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ROBOTICA INDUSTRIALE

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Robotica
Il robot
Tecnica costruttiva
Area di lavoro
Componenti di un robot
- bracci meccanici
- Attuatori
- Sensori
- Sistema di controllo
- cinematica dei roboT
- Dinamica di un robot
- Controllo del moto di un manipolatore
- Comportamento di un sistema meccanico
- Navigazione robotica
- Sistema elettrico
- Sistema di controllo
IL ROBOT
Il
robot
è
un
manipolatore
multifunzionale
riprogrammabile, progettato per muovere materiali, parti,
attrezzi o dispositivi specialistici attraverso vari movimenti
programmati, per l’esecuzione di diversi compiti)
I campi disciplinari coinvolti sono:
- meccanica
• elettronica
• controlli automatici
• informatica
• misure
•…
Il robot antropomorfi capaci di muovere le mani,
la testa,etc. e di salire fluidamente le scale,
grazie ad un sofisticato meccanismo di
bilanciamento del baricentro.
Sostanzialmente operano in due settori:
Robotica avanzata
•applicazioni in ambiente ostile (spaziale, sottomarino, nucleare, militare…)
•servizio (applicazioni domestiche, assistenza medica, robotica per protesi mediche, intrattenimento,
agricoltura, education, …)
tecnologia non ancore matura
Robotica industriale
• applicazioni dei robot in ambito industriale
tecnologia matura e affidabile
La parti principali che costituiscono un robot sono:
• Il corpo: è il basamento della macchina e contiene solitamente le movimentazioni principali;
• Il braccio: si compone normalmente di più elementi rigidi collegati fra loro mediante cerniere manicotti
controllati dall’elettronica di governo
• La mano (gripper o end effector): può essere una pinza o un attrezzo (pinza di saldatura, pistole per
verniciatura, avvitatori)
I DOF (degrees of freedom: i gradi di libertà )
sono uno dei parametri che ci consentono di
capire quanto è sofisticato un robot in quanto descrivono la capacità di muoversi di un robot e di farlo in un
certo modo; tanto più è elevato questo numero quanto più è sofisticato un robot sotto l’aspetto del
movimento.
il robot industriale assumerà delle caratteristiche peculiari nello svolgimento dei vari compiti, in dipendenza
della tipologia di automazione che viene implementata; per l’automazione rigida dovrà essere predisposta
per effettuare solo determinati tipi di compiti, che rimarranno sempre fissi nel corso della sua esistenza,
ottimizzando però la velocità di esecuzione.
Per l’automazione flessibile i compiti sono sempre diversi e quindi la struttura del robot (meccanica e/o
di programmazione) deve essere estremamente flessibile.
Compiti dei Robot
Movimentazione (o trasporto):
In questa categoria rientrano tutte le applicazioni nelle quali il robot non esegue direttamente una operazione sui pezzi
prodotti, ma piuttosto provvede a movimentarli tra le macchine operateci nell’ambito di una cella di lavorazione.
Manipolazione:
Si divide in due sottocategorie:
• Lavorazione
Questa categoria comprende tutte le operazioni che il robot esegue con un attrezzo sui prodotti.
• Assemblaggio
Le operazioni di assemblaggio costituiscono un’area di impiego che ha avuto una grossa espansione nel corso
dell’ultima decina di anni e che è tuttora in forte crescita.
Misura:
Alcuni tipici compiti di misura sono elencati di seguito:
• rilevamento di profili;
• collaudo dimensionale;
• ispezione per le valutazioni di qualità dei prodottie per l’individuazione di difetti di fabbricazione;
Per implementare i diversi compiti, il robot viene solitamente coadiuvato da appositi macchinari (automatici o semiautomatici),
quali ad esempio macchine per il taglio (a controllo numerico, CNC) o per l’approvvigionamento dei materiali, o per il cambio
degli utensili.
L’insieme delle macchine utilizzate in un processo o gruppo di sottoprocessi costituisce la cosiddetta cella di
lavoro.
Tecnica costruttiva: accuratezza, ripetibilità
Un robot manipolatore è l’insieme di braccio, alimentazione esterna, utensili montati sul braccio, sensori
interni ed esterni, interfaccia verso il computer e computer di controllo. Il software di controllo deve essere
visto come parte integrante del sistema e può avere grande influenza sulle sue performance e sul suo
conseguente range di applicazioni.
L’accuratezza di un manipolatore è la misura di quale sia la
sua precisione nel raggiungere un determinato punto all’interno
del suo spazio di lavoro. La ripetibilità è la misura della sua
precisione nel riposizionarsi in un punto precedentemente
raggiunto.
Il metodo primario di misurare gli errori di posizione è
attraverso encoder di posizione
posti sui giunti, o
sull’albero del motore che comanda il giunto o sul giunto
stesso.
L’accuratezza sarà affetta da errori computazionali «dovuti all’utilizzo del computer, dalla accuratezza meccanica
nella costruzione del manipolatore, da effetti di flessibilità quali il piegamento dei giunti
per effetto
gravitazionale o di carico, da giochi meccanici e da un insieme di effetti statici e dinamici.
Per questo motivo i robots vengono progettati con una altissima rigidità. Senza di essa, l’accuratezza può essere
migliorata solo attraverso una misura diretta della posizione dell’end-effector, per esempio con la visione.
In ambienti ristretti si usano i manipolatori basati su giunti
rotazionali rispetto a quelli lineari in quanto occupano uno
spazio di lavoro minore.
Questo favorisce la loro integrazione in un ambiente ove siano
presenti altri robots, macchine o umani.
Inoltre i manipolatori con giunti rotazionali hanno più facilità a
manovrare tra gli ostacoli ed un maggior campo di applicazioni
I giunti presenti nella catena cinematica tra braccio e end-effector «pinza» vengono detti Wrist, ed essi
sono quasi sempre rotazionali. Recentemente si è affermata la tendenza progettuale di avere wrist sferici,
ovvero tali che i loro 3 assi si intersechino in un punto comune.
Il polso sferico semplifica molto l’analisi cinematica, permettendo di disaccoppiare posizione e orientamento
dell’end effector (mano); la bontà di un robot sta tutta sul suo end effector in quanto il braccio e polso di un
robot hanno la loro primaria ragion d’essere nel posizionare l’end effector mentre gli utensili che verranno
montati su di esso eseguiranno effettivamente il lavoro.
La tipologia più semplice di end effector è il gripper (pinza) che solitamente compie solo 2 azioni: apertura e
chiusura. Il gripper quindi è perfettamente adeguato per spostare del materiale o afferrare degli utensili ma
non lo è per altri lavori quali la macinatura, l’assemblaggio, la saldatura ecc.
Per questo, è molto attiva la ricerca per arrivare a progettare end effector dedicati a particolari applicazioni e
utensili che possano essere cambiati quando il lavoro lo richiede.
Generalmente robot sono alimentati elettricamente, idraulicamente o pneumaticamente. Gli attuatori
idraulici sono senza rivali nella velocità di risposta e nella capacità di produrre coppia elevata. Ecco perchè i
robot idraulici sono utilizzati principalmente per il sollevamento di carichi pesanti. Gli svantaggi di un robot
idraulico sono che essi tendono ad una perdita di fluido idraulico, richiedono molte periferiche accessorie (come
.
le pompe, che a loro volta richiedono molta manutenzione) e il fatto che sono piuttosto rumorosi.
I robot guidati da motori elettrici DC o da servo-motori AC stanno diventando sempre più popolari per la
loro economicità, pulizia e silenziosità. Infine, i robot pneumatici sono poco costosi e semplici ma essi non
possono essere controllati con precisione. Di conseguenza, i robot pneumatici hanno una gamma limitata
di applicazioni e utilizzo
Esistono diversi approcci distinti al controllo basato sulla vista basati principalmente alla configurazione del
sistema e al modo in cui vengono utilizzati i dati dell'immagine.
Con una configurazione fissa della telecamera, la telecamera è posizionata in modo da poter osservare il
manipolatore e qualsiasi oggetto da manipolare. Ci sono molti vantaggi a questo approccio. Poiché la posizione
della telecamera è fissa, il campo visivo non cambia mentre il manipolatore si sposta. Uno svantaggio di questo
approccio è che mentre il manipolatore si sposta attraverso lo spazio di lavoro, può occludere il campo visivo
della telecamera
Con un sistema eye-in-hand, la fotocamera è spesso collegata al manipolatore sopra il polso, cioè il movimento
del polso non influisce sul movimento della fotocamera. In questo modo, la telecamera può osservare il
movimento dell'effettore finale a una risoluzione fissa e senza occlusione mentre il manipolatore si sposta
attraverso lo spazio
di lavoro
.
Una difficoltà che affronta la configurazione dell'occhio in mano è che la relazione geometrica tra la telecamera e
lo spazio di lavoro cambia come i movimenti del manipolatore.
I problemi che si possono incontrare nello sviluppo di un robot riguardano:
• Cinematica: le velocità dei giunti con le velocità Cartesiane dell’end-effector.
• Statica: Relazione le coppie applicate ai giunti ed il moto (posizioni e velocità) delle coordinate di giunto
• Dinamica: conoscenza del modello dinamico del manipolatore utile per la Simulazione e il Controllo
• Controllo del moto; Si adottano leggi di controllo in anello chiuso per controllare il movimento del manipolatore
• Controllo dell’interazione; Si vuole che il robot interagisca con l'ambiente di lavoro esercitando le forze
desiderate.
Area di applicazione
I robot sono spesso classificati in base all’area di applicazione, suddividendoli in assembly e non assembly.
I robot per assemblaggio tendono ad essere piccoli, guidati elettricamente e di tipo revolute o SCARA.
I robot non assembly, sono usati principalmente per la saldatura, la verniciatura a spruzzo, la movimentazione
di materiali e il carico e scarico delle macchine;
in base al metodo controllo
si dividono in
servo servo (dispositivi controllati ad anello aperto ) serv ( dispositivi controllati a ciclo chiuso)
I robot servo controllati sono ulteriormente classificabili secondo il metodo che il controller utilizza per
guidare l’attuatore.
Il tipo più semplice di robot non servo in questa classe è il robot punto-punto. Un robot punto-punto può
essere istruito ad assumere un insieme discreto di posizioni ma non vi è poi alcun controllo sul percorso
seguito dall’attuatore da una posizione all’altra.
La serie di posizioni che il robot deve assumere viene solitamente assegnata attraverso una pulsantiera
mobile (teach pendant). I punti/posizioni vengono poi memorizzati e riprodotti. I robot punto-punto
presentano una gamma di applicazioni limitata
I robot a percorso continuo (servo robot: continuous path robots), invece, controlla l’intero percorso
dell’attuatore.
Per esempio, al robot può essere insegnato a seguire una linea retta tra due punti o anche a seguire un
certo contorno (ad esempio per eseguire una saldatura). Inoltre, può spesso essere controllata anche la
velocità e/o l’accelerazione dell’attuatore.
Questi sono i robot più avanzati e richiedono sofisticati algoritmi di controllo.
Elementi dei Robot
Caratterizzazione generale dei robot
Un robot è costituito in generale da
• una struttura meccanica
• attuatori,
• sensori
• sistema di controllo.
IL SISTEMA MECCANICO
Robot manipolatori possono essere classificati secondo criteri diversi, come il tipo di alimentazione, il modo in cui
vengono azionati i giunti, la loro geometria, la loro struttura cinematica, l’area di applicazione o il metodo di
controllo.
Tale classificazione è utile principalmente per determinare il robot più adatto ad un determinato
compito
Il manipolatore « sistema meccanico» è
costituito da una serie di corpi rigidi (link)
connessi da giunti
Un’estremità della catena è costituita dalla
BASE, di norma fissata terra.
All’altra estremità è presente l’END
EFFECTOR (pinza, strumento di lavoro).
Nel manipolatore si individua una struttura
portante che garantisce il posizionamento ed un
POLSO che conferisce destrezza, dando i gradi
di libertà di orientamento all’organo terminale.
Un end-effector dell’ultima generazione
in un braccio meccanico si possono per cui distinguere :
o
o
o
o
una struttura meccanica a catena cinematica aperta o a catena cinematica chiusa;
dei gradi di libertà ( descrizione di un compito );
dei gradi di movimento (giunti prismatici o rotoidali );
uno spazio di lavoro ( porzione dell’ ambiente circostante a cui può accedere l’ organo terminale)
Per la costruzione dei bracci meccanici
le piu comuni sono:
• Seriale
• Parallela
• Ibrida
DEI ROBOT si possono adottate diverse tecnologie geometriche
Schematizzazione manipolatore industriale con i relativi termini tecnici, a sette gradi
di movimento:
Robot Seriali: Cartesiano – TTT, utilizzati in genere per la
pallettizzazione di grossi carichi
Il manipolatore cartesiano è caratterizzato da :
- tre giunti prismatici
- ad ogni grado di mobilità corrisponde un grado
di libertà
- ottime caratteristiche di rigidezza meccanica
precisione di posizionamento del polso costante
nello spazio di lavoro
Robot
Seriali: Cilindrico – RTTA, area di impiego:
- Fissaggio di componenti elettronici
- Montaggio
manipolatore cilindrico è caratterizzato da:
• un giunto rotoidale e due prismatici
• ad ogni grado di libertà corrisponde un grado di
mobilità ( in coordinate cilindriche )
• buona rigidezza meccanica
• la precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere
dello sbraccio orizzontale
• impiegato per operazioni di trasporto di oggetti anche di peso
rilevante e anche perazionamenti idraulici o
elettrici
ROBOT
SERIALI: SFERICO - RRT
Il manipolatore sferico è caratterizzato da:
• due giunti rotoidali e uno prismatico
• ad ogni grado di mobilità corrisponde un grado di
Libertà ( in coordinate sferiche )
• discreta rigidezza meccanica
• precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere
dello sbraccio radiale
• azionamenti elettrici
Robot Seriali: SCARA – RR, SCARA è acronimo di:
Selective Compliance Assembly Robot Arm
Area di impiego principale: pallettizzazione o la depallettizzazione
Il braccio meccanico con tecnologia SCARA è contraddistinto da :
• due giunti rotoidali e uno prismatico
• elevata rigidezza a carichi verticali e cedevolezza a
carichi orizzontali
• la precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere
della distanza del polso stesso dall’ asse del primo giunto
• manipolazione di piccoli oggetti
• azionamenti elettrici
Il termine “antropomorfo” deriva dal fatto che la sua struttura è molto
simile a quella di un braccio umano.
E’ caratterizzato da :
• tre giunti rotoidali
• spalla e gomito che connettono il braccio all’ avambraccio
PARTICOLARI DEI GIUNTI
Cartesiano (tre giunti
Prismatici)Sferico
Sferico (un giunto prismatico e
due rotoidali)
Cilindrico (due giunti prismatici
e uno rotoidale)
Rotazionale (tre o più giunti
rotoidali)
Robot
Paralleli: 4 bar, I Robot paralleli sono anche detti a catena cinematica chiusa
• La struttura a 4 bar è in genere attuata da un
solo motore
• Caratteristiche principali:
- il link superiore si mantiene parallelo alla
base durante il moto
- elevata robustezza (più delle catene
seriali)
Robot
Paralleli: 5 bar (R)
• La struttura a 5 bar è in genere attuata da due motori, spesso
coassiali
• Caratteristica principale:
- Sono ammesse configurazioni in cui il
link superiore non è parallelo alla
base
Robot Paralleli: 5 bar Misto (RT): si possono
ottenere le stesse caratteristiche utilizzando giunti tipo R e T
Robot
Paralleli: 6D, Il moto dell’end-effector non è più planare,
ma segue una traiettoria 3D. La posizione dell’end-effector è
quindi identificata da sei coordinate (3 di posizione e 3 di
orientamento). Sono meccanismi molto complessi.
Robot
Ibridi. Nascono dalla fusione dei robot seriali e paralleli.
Esempio di robot unione di un 5 bar e di uno SCARA,
con inserimento di due ulteriori dof (q1, q4: gradi di libertà ).
La struttura cinematica dei bracci meccanici è composta da:
• Link (o membri): corpi rigidi interconnessi
• Giunti: si suddividono a loro volta in
- Giunti prismatici;
- Giunti rotoidali
Attuatori
Gli attuatori si possono dividere in tre grandi categorie:
Attuatori Elettrici,
Attuatori
Idraulici,
.
Attuatori Pneumatici.
Attuatori Elettrici
Utilizzati nel 50% circa dei casi
•
•
•
•
•
Vantaggi:
velocità e precisione;
possibilità di utilizzare sofisticati algoritmi di controllo;
di facile reperibilità e relativamente basso costo;
semplicità di impiego;
ridotte dimensioni e peso.
Svantaggi:
•
•
la necessità di impiegare di un riduttore con conseguente
imprecisione, ingombro
e aggravio dei costi;
la potenza disponibile è limitata.
Attuatori Idraulici
Utilizzati nel 35% circa dei casi.
Vantaggi:
• grande capacità di carico;
• grande velocità;
• una volta in posizione, la configurazione è mantenuta a causa della
incomprimibilità dell’olio;
• possibilità di avere un controllo accurato;
Svantaggi:
• costi relativamente elevati per piccole dimensioni;
• rumorosità e problemi per perdite di olio;
• maggiore ingombro
Attuatori Pneumatici
utilizzati nel 15% circa dei casi.
Vantaggi:
• relativamente basso costo;
• alta velocità.
Svantaggi:
• limitata accuratezza(per la comprimibilità dell’aria)
• rumorosità e perdite;
•
necessità di filtri per l’aria ed esigenze di manutenzione.
Sensori
Si possono suddividere i sensori in due classi principali:
-
Propriocettivi:
Percezione dello stato interno
-
Eterocettivi: Percezione dello stato esterno
Sensori propriocettivi in grado di misurare grandezze proprie del robot, come la posizione o la velocità
dei giunti o delle ruote (variabili interne al sistema che sono usate per il controllo del robot)
Alcuni esempi:
 Switch
 Encoder ottici
 Potenziometri
 Sensori a effetto Hall
Sensori eterocettivi in grado di misurare grandezze dell’ambiente in cui il robot opera, come la
temperatura, la distanza da ostacoli, la posizione/orientamento degli oggetti da manipolare,
ecc., ovvero le forze che sono scambiate tra il robot e l’ambiente.
Si possono suddividere in quattro grandi famiglie:
• Sensori di forza/coppia e tattili, : strain gauge
• Sensori di prossimità o distanza: sensori a ultrasuoni, laser, a effetto Hall e a infrarossi
• Sistemi di visione;
• Sensori speciali per le applicazioni.
SISTEMA DI CONTROLLO

