Tobias Wölk, Product Manager, Automation Technology & Active Components, reichelt elektronik, evidenzia il ruolo delle componenti elettrificate nella meccatronica.
La comprensione delle macchine e dei dispositivi come unità meccatroniche consente soluzioni di tecnologie di azionamento che sono contemporaneamente più veloci, più precise e più efficienti dal punto di vista energetico. Ciò favorisce la loro qualità e durata e ha il potenziale di ridurre la loro impronta ecologica. Inoltre, si riducono i costi operativi e quindi anche i costi unitari dei prodotti fabbricati.
L’ingegneria meccanica diventa meccatronica
In passato, le macchine o i dispositivi erano intesi come entità meccaniche che era necessario far muovere in qualche modo. Questo ha portato a percorsi di sviluppo separati per la meccanica, le tecnologie di controllo e di azionamento, nonché per i sensori e il software. Di solito, la meccanica veniva definita per prima e spesso anche progettata nei dettagli. Solo successivamente si procedeva alla selezione e alla progettazione della tecnologia di azionamento, nonché alla progettazione dell’ingegneria elettrica, compreso l’hardware per la sequenza, il controllo del movimento e ella sicurezza e la visualizzazione. Alla fine, sono stati creati i programmi – spesso con enormi pressioni temporali dovute a ritardi – adibiti alla realizzazione di interi progetti.
Accelerazione attraverso l’inversione dei metodi
La chiave per sviluppare con successo macchine e impianti più efficienti consiste nell’invertire la tradizionale sequenza di sviluppo. Ciò significa che, poiché i movimenti all’interno di una macchina o di un impianto rappresentano il suo nucleo più essenziale, è meglio definire prima gli assi di movimento, e solo successivamente procedere alla definizione della logica di sequenza del movimento degli assi.
In questa fase, nota anche come Sequence Logic Modelling, la descrizione del comportamento della macchina viene creata come una sequenza di stati, quasi come un’estensione della descrizione dei requisiti. Poiché qui la descrizione non è legata alle convenzioni linguistiche delle singole discipline, può servire come base comune per i tecnici di ogni settore, i quali possono lavorarci fin dalle prime fasi e usarla come punto di riferimento.
Meccatronica: l’elettrificazione delle tecnologie di azionamento è un altro importante recente sviluppo per il cambiamento dei metodi nell’ingegneria meccanica e impiantistica.
Dalla meccatronica al gemello virtuale
Il passo successivo nella creazione di concetti meccatronici è la costruzione di un modello basato sulla fisica. A tal fine, è sufficiente definire le dimensioni e le masse degli oggetti da spostare e la cinematica di trasporto.
Molto prima di dedicare tempo e denaro alla progettazione dettagliata o alla programmazione, o addirittura alla costruzione di prototipi, è possibile verificare la coerenza del progetto cinematico, individuando o evitando, ad esempio, le collisioni. Le grandezze fisiche utilizzate a questo scopo servono anche come parametri per la progettazione delle componenti e la generazione automatica dei programmi.
Tutti i lavori successivi devono essere comunque eseguiti come in precedenza. Tuttavia, possono essere svolti in parallelo. Questo non solo accelera il processo complessivo, ma consente un coordinamento costante tra le discipline, grazie anche alla descrizione comportamentale della macchina che permette di avere una base comune di discussione.
Passo dopo passo: dal modello alla realtà meccatronica
Lo sviluppo meccatronico basato su modelli permette di generare un gemello virtuale di questi, la cui vicinanza alla realtà cresce passo dopo passo. Ciò non rende più necessario creare da zero un modello completo e onnicomprensivo.
La possibilità di utilizzare il gemello virtuale per simulazioni di posizionamento in ogni fase aiuta a raggiungere in modo affidabile obiettivi di sviluppo molto ambiziosi. Uno dei vantaggi è che le soluzioni tecnologiche di azionamento possono essere sviluppate in breve tempo per l’uso pratico e senza i costi elevati di esperimenti fisici mal riusciti.
Efficienza attraverso l’integrazione
La progettazione di macchine e sistemi come unità meccatroniche che utilizzano hardware informatici incorporati e tecnologie dei sensori, nonché tecnologie di azionamento elettrico, ha il potenziale per aumentare l’efficienza del movimento. Se, come nelle auto da corsa o nei veicoli spaziali, i motori e gli azionamenti sono concepiti come elementi centrali e la meccanica è progettata attorno ad essi, la massa morta da spostare è minore.
Non solo sono necessari meno cinematismi ausiliari rispetto agli azionamenti aggiunti alla meccanica esistente, ma questi ultimi possono spesso essere utilizzati come parte della struttura e quindi la meccanica rimanente può essere più facilmente dimensionata. Questo metodo presenta un ulteriore vantaggio significativo: consente la costruzione di gruppi di macchine modulari e la loro integrazione in soluzioni complete di controllo e automazione.
Meccatronica – i prerequisiti dell’elettrificazione
In aggiunta a ciò, l’elettrificazione delle tecnologie di azionamento è un altro importante recente sviluppo per il cambiamento dei metodi nell’ingegneria meccanica e impiantistica. Come si è già verificato nel settore dell’ingegneria automobilistica, la modernizzazione delle tecnologie di azionamento genera progressi tecnici significativi e aumenta l’efficienza complessiva. Le innovazioni di prodotto degli ultimi anni fanno pensare che questo ammodernamento sia realizzabile anche nell’ingegneria meccanica.
Ora, è possibile sostituire molti azionamenti che prima erano meccanici, idraulici o pneumatici. Laddove ciò non è attuabile, l’aggiunta di sensori e attuatori elettrici apporta già miglioramenti che aumentano significativamente l’efficienza del sistema complessivo, rispetto alle implementazioni tradizionali.
Gli azionamenti meccanici sono in via di estinzione
A differenza dell’ingegneria automobilistica e della generazione di energia, i motori a combustione o le turbine non svolgono alcun ruolo nell’ingegneria meccanica e impiantistica. Per gli azionamenti primari, i produttori si affidano da decenni principalmente ai motori elettrici.
Gli azionamenti secondari meccanici sono stati utilizzati fino ad oggi per azionare unità più piccole all’interno di macchine e impianti. Il loro vantaggio è rappresentato dai costi di produzione e dalle perdite di energia relativamente bassi. D’altra parte, mancano di flessibilità e richiedono una maggiore manutenzione, ad esempio per la lubrificazione delle parti in movimento. Sono inoltre un ostacolo alla modularizzazione. I motori elettrici di oggi hanno rendimenti ben superiori al 90% e il costo delle unità di controllo necessarie è diminuito enormemente. Pertanto, gli azionamenti elettrici possono sostituire ovunque quelli meccanici, proprio come un tempo i grandi motori sostituivano le cinghie di trasmissione per gli azionamenti principali.
La pneumatica è ancora attuale?
Gli azionamenti pneumatici sono molto diffusi nell’ingegneria meccanica, soprattutto per generare brevi movimenti lineari. Mostrano la loro forza quando sono richieste velocità molto elevate. Anche le elevate forze resistive nelle posizioni finali possono giocare un ruolo importante. Gli azionamenti elettromeccanici classici spesso non avevano una portata sufficiente per sostituirli, i motori elettrici rotanti erano solitamente troppo lenti e i motori lineari troppo costosi.
Nel frattempo, sono disponibili motori lineari e modelli economici che possono sostituire direttamente i cilindri pneumatici, poiché raggiungono velocità simili. Il loro controllo tramite servoazionamenti, talvolta integrati, consente un posizionamento più preciso e movimenti molto più differenziati, anche con velocità variabili.
Meccatronica – elettrificare l’idraulica
Quando è necessario applicare grandi forze, tradizionalmente è preferibile l’utilizzo degli azionamenti idraulici. Tuttavia, anche nelle locomotive diesel per le ferrovie, la trasmissione di potenza dal motore a combustione alle ruote avviene per lo più tramite un generatore e motori elettrici, anziché tramite un convertitore idraulico.
Anche nell’ingegneria meccanica è necessario verificare la disponibilità di motori elettrici sufficientemente potenti e allo stesso tempo compatti. Soprattutto con i motori Torx, disponibili da circa un decennio, sono disponibili alternative robuste e controllabili con precisione. Esistono ora anche attuatori lineari elettrici adatti a sostituire i cilindri idraulici.
Forme di energia ibrida
Tuttavia, ci saranno ancora applicazioni della pneumatica e soprattutto dell’idraulica che non potranno essere sostituite semplicemente dalle tecnologie di azionamento elettrico. Almeno in questo caso, l’alimentazione a pressione, notoriamente dispendiosa, deve essere convertita in metodi più economici. Invece di generare la pressione del sistema con pompe a pistoni e mantenerla stabile a un livello elevato, la pressione dovrebbe essere generata in base alla domanda.
Da alcuni anni, ciò è possibile grazie all’utilizzo di comandi motore molto reattivi per azionare pompe a ingranaggi interni altamente efficienti tramite servomotori veloci per generare la pressione. Ciò significa che la pressione del fluido può essere fornita in modo sufficientemente rapido quando necessario. Rispetto alla classica generazione di pressione idraulica, ciò comporta non solo un risparmio energetico di oltre il 50%, ma anche una significativa riduzione dello spazio necessario.
