Meccatronica

Meccatronica

Neologismo coniato alla fine del 20° sec. per identificare un settore interdisciplinare fondato sulla sinergia di conoscenze proprie della meccanica e dell'elettronica.

I contenuti si sono evoluti nel tempo prevalentemente per l'utilizzo che i sistemi meccanici hanno fatto delle conoscenze acquisite e dei risultati conseguiti dall'elettronica. Negli ultimi decenni del Novecento l'elettronica ha avuto un rapido sviluppo. Nata come approfondimento dell'elettrotecnica dei circuiti non lineari, si è andata poi configurando come disciplina autonoma, differenziata successivamente in due settori: quello della macro- e quello della microelettronica. La prima ha portato alla realizzazione e alla diffusione delle apparecchiature di elettronica di potenza (per es., raddrizzatori, invertitori, convertitori); la seconda alla realizzazione, alla programmazione e all'impiego di unità di calcolo numerico e, cioè, all'informatica. Quest'ultima ha avuto, in particolare, un'evoluzione tecnica e tecnologica molto rapida. Il consolidamento delle conoscenze nel settore è stato molto favorito dalla realizzazione di microapparecchiature in grado di effettuare un elevato numero di operazioni in tempi estremamente brevi (dell'ordine di nanosecondi). La facilità di accedere a tali apparecchiature e la semplicità con la quale esse possono essere predisposte al fine di eseguire sequenze di operazioni ha favorito l'estensione delle tecniche e tecnologie informatiche a differenti campi di impiego. La meccanica costituisce uno dei settori in cui l'elettronica e l'informatica vengono usate con grande successo, perché consentono di poter conseguire enormi progressi tecnici e, specificatamente, di aumentare la flessibilità di impiego di macchine e apparecchiature, di ridurre i tempi di risposta, di soddisfare particolari esigenze con prestazioni altamente qualificate e con l'ottenimento di precisioni elevate. Lo sviluppo ha comportato il raggiungimento di equilibri ottimali tra strutture meccaniche di base, l'impiego di sensori e attuatori, l'uso di tecniche informatiche per la gestione di sistemi di controllo gerarchizzati. Sempre più di frequente operazioni e compiti originariamente assegnati a organi meccanici sono svolti da sistemi informatici, perché con questi si realizzano strutture più semplici nel loro complesso, che risultano anche più funzionali. Si concepiscono inoltre nuovi sistemi meccanici per svolgere funzioni che le tecnologie convenzionali della meccanica tradizionale non sono in grado di soddisfare. Questo progresso tecnico è reso possibile unicamente dall'impiego sinergico di tecnologie proprie dei settori della meccanica e dell'elettronica e riguarda miriadi di prodotti che afferiscono a diversi settori. L'integrazione dunque ha comportato e continua a comportare cambiamenti sostanziali nei criteri di dimensionamento di componenti elettromeccanici, macchine, veicoli e apparecchiature di meccanica di precisione, dal momento che i processi dell'area meccanica, elettronica e informatica si influenzano l'un l'altro mutuamente.

Si è assistito in precedenza a un passaggio graduale di funzioni dalla meccanica all'elettronica e in seguito al ricorso a funzioni nuove e più ampie, che si ottengono con l'impiego di sistemi informatici. Così si è potuto giungere a realizzare sistemi intelligenti che svolgono autonomamente alcune funzioni. In pratica sono possibili differenti forme di integrazione tra meccanica ed elettronica, a seconda degli obiettivi perseguiti.

I sistemi meccanici sono in genere destinati a produrre movimenti e/o trasferimenti di forze e coppie di forze. L'asservimento dei relativi comandi è avvenuto, per molti anni, mediante sistemi di controllo a catena aperta oppure chiusa e con o senza il supporto di fonti ausiliarie di energia elettrica, idraulica o pneumatica, manipolando le variabili controllate direttamente o per il tramite di amplificatori di potenza. Le realizzazioni che hanno fatto uso di tecniche di controllo analogico sono state abilitate all'espletamento di un numero limitato di funzioni. La sostituzione dei sistemi di controllo analogico con i calcolatori digitali ha reso i sistemi molto più flessibili e in molti casi polivalenti.