Un sistema di controllo fornisce un comando in tensione o in corrente agli attuatori (motori) in
modo da far assumere ai giunti una configurazione desiderata




Encoder: sensore che misura la rotazione dei giunti in valore relativo
o assoluto. La misurazione avviene in “tacche di encoder”
Riduttore: meccanismo che riduce i giri dell’asse montato sul giunto
rispetto ai giri del motore (es. riduzione 1:N)
Amplificatore di potenza: amplifica un segnale di riferimento in
un segnale di potenza per muovere il motore
Unità di controllo: unità che produce un segnale di riferimento
per il motore
Relazione tra posizione del giunto e posizione encoder

 : posizione giunto in gradi

q: posizione giunto in tacche di encoder

N: rapporto di riduzione del motore

R: risoluzione dell’encoder (numero di tacche per giro)
CONTROLLO AD ANELLO CHIUSO (FEEDBACK)



La variabile da controllare è misurata e confrontata con il valore desiderato
la differenza, o errore, è elaborata secondo un
algoritmo prefissato
il risultato di quest'elaborazione costituisce il valore d'ingresso dell'attuatore
Valore
desiderato
e
+
Algoritmo di
controllo
V
Attuatore
Sensore
posizione attuale
CONTROLLO PID (PROPORZIONALE, INTEGRATIVO E DERIVATIVO)
E’ un sistema di controllo ad anello chiuso in cui l'errore è processato con un algoritmo di tipo Proporzionale,
Integrativo e derivativo.

Quest'algoritmo è composto di tre parti:



Proporzionale, così detta perché il suo effetto è proporzionale all'errore;
Integrativa, perché produce in uscita una correzione che
rappresenta l'integrale dell'errore nel tempo;
Derivativa perché genera una correzione che è funzione della derivata prima dell'errore.

Non tutti i sistemi di controllo ad anello chiuso fanno uso di un algoritmo di tipo PID

In un controllo PID l’errore è dato in ingresso al sistema di controllo il quale calcola le componenti derivativa e integrale
e il segnale di uscita V

Kp è il guadagno o costante proporzionale
Ki è il guadagno o costante integrale
Kd è il guadagno o costante derivativa

eq rappresenta l’errore, ovvero la differenza tra posizione desiderata e posizione attuale

Le costanti Kp, Kd, Ki vengono determinate in modo empirico o con metodi specifici


CONTROLLO PID: COMPONENTE PROPORZIONALE

La tensione V
imposta al motore è proporzionale alla differenza tra la posizione effettiva misurata
dal sensore e la posizione desiderata
La tensione imposta al motore nell’unità di tempo è proporzionale alla differenza tra la posizione effettiva misurata dal
sensore e la posizione desiderata
V K p e q
eq qd  qa
KP : costante proporzionale
comportamento del sistema
Posizione
desiderata: 1
• Il motore
convergere
desiderata
oscilla prima di
verso la posizione
• Il sistema si
assesta senza
annullare l’errore
CONTROLLO PID: COMPONENTE DERIVATIVA E PROPORZIONALE
Controllo Proporzionale e Derivativo:
p
• Riduzione delle oscillazioni
• Diminuzione del tempo di assestamento
• Il sistema si assesta senza annullare l’errore
CONTROLLO PID: COMPONENTE INTEGRATIVA
• Il sistema si assesta annullando l’errore
CINEMATICA DEI ROBOT
La cinematica è quel ramo della fisica che si occupa di descrivere
quantitativamente il moto dei corpi, senza porsi il problema di
prevedere il moto futuro a partire da grandezze note.
In ambito industriale, la cinematica studia la relazione tra le posizioni
dei giunti, le posizioni e l’ orientamento dell’ organo terminale,
chiamato anche end effector.
cinematica diretta
Il problema cinematico diretto consiste nel determinare la posizione e l’orientamento dell’end effector
del manipolatore (indicato con x), a partire dalle coordinate di giunto q.
Quindi dobbiamo trovare una funzione che metta in relazione x e q:
LA CINEMATICA INVERSA
Il problema cinematico inverso consiste nel determinare le coordinate di giunto q corrispondenti a una
data posizione e a un dato orientamento dell’end effector (x) del manipolatore.
Quindi dobbiamo trovare una funzione che metta in relazione x e q:
In generale - Le equazioni da risolvere sono in generale non lineari

Non è sempre possibile trovare una soluzione analitica

Si possono avere soluzioni multiple

Si possono avere infinite soluzioni (manipolatori ridondanti)

In funzione della struttura cinematica del braccio, possono non esistere soluzioni ammissibili

L’esistenza di una soluzione è sempre garantita se la posizione e l’orientamento desiderati
appartengono allo spazio di lavoro destro del manipolatore
Altre operazioni
Cinematica differenziale: studia il legame tra le velocità dei giunti e la velocità dell’ organo terminale. Il
legame è espresso da una matrice, detta Jacobiano del manipolatore.
Statica : esprime il legame tra un vettore di forze F applicate all’end effector e il corrispondente vettore
di coppie generalizzate τ che tiene in equilibrio il sistema.
Pianificazione della traettoria: con la pianificazione della traiettoria s’ intende stabilire la modalità con cui
si vuole che evolva il movimento del manipolatore, da una postura iniziale ad una postura finale. Si
tratta didefinire sia il percorso geometrico sia la legge di moto da realizzare
DINAMICA DI UN ROBOT
La Dinamica di un robot studia le cause che ne generano il movimento. Questa materia ricopre un ruolo
fondamentale in numerosi ambiti tra cui: la simulazione del moto, il progetto meccanico di prototipi e la sintesi
di algoritmi di controllo.
La possibilità di simulare un manipolatore permette di testare strategie di controllo e tecniche di
pianificazione del moto senza aver bisogno di utilizzare un robot reale. L’analisi del modello dinamico e il calcolo
delle forze/coppie necessarie per l’esecuzione di un movimento, forniscono invece informazioni utili per il
progetto meccanico dei giunti, delle trasmissioni e degli attuatori.
Il modello dinamico
Il modello dinamico di un manipolatore fornisce una descrizione matematica della relazione esistente tra le
forze generalizzate agenti sul robot e il movimento risultante della sua struttura meccanica. Per forze
generalizzate intendiamo sia le coppie di attuazione applicate ai motori sia le forze e i momenti esercitati
dall’ambiente esterno sul robotFra i numerosi formalismi e principi della meccanica in base ai quali derivare il modello dinamico di un robot
quelli piu importanti sono
Approccio Lagrangiano
Approccio di Newton-Eulero.
Dinamica diretta ed inversa
Analogamente a quanto visto per la cinematica nei numeri precedenti di Didattica nella Robotica, anche per
lo studio della dinamica è importante trovare la soluzione di due tipi di problemi: la dinamica diretta e quella
inversa.
Dinamica diretta
Il problema dinamico diretto consiste nel determinare le accelerazioni ai giunti q (t) assegnate le coppie ai
giunti τ (t) e, note le posizioni iniziali q (t0) e le velocità iniziali q (t0) le posizioni q(t) e le velocità q(t).
La soluzione del problema dinamico diretto è utile per la simulazione numerica della dinamica, ed è ottenibile
sia con l’approccio di Lagrange sia con l’approccio di Newton-Eulero.
Dinamica inversa
Il problema dinamico inverso consiste invece nel determinare le coppie ai giunti τ (t) necessarie alla
generazione del movimento, assegnate le accelerazioni q(t) le velocità q(t) e le posizioni q(t) .
La sua soluzione è utile per la pianificazione della traiettoria e per il controllo basato sul modello, ed è
ottenibile in efficiente ed in tempo reale con l’approccio di Newton-Eulero. (Matteo Parigi Polverini)
CONTROLLO DEL MOTO DI UN MANIPOLATORE


Obiettivo del controllo del moto di un manipolatore è muovere il braccio da una posizione
iniziale ad una posizione finale espresse nelle coordinate dello spazio operativo
In generale, il problema del controllo del moto di un manipolatore consiste nel determinare
l’andamento delle forze o coppie che gli attuatori devono applicare ai giunti in modo da
garantire l’esecuzione di una traiettoria pianificata attraverso:
OBIETTIVO: generare gli ingressi di riferimento per il sistema di controllo del moto per
muovere il braccio da xstart a
xf
in un intervallo di tempo t
PERCORSO: luogo dei punti dello spazio dei giunti o dello spazio operativo che il
manipolatore deve descrivere nell’esecuzione del movimento assegnato
TRAIETTORIA: percorso su cui è specificata la legge oraria di moto (velocità ed
accelerazione in ogni punto)
DATI IN INPUT:
definizione del percorso
(vincoli del percorso, vincoli dovuti alla dinamica del manipolatore)
DATI IN OUTPUT:
nello spazio dei giunti: traiettorie dei vari giunti
nello spazio operativo: traiettoria dell’end effector
L’algoritmo di pianificazione deve in generale soddisfarei seguenti requisiti:

Le traiettorie generate devono rendere minima una opportuna funzione peso

Le posizioni e le velocità dei giunti devono essere funzioni continue del tempo

Devono essere minimizzati effetti indesiderati (e.g. traiettorie a curvatura non regolare)
Il controllo del moto può essere realizzato nello

spazio dei giunti
spazio operativo
nello spazio dei giunti: si muove il braccio da xi a xd espresse nello spazio operativo del robot
senza interessarsi alla traiettoria percorsa dall’organo terminale del braccio


L’inversione cinematica (K^-1) viene effettuata al di fuori del ciclo di controllo

Il pianificatore «controllore» delle traiettorie stabilisce per ogni giunto la traiettoria di movimento in
accordo alla legge utilizzata

Il movimento viene eseguito tramite il controllo PID


Controllo del moto nello spazio operativo: nell’effettuazione del movimento da xi a xd l’organo
terminale del manipolatore esegue nello spazio operativo un traiettoria in accordo ad una legge
prestabilita
Es. traiettoria lineare o curvilinea
L’inversione cinematica viene effettuata all’interno del ciclo di controllo

Il pianificatore delle traiettorie stabilisce per ogni giunto la traiettoria di movimento in accordo alla
legge utilizzata

