Le ultime frontiere della meccatronica

Meccanica più elettronica, uguale meccatronica: etimologia chiarissima per un termine che è divenuto molto popolare, soprattutto nel mondo dell'accademia e dei centri di ricerca pubblici. Ma cos'è, in concreto, la meccatronica? Più che una tecnologia a sé stante, la stretta integrazione tra meccanica, elettronica e informatica può essere considerata come una chiave di lettura che copre molte moderne applicazioni nel campo delle macchine e dell'automazione industriale - praticamente tutte quelle che comportano l'impiego di controlli elettronici per gestire il movimento di organi meccanici. Da un punto di vista strettamente elettronico si potrebbe affermare che lo specifico della meccatronica è la necessità di fondere in una stessa applicazione entrambi gli aspetti delle grandezze elettriche, informazione ed energia; la capacità di rappresentare l'informazione è infatti necessaria per svolgere le funzioni di controllo, mentre la capacità di trasportare energia è indispensabile per muovere gli organi meccanici. Viceversa, da un punto di vista meccanico la meccatronica è ciò che consente di scindere l'informazione dall'energia, due aspetti che nelle applicazioni meccaniche tradizionali sono legati in modo indissolubile: una camma, ad esempio, realizza al tempo stesso una trasmissione di energia (il moto) ma anche una trasmissione di informazione (riguardante il particolare profilo di movimento che si intende ottenere). I principali settori applicativi della meccatronica sono la robotica, le macchine automatiche (per assemblaggio, packaging ecc.) e l'industria automobilistica. In questa sede non affronteremo il vastissimo tema della robotica; ci limiteremo a una breve panoramica sulle applicazioni di motion control (con particolare riferimento agli standard di programmazione) e su quelle del settore automobilistico.

Il motion control
La tecnologia del motion control consente di realizzare macchine in cui il coordinamento tra gli organi in movimento è ottenuto per via elettronica, anziché tramite i tradizionali sistemi meccanici di distribuzione del moto (alberi, cinghie, ruote dentate, camme ecc.). Uno dei principali settori applicativi del motion control è quello delle macchine automatiche, ad esempio nel settore del packaging. In un certo senso la nascita delle macchine basate sul motion control (dette anche “macchine meccatroniche”) può essere considerata come il punto d'arrivo di un'evoluzione iniziata nel secolo scorso, quando lo stato delle tecnologie rendeva conveniente usare un unico motore elettrico per muovere addirittura un intero gruppo di macchine. Ciò avveniva ad esempio nelle fabbriche, dove decine di macchine utensili erano mosse da pulegge collegate ad alberi che attraversavano il soffitto. Un altro possibile esempio è la rete dei vecchi “cable car” di San Francisco, tutti mossi da un unico motore centralizzato: la distribuzione del moto è affidata in questo caso a un cavo metallico che scorre in un solco tra le rotaie, cavo al quale le singole carrozze si aggrappano per farsi trascinare. Le soluzioni di motion control si collocano all'estremo opposto di questa dimensione evolutiva, poiché presuppongono l'impiego di un diverso motore per ogni singolo organo meccanico in movimento. Alla base di questa evoluzione stanno ovviamente i progressi dell'elettronica.

Gli standard software per il motion control
Un aspetto particolarmente interessante delle tecnologie di motion control è la messa a punto di standard per la realizzazione del relativo software, ad esempio nelle applicazioni riguardanti le macchine di confezionamento. L'incidenza del software sul costo totale di queste macchine è in continuo aumento anche a causa della richiesta di maggiore flessibilità da parte degli utilizzatori (industrie produttrici di alimentari, bevande, farmaci, articoli per la cura della persona ecc.). Questa esigenza deriva dall'evoluzione del mercato dei prodotti di largo consumo, oggi caratterizzati da un breve ciclo di vita e da un elevato numero di varianti; di qui la necessità di sviluppare in tempi brevi più versioni diverse della stessa macchina confezionatrice. La crescente pressione sul fronte del software di motion control può essere governata solo ricorrendo a soluzioni basate su standard industriali, che facilitino lo sviluppo e il riutilizzo dei programmi. La standardizzazione nel campo del software per motion control viene perseguita dagli organismi internazionali PLCopen e Omac. PLCopen si pone l'obiettivo di estendere al motion control i vantaggi della standardizzazione nel quadro della norma IEC 61131-3, al fine di rendere il software indipendente dall'hardware e facilitare il riuso di programmi esistenti. Per raggiungere questo risultato l'organismo ha definito una serie di “blocchi funzionali”, ciascuno dei quali rappresenta una delle funzioni elementari che possono essere richieste a un asse. Ad esempio, il blocco MC_MoveAbsolute serve a portare l'asse in una determinata posizione assoluta; MC_MoveRelative comanda il movimento di una determinata distanza rispetto alla posizione al momento dell'esecuzione; MC_PositionProfile comanda uno specifico profilo di movimento posizione-tempo, ecc. Ogni blocco appare al programmatore come una “scatola nera” dotata di ingressi e uscite; il codice contenuto al suo interno è “incapsulato” e quindi nascosto. Più blocchi funzionali diversi possono essere collegati tra loro per realizzare funzioni complesse, ad esempio (con riferimento a un film plastico) per descrivere operazioni di avvolgimento, svolgimento e taglio. Lo standard comprende numerosi blocchi funzionali specifici per le funzioni di motion control. Esistono inoltre altri blocchi rivolti al coordinamento tra più assi; ad esempio CamIn crea una camma elettrica stabilendo una relazione tra un asse master e un asse slave; GearIn comanda un determinato rapporto di velocità tra asse master e asse slave ecc. Un ulteriore gruppo di blocchi, infine, è dedicato espressamente alle funzioni legate alla sicurezza della macchina. Lo sviluppo di macchine complesse richiede, oltre all'impiego dei blocchi funzionali predisposti da PLCopen, anche altri blocchi definiti dall'utilizzatore, il tutto nell'ambito di una programmazione “object oriented”. Alcune delle soluzioni presenti sul mercato sono basate su una struttura comprendente tre livelli principali: uno strato di firmware, al quale si collocano i blocchi funzionali di PLCopen; uno strato di middleware, che comprende i blocchi funzionali definiti dall'utilizzatore; e infine uno strato di software vero e proprio, nel quale trovano spazio il programma applicativo e il modello degli stati definito dallo standard PackML di Omac (vedi oltre). Tradizionalmente la programmazione object oriented non viene utilizzata per i Plc, ma questo approccio si rende oggi necessario per facilitare il riutilizzo di software esistente. Un “oggetto” è un blocco funzionale definito dall'utilizzatore, ad esempio “general axis management”