Uno schema a blocchi di un sistema meccanico è costituito, per es., da un insieme di corpi tra loro collegati, che compiono lavoro: un'apparecchiatura preleva energia primaria e la converte in energia meccanica; quest'ultima viene resa disponibile per essere utilizzata da una macchina operatrice. Ciascun componente del sistema meccanico costituisce un sistema fisico. L'insieme di funzioni che ne descrive il comportamento, cioè il sistema di equazioni algebriche o differenziali che legano tra loro in forma analitica cause ed effetti, è detto modello matematico del sistema fisico.

I sistemi fisici, che concorrono a realizzare un sistema meccanico, svolgono essenzialmente funzioni di conversione di cause in effetti; le prime costituiscono grandezze di ingresso dei sistemi, le seconde grandezze di uscita. In una rappresentazione matematica dei fenomeni fisici, che si ottiene con l'ausilio dei modelli matematici, le funzioni di forzamento esprimono le leggi con cui variano le cause; le funzioni incognite esprimono, invece, le leggi con cui variano gli effetti.

Ogni macchina utilizzatrice ha caratteristiche di funzionamento proprie e ben definite. Esse possono essere descritte da funzioni reali di variabili reali che esprimono in forma analitica i legami intercorrenti tra cause (ingressi) ed effetti (uscite) e possono essere rappresentate graficamente su piani cartesiani. Se si tratta, per es., di una macchina operatrice, la sua caratteristica è costituita dal diagramma che esprime la forza o il momento delle forze richiesto nelle differenti posizioni o alle differenti velocità. Le caratteristiche hanno un andamento crescente con la variabile indipendente (per es., la velocità); ciò significa che le funzioni che le rappresentano analiticamente hanno derivata positiva. A scopo esemplificativo, la fig. 1 descrive una caratteristica operativa sul piano xy. Essa è rappresentata da una funzione y_u(x) monodroma: ciò comporta che a ogni valore della variabile indipendente x corrisponda un solo valore della funzione y. Anche i convertitori di energia hanno caratteristiche proprie, che possono essere monodrome o polidrome. Nel primo caso, il sistema meccanico, descritto precedentemente, presenta una sola condizione di equilibrio stabile. Ciò si verifica quando la somma delle forze (momenti) agenti è nulla, perché le risultanti delle forze motrici (momenti motori) e delle forze resistenti (momenti resistenti) sono eguali e opposte. Se la caratteristica del convertitore di energia è rappresentabile con una funzione y_c(x), la condizione di funzionamento stabile è caratterizzata dal valore per il quale risulta

✄.

Esso può essere determinato graficamente intersecando sul piano xy le due funzioni y_c(x) e y'_u(x)=−y_u(x), come rappresentato in fig. 1. Le considerazioni precedenti portano facilmente a concludere che l'accoppiamento di una macchina utilizzatrice con un convertitore di energia, avente caratteristica monodroma, realizza una sola condizione di funzionamento in regime stazionario, caratterizzata dalla proprietà per cui sono, in maniera assolutamente identica, nulle tutte le derivate parziali rispetto al tempo delle grandezze in gioco. Questa condizione è fortemente limitativa, perché nella maggior parte delle applicazioni si richiede che la macchina utilizzatrice possa operare in differenti situazioni di funzionamento e, dunque, con differenti valori assunti dalla variabile indipendente. Per soddisfare questa esigenza è necessario che le caratteristiche di funzionamento della macchina convertitrice di energia siano tali da rendere polidroma la sua caratteristica; in questo modo si ottengono diverse intersezioni della funzione y'_u(x) con y⁽ⁱ⁾_c(x) (fig. 2).

La polidromia della caratteristica del convertitore di energia consente, dunque, alla macchina utilizzatrice di operare con un assegnato valore x della variabile indipendente. Se la variazione delle y⁽ⁱ⁾_c(x) avviene con continuità in un intervallo della x, la caratteristica del convertitore di energia è rappresentata da un dominio chiuso e tutti i punti interni a quest'ultimo corrispondono a possibili condizioni di funzionamento del sistema meccanico.