Il movimento viene eseguito dal controllore
i controllori possono essere:


di basso livello:
agiscono direttamente sull’effettore per controllarne la dinamica, come ad esempio i
controllo della posizione, velocità e coppia di un motore
di alto livello (supervisori,
pianificatori, ecc.) hanno il compito di
comportamento complessivo del robot
controllori PID per il
pianificare e supervisionare il
I controllori, in base alle informazioni ricevute dall'organo di riferimento (o dal
regolatore
dell'anello immediatamente più esterno) e dall'organo di misura «segnale retroazionato»,
forniscono dei segnali utili a correggere qualsiasi allontanamento, causato da variazioni funzionali
del sistema o da variazioni delle variabile di processo dal loro valore di riferimento.
Il loro scopo è infatti fare in modo cioè che la variabile di processo segua più strettamente
possibile il
valore di
riferimento indipendentemente dalla presenza
o meno di disturbi.
garantendo in questo modo la stabilità
I controllori standard largamente utilizzati in campo industriale sono caratterizzati da una rete di
retroazione che ha una struttura fissa (di tipo P, I, PI, PD, PID) e da parametri che, dimensionati
per una certa condizione di lavoro, restano fissi durante il funzionamento
La regolazione è dunque relativa ad una determinata condizione di funzionamento; pertanto se ci si
allontana sensibilmente da tale condizione si possono verificare smorzamenti non più soddisfacenti
e anche instabilità.
In questi casi può essere opportuno ricorrere a controllori adattativi, in cui o i parametri o la
struttura della rete di retroazione sono variabili in relazione alle condizioni di funzionamento del
sistema controllato, in modo che il circuito di regolazione risulti sempre stabilizzato in maniera
ottimale
C o m p o r t a m e n t o d i u n s i s t e m a m e c ca n ico co m p leto
Il sistema meccanico, nella sua espressione più
generale, è ottenuto
considerando insieme l'equazione dell' equilibrio dinamico (legame coppia velocità angolare)
e la relazione tra la velocità e la posizione, dalle quali si ricava il seguente sistema di
equazioni differenziali del I ordine in cuyinon si considera la coppia di attrito:
( Cm – Cr) = Cj = J *dw/dt
d θ(t)/dt = w(t)
controllo di moto
controllo di posizione
w(s) = (Cm(s) – Cr(s))/J*s
Nel dominio delle s
Θ(s) = w(s) /s
Le due equazion i evidenziano che il sistem a m eccanico h a u n comportamento integrale
infatti per Laplace moltiplicare una variabile
per 1/s equivale a farne l’integrale nel
dominio del tempo
La risposta ad un segnale d’ingresso a gradino «coppia d’inerzia» di
com portamento puram ente integrale è una rampa.
un
sistema a
( Cm – Cr) = Cj = J *dw/dt
Nel caso particolare la velocità (uscita) cresce linearmente finchè la coppia di inerzia
Cj = Cm –Cr è diversa da 0
Si individuano
pertanto
le zone di funzionamento:
- in transitorio (velocità variabile
nel tempo);
- a regime (velocità costante
Maggiore l'accelerazione cioè la pendenza della rampa minore è il tempo di salita.
La risposta ad un segnale d’ingresso a rampa di velocità (wp) di un sistema a
comportamento puram ente integrale è una parabola
d θ(t)/dt = w(t)
Θ(s) / w(s) = (1/s)
In questo caso lo spostamento
avviene con la dovuta gradualità
sia in fase di partenza
che di
arrivo (posizione rispettivamente
min e max dove la velocità
è
nulla).
Traiettorie tipiche del controllo di m o t o
Supponiamo di avere, per semplicità, una coppia resistente nulla (CR=O), cioè un
carico semplicemente inerziale (Cm = CJ)
In questo caso specifico nelle
due tipiche sequenze di lavoro:
figure che
seguono
sono indicati gli andamenti di
- avviamento ed arresto
- avviamento, inversione di velocità
ed arresto
È interessante puntualizzare che:
per una determinata inerzia totale J del sistema
meccanico
la
pendenza
della
rampa
(cioè
l'accelerazione
o la decelerazione) dipende
unicamente dalla coppia.
Il limite, cioè la coppia massima erogabile,
dipende, negli attuatori elettrici, dalla massima
corrente che il motore elettrico può erogare.
Nei transitori, si deve considerare la corrente di
picco. In base al suo valore si dovrà fissare un
limite di corrente nel dispositivo di azionamento
Traiettorie tipich e del controllo di posizione di un giunto (integrale)
In questo caso, con riferimento al profilo di velocità, si distinguono due tipiche
traiettorie:
1.spostamento con profilo di velocità triangolare
2. spostamento con profilo di velocità a trapezio
Sempre supponendo
carico
inerziale (CR = O)
si ha
spostamento con profilo di velocità triangolare
S p o s t a m e n t o c o n profilo di velocità trapezio
Questo tipo di traiettoria deve essere
applicata
quando la velocità di picco wp che si otterrebbe in uno
spostamento con profilo di velocità triangolare è
superiore al
limite massimo
imposto
wMAX,
che
può
dipendere
dall'applicazione o
dall'azionamento (La traiettoria »posizione» corrispondente è
di tipo polinomiale misto: un tratto lineare raccordato con due
tratti parabolici nell’intorno delle posizioni iniziale e finale.)

Navigazione Robotica
In robotica, il problema della navigazione può essere definito come il problema di raggiungere una posizione
finale partendo da una posizione iniziale, specificate in termini geometrici o di stato sensoriale, evitando gli
ostacoli
A tale scopo con metodologie che possono essere il piu diverse possibili d si deve individuare la posizione del
robot, quella degli altri oggetti e il percorso attraverso:
Localizzazione: posizione geometrica (coordinate X,Y rispetto ad un sistema di riferimento assoluto) o stato
sensoriale nell’ambiente in cui il robot naviga
Mappe o Modelli: formalizzazione e rappresentazione dell’ambiente
Planning: pianificazione dei movimenti del robot nell’ambiente che consiste nel è determinare una traiettoria
che il robot deve eseguire per raggiungere una configurazione finale a partire da una configurazione iniziale (la
sua posizione attuale) evitando gli ostacoli, questo consente il:

Controllo in velocità: consiste nell’impostare una velocità e una accelerazione ai motori delle ruote
attraverso la determinare delle tensioni da applicare ai motori

Controllo in posizione: consiste nell’impostare una posizione da raggiungere attraverso il calcolo delle
velocità e delle accelerazioni da impostare ai motori per raggiungere la posizione voluta (cinematica inversa).

Encoder: sensore che misura la rotazione dei giunti in valore relativo calcolando le tensioni ai motori
affinchè l’encoder rilevi lo sfasamento in gradi nell’unità di tempo dt «qnext – qact «
Nel caso del controllo in posizione La tensione imposta al motore è proporzionale alla differenza tra la
posizione effettiva misurata dal sensore e la posizione voluta
ARCHITETTURA HARDWARE DI UNA BASE MOBILE
movimentazione
I veicoli possono essere movimentati mediante:
- Ruote;
- Cingoli;
- Gambe;
Ruote
Ruota Fissa:
•Il punto P non può muoversi, a meno di non
•strisciare, in direzione dell’asse della ruota
Ruota Orientabile Centrata
Ruota Orientabile Eccentrica (Castor Wheel):
• Proprietà omnidirezionale
• Cingoli
• Movimento rettilineo: i cingoli vanno alla stessa velocità e direzione;
• Movimento rototraslazionale: con CIR esterno, con CIR sull’asse di un cingolo;
• Movimento rotazionale: con CIR interno.
• Tutto ciò vale anche per le ruote
•Gambe : Utilizzate in genere per movimentare robot immersi in ambienti sconosciuti,
data la facilità con la quale permettono al robot di superare gli ostacoli
SISTEMA ELETTRICO
Interfaccia utente/robot :
serve
per programmare il robot.
u n ità di conversion e dell’energia: è la sorgente
esterna di potenza (batterie, alimentazione,
celle solari, ecc.).
sensori : servono a misurare la posizione del robot, tramite degli encoders.
attuatori: sono gli organi, in genere elettrici o idraulici, che attuano il movimento del robot.e
sistema di controllo: esercita un feedback sui movimenti del robot.
I suoi compiti principali sono:
interagire con l’operatore,
– immagazzinare i dati,
– controllare i giunti in tempo reale,
– monitorare i sensori,
– interagire con altri macchinari,
– pianificare i movimenti del manipolatore.
• Gestione dell’interazione con altre macchine
• Diagnostiche, gestione malfunzionamenti

Il sistema di controllo in senso stretto deve sempre più spesso integrarsi con
• il monitoraggio dell’impianto (ai fini più svariati),
• la gestione della produzione,
• la gestione degli approvvigionamenti,
• la logistica.
–
Unità di controllo e programmazione
L’ unità di controllo è un sistema elettronico - informatico complesso e sofisticato.
Tra le principali funzioni di un sistema di controllo troviamo:
• Interfaccia con l’operatore (MMI)
• Programmazione dei compiti
• Pianificazione delle traiettorie
• Controllo in tempo reale del moto dei giunti
• Archivio ed elaborazione dati
• Gestione dell’interazione con altre macchine
• Diagnostiche, gestione malfunzionamenti
Queste specifiche sono relative al software, ma molto importanti sono anche quelle dell’ hardware.
Ciò che contraddistingue l’ unità di controllo rispetto ai semplici elaboratori dal punto di vista dell’ architettura sono :
• unità di controllo ed elaborazione potentissime ( multi – microprocessori)
• elettronica di potenza
Ci sono poi anche caratteristiche comuni quali ad esempio dispositivi di I/O e comunicazione e sistemi di interfaccia uomo
macchina.
Normalmente i robot vengono programmati mediante linguaggi di programmazione simili a quelli usati per i computer. In questo
caso i linguaggi di programmazione sono propri dei costruttori ( per esempio la COMAU ha sviluppato il linguaggio PDL2 ).
Per facilitare la programmazione nei sistemi è integrato l’ ambiente di programmazione teaching by doing. L’ operatore fa
muovere il manipolatore, o giunto per giunto o secondo le direzioni cartesiane e man mano vengono memorizzate le posizioni
che poi saranno raccordate dal software di generazione della traettoria.
A seguire un esempio di programma, in cui un robot prende un pezzo dal nastro trasportatore e lo trasferisce o su una
tavola o in un contenitore di scarto a seconda di $DIN(2).
PROGRAM pezzo
VAR riposo, trasp, tavola, scarto : POSITION
BEING CYCLE
MOVE TO riposo
OPEN HAND 1
WAIT FOR $DIN(1)=ON //aspetta finchè il trasportatore
è pronto
MOVE TO trasp
CLOSE HAND 1
IF $DIN(2)=OFF THEN //se il pezzo è buono
MOVE TO tavola
ELSE
MOVE TO scarico
ENDIF
OPEN HAND 1 //depone il pezzo su tavolo o nello
scarico
END pezzo
TIPI DI CONTROLLO
Controllo modulante
Per controllo modulante si intende il controllo eseguito da dispositivi che
obiettivo che le variabili controllate inseguano i rispettivi riferimenti.
ad ogni istante si pongono come
Controllo logico
Per controllo logico si intende il controllo eseguito da dispositivi che devono assicurare lo svolgimento di una o
più sequenze di attività la cui evoluzione è dettata dal verificarsi di eventi (come la conclusione di un’attività,
l’insorgenza di anomalie, l’interazione con l’operatore).
Per esempio un sistema costituito da un robot che preleva pezzi da un nastro trasportatore e
manipola comporta problematiche sia di controllo modulante sia di controllo logico.
li
Le specifiche di controllo per un sistema di automazione industriale sono costituite da sequenze di azioni,
descritte generalmente in linguaggio naturale.
Si pongono due problemi:
• formalizzare queste specifiche
• determinare metodologie di sintesi di un controllore che ne garantisca il soddisfacimento
Per quanto riguarda il primo aspetto, esistono convenzioni di progressiva diffusione come gli SFC
(Sequential Functional Chart: linguaggio di programmazione grafico per PLC).
Per quanto riguarda il secondo aspetto, si fa generalmente ricorso alla teoria dei sistemi ad eventi
discreti che si appplica a sistemi fisici che non vengono ben descritti da variabili temporali.
L’HARDWARE DI UN ROBOT
#include <Servo.h> // libreria Arduino per i servi
Servo spalla_1; //dichiarazione oggetti di tipo Servo
int passog=2; // il passo, ossia ogni volta che fa un movimento si muove di 2 gradi
…
void setup() // inizializzazione {
Serial.begin(9600); // baud rate : 9600
spalla_1.attach(11); // assegno il pin 11 di Arduino all’ oggetto servo spalla_1
spalla_1.write(90); // nel pin 11 mando il valore 90 che indica al servo di mettersi a
90°
}
…
void loop()
{
delay(50); // ritardo di 50 ms
if(Serial.available()) // controllo se la comunicazione seriale
int c = Serial.read(); //legge da seriale
if (c == 's') //controllo il valore della variabile c
{
apri_mano(); //richiamo alla funzione su()
}
}
…
void su() {
… //contiene le istruzioni per far aprire la mano
}
Il processo industriale
1.
2.
Generalità
Sistema industria (rete elettrica, sistema alimentazione, trasformatori)
3.
Sensori (spostamento, prossimità, trasduttori di velocità angolare,
fotoelettrici. Induttivi, capacitivo, ultrasuoni,magnetici, di forza, tattili, di
visione, temperatura/umidità)
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Attuatori
(motori in c.c., Brusless, c.a., passo passo, relè)
Azionamenti (inverter)
Unità di controllo (PLC, PC, PMC, HMI, sistemi di visione)
Supevisione (sistemi di visione, RTU, SCADA)
Diagnostica e manutenzione
Tecniche di collaudo
Impianti industriali (linee di transfert rigide, linee flessibili)
11. LOGISTICA (Sistemi tradizionali di trasporto, trasporto a guida automatica,
Sistemi manuali di immagazzinamento e stoccaggio Magazzini intensivi
automatizzati)
12. AUTOMAZIONE: vantaggi e svantaggi
Generalità
Quando si pensa ad un ambiente industriale, si tende a focalizzare sulle linee di produzione: i
componenti e i sistemi implicati sono sensori, attuatori, azionamenti, PLC
(Programmable Logic Controller), computer d’automazione, controlli numerici, e via così.
Ciascun componente o sistema, preso singolarmente, ha la sua validità e importanza: così
ad esempio l’azionamento di un motore a velocità variabile è tanto più accurato quanto più
riesce a regolare finemente la velocità e la coppia del motore.
Si deve sottolineare come le grandezze controllate dall’azionamento siano parte di un più vasto insieme di
parametri, detti parametri di processo, la cui conoscenza e memorizzazione nel tempo consente di correlare la
qualità del prodotto alla configurazione della linea di produzione.
Da un’architettura basata su potenti computer centrali si passa oggi verso un’architettura distribuita, più efficiente
ed economica da gestire, che si è resa possibile grazie all’affermarsi di reti di comunicazione e interfacce standard
tra i sistemi.
Per poter raggiungere un buon livello di integrazione tra i vari sistemi di una linea di produzione e tra i vari reparti di
una fabbrica è necessario conoscere le reti di comunicazione che, dai diversi settori di un’azienda, collegano i sistemi
dai computer fino al più semplice dei sensori.
Rete elettrica,sensori, motori e azionamenti
Per la produzione e la distribuzione di energia elettrica si usa solitamente un sistema trifase, formato da 3 tensioni
alternate sinusoidali sfasate tra loro di 120°. La frequenza di rete è pari a 50Hz con una tolleranza del 5%.
Indipendentemente dalla distorsione armonica delle tre fasi, la loro somma è in ogni istante rigorosamente nulla.
Le tre fasi si possono considerare a potenza quasi infinita; infatti la rete di distribuzione dalla centrale è a 380kV, poi
viene ridotta di 3 ordini di grandezza e la corrente è in genere limitata dalla portata dei cavi.
Un sistema trifase può essere sommariamente rappresentato come in figura.
I carichi possono essere connessi a stella (3 carichi uguali tra fase e
neutro) o a triangolo (3 carichi uguali tra fase e fase)
Le principali macchine elettriche si suddividono in trasformatori, motori ecc..
La giusta scelta dei quadri
permette di migliorare
notevolmente le condizioni di lavoro in un ambiente
industriale, e come conseguenza, consente un aumento
della produttività, riduzione delle temperature d’esercizio
dei macchinari e ovvio adeguamento alle norme sulla
sicurezza
SENSORI
Nella classificazione dei sensori è molto più utile ed interessante farne una in base all'uso che di ogni sensore
si fa all'interno della macchina perché è questo il fattore discriminante
riguardo alle problematiche di
collegamento e di gestione da parte dei sistemi di controllo.
Secondo questo criterio, si possono individuare tre classi di sensori:

Classe A - Sensori usati per il corretto funzionamento della macchina

Classe B - Sensori usati per garantire la sicurezza (operatori compresi)

