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, di elementi di controllo dei sistemi meccanici.

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.

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.

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] Bracco G., Sorli M., Laboratori di Meccatronica 1/ed con Connect– Mc Graw Hill Education - (2022), pp. 129, EAN:9788838654855, ISBN 9788838654855 [3] Bishop R. H.: "The Mechatronics Handbook", CRC Press, 2002 [4] Nordmann R., Birkhofer H., "Elementi di macchine e meccatronica", Mc Graw Hill, 2006 [5] Jacazio G., Piombo B.: "Meccanica Applicata alle Macchine - vol.III Regolazione e servomeccanismi", Levrotto & Bella, Torino, 1994. [6] Doebelin E.O., "Measurement systems - Application and design" McGraw Hill [7] Shetty D., Kolk R.A., "Mechatronics System Design", PWS Publishing Company, Boston, 1997 [8] Sorli M., Quaglia G., "Applicazioni di Meccatronica", CLUT Editrice Torino, aprile 1996 [9] Viersma T.J.: "Analysis, synthesis and design of hydraulic servosystems and pipelines", Elsevier, 1980

Slides; Libro di testo; Libro di esercitazione; Esercitazioni di laboratorio risolte; Strumenti di simulazione;

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

Exam: Compulsory oral exam;

... 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. Viene dato particolare valore alla capacità dell'allievo di interpretare e spiegare il funzionamento del servosistema, di predire gli andamenti delle grandezze fisiche presenti, di correlare le prestazioni dei diversi componenti il servosistema al fine di determinare la prestazione dell'intero servosistema, di evidenziare maggiormente il senso fisico rispetto al mero modello analitico. 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.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.