Doebelin "Measurement systems - Application and design" McGraw Hill
• Shetty D., Kolk R.A., "Mechatronics System Design", PWS Publishing Company, Boston, 1997
• Sorli M., Quaglia G.:"Applicazioni di Meccatronica", CLUT Editrice Torino, aprile 1996
• Viersma T.J.: "Analysis, synthesis and design of hydraulic servosystems and pipelines", Elsevier, 1980

Modalità d’esame

L'esame viene svolto in forma orale sui contenuti del programma delle lezioni e delle esercitazioni. Viene dato un peso significativo ai contenuti della relazione sulle esercitazioni condotte e alla discussione degli stessi.