Classe C - sensori usati per il corretto funzionamento del programma del robot.
Nella prima classe sono compresi, oltre ai dispositivi che negli azionamenti retroazionati forniscono le
informazioni di velocità e posizione, anche gli interruttori di fine corsa o simili, quando vengono usati come
riferimenti di posizione (ad esempio negli azionamenti passo- passo), e tutti i dispositivi le cui informazioni
sono necessarie al funzionamento del robot.
Alla seconda classe appartengono tutti i dispositivi che presiedono alla sicurezza
della macchina e
dell'ambiente circostante (fine-corsa e sensori di sforzo eccessivo, sbarramenti fotoelettrici, pulsanti di
emergenza, ecc...).
Nella terza classe, infine, sono compresi tutti i sensori che non fanno parte delle prime due.
A proposito di questa classificazione, è opportuno osservare che i sensori di classe B sono necessariamente
dispositivi binari: qualora essi siano implementati con rilevatori analogici, è necessario confrontare la grandezza
rilevata con soglie opportune, ed il risultato di questa operazione è l'unica informazione interessante.
Anche se non è possibile dare una metodologia generale per il collegamento dei sensori, perché le strutture dei
sistemi di controllo possono essere molto diverse fra loro, si possono fare alcune considerazioni di carattere
generale.
I sensori di classe A devono essere collegati direttamente ai dispositivi che azionano
attuatori.
i singoli
Per quanto riguarda i sensori di classe B, vale un ragionamento analogo: essi devono essere collegati al
sistema di controllo al livello più basso possibile, in modo che eventuali malfunzionamenti dell'hardware non ne
compromettano il buon funzionamento. Un esempio di questo tipo di collegamento si trova in quei robot dove i
sensori di classe B agiscono direttamente sugli alimentatori dei motori, o sui microcalcolatori che li controllano. E'
evidente che in questo caso, oltre ad intraprendere opportune azioni all'insorgere di situazioni di emergenza, il
sistema deve essere in grado di informare i livelli più alti dell'accaduto, in modo che il programma del robot
possa essere interrotto e sostituito con opportune routine di uscita dalla situazione di emergenza.
I sensori di classe C di basso livello, infine, devono essere collegati al livello più alto,
informazioni sono utilizzate direttamente dalla unità che esegue il programma di utente.
perché le loro
Sensori per il controllo di movimento e di spostamento
Nel campo della robotica i sensori sono importanti per affrontare i seguenti problemi:
-
-
controllo dei movimenti dei vari giunti del robot, del loro posizionamento iniziale e finale, della correttezza
della traiettoria in termini di percorso, velocità ed accelerazione.
capacità del sistema di tener conto del mondo esterno affinché il robot possa essere in grado di sostituire
l'uomo in termini di capacità di "vedere", "sentire" e "prendere" oggetti con una determinata pressione.
Potenziometri
I più semplici sensori impiegati per questo scopo sono i potenziometri, il cui principio è quello di convertire una
posizione in un valore di resistenza elettrica. Il passaggio da posizione a variazione di resistenza e infine a
variazione di tensione.
Trasformatori differenziali variabili lineari (LVDT)
Il trasformatore differenziale variabile lineare (LVDT) si basa sul principio secondo il quale la tensione indotta
su un avvolgimento secondario dipende dal coefficiente di accoppiamento tra primario e secondario.
Nella figura è riportato lo schema tipico di un trasformatore differenziale.
Quando l'avvolgimento primario viene eccitato dalla corrente alternata, sugli avvolgimenti secondari viene
indotta una tensione. I due avvolgimenti secondari sono connessi in serie in opposizione cosicché le due tensioni
sono in opposizione di fase. La tensione di uscita è così la differenza tra le due tensioni. Il coefficiente di
accoppiamento dipende dalla posizione del nucleo. La tensione sarà nulla quando il nucleo è in posizione
centrale; spostandosi il nucleo, la tensione dei due avvolgimenti varierà.
La sensibilità del sistema è abbastanza buona. Si può però osservare che:
-
-
la tensione di uscita è rappresentata da due tratti di caratteristiche simmetriche e piuttosto lineari
corrispondenti a spostamenti positivi e negativi
il valore della tensione di uscita in corrispondenza dello zero meccanico non è nullo e ciò a causa degli
accoppiamenti capacitivi e della presenza di armoniche.
Codificatori (encoder)
Allo scopo di illustrare il principio di funzionamento di un codificatore di posizione, comunemente chiamato
"encoder", nella seguente figura viene presentato lo schema a blocchi di un sistema di posizionamento di un
braccio di robot.
I posizionamenti vengono, di norma, eseguiti con motori in corrente continua, con regolazione ad anello chiuso. E' necessario,
istante per istante, confrontare la posizione raggiunta con quella impostata e comportarsi analogamente anche per la velocità.
Su come opera il motore è opportuno fare delle considerazioni: nell'esempio, l'anello di velocità è gestito in maniera hardware,
infatti un segnale proporzionale alla velocità e fornito da un trasduttore di velocità (dinamo tachimetrica) viene riportato nel
sistema di controllo dove viene confrontato con la velocità impostata dall'operatore per apportare le correzioni necessarie. Il
secondo anello, relativo al posizionamento, può essere realizzato prevalentemente in maniera hardware e software: per
esempio, impiegando contatori up/down vengono contati gli impulsi inviati dal trasduttore encoder, e al processore non rimane
che leggere i dati raccolti dal contatore a intervalli regolari. In ogni caso, un trasduttore di posizione molto impiegato nei
sistemi robotici è l'encoder.
L'encoder è un dispositivo azionato da un albero rotante, il quale fornisce in uscita impulsi corrispondenti alla posizione angolare
dell'albero. Esso contiene al suo interno un disco rotante diviso in segmenti alternativamente opachi e trasparenti.
Su un lato del disco è situata la sorgente luminosa e sull'altro una o
più fotocellule. Il cambio della luminosità della fotocellula causato
dalla rotazione del disco, produce gli impulsi di tensione (sotto forma
di onda quadra) in uscita.
Lo spostamento angolare dell'albero è misurato dal numero di
impulsi, i quali, se
riferiti al tempo, esprimono la velocità
(codificatore tachimetrico).
Usando due fotocellule in corrispondenza della stessa traccia del disco
e sistemandole in modo che i segnali di uscita (onde quadre) siano
sfasati di 90° l'uno rispetto all'altro, è possibile misurare, con la
logica del circuito esterno, il senso di rotazione
rilevando se il
segnale A precede il B o viceversa. Esiste inoltre un'altra fotocellula che fornisce un impulso indicatore della
posizione di riposo (riferimento zero).
I due canali in quadratura evitano anche l'errata misura nel caso di vibrazioni del codificatore tachimetrico.
L'encoder descritto viene detto di tipo incrementale in quanto i segnali di uscita sono proporzionali in
modo incrementale allo spostamento effettuato rispetto alla posizione di arrivo
Un encoder in cui sia presente solo una serie di feritoie non consente di individuare il verso in cui il disco
ruota. Per ottenere ciò nel disco viene ricavata una seconda serie di feritoie, sfalsata rispetto alla prima di
un quarto di passo, essendo il passo la distanza tra due zone trasparenti successive.
E’ necessaria la presenza di una seconda sorgente luminosa e di un secondo sensore. Si vengono ad avere
due treni di impulsi che sono sfasati tra di loro di ¼ di passo per rotazioni verso destra, di ¾ di passo per
rotazioni verso sinistra ( l’incremento è positivo quando la fase B anticipa la fase A e viceversa
Gli encoder incrementali possono fornire purtroppo errori, e quindi posizioni non corrette, a causa del
conteggio errato provocato da disturbi, compresa l'eventuale interruzione della alimentazione. Questi errori
possono essere eliminati con l'impiego di encoder assoluti, nei quali ad ogni posizione dell'albero
corrisponde un valore ben definito.
Nel codificatore assoluto sono previste sul disco tracce capaci di fornire segnali in codice. Per rilevare la luce
che passa attraverso il disco è prevista una fotocellula per ogni traccia.
I codici impiegati sono quelli di tipo binario, BCD, Gray ecc..; che permettono di ricavare anche decine di
migliaia di bit per giro.
La risoluzione dell’encoder è data dal rapporto tra una rotazione di 360° ed il numero di impulsi n, pari a quello
delle zone trasparenti presenti.
R = 360 / n
La risoluzione dell’encoder può essere migliorata se la tensione di uscita del fototransistor vengono squadrate
opportunamente con un circuito elettronico (onda quadra)
Con una forma d’onda di questo tipo possono essere contati due tipi d’impulsi quelli che si hanno quando si
passa dallo stato 0 a quello 1 quelli che si hanno quando si passa dallo stato 1 allo stato 0
Vengono contati sia i fronti di salita che di discesa migliorando quindi la risoluzione
R = 360 / 2n
Gli encoder rotativi ruotano senza inerzia apprezzabile, possono essere soggetti ad elevate velocità angolari e
non hanno contatti striscianti; essi hanno una vita media molto elevata. Di contro, sono sensibili allo sporco
per cui non sempre ne è consigliabile l’uso in determinati ambienti industriali.
Vengono utilizzati per rilevare la posizione angolare di viti e di organi rotanti.
Sensori di prossimità
I sensori di prossimità sono in grado di percepire ed indicare la presenza di un oggetto all'interno di un
determinato campo, in prossimità del sensore stesso.
Un sensore di prossimità può anche essere predisposto per misurare distanze: il sensore produce un segnale
continuo (anziché on-off) proporzionale alla distanza. Mediante più misure lineari a direzioni diverse si possono
poi agevolmente determinare posizioni ed orientamenti di pezzi semplici e complessi.
I sensori di prossimità possono basarsi su numerosi principi fisici: induttivo, capacitivo, magnetico, fluidico,
luminoso ed ultrasonico.
Sensori di p r o s s i m i t à passivi: rilevano perturbazioni nell’ambiente, come ad esempio
modifiche del campo magnetico o elettrico
ES: sensori passivi a campo magnetico: sensori ad effetto hall
Sensori di p r o s s i m i t à attivi: sfruttano i cambiamenti che avvengono ad un segnale emesso,
che possono avvenire in seguito all’interruzione o alla riflessione del cammino del segnale verso
il ricevitore
ES: sensori ottici attivi: emettitore e ricevitore di segnale luminoso
Trasduttori di velocità angolare
I più diffusi trasduttori di velocità angolare sono il tachimetro in c.c. e il tachimetro in c.a. Il primo
fornisce in uscita una tensione continua direttamente proporzionale alla velocità angolare, il
secondo invece una tensione alternata avente ampiezza proporzionale alla velocità angolare.
Tachimetro in c.c. Detto anche dinamo tachimetrica è in sostanza una dinamo a
magnete permanente con particolari caratteristiche elettromeccaniche, ovvero con basso momento
d’inerzia ed elevata linearità di risposta. La tensione d'uscita è prelevata dal rotore attraverso un
sistema di spazzole striscianti su un collettore ad anello. Essa non è pertanto perfettamente
continua ma presenta una certa ondulazione che rende questo
trasduttore non adatto per
misurazioni di precisione.
Si osservi comunque che la dinamo tachimetrica ha il vantaggio di fornire una tensione la cui
polarità è indicativa della direzione di rotazione. Le applicazioni tipiche riguardano il controllo di
velocità dei motori.
Tachimetro in c.a. Questo trasduttore, detto anche generatore a induzione, è provvisto di due
avvolgimenti di statore, quello di eccitazione e quello di uscita, posti a 90° elettrici fra di loro, e da
un avvolgimento in cortocircuito sul rotore.
Quest'ultimo può essere del tipo a gabbia di scoiattolo oppure a forma di coppa in materiale
fortemente conduttivo come rame o alluminio. Alimentando l'avvolgimento di eccitazione con una
tensione alternata Ve di ampiezza e frequenza costanti, viene generato un flusso primario φ1,
anche esso alternato, che induce una forza elettromotrice (f.e.m.) sui conduttori del rotore. Tale
f.e.m. risulta proporzionale alla velocità con cui i conduttori tagliano le linee di flusso e pertanto è
massima per le spire (A ) parallele a tali linee e nulla in quelle (B) ad esse ortogonali. A sua volta la
corrente generata dalle f.e.m nel rotore produce un flusso secondario φ2 perpendicolare al primo e
adatto pertanto ad indurre
nell'avvolgimento di uscita una tensione Vo. Questa risulta così
alternata con la stessa
frequenza della tensione di eccitazione Ve ampiezza direttamente
proporzionale alla velocità angolare del rotore. I tachimetri in c.a., non avendo spazzole striscianti,
presentano una affidabilità più elevata delle dinamo tachimetriche.
Tachimetri ottici. Si tratta sostanzialmente di encoder incrementali che forniscono un segnale la cui
frequenza è proporzionale alla velocità angolare da rilevare. Negli encoder il minimo spostamento
angolare apprezzabile (risoluzione) vale α =2π /N, dove N è il numero delle tacche presenti sul
disco.
Pertanto la velocità angolare ω , ovvero l'angolo percorso dal disco nell'unità di tempo, vale
ω = 2π n/N = 2π f/N [rad/s]
dove n indicando il numero delle tacche rilevate nell'unità di tempo, coincide con la
frequenza f del segnale impulsivo generato dall'encoder. L'eq. rappresenta in definitiva la
caratteristica di trasferimento del trasduttore.
Trasduttori con uscita digitale: encoder tachimetrico
L’encoder tachimetrico è il più semplice tipo d’encoder. Questo dispositivo è in grado di rilevare
la velocità angolare e lo spostamento di un albero motore. Un encoder tachimetrico è costituito
da una barriera fotoelettrica formata da un diodo all’infrarosso ed un fototransistor; tra essi è
collocato un disco che presenta una serie uniforme di settori opachi e settori trasparenti.
L’encoder tachimetrico viene inserito in un sistema in modo tale che il disco ruoti attorno allo
stesso asse dell’albero da controllare. Il disco può essere di metallo, vetro o materiale plastico; i
più utilizzati, sia per ragioni di stabilità sia di risoluzione, sono quelli di vetro sui quali le tracce
sono riportate fotograficamente.
Quando la base del fototransistor risulta illuminata questo
si porta in condizione di saturazione; in uscita si avrà 0
logico. Quando, invece, la base è oscurata, il transistor è
interdetto; l’uscita sarà 1 logico.
U1 è un buffer a trigger di Schmitt che squadra la tensione
d'uscita per ottenere una Vu con andamento rettangolare.
Controllo automatico di velocità per un motore in cc
Sensori fotoelettrici (o sensori ottici)
In questa categoria di sensori si possono annoverare dispositivi assai diversi per concezione, frequenza della
radiazione usata e quindi per settore d'impiego.
I sensori ottici più tradizionali funzionavano con luce visibile. Essi impiegavano generalmente sorgenti a
filamento e rilevatori di tipo a fotoresistenza. Questi dispositivi comportavano tuttavia alcuni inconvenienti fra i
quali la durata limitata della sorgente (alcune migliaia di ore) e la velocità di risposta modesta.
Prestazioni nettamente superiori sono state ottenute impiegando emettitori a LED per esempio arseniuro di
gallio) e rivelatori al silicio (fotodiodo o fototransistor). La banda di emissione dell'arseniuro di gallio (circa 0.7
- 0.9 m), infatti, si adatta bene alla regione di assorbimento del silicio.
I moderni sensori ottici si suddividono in tre grandi famiglie:
- sensori di prossimità a barriera
-
sensori di prossimità reflex
-
sensori di prossimità a diffusione.
I sensori a barriera sono costituiti da un trasmettitore (emettitore) e da un ricevitore (rivelatore) separati tra di
loro. Qualunque oggetto non trasparente interposto interrompe il raggio luminoso (light beam) e viene pertanto
rilevato. Questo tipo di sistema è generalmente impiegato dove sono richieste elevate distanze d'intervento. I
dispositivi commerciali a barriera funzionano infatti, a seconda dei tipi, con distanze trasmettitore / ricevitore
comprese fra qualche metro.
I sistemi di funzionamento reflex, adatti per medie distanze di intervento, hanno il trasmettitore e il ricevitore
integrati nello stesso contenitore. Viene usato un riflettore prismatico il quale riflette il raggio trasmesso e
pertanto viene rilevato. Questo sistema viene utilizzato per piccole o medie distanze oppure laddove è
impraticabile l'impiego di un trasmettitore e un ricevitore separati.
Naturalmente non può essere utilizzato per rilevare oggetti molto riflettenti come metalli levigati.
I sensori di prossimità a diffusione sono analoghi a quelli reflex, ma non
richiedono l'impiego di un riflettore. La potenza emessa, infatti, è molto bassa
ed è lo stesso oggetto da rilevare che riflette il raggio verso il ricevitore. La
distanza d'intervento, per questi tipi di sensori, è naturalmente strettamente
legata alle caratteristiche
superficiali dell'oggetto da rivelare. Pertanto i
costruttori normalmente
equipaggiano tali sensori a diffusione con un
regolatore di sensibilità per permettere agli utilizzatori di poterli adattare allo
specifico impiego. Questi modelli vengono impiegati solo per piccole distanze
(fino a qualche decina di cm).
I vantaggi principali dei sensori ottici sono rappresentati dalla elevata distanza
d'intervento.
D'altra parte, come si è visto, le caratteristiche d'intervento sono fortemente legate al tipo di superficie
dell'oggetto da rilevare. Tale caratteristica, negativa per molte applicazioni, si rivela interessante per
esempio per discriminare oggetti di colore diverso (per esempio rivelare la presenza di una etichetta su
un contenitore).
L'introduzione di fibre ottiche ha permesso di risolvere
problemi particolari di rilevamento ed i costruttori più
evoluti forniscono infatti, oltre ai sensori, anche numerosi
tipi di fibre ottiche da applicare ai sensori stessi.
Sensori a principio induttivo
I sensori elettronici di prossimità a principio induttivo sfruttano il fenomeno dello smorzamento di un campo
