Meccanica delle macchine

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AIMETA 03

• Meccanica delle macchine
• Problemi e prospettive
• Sergio della Valle
• Università di Napoli Federico II

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Gruppo italiano  di Meccanica Applicata
Sito web del GMA http//cds.unina.it/dellaval/GM
A/GMA_home.htm
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Prospettive

• Micromacchine
• Meccatronica
• Metodo dei Bond Graph

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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.

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Micromacchine applicazioni

• 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
• distributori programmati di medicinali, dotati di
  micropompe e microvalvole
• strumentazione chirurgica endoscopica
• comando e gestione di organi artificiali.

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Micromacchinestruttura 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.

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Micromacchinecostruzione
Bell Lab
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.
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Micromacchinecomponenti
SANDIA
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Micromacchineapplicazioni
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.
Bell Lab
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Micromacchineapplicazioni
Microcuscinetti magnetici
CSEM
microspire
metà dello statore del cuscinetto magnetico
attivo con microspire integrate
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Micromacchineapplicazioni

• Microcuscinetti magnetici

sensore PCB con tre sensori ASIC
CSEM
mezzo statore montato sul sensore PCB e due rotori
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Micromacchinetematiche di interesse

• Microtribologia
• Progettazione funzionale
• Sviluppo di moduli di calcolo dedicati

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Micromacchine Microtribologia

• 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.

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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.

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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.

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Meccatronica
Mechatr. org
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.
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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.
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Meccatronicaapplicazioni
Alcuni campi di applicazione della meccatronica
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Meccatronicaapplicazioni

• 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.
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Meccatronicaapplicazioni

• 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.
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Meccatronicaapplicazioni
Robotica
Lo studio di tutti i componenti di un robot, ed
anzi dellintero robot, può essere affrontato con
un approccio di tipomeccatronico.
Mechatr. org
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Meccatronicaapplicazioni
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
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Meccatronicaapplicazioni
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
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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.

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Metodo dei Bond Graph teoria dei Bond Graph

• 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.

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Metodo dei Bond Graph Potenza
Potenza meccanica (trasl.)
Potenza meccanica (rotaz.)
Potenza elettrica
Potenza idraulica
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Metodo dei Bond Graph Variabili equivalenti
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Metodo dei Bond Graph Modellazione di un sistema

• Modi di rappresentazione di un Sistema

• modello matematico
• modello con diagramma a blocchi
• modello bond graph

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Metodo dei Bond Graph Sottosistemi ed elementi

• i sottosistemi sono le parti di un sistema che
  scambiano tra loro potenza
• lelemento fondamentale di un bond graph e il
  bond 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.

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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

bond
Sottosistema 1
Sottosistema 2
MotorinoAvviamento
MCI
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Metodo dei Bond Graph powertrain autoveicolo

• Sottosistemi che scambiano potenza

• Controlli

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Metodo dei Bond Graph caratteristiche di un b.g.

• Gli elementi scambiano potenza.
• sottosistemi che operano in domini energetici
  diversi possono essere facilmente collegati tra
  loro
• La procedura di assegnazione di causalità è
  automatica.
• si individuano subito le variabili di stato
• si rilevano eventuali loop algebrici presenti nel
  modello
• 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.

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Metodo dei Bond Graph bond graph della dinamica
di un motociclo
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• Meccanica delle macchine
• Problemi e prospettive