Nell'esemplificazione illustrata in fig. 3, la macchina operatrice può lavorare in tutte le condizioni di funzionamento che comportano x∈[x₁,x₂]. La grandezza indicata con A è un vettore che stabilisce le condizioni di funzionamento all'interno del dominio. In una rappresentazione grafica con schemi a blocchi l'insieme dei valori di A può essere definito da un ingresso ausiliario per il comando delle operazioni del convertitore di energia per il tramite di un insieme di segnali di riferimento, in funzione dei quali la polidromia della caratteristica viene ridotta a una funzione monodroma (fig. 4). Per arrivare a raggiungere questo risultato è indispensabile che il convertitore di energia sia forzato a lavorare con una caratteristica esterna ben definita ✄che è quella che passa per il punto di coordinate ✄ (fig. 5).

Dal punto di vista teorico si pone, quindi, il problema di determinare quali siano gli ingressi di comando (cioè la particolare configurazione del vettore A) che comportino che una particolare caratteristica di funzionamento passi per il punto di coordinate ✄. Il vettore A costituisce la legge di controllo.

Analiticamente, il vettore ✄ è quello che soddisfa la condizione ✄. Per ottenere questo risultato è necessario determinare il legame funzionale tra A e y, A=✄(y,x) denominato algoritmo di alimentazione. Non sempre quest'ultimo è sufficiente a stabilire univocamente la legge di controllo, perché l'operazione di inversione comporta che le cause agenti siano rappresentate da funzioni incognite e gli effetti da funzioni assegnate. Anche nel caso di sistemi di equazioni lineari non sempre il numero di funzioni incognite che ne consegue è uguale al numero di equazioni indipendenti. Quando ciò si verifica è necessario associare equazioni ausiliarie, che esprimono condizioni fisiche volute, purché congruenti. La natura e il tipo delle condizioni ausiliarie caratterizza l'algoritmo di alimentazione e contribuisce alla sua denominazione.

Il risultato ipotizzato e descritto non è in pratica facilmente raggiungibile, non solo perché non si conoscono in genere con esattezza le caratteristiche di tutti i componenti base del sistema, ma anche perché eventuali disturbi occasionali possono modificare in maniera imprevista le caratteristiche stesse. Per realizzare le condizioni teoriche volute si ricorre all'impiego di catene di controllo (generalmente a controreazione). Per continuare nella semplice esemplificazione fin qui seguita, si può definire immediatamente il compito del controllo: il controllo deve fare in modo che la macchina utilizzatrice operi in condizioni tali che la variabile indipendente x venga ad assumere un valore ✄ che sia prossimo a un valore assegnato ✄, denominato valore di riferimento: ✄ε, qualora ε rappresenti l'errore ammissibile dall'utilizzatore. Il controllo presuppone, dunque, preliminarmente la valutazione temporale di x. Essa si ottiene con l'impiego di sensori, che la rilevano istante per istante e ne forniscono pertanto il valore attuale. La differenza tra il valore attuale e il valore voluto (valore di riferimento) è utilizzata per determinare il valore del segnale di riferimento (r), che pilota il convertitore di energia in maniera che esso modifichi le proprie condizioni di funzionamento e operi con una caratteristica di funzionamento che passi per ✄. Appare a questo punto evidente come il rilevamento del segnale, la sua trasduzione, la successiva comparazione tra valore di riferimento e valore attuale, la generazione del comando per il convertitore di energia, l'operatività dello stesso risultino estremamente semplici con l'ausilio dell'elettronica di segnale, dell'elettronica di potenza e dell'informatica. Con il loro impiego si riduce anche al minimo possibile e in maniera economica l'errore ε. Si ha così il sistema meccatronico: esso è costituito da un insieme di elementi (macchine e apparecchiature) tra loro collegati e pilotati in modo da realizzare una ben definita trasformazione energetica, le cui caratteristiche dipendono da una determinata elaborazione delle informazioni, che stabilisce il controllo delle uscite del sistema.

Alcuni sistemi meccatronici non hanno la catena di controllo chiusa per via completamente informatica, perché tale chiusura avviene attraverso l'intervento di un operatore: si tratta ovviamente di sistemi che non richiedono velocità operative estremamente elevate (cioè dell'ordine di frazioni di secondo). La maggioranza dei prodotti ad alta tecnologia, progettati e realizzati all'inizio del 21° sec., è costituita da sistemi meccatronici ottenuti con l'integrazione di componentistica elettronica (microcontrollori, sensori) e di parti meccaniche (attuatori elettrici, pneumatici). Le prime applicazioni meccatroniche prevedevano sostanzialmente l'aggiunta di componenti elettronici a sistemi meccanici tradizionali (di normale produzione).