elettromagnetico per effetto delle correnti indotte (correnti di Foucault) in materiali conduttori posti nelle loro
vicinanze.
La bobina di un circuito oscillante genera
un campo elettromagnetico ad alta frequenza e,
in azionatori
metallici vicini, correnti parassite che provocano una perdita di energia nell'oscillatore, smorzando l'ampiezza
del segnale
. La riduzione dell'ampiezza dell'oscillazione è rilevata da un amplificatore di soglia con isteresi che, a sua
volta, comanda uno stadio amplificatore finale per l'azionamento di un carico esterno.
Essi si suddividono in due categorie: autoamplificati e non amplificati.
-
-
I sensori autoamplificati si dividono a loro volta in sensori a corrente continua
e sensori a corrente alternata.
I sensori non amplificati sono costituiti da un oscillatore e vengono utilizzati
per ottenere segnali a basso livello atti a comandare un amplificatore separato.
L'assenza di contatto meccanico fra azionatore e sensore consente, unitamente alle
precedenti
caratteristiche, una durata ed un numero di operazioni illimitate rispetto ad altri tipi di interruttori di
prossimità, riducendo altresì ogni problema di manutenzione.
I sensori induttivi rappresentano senza dubbio i sensori di prossimità più diffusi su macchine automatiche
e sono gli unici che,
grazie alla maturità raggiunta dalla tecnologia, godono di una normalizzazione a livello
.
internazionale (CENELEC).
Sensori a principio capacitivo
I sensori di prossimità a principio capacitivo, o sensori capacitivi, sfruttano la variazione di capacità parassita
che si crea tra sensore ed oggetto da rilevare. In corrispondenza di una determinata distanza dell'oggetto
dalla faccia sensibile del sensore, entra in oscillazione un circuito e l'insorgere o il cessare di tale oscillazione
viene sentito da un rilevatore di soglia che comanda un amplificatore per l’azionamento del carico esterni
E' evidente che, dato il principio di funzionamento descritto, un
sensore di
prossimità capacitivo può essere utilizzato come rilevatore di oggetti metallici e
non metallici come legno, liquidi, materiali plastici. Impieghi tipici si hanno per
esempio nei dispositivi contapezzi, nei controlli di livello in recipienti, ecc.
I parametrio sono simili a quelli dei sensori induttivi mentre le distanze di
intervento per i tipi cilindrici di diametro 18 - 30 mm., molto diffusi nell'industria,
sono nel campo 8 - 20 mm.
Sensori a ultrasuoni
I sensori di prossimità a ultrasuoni sfruttano l'emissione di impulsi sonori a frequenza elevata (40 - 200
KHz) per rilevare la presenza di oggetti posti nelle loro vicinanze grazie all'eco dovuta alla riflessione degli
ultrasuoni da parte degli oggetti stessi.
Il segnale emesso è costituito in genere da un treno di impulsi viaggianti alla velocità del suono nell'aria
(340 m/s circa).
L'emissione avviene tramite un apposito trasduttore elettroacustico di tipo piezoceramico. L'onda riflessa è
rilevata da un analogo trasduttore la cui funzione è quella di riconvertire i segnali acustici in segnali elettrici.
Nelle applicazioni dei sensori di prossimità interessa rilevare la presenza di un oggetto
(azionatore) in un
certo campo di rilevamento prefissato ed eventualmente
programmabile in ampiezza dall'utilizzatore.
Pertanto il tempo di ritardo, cioè il tempo che intercorre fra l'istante di emissione di un
impulso e l'istante di ricezione dello stesso, essendo proporzionale alla distanza
azionatore / sensore, permette al sensore di stabilire se l'azionatore è o meno in
campo.
Per la realizzazione metro elettronico assumiamo di lavorare ad una temperatura ambiente di 20°C e
quindi la velocità del suono sarà di 343 m/s che vuol dire anche 0,0343 cm/microsecondi.
Lo spazio percorso sarà:
s=v*t
da cui
s = 0,0343 * t
per calcolare lo spazio percorso, bisogna tener conto che il suono percorre due volte la distanza da
misurare (giunge sull'oggetto e ritorna indietro al sensore) quindi il
valore di t ottenuto deve essere
diviso per 2.
La formula corretta per la misura dello spazio percorso è:
possiamo scrivere:
s = 0,01715 * t
oppure:
s =(0,0343*t)/2
s = t/58,31
Offre un eccellente rilevamento del campo senza contatto con elevata precisione e letture stabili in un
pacchetto facile da usare. Da 2 cm a 400 cm o da 1 "a 13 piedi.
Il suo funzionamento non è influenzato dalla luce solare o da materiale nero.
L'impiego della tecnologia a ultrasuoni nel campo dei sensori di prossimità permette di ottenere distanze di
intervento massime di ordine nettamente superiore rispetto a quelle ottenibili con la tecnologia induttiva o
capacitiva a parità di dimensione
geometrica del sensore. Il sensore ad ultrasuoni rappresenta dunque una
vantaggiosa alternativa nei confronti dei sensori ottici, comunemente utilizzati per rilevare oggetti distanti; infatti
le caratteristiche di rilevamento di un sensore a ultrasuoni non dipendono dalle caratteristiche cromatiche
superficiali dell'oggetto da rilevare e possono essere sentite anche superfici trasparenti.
Sensori magnetici a contatti reed
I sensori di prossimità magnetici a reed sono costituito da due lamine di materiale
ferromagnetico (ferro-nichel), all’interno di un contenitore in atmosfera di gas inerte.
Le lamine sono rivestite con un materiale che migliora la conduttività e indurisce la
superficie, per prevenire la formazione di microsaldature e microcrateri nel punto di
contatto. Le lamine sono posizionate ad una piccola distanza fra loro. Quando la forza
di attrazione tra le lamine supera la resistenza elastica delle lamine stesse, queste si
flettono l'una verso l'altra, realizzando un contatto elettrico
La distanza di intervento è funzione della sensibilità del reed, della intensità del campo magnetico e
anche della sua forma nel caso in cui non è uniforme (per es. nei cilindri con pistone magnetico). I
materiali non ferrosi o ferrosi amagnetici, interposti tra sensore e magnete, non alterano il
funzionamento del reed perché il campo magnetico attraversa queste pareti. Bisogna invece
prestare particolare attenzione a materiali ferrosi o altri magneti posti a pochi centimetri dal
campo magnetico (per es. trucioli di ferro, supporti, viti di fissaggio, cilindri con pistone magnetico)
perché possono influenzare il campo e farlo deviare.
Tali campi, generati da magneti permanenti o da bobine percorse da corrente, producono sulle lamine, per il
fenomeno di induzione magnetica, polarità di segno opposto.
Questi interruttori di prossimità (reed o hall-effect) sono principalmente usati per determinare la posizione del
pistone magnetico in un cilindro pneumatico ed idraulico.
Il loro utilizzo è consigliato per sostituire interruttori meccanici a leva o a pulsante, ad esempio, per motivi di
sicurezza, per impedire l'azionamento manuale di un
interruttore. Disponibilità di varie versioni e modelli:
normalmente aperto o normalmente chiuso, con o senza connettore.
La chiusura dei contatti dipende dalla sensibilità del reed e dalla forza del magnete nella fase di avvicinamento. Le
superfici di contatto delle lamine dei reed sono rivestite con materiale pregiato (oro, rodio, tungsteno) che le rendono
adatte a comandare circuiti a basse correnti e a forti carichi induttivi.
Sensori effetto hall
In un conduttore a forma di lamina percorso da corrente i e soggetto ad un campo magnetico di intensita'
B, si origina una differenza di potenziale V in una direzione perpendicolare sia alla corrente che al campo
magnetico.
Il valore di tale differenza di potenziale e' proporzionale all'intensita' di corrente i e all'intensita' del campo
magnetico B, mentre e' inversamente proporzionale allo spessore della lamina
Sensore di prossimità a effetto Hall
In assenza di oggetto da rivelare il sensore capta un
forte
campo
magnetico
emesso
dal
magnete
permanente, mentre capta un campo più debole quando
un oggetto ferromagnetico si
trova nelle immediate
vicinanze e varia la conformazione delle linee di forza
Esempio di applicazione come
sensore di posizione
Rispetto ai contatti tradizionali ad azionamento meccanico si possono annoverare diversi vantaggi:
-
-
-
la chiusura ermetica in gas protegge i contatti dalla polvere, dall'ossidazione e dalla corrosione
l'azionamento dei contatti avviene senza complicati ed ingombranti meccanismi, sfruttando l'influenza di un
campo magnetico
alta velocità di funzionamento, fino a 300 Hz per alcuni tipi; breve tempo di attrazione (1.5 - 3 ms,
compresi i rimbalzi)
la particolare concezione costruttiva e l'alta qualità dei materiali impiegati assicurano ai contatti una
lunga vita (107 - 108operazioni)
assenza di manutenzione e ridottissimo ingombro.
Sensori di deformazione e di forza
I controlli di sforzo si basano prevalentemente sugli estensimetri, ma molto
piezoelettrici .
utilizzati sono anche i sensori
Come sappiamo, certi cristalli sotto pressione generano sulle facce opposte cariche elettriche proporzionali allo
sforzo cui sono sottoposte; questi sensori sono particolarmente adatti ad impieghi con corrente alternata.
I sensori piezoelettrici sono sensibili sia alla forza lungo un asse, sia alla coppia intorno all'asse stesso.
Tali sensori permettono il controllo in tempo reale dell'intensità (ed anche della direzione) delle forze e delle coppie
applicate dal robot agli oggetti manipolati.
Generalmente, i sensori di sforzo vengono applicati tra il polso e la pinza, e solo recentemente sono stati
messi a punto sensori a 6 gradi di libertà (per misurare componenti multiple di forza) talmente leggeri e di
dimensioni tali da poter essere montati sulle dita di una pinza per impianti robotizzati.
I sensori di deformazione e di forza sono particolarmente interessanti per le operazioni di assemblaggio,
quando è ad esempio necessario correggere la posizione e l'orientamento del robot: questa correzione viene
effettuata in funzione della forza esercitata nel manovrare i pezzi.
Oppure, nelle applicazioni in cui è necessario applicare una pressione costante (ad esempio operazioni di
incollaggio) o, ancora, nella misurazione della forza di inserzione dei componenti elettronici in un circuito
stampato.
La forza viene misurata in newton (N); 1 N corrisponde a 0.102 Kg; e a 0.225 libbre.
I trasduttori di forza sono spesso basati su trasduttori di spostamento come ad esempio la compressione di
una molla che agisce su un LVTD. Dispositivi di questo tipo sono chiamati anche "celle di carico".
Altre volte vengono usate celle di carico costituite da trasduttori piezoelettrici di forza.
Estensimetri
Alcune misure di spostamento si riferiscono a movimenti molto piccoli. In tali casi sono molto adatti i
cosiddetti "strain gages", sensori di basso costo, di facile uso e che talora possono venire resinati nello stesso
corpo inmisura.
Questi trasduttori trasformano una tensione meccanica in un segnale elettrico. Possono essere a filo conduttore,
piezoelettrici, a variazione di induttanza.
Sono costituiti da un filo conduttore (costantana, manganina….) ripiegato più volte in modo da aumentarne la lunghezza
pur conservando un ingombro limitato. Questo filo può essere ricavato direttamente per fotoincisione su un substrato
plastico metallizzato
che viene incollato sull’elemento da controllare in modo che entrambi subiscano la stessa
deformazione
Si possono ottenere le forme diverse e su di un solo supporto possono essere incisi più di un estensimetro in modo da
misurare deformazioni lungo assi diversi
L’insieme si presenta come un francobollo, che può essere incollato sulla parte nella quale si vuole rilevare la tensione da
misurare
e
disposto
con
i
lati
paralleli
alle
linee
di
tensione.
Nell’applicazione della forza il francobollo subisce un allungamento, lo sviluppo del filo costituente il
trasduttore diminuisce di sezione e aumenta in lunghezza variando quindi il valore della resistenza.
La misura di forze, momenti flettenti e momenti torcenti viene eseguita molto spesso misurando le deformazioni che essi
inducono in un corpo. Vengono misurati degli spostamenti, anche se piccolissimi, tramite degli estensimetri resistivi
metallici.
Note le variazioni di lunghezza e della resistenza
ΔL = Lf –Li
e
ΔR = Rf – Ri
Si può affermare che la variazione relativa di resistenza ΔR/R è proporzionale alla variazione
relativa di lunghezza ΔL /L
e quindi le relative variazioni percentuali ΔL /L e
ΔR/R
e possibile calcolare
la costante estensimetrica K
o fattore di taratura
K = (ΔR/R) / (ΔL /L)
Gli estensimetri vengono forniti i seguenti parametri:
- Tolleranza della resistenza
- Fattore di taratura K
- Modulo di elasticità E
- Deformazione massima
- Range di temperatura
- F = forza di trazione =(S*E/K)*(∆R/R)
CELLE DI CARICO
cella di carico è un sensore o un trasduttore che converte un carico o un forza in un segnale elettrico. Questo
segnale può essere un cambiamento di tensione, di corrente o di frequenza, in dipendenza del tipo di cella e del
circuito adoperato.
La
In commercio si trovano di solito celle di carico resistive ma esistono anche quelle capacitive.
Una cella di carico lavora secondo il principio della piezo-resistività. Quando una
sensore, esso cambia la sua resistenza..
forza è applicata al
Una cella di carico è realizzata tramite una membrana elastica (con un’elevato
indice di
deflessione) alla quale è collegata un estensimetro (strain gauge) e uno strumento di misura per
rilevare piccole deformazioni di un corpo.
Le celle di carico commerciali sono di diversa tipologia e vengono adoperate in
diversi contesti (applicazioni industriali, misure di precisione, elettrodomestici,
etc).
Nella cella di carico
basso:
sono presenti 4 differenti estensimetri, due in alto e due
Quanto un carico è applicato al corpo di una cella di carico resistiva, la membrana elastica
viene deflessa modificando la sua forma. Il risultato è quello di avere due estensimetri in
compressione e due in tensione. In questo modo la resistenza viene modificata fin tanto che
le membrane rimangono deformate.
I quattro estensimetri sono collegati tra loro nella configurazione del Ponte di Wheastone
Quando il corpo metallico della cella viene sottoposto ad uno sforzo, gli estensimetri
variano la loro resistenza registrando una variazione di potenziale
(solitamente
dell’ordine di 20 mV) misurata ai capi B e D.
Vista l’esigua entità della variazione di tensione, è necessario amplificare il segnale per
ottenere variazioni da 0 a 5 V o da 0 a 10 V.
in
Sensori tattili
Un altro settore in cui la ricerca è molto intensa, oltre a quello della visione artificiale, è quello dei sensori
tattili, nella consapevolezza che il raggiungimento di una buona funzionalità anche in questo campo è il primo
requisito per affidare ai robot lavori sempre più complessi.
Il dotare la mano di un robot di capacità tattili vicine a quelle umane rappresenta un obiettivo molto attraente.
Attualmente le ricerche sono orientate ad implementare un sensore tattile dalle seguenti caratteristiche:
- array con 4 x 4 elementi sensibili ogni cm2
- tempo
di risposta di ogni elemento sensibile compreso tra 1 e 10 ms
- sensibilità di ogni elemento pari a 10 -3 Kg.
- "pelle
artificiale" robusta in grado di sopportare bene l'ambiente di fabbrica.
Sono stati provati diversi materiali quali gomma conduttiva, PZT (ceramica piezoelettrica), PVF2 (fluoruro di
polivinile). Quest'ultimo sembra essere vincente essendo robusto, leggero, facilmente conformabile alle
superfici complesse. E’ inoltre
privo
di difetti dei concorrenti
quali
isteresi, scarsa linearità,
deriva termica, ecc.....
Un prototipo di sensore tattile consiste dunque di un foglio di PVF2 metallizzato su entrambe le superfici, per
assicurare un buon contatto elettrico. Dal foglio viene ricavata una matrice di 16 (4 x 4) elementi sensibili,
ognuno dei quali ha l'amplificatore di segnale e il convertitore A/D, una memoria RAM di 2 kbyte per 8 bit,
una ROM di 4 kbyte per 8 bit ed un microprocessore.
I 16 microprocessori portano le informazioni della cella relativa ad un microprocessore di supervisione che
effettua le necessarie correlazioni e le invia, a sua volta, ad un elaboratore principale che ricostruisce
l'immagine tattile vera e propria. Si tratta, come ci si può rendere conto, di una apparecchiatura molto
complessa.
Sensori di visione
Il robot è stato descritto come una macchina programmabile e multiscopo dedicata alla produzione.
Questa flessibilità, tuttavia, nell'ambiente operativo è fortemente condizionata dalle capacità sensoriali dei
robot. In realtà sappiamo che anche per la più semplice applicazione il robot è dotato di una rete sensoriale
composta da: sensori di presenza pezzo, sensori di stato delle macchine di cui il robot è "server", ecc...
Tali sensori però influenzano solo la sequenza di esecuzione e la cadenza delle operazioni del robot senza
aumentarne la flessibilità. Una maggiore flessibilità è data dal controllo di tipo adattativo, un controllo cioè
che permetta, per esempio, di percorrere traiettorie indipendenti da quelle programmate sulla base di
indicazioni fornite da sensori evoluti.
In questo modo il programma che l'operatore introduce non contiene istruzioni di posizionamento che il
manipolatore deve ripetere, ma piuttosto istruzioni che definiscono i movimenti che il robot deve compiere in
funzione di segnali provenienti dai sensori.
L'implementazione di un controllo che sappia adattarsi alle condizioni operative (controllo adattativo) deve
essere il più possibile generale, non orientata cioè ad una specifica applicazione, in modo da lasciare la
massima libertà di scelta dei sensori da parte di chi deve inserire il robot in un processo produttivo. Tra
i
sensori che maggiormente consentono un controllo di tipo adattativo i più
importanti sono i sensori di
visione, che, data la loro complessità, sono chiamati più frequentemente sistemi di visione.
I sensori di visione hanno lo scopo di identificare la posizione e l'orientamento dell'oggetto che si trova nel
campo del sensore, al fine di guidare il robot verso l'oggetto stesso.
Essi sono impiegati anche per riconoscere oggetti che per forma o colore sono difettosi o più in generale per il
controllo della qualità dei pezzi. La struttura tipica di un sistema di visione si sintetizza nel seguente
funzionamento:

il compito di riprendere le immagini è affidato ad una telecamera a stato solido posta sopra la scena

il rilevamento avviane per mezzo di un reticolo di elementi fotosensibili su un chip CCD (Coupled Charge
Device). Su ciascun elemento si produce una tensione proporzionale alla luminosità del corrispondente
punto della scena
dopo una conversione analogico / digitale, i valori di tensione associati a ciascun elemento (detto pixel),
proporzionali al suo livello di grigio, vengono memorizzati sotto forma di matrice numerica in un buffer di
memoria RAM. Tale memorizzazione viene eseguita perché il tempo di acquisizione e conversione
analogico / digitale dell'immagine è di pochi millisecondi, mentre il tempo di elaborazione della stessa può
essere anche di alcuni secondi.
Si fa notare che mentre l'occhio umano può distinguere una trentina di livelli di grigio, i sistemi di visione
operano su almeno 64 (512 nel caso dei sistemi di visione più evoluti).
Successivamente la matrice numerica viene elaborata per evidenziare il profilo degli oggetti rispetto alo
sfondo della scena

Una volta evidenziati, questi vengono confrontati con quelli precedentemente memorizzati. L'identità dell'oggetto
viene poi resa disponibile per il controllo del robot al fine di attivare specifiche sequenze di operazioni quali
selezione dell'end effector, azionamenti di dispositivi ausiliari, ecc... In base al profilo rilevato il sistema di visione
determina la posizione dell'oggetto ed il suo orientamento e li trasmette al controllo del robot.
Pertanto l'utilizzatore programmerà:
- il
sistema di visione memorizzando le immagini che il sistema deve
- identificare (prototipi)
- il robot inserendo un programma di manipolazione per ciascuno degli oggetti.
La procedura di ricerca del profilo degli oggetti consiste normalmente nella
scansione della matrice numerica in cui sono stati memorizzati i valori di
grigio di ciascun elemento di immagine (pixel). Durante tale scansione
vengono "trovati" gli oggetti presenti nella scena.
Per eseguire tale funzione, esistono opportuni algoritmi.
Le procedure di riconoscimento sopra descritte presuppongono che
rimanga fissa la posizione della telecamera rispetto alla base del robot.
Per tale motivo è necessario
effettuare, a monte del processo di
rilevamento ed elaborazione di immagine, una
"calibrazione" della
telecamera montata sul braccio del robot che permetta di mettere in
relazione tra di loro, mediante trasformazioni di coordinate, i vari sistemi
di riferimento relativi adottati (posizione camera - posizione pinza sistema di riferimento assoluto del robot).
SENSORE DI TEMPERATURA E UMIDITÀ DHT11/DHT22
Il DHT11 è un sensore di temperatura e umidità con uscita dei dati in formato digitale(
Digitale significa che dispone di un ADC interno che converte i segnali e quindi invia i
segnali in modo digitali in uscita).
Il sensore è munito di un piccolo involucro ed è disponibile montato su basetta (3 pin)
oppure nudi (4 pin). Il sensore utilizza una tecnica digitale esclusiva che unita alla
tecnologia di rilevamento dell'umidità, ne garantisce l'affidabilità e la stabilità.
I suoi elementi sensibili sono connessi con un processore 8-bit single- chip. Ogni sensore di questo modello è
compensato in temperatura e calibrato in un'apposita camera di calibrazione che determina in modo preciso il
valore di calibrazione il cui coefficiente
viene salvato all'interno della memoria OTP (PROM: memoria
programmabile dall’utente)
Le sue piccole dimensioni e suo basso consumo unite alla lunga distanza di trasmissione (20 m) permettono al
sensore DHT11 di essere adatto per molti tipi di applicazioni. Il package con quattro pin in linea ne rendono facile
la connessione. Questi sensori
sono costituiti da un componente di rilevamento dell'umidità, un sensore di
temperatura NTC (o termistore) e un circuito integrato sul lato posteriore del sensore.
Per misurare l'umidità usano il componente di rilevamento dell'umidità che ha due
elettrodi con il substrato (polistirene trattato con acido solforico) che trattiene
l'umidità.
Al variare dell'umidità, la conduttività del substrato cambia o la resistenza tra
questi elettrodi cambia. Questo cambiamento di resistenza viene misurato ed
elaborato dall'IC che lo rende pronto per essere letto da un microcontrollore.
Il range di misura della umidità va da un minimo di 20%RH (RH:umidita relativa) ad un massimo di 90%RH con una
risoluzione di 1% che vuol dire che il sensore non discrimina variazioni minori dell’1% di RH.
L’accuratezza è pari a 4%RH, quindi il sensore potrebbe sbagliare di questo valore sia in positivo che in negativo e
inoltre se vi è una variazione brusca di umidità il sensore impiega 10 secondi circa per rilevarla.
Per quanto riguarda la temperatura il range di misura va bene per temperature positive e inferiori a 50°C con una
risoluzione di 1°C e tempo per rilevare le variazioni brusche di temperature di 13 secondi circa.
Per misurare la temperatura questi sensori utilizzano un sensore di temperatura NTC o un termistore. Un termistore è
un resistore variabile che cambia la sua resistenza con il cambiamento della temperatura.
Questi sensori sono realizzati per sinterizzazione di materiali semiconduttori come ceramiche o polimeri al fine di
fornire maggiori cambiamenti nella resistenza con solo piccole variazioni di temperatura. Il termine "NTC" significa
"coefficiente di temperatura negativo", il che significa che la resistenza diminuisce con l'aumento della temperatura.
Attuatori
Nel campo della automazione il sistema attuatore comprende l'attuatore propriamente detto e l'organo
trasmettitore, che consente di poter trasferire l'energia meccanica in punti diversi da quelli nei quali è stata
generata e con caratteristiche che la rendano idonea ad essere utilizzata nella struttura meccanica dello
specifico robot. E' tramite l'azione degli attuatori che, ad esempio, un manipolatore dà attuazione alle
"decisioni" prese dagli organi programmatori delle operazioni: tra questi rivestono particolare importanza gli
attuatori elettrici.
Agli attuatori impiegati nei sistemi di automazione, caratterizzati da un servizio intermittente, si chiede
sostanzialmente di possedere elevate coppie allo spunto ed elevate accelerazioni con una debole inerzia del
rotore: anche le velocità richieste non presentano di solito valori elevati Nel settore industriale il tipo di
motore più utilizzati, sono i motori a corrente continua, i motori passo-passo. e il motore asincrono con
controllo velocità PWM in quanto è compatto, robusto, consente un utilizzo produttivo giornaliero molto
alto, richiede una manutenzione minima e ha un costo operativo ridotto.
Sono inoltre utilizzati i motori brushless che richiedono un’elettronica di controllo più complessa rispetto
a quelli con le spazzole ma hanno un’alta efficienza e una densità di potenza più elevate, sono più silenziosi
e generano meno disturbi elettrici.
.
Motori a corrente continua
Tra gli attuatori di movimento e spostamento, i motori in corrente continua hanno sicuramente una
posizione di primo piano soprattutto nei casi in cui non è richiesta una eccessiva potenza. I motori
elettrici in corrente continua per l'automazione devono avere caratteristiche diverse da quelli destinati ad
un servizio più o meno continuo con velocità pressoché costante.
In particolare l'impiego degli azionamenti elettrici rispetto a quelli idraulici o pneumatici è rapidamente
aumentato in virtù di:
- facilità
di manutenzione
- eliminazione
dei riduttori di velocità
- possibilità
di montaggio diretto sugli assi
- precisione
ed affidabilità del comando
- limitata
rumorosità.
Inoltre notevoli sono stati recentemente i progressi nei magneti permanenti, che hanno consentito
l'eliminazione degli induttori, e nei materiali magnetici a elevata permeabilità, che hanno consentito un
miglioramento delle caratteristiche rotoriche in ordine alla dissipazione di calore.
La presente nota si propone di descrivere i tipi di motori in corrente continua più in uso, fino a quelli più
recenti, destinati ad avere un impiego sempre maggiore nei robot di piccole e medie dimensioni
Per introdurre l'argomento si richiama brevemente il principio di funzionamento di un motore DC (Direct Current ).
Nella figura è illustrata la struttura di base. Il principio di funzionamento si basa sul fatto che, su un filo percorso da corrente
elettrica, nasce una forza quando il filo stesso si trova in un campo magnetico statico. L'avvolgimento di rotore è collegato a
segmenti di commutazione (collettore) e riceve corrente attraverso spazzole che strisciano sul collettore stesso.
Il collettore e le spazzole formano un commutatore per la
corrente del rotore, in
modo che essa scorra sempre nella
direzione corretta e fornisca una coppia che
determina la
rotazione in un senso.
I motori a corrente continua sono costituiti quindi di uno statore
realizzato in ferro,
con espansioni polari, e di un rotore,
anch'esso in ferro, nelle cui cave è situato
l'avvolgimento
costituito da fini matasse ai cui estremi sono collegate le lame del
collettore. Attorno alle espansioni polari di uno statore sono
avvolti gli avvolgimenti di eccitazione o di campo che producono
il campo magnetico principale.
Il circuito di rotore è percorso dalla corrente di indotto o di armatura mentre nelle lame del collettore avviene
la commutazione tramite le spazzole I motori elettrici in corrente continua sono gli attuatori più comunemente
usati nei sistemi di controllo per piccole potenze (meno di 100 W).
Il sistema di eccitazione impiegato in questo tipo di motori è normalmente quello che prevede l'eccitazione
stessa attuata indipendentemente: infatti, in tal caso, operando il cosiddetto "controllo di armatura", si
controllano bene sia la velocità che la coppia del motore.
Funzione di trasferimento del motore in corrente continua a magneti permanenti (+carico meccanico)
Nei motori a corrente continua a magneti permanenti il controllo della velocità viene effettuato
agendo sullatensione di armatura; l’ingresso è costituito dalla tensione di armatura, mentre l’uscita è
costituita dalla velocità di rotazione.
La funzione di trasferimento presenta due poli: s2 = - 1/te s2 = - 1/tm
dove te è detta costante di tempo elettrica e tm è detta cosante di tempo meccanica.
La costante di tempo elettrica è usualmente fornita dal costruttore del motore, mentre quella
meccanica è
desumibile dalla seguente formula:
tm = Ra J/Kt Ke dove:
Ra = resistenza dell’avvolgimento di armatura del motore (W)
J = momento d’inerzia del sistema motore + carico meccanico (kg m2) Kt = costante
di coppia del motore (Nm/A)
Ke = costante di tensione del motore (Vs/rad)
La funzione di trasferimento assume la forma:
Funzione di trasferimento del regolatore
Converte l’errore e (ingresso) nella tensione di armatura Va (uscita). È costituito da due blocchi in
cascata. Il primo, che ha per ingresso l’errore è il regolatore vero e proprio; il secondo, che ha per
uscita la tensione di armatura, può essere costituito da un ponte controllato oppure da un convertitore
DC/DC in tecnica PWM.
Nel caso di un ponte a diodi controllati, la funzione di trasferimento è caratterizzata da un polo, che
tiene conto del ritardo introdotto dal sistema di innesco dei diodi controllati:
Gponte_SCR = Gp/(1+stp)
Dove Gp è il guadagno del ponte mentre tp è la costante di tempo che dipende dalla tipologia del ponte:
tp = 5ms per ponti controllati monofase
tp = 1,7ms per ponti controllati trifase
Nel caso di convertitore DC/DC in tecnica PWM la funzione di trasferimento del secondo blocco è costituita da
una costante, pari al valore del guadagno.
Per quanto riguarda il primo blocco, il regolatore vero e proprio, si può usare un regolatore industriale.
I regolatori industriali vengono detti anche regolatori PID.
PID significa PROPORZIONALE – INTEGRALE – DERIVATIVO
Funzione di trasferimento della dinamo tachimetrica
Per semplicità,la funzione di trasferimento
della
dinamo
assimilata ad una costante H = costante tachimetrica (Vs/rad)
tachimetrica
può
essere
Funzione di trasferimento del blocco condizionatore
Tale blocco non è sempre necessario! Se l’uscita della dinamo tachimetrica è in accordo con il riferimento di
velocità tale blocco non serve!.
Esempio:
Se Vrif = 10V allora velocità desiderata = 1000 rpm
Quando n = 1000 rpm allora Vdt = 10V (uscita dinamo tachimetrica pari a 10V)
In questo caso non serve il blocco condizionatore.
Se, invece, Vdt = 12V serve un blocco condizionatore (può essere un partitore) per convertire i 12V provenienti dalla
dinamo tachimetrica nei 10V da confrontare con il riferimento di velocità.
Se Vdt = 8V serve un blocco condizionatore (amplificatore) per convertire gli 8V
tachimetrica nei 10V da confrontare con il riferimento di velocità.
provenienti dalla dinamo
Motori "brushless" a magnete permanente
La principale limitazione di un motore in c.c. è il sistema collettore - spazzole, sede di usura e scintillii.
Nel motore senza spazzole, o brushless, la funzione di questo sistema è svolta da una logica elettronica
assistita da un trasduttore di posizione angolare dell'albero (spesso un resolver): la logica riconosce gli
avvolgimenti perpendicolari al campo induttore, e li alimenta.
Grazie a questa soluzione, che vede l'alimentazione degli avvolgimenti realizzata per via elettronica e non
meccanica, gli avvolgimenti possono essere trasferiti sullo statore, che scambia le proprie funzioni con
quelle del rotore, costruito con magneti permanenti che danno luogo ad un campo magnetico rotante.
In automazione e in robotica si impiegano preferibilmente motori con induttore costituito da magneti
permanenti poiché tale soluzione offre, rispetto ai motori DC tradizionali, i seguenti vantaggi:
-
eliminazione dell'eccitazione esterna con semplificazione dei cablaggi
eliminazione degli induttori
annullamento delle perdite di eccitazione
caratteristica coppia-velocità di rotazione molto lineare in tutto il campo di lavoro
coppia proporzionale, in prima approssimazione, alla corrente di armatura
Motori a corrente alternata
L'impiego dei motori a corrente alternata nella robotica e in tutto il settore dei controlli automatici è sostanzialmente
limitato al motore bifase. Il motore trifase è difficilmente impiegato per le difficoltà ad ottenere una elevata coppia
allo spunto e per le difficoltà di regolazione della velocità.
Nell'ambito delle piccole potenze (da qualche watt a qualche decina di watt) il
preferibile al motore a corrente continua.
motore bifase è risultato spesso
Esso è realizzato normalmente con un rotore a gabbia di scoiattolo. I due avvolgimenti sono alimentati con tensioni
sinusoidali sfasate di /2: una è la tensione di controllo e l'altra di riferimento. La tensione di controllo può variare in
ampiezza per realizzare il controllo di velocità.
Il compito dei due avvolgimenti è quello di generare un campo magnetico rotante sotto la cui azione il rotore viene
trascinato in rotazione. Elevando opportunamente la resistenza rotorica si riesce a distendere la caratteristica meccanica
del motore fino ad ottenere una forma pressoché lineare come richiesto.
Naturalmente si abbassa notevolmente il rendimento ed è per questo che il motore bifase non si costruisce che per
piccole potenze.
L'alimentazione di un motore in corrente alternata deve presentare una uscita variabile in tensione e frequenza.
Lo schema base più utilizzato è costituito da due stadi in cascata: il primo converte la tensione alternata di rete in
tensione continua a dato valore, il secondo effettua una conversione continua-alternata a data frequenza.
L'inverter è chiamato a tensione impressa perché un grosso filtro capacitivo fissa rigidamente la tensione di
alimentazione al secondo stadio, in questo modo la tensione di uscita verso il motore non viene influenzata dalla natura
del circuito.
La corrente erogata è approssimativamente costante.
Gli azionamenti in c.a. a frequenza variabile presentano prerogative non riscontrabili nei corrispondenti c.c. : una delle
principali prerogative è la facilità dell'inversione del senso di marcia. Mentre nel controllo della velocità dei motori in c.c.
ciò si ottiene invertendo la tensione di armatura, nel caso c.a. basta semplicemente invertire due delle tre fasi di
alimentazione.
Altre prerogative sono la frenatura, la robustezza, il minor costo e l'affidabilità.
Motori passo-passo
I motori passo-passo sono componenti elettromagnetici che trasformano un impulso
elettrico in forma meccanica, con un determinato e costante incremento di rotazione dell'albero. Sono anche chiamati
"stepper motors".
Questi motori si basano sul principio di funzionamento del campo rotante a scatti.
Nella rotazione si può andare avanti o indietro e questo dipende dall'ordine con cui i suoi avvolgimenti sono eccitati.
Il motore passo-passo può essere paragonato ad una serie di avvolgimenti disposti in cerchio, avvolgimenti che, quando
sono eccitati, reagiscono successivamente su un nucleo di ferro dolce o magnete permanente, facendolo ruotare di un
angolo.
Nel passaggio da una bobina all'altra si ottiene un movimento non lineare di 2 / n radianti ogni volta (dove n è il
numero delle fasi).
La velocità in giri al minuto sarà: f N = 60 -----n
La buona precisione di posizionamento ne permette un impiego in catena aperta,
conseguente risparmio dell'elettronica di controllo.
cioè senza retroazione con
I motori passo-passo sono di tipo sincrono, esistendo una corrispondenza fra segnale di alimentazione e posizione del
rotore
Per meglio comprendere il principio di funzionamento di questo tipo di motore si immagini, per semplicità, che
quest'ultimo sia schematizzabile come mostrato in figura (struttura di base, poli magnetici e circuiteria di azionamento).
Ad ogni passo si avrà una certa oscillazione la cui ampiezza dipende dal rapporto coppia resistente / momento di inerzia del
carico, nel senso che un elevato rapporto aumenta lo smorzamento.
La circuiteria di azionamento risiede in moduli esterni. Il principale inconveniente di questo motore è la perdita del passo e
quindi del sincronismo, cosa che si verifica quando la coppia resistente è superiore a quella motrice: in tal caso il motore si
arresta e riprende a muoversi quando la frequenza di commutazione della corrente negli avvolgimenti torna al di sotto della
frequenza di avvio-arresto, ovvero della massima frequenza a cui il motore è in grado di effettuare il singolo passo. Un altro
svantaggio è la potenza limitata cui già si è accennato. Queste due caratteristiche limitano l'impiego del motore alle applicazioni
in cui sono in gioco piccoli carichi.
I parametri caratteristici del motore sono i seguenti:
- Coppia massima rotazione, Velocità massima, Angolo corrispondente al passo Risoluzione, Si hanno i seguenti tipi di
motori passo-passo:
Motori a magnete permanente: sono quelli sostanzialmente descritti nel punto precedente.
b) Motori a riluttanza variabile
Hanno lo statore con un certo numero di poli salienti avvolti e il rotore sagomato con denti o espansioni in ferro dolce. I
denti del rotore e dello statore rendono variabile la riluttanza del traferro e con i poli contribuiscono a determinare il passo
del motore.
Quando la corrente percorre un determinato avvolgimento, si sviluppa una coppia che fa girare il rotore fino alla posizione
a riluttanza magnetica minima e mettendo successivamente in tensione un altro avvolgimento, la configurazione a
riluttanza minima cambia provocando il movimento del motore.
Con una opportuna sequenza di alimentazione è possibile creare un susseguirsi di posizioni di equilibrio e quindi la
rotazione.
c) Motori ibridi
Sono basati su una tecnica composta. La loro coppia è proporzionale alla corrente e possono avere un numero elevato di
passi a giro.
I magneti permanenti del rotore, che servono a polarizzare i poli salienti, creano un flusso che si richiude attraverso la
carcassa.
Gli statori sono disposti in modo identico e gli avvolgimenti sono comuni alle due parti.
Normalmente la scelta avviene tra i motori a magnete permanente e motori ibridi.
Gli attuatori possono essere pilotati da un operatore attraverso dispositivi di comando e protezione motori (fusibili di
protezione, interruttori di manovra, sezionatori), da un sistema automatico, come un controllore logico programmabile
(PLC) oppure si possono
gestire da relais.
Eccitando la bobina di comando, i contatti normalmente aperti (NO) si chiudono, permettendo il flusso di corrente, e i
contatti normalmente chiusi (NC) si aprono, interrompendo il flusso di corrente.
I relais sono degli amplificatori di potenza: infatti se la bobina di comando viene eccitata con 100mA, il contatto può
portare più di 10A. Si tratta di dispositivi lenti: il tempo di apertura o di chiusura di relais di una certa potenza possono
superare anche i 10ms.
La semplicità del dispositivo, l’elevato isolamento tra bobina e contatti, l’economicità e la possibilità di essere facilmente
utilizzati da personale non esperto rende i relais molto utilizzati sia come contattori che per l’amplificazione di comandi
provenienti da sistemi elettronici che in genere gestiscono segnali a bassissima potenza (<100mW).
IL relais inolttre è altrettanto semplice da isolare, ad esempio mediante un isolatore galvanico mentre il segnale è
molto semplice da trasmettere, avendo un’elevata immunità al rumore.
Azionamenti
Per ottenere degli avviamenti controllati o, più in generale, la possibilità di regolare la velocità del
motore, si utilizzano dei sistemi elettronici di potenza detti azionamenti.
Soft starter
Lo schema indica come sia possibile regolare la tensione al motore semplicemente regolando l’angolo di
apertura degli interruttori. Ovviamente ci sarà un’elettronica che,
grazie a dei trasformatori sulla rete
(trasformatori di sincronismo), regola l’accensione e lo spegnimento degli interruttori e quindi regola la
tensione sul motore.
Tipicamente la tensione sul motore viene impostata secondo una rampa lineare di salita con tempo variabile
Nel caso di motori in corrente alternata, come nei motori a induzione (brushless), la velocità del motore viene
regolata regolando la frequenza, mentre l’ampiezza del segnale fornisce potenza e quindi coppia. E’ possibile regolare
la frequenza e l’ampiezza delle tensioni sinusoidali applicate al motore mediante degli inverter. Un inverter è costituito
da un convertitore controllato AC/DC come quello sopra seguito da uno stadio controllato DC/AC.
L, C per livellare la tensione raddrizzata
Per la realizzazione fisica degli interruttori si utilizzano dispositivi elettronici di potenza tra i quali, oltre a diodi e
transistori bipolari e MOSFET di potenza (tipicamente fino a 100A), SCR,IGBT
I convertitori e la relativa elettronica di comando trova posto negli azionamenti, dei sistemi elettronici digitali che si
occupano della regolazione della velocità e della corrente del motore.
Un azionamento è costituito da una parte di controllo, in genere gestita da un microprocessore, e da una parte di
potenza, ossia dal convertitore e dal controllo diretto degli interruttori.
La parte di controllo è costituita da una sezione di regolazione, da una sezione di protezioni (massima corrente, massima
tensione,…) e da una sezione di comandi, ossia una serie di ingressi e uscite logiche, in genere oggi sostituite da un
canale di comunicazione numerico, per l’abilitazione, l’attivazione dei riferimenti, la segnalazione dello stato di
funzionamento.
PLC, PMC, Computer industriali ai più piccoli sistemi compatti ai sistemi modulari con potenti
CPU per applicazioni di alto livello, l’offerta dei sistemi di controllo di processo prevede anche la disponibilità di
architetture basate su PC, sistemi softlogic, e l’utilizzo di tecnologie Fieldbus.
I principali elaboratori che operano a livello industriale si possono suddividere in due categorie:
- unita intelligenti dedicate (Robot, Macchine a controllo numerico)
- unita intelligenti altamente programmabili (PLC, PMC «Programmable Multifunction Controller: PC a struttura
modulare», PC industriali, sistemi di visione
I robot e i sistemi a controllo numerico sono macchine elettromeccaniche automatiche dotate di scarsa
capacità di elaborazione, di scarsa capacità di memorizzazione e trasmissione dell’informazione utilizzate in
qualsiasi settore industriale per compiti specifici
1) Le unità intelligenti sono molto versatili, hanno un elevato livello di programmabilità e vengono impiegate
per svolgere le funzioni di comando e segnalazione, la gestione delle protezioni e degli allarmi, le
regolazioni, il coordinamento degli azionamenti di una
stessa cella di lavorazione, il rilevamento, la
memorizzazione e la trasmissione dei dati inerenti la lavorazione in oggetto, l’interfaccia con l’operatore.
- HMI Human Machine Interface: Interfaccia uomo-macchina) è un sistema
mediante il quale l'uomo
riesce a comunicare la sua volontà ad una
macchina e
attraverso il quale
la macchina fornisce
informazioni circa il suo funzionamento.
A differenza dello SCADA, l'HMI non è limitato alla funzione supervisoria (che può anche
non implementare)
ma realizza in pieno l'interfaccia completa con la macchina.
Ovviamente saranno mancanti i comandi e i
controlli di alto livello, quelli che risultano dall'aggregazione logica o operativa di impianti e macchine
diverse che realizzano il
sistema nel suo complesso.
- i sistemi di visione vengono oggi utilizzati per controlli dimensionali e di qualità (misurare, riconoscere,
identificare, selezionare, contare) leggere codici e caratteri, guidare robot .
Sono apparati elettronici
che
eseguono funzioni di visione artificiale attraverso una o più telecamere
dotate di sistema
di
acquisizione ed elaborazione immagini con un software specializzato nella gestione
di immagini ed un sistema di illuminazione.
Il sistema di visione si integra facilmente con macchine ed impianti con i quali si interfaccia attraverso standard di
comunicazione e trova larga applicazione nel
controllo qualità dei prodotti nella tracciabilità e nella loro
movimentazione.
In condizioni ambientali limite come ambienti molto rumorosi, esposti ad agenti chimici, temperature molto
elevate o molto fredde, aree nel raggio di azione di macchine o sistemi di movimentazione, spazi ristretti, un
sistema di visione può operare in tranquillità senza mettere a rischio la vita dei lavoratori o sottoporli a stress fisici
inutili
Unità di supervisione
IL dispositivo elettronico di controllo a microprocessore che interfaccia oggetti del mondo fisico a un sistema
di controllo distribuito può essere un Unità Terminale Remota( RTU ) o uno SCADA (supervisory control
and data acquisition system).
1) RTU: Remote Terminal Unit - Unità Terminale Remota
.
Una RTU non elabora né risolve alcuna logica. E' una unità terminale che ricevuti gli "ordini" da una unità di
classe superiore non fa altro che eseguirli. Si tratta di un ripetitore con capacità di comunicazione, una
morsettiera intelligente utile a ridurre i costi di cablaggio e a lasciare distribuiti sul campo gli I/O di un sistema
di automazione e controllo
.
Una RTU non è un PLC, anche se può possedere una interfaccia di configurazione.
La RTU monitora i parametri di campo digitali e analogici provenienti da inverter, che azionano motori e ne
regolano velocità, accelerazione, potenza, da schede di controllo, come ad esempio quelle per comandare i
motori passo passo per movimentazioni di
precisione,
termoregolatori che servono per controllare la temperatura in forni, essiccatori, ambienti, lettori di codici
per la logistica, l’imballaggio, l’etichettatura e trasmette i dati alla stazione di monitoraggio centrale.
La RTU può essere interfacciata con il sistema di supervisione
centrale con diversi mezzi di comunicazione - in genere seriale
(RS232, RS485, RS422), Ethernet. GPS o GPRS
In genere le RTU sono in grado di supportare i protocolli standard
Modbus per interfacciare qualsiasi software di terze parti.
In alcune applicazioni di controllo, le RTU sono in grado di pilotare
unità esterne di campo attraverso una uscita digitale.
La RTU può monitorare gli ingressi analogici di tipo diverso: 4-20
milliampere ( 4-20 mA), 0-10 V., da -2,5 a 2,5 V, 1-5 V, ecc.
Nella maggioranza dei casi le RTU sono alimentate da batterie
ricaricabile a lunga durata e quindi possono essere utilizzate anche
in siti non alimentati dalla rete dell'energia elettrica.
Per questo le RTU in genere sono preferite ai PLC (controllori logici
programmabili) per il controllo remoto di postazioni geografiche
isolate, spesso attraverso la comunicazione
wireless o solo
attraverso SMS GPS, mentre i PLC sono più adatti per il controllo di
postazioni all'interno di impianti, linee di produzione, ecc
2) Sistemi SCADA
Con sistema SCADA o di software SCADA (acronimo di “Supervisory Control And Data Acquisition“, cioè
“controllo di supervisione e acquisizione dati”) ci si riferisce a un sistema informatico distribuito che si
occupa della supervisione, della raccolta dati e del controllo di un impianto di produzione industriale.
Lo SCADA è per cui ma una funzione che può essere svolta da un qualunque software che realizzi le
funzioni indicate, con più o meno dovizia di particolari e di funzioni ausiliarie.
Al segnale contenente le informazioni nel percorso tra sorgente e destinazione si possono sovrapporre dei
disturbi «rumori» che possono modificare la forma d’onda del segnale rendendo l’informazione scarsamente
comprensibile.
La distorsione può avvenire in relazione a differenti parametri del segnale come ampiezza, frequenza e fase.
In ambienti di grandi dimensioni il segnale può avere piccoli ritardi derivati dalla lunghezza del filo
conduttore, è opportuno che il segnale viaggi su un conduttore isolato e schermato fino al dispositivo di
condizionamento del segnale.
Quest'ultimo deve trovarsi nelle immediate vicinanze del dispositivo di acquisizione per evitare interferenze e
perdite di segnale.
I livelli di immunità ai disturbi sono definiti dalla normativa EMC «compatibilità elettromagnetica» relativa alle
prove di immunità ai vari tipi di disturbo che affrontano i problemi relativi alla frequenza di rete,
transitori ad alta frequenza, campi magnetici e elettromagnetici,
scariche elettrostatiche. ecc..)
Il
software modulare, caratterizzati da un’architettura aperta e flessibile
implementazione di nuovi strumenti o macchinari all’interno della fabbrica
permette una facile
La supervisione e il controllo dei processi produttivi non richiede la presenza di ingegneri o tecnici preposti
alla gestione del macchinario «controllo remoto» in quanto i sistemi SCADA si possono collegare a
Internet (tramite connessioni protette per evitare di esporsi a inutili attacchi informatici) e controllati
tramite un normale browser «terminale: cellulare) distante anche centinaia di chilometri La scelta della
tipologia di dispositivo da installare negli impianti, al fine di limitare sia gli effetti provocati dai disturbi di
rete sul funzionamento di apparecchi sia, in taluni casi, alle emissioni di disturbi da parte dei carichi
dipende dal disturbo da compensare/limitare, dalla sensibilità delle apparecchiature al disturbo in esame,
dalle limitazioni imposte, da parte del distributore, sui livelli di emissione del disturbo, dalla struttura della
rete di alimentazione dei carichi, da valutazioni economiche di costi-benefici.
Nelle moderne fabbriche le macchine, robot industriali, sensori, attuatori e valvole controllati da PLC e PC
comunicano tra loro tramite una rete di comunicazione ad alta velocità, con cavi lunghi centinaia o
addirittura migliaia di metri.
Ciò facilita i processi decisionali all’interno dell’azienda, garantendo allo stesso tempo un notevole sviluppo
dell’automazione industriale consentendo ai tecnici un controllo esaustivo e in tempo reale dell’intero
processo.
Grazie a interfacce utente ottimizzate e intuitive, i sistemi SCADA sono in grado di rappresentare
graficamente l’intero processo produttivo e avere sempre sotto controllo i valori e parametri fondamentali
dei vari macchinari e ricevere allarmi sonori nel caso ci siano delle anomalie
Grazie ai sistemi e alle soluzioni offerte dai sistemi SCADA, le aziende possono governare tutte le attività e gestire
l’evoluzione di tutti i processi senza che ci sia bisogno dell’intervento continuativo di un ingegnere o tecnico.
DIAGNOSTICA E MANUTENZIONE DEGLI IMPIANTI
La modalità con cui vengono gestiti gli interventi di manutenzione ( stabilimenti industriali, con linee di
produzione e attrezzature di automazione complesse: es settore automobilistico) sta ricoprendo un ruolo
sempre più strategico nei moderni business globalizzati.
Un funzionamento armonico, coordinato ed efficiente di tuti tutti i reparti dello stabilimento (stampaggio,
assemblaggio,
verniciatura, ecc,) garantisce il corretto svolgimento del processo di produzione dei
prodotti e la continuità del business.
Qualunque malfunzionamento dei sistemi d’automazione che presiedono le linee può avere ripercussioni sulla
fabbricazione dei prodotti, che finiscono per tradursi in errori nei processi, rallentamenti dei ritmi di
manufacturing o, addirittura, in fermi macchina (downtime);
Questi si rivelano molto costosi per il costruttore non solo in termini economici, ma anche di deterioramento
dell’immagine del brand nei casi in cui, per esempio, si manifestino pesanti ritardi rispetto agli obiettivi di time to
market stabiliti oppure emergano gravi difetti su prodotti già rilasciati sul mercato.
Cosa e quando monitorare
Nel rilevare che un monitoraggio ben riuscito può permettere una grande riduzione dei componenti di riserva a
magazzino si rileva che il tipo di monitoraggio dipende dal tipo di impianto/macchina e che bisogna i tener
conto della complessità del sistema di monitoraggio e del costo per il suo mantenimento.
Una scarsa progettazione del sistema di monitoraggio o un suo scarso mantenimento possono dare origine a un
gran numero di falsi allarmi, che alla fine renderebbero inutili (o addirittura dannose) le informazioni rilevate dal
sistema stesso.
Prtanto, ci sono macchine a cui il monitoraggio è sempre applicabile, mentre per altre macchine occorre fare
una valutazione accurata prima di decidere
Riguardo quali PARAMETRI ci sono alcune grandezze che sono
tradizionalmente monitorate(correnti,
tensioni, temperature, livelli
di vibrazione dei cuscinetti) e altre che sono state introdotte più
recentemente, grazie alla disponibilità di nuovi sensori (flusso disperso).
I tempi di monitoraggio richiedono considerazioni riguardo la convenienza economica che è utile quando il
risparmio netto annuale aumenta grazie al suo impiego. e considerazioni di sicurezza che passano sopra alle
valutazioni economiche.
Manutenzione predittiva: i vantaggi rispetto ai metodi tradizionali
In campo industriale, quindi anche nel settore automotive, sono applicabili differenti metodologie di
manutenzione per assicurare l’affidabilità delle linee di produzione e dei sistemi d’automazione degli
impianti: il trend è quello di pianificare e programmare quanto più possibile gli interventi in regime di fermo
linea (manutenzione predittiva) lasciando
comunque il fianco scoperto per fermi non programmati e
non programmabili (la cosiddetta manutenzione reattiva), in cui l’intervento di riparazione o sostituzione
del componente è attivato solo dopo il verificarsi del guasto e spesso quando il componente è giunto alla
fine del suo ciclo di vita.
Vi sono poi politiche di manutenzione preventiva, come la manutenzione programmata, che prevede
(secondo scadenze calcolate in base a determinati criteri) la sostituzione di un componente dell’impianto
ancora in uno stato sufficientemente buono di funzionamento, ma pur sempre usurato, con uno nuovo con
l’obiettivo di evitare una rottura incontrollata.
Considerata l’attuale complessità dei sistemi di automazione, l’intensità di fabbricazione raggiunti dagli
stabilimenti produttivi e la portata delle possibili conseguenze in caso di guasti, si tende sempre più ad
applicare metodologie riguardanti:
- tipologie di manutenzione preventive che determinano la necessità d’intervento in
base
al monitoraggio e alla valutazione dello stato di funzionamento di un componente
o di un macchinario:
la qualità dello stato è valutata controllando se i parametri chiave
di stima (temperatura, grado di
vibrazioni, tensione elettrica, ecc.)
rientrano nei valori
limite, o di soglia, da rispettare per quel dato componente, fuori dai quali la probabilità di
guasti, rotture o malfunzionamenti diventa elevata e viene pertanto segnalata dal sistema
tramite allarmi
- La manutenzione predittiva si basa su questi stessi concetti, ma utilizza anche modelli e algoritmi che,
considerando determinati fattori specifici, calcolano il livello di degrado nel tempo riuscendo
a prevedere quanto resta ancora prima del verificarsi del guasto; grazie agli opportuni supporti
informatici
si viene a conoscenza per cui a tutte le informazioni che garantiscono il buon
funzionamento di ciascun impianto.
- La politica di manutenzione reattiva, che viene raramente utilizzata, si adotta circostanziatamente
alla parte con una bassa probabilità di rottura o nel caso in cui il suo malfunzionamento non inciderebbe
in modo grave sull’andamento del processo di produzione.
La gestione delle risorse dell’azienda in chiave predittiva consente di risparmiare sui
costi, migliorare la redditività, offrire migliori livelli di servizio per la soddisfazione dei
clienti, migliorare la sicurezza e le prestazioni ambientali, di tenere sotto controllo i consumi
energetici e possibilmente di ridurli.
Con gli opportuni sistemi informatici, la manutenzione predittiva consente infine di compiere scelte
strategiche anche in termini di selezione dei ricambi, di tecnologie più appropriate, di piani di
produzione più convenienti estendendo, di fatto, la vita dei beni e degli impianti stessi.
Tecniche di collaudo
Il collaudo consiste nell’assicurarsi che il prodotto sia conforme ai requisiti espressi dal cliente effettuando,
prima della consegna, tutti i controlli, le prove e le misurazioni necessarie per eliminare quei prodotti che
non corrispondono ai requisiti espressi nelle specifiche.
Per apparati di serie almeno un esemplare di apparecchiatura in configurazione finale deve essere
sottoposto a prove cosiddette di tipo, che prevedono il funzionamento in condizioni nominali limite ed
anche in condizioni di guasto singolo per verificare la rispondenza ai requisiti di sicurezza.
La norma en 61010-1 ad esempio prescrive di effettuare prove in tutte le condizioni di guasto che possano
degenerare in condizioni di pericolo, non solo elettrico, ossia cortocircuiti delle uscite, bloccaggio dei
motori, chiusura delle aperture di ventilazione etc durante e dopo le prove non devono essere superati dei
limiti ben precisi specificati per ogni prova nella norma stessa (es. messa in tensione di parti accessibili,
incendio, espulsione di parti etc)
Si devono poi eseguire prove individuali che sono essenzialmente delle verifiche di caratteristiche che non
possono essere garantite dalla bonta’ del progetto in quanto dipendenti dalle lavorazioni di
produzione/assiemaggio
e che vanno eseguite sul 100% dei prodotti, possibilmente alla fine della fase di
assiemaggio, durante e dopo il collaudo funzionale dell’apparecchio
Si possono poi eseguire le prove sotto accreditamento che consistono nella determinazione di una
o più caratteristiche del prodotto secondo metodologie ben definite”, sono effettuate da laboratori
accreditati ai sensi della norma ISO/IEC 17025 e sono a supporto dei processi di produzione o di attività di
valutazione della conformità.
In relazione al settore in cui vengono effettuate e agli scopi che perseguono, le prove possono essere
di tipo diverso (acustico, biochimico, biologico o microbiologico, chimico civile, corrosione, elettrico ecc…) e
trovano applicazione in una molteplicità di settori industriali (sicurezza alimentare, informatica e
telecomunicazioni, automotive metalmeccanica e siderurgica ecc..
•
IMPIANTI INDUSTRIALI
LINEE TRANSFER RIGIDE
Sequenza di macchine NC collegate da sistemi automatici rigidi di
lavorazione complesso, rigidamente predefinito ed immutabile.
movimentazione che svolgono un ciclo di
Caratteristiche:
•
eseguono manipolazioni ripetitive in base a programmi ripetitivi e immutabili.
•
per cambiare la sequenza dei movimenti è necessario cambiare programma.
•
FMS: Flexible manufacturing systems
Sistemi operativi composti da più macchine CNC e/o robot a loro volta controllati da un computer
centrale che fornisce ai computer – macchina gli input per la scelta dei singoli programmi specifici di
ciascuna NC.
• E’ possibile mutare i cicli di ciascuna macchina e quindi l’intero ciclo di lavorazione del FMS.
Caratteristiche:
• Precisione, rapidità, bassi costi unitari
• Versatilità, adattabilità, convertibilità
Si
•
•
•
distinguono a seconda della complessità in:
Celle flessibili di lavorazione (FMC)
Moduli flessibili di lavorazione (FMM)
Sistemi flessibili di produzione (FMS)
AREE DI APPLICAZIONE PER VOLUME E VARIETÀ
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