La successiva evoluzione ha, invece, portato alla progettazione dell'intero sistema meccatronico come un'unica entità e, quindi, ha comportato anche la riprogettazione delle parti meccaniche per una ottimale integrazione con la parte elettronica e per una maggiore miniaturizzazione dei sistemi. Differenti sono i settori in cui trovano impiego i sistemi meccatronici; di seguito si elencano quelli che paiono i più significativi. Il settore industriale è stato il primo in cui si è potuto assistere alla crescente diffusione di sistemi meccatronici, perché ha impiegato azionamenti elettrici per il controllo di velocità e posizione. Si tratta di robot e di sistemi di movimentazione automatici, azionamenti elettrici con funzioni automatiche tanto di regolazione di velocità quanto di posizione, macchine utensili a controllo numerico (torni, frese), sistemi di taglio laser, sistemi di lettura ottica e così via.

Il settore automobilistico e quello dei trasporti è il settore in cui la m. ha trovato maggiore impiego negli ultimi anni. Si è infatti assistito al proliferare di funzioni e di automatismi per aumentare il comfort dei passeggeri, le prestazioni e la sicurezza dei veicoli. Le automobili di moderna costruzione sono dotate di numerosi sistemi meccatronici quali, per es., i regolatori della fasatura oppure del sistema di iniezione, le sospensioni attive, i sistemi antipattinamento e di controllo della stabilità, l'ABS (Antilocking Braking System), il Cruise Control, i sistemi di climatizzazione, i tergicristalli con sensori di pioggia. Nei veicoli che vengono destinati al trasporto collettivo sono impiegati da tempo con successo, per fare un esempio, sistemi di allineamento e di apertura automatica delle porte.

L'applicazione della m. ai sistemi domestici è relativamente più recente, ma è certamente una tendenza consolidata. L'automazione e il coordinamento degli elettrodomestici 'intelligenti' e dei sistemi di aerazione, di allarme, di riscaldamento, si configurano anche nell'ambito della disciplina denominata domotica. Le funzioni meccatroniche sono orientate al controllo delle parti meccaniche per conseguire un'elevata efficienza, ma anche semplicità e versatilità di utilizzo e, in ultimo, anche per integrare nei prodotti funzioni di comunicazione avanzata, finalizzate al telecontrollo. Applicazioni del genere si hanno, per es., in lavatrici e lavastoviglie, nei sistemi di aerazione e climatizzazione, nei sistemi di antifurto.

La sinergia esistente tra meccanica ed elettronica caratterizza molte apparecchiature elettroniche di normale uso quotidiano. Esse possono, infatti, incorporare micromotori elettrici controllati. Si considerino i lettori di supporti ottici e magnetici (videoregistratori, lettori CD e DVD, hard disk, floppy disk), che integrano funzioni meccaniche avanzate per il posizionamento delle testine di lettura nonché per la movimentazione dei supporti; le telecamere e le fotocamere analogiche e digitali (tra le prime a essere considerate prodotti meccatronici), nelle quali sono impiegati micromotori per i sistemi automatici di messa a fuoco, regolazione dell'esposizione, zoom ottici, stabilizzazione dell'inquadratura; le stampanti e i fax, dove microsistemi meccatronici governano il movimento delle testine di stampa, l'avanzamento della carta utilizzando motori passo passo; i sistemi di puntamento elettronico; i bancomat e così via.

L'introduzione della m. nel settore biomedico ha consentito di ottenere notevoli progressi nelle tecniche di intervento chirurgico, rendendole meno invasive e con minori danni per i pazienti. Sono stati sviluppati, infatti, sistemi robotizzati che affiancano, o in alcuni casi addirittura sostituiscono, la mano del chirurgo durante gli interventi. Sono prevalentemente di approccio meccatronico, inoltre, i prototipi di protesi di arti artificiali di ultima generazione, bracci meccanici e manipolatori di supporto per interventi chirurgici, nonché alcuni sistemi di diagnostica.

Bibl.: W. Bolton, Mechatronics: electronic control systems in mechanical and electrical engineering, New York 2003; R. Isermann, Mechatronic systems: fundamentals, London-New York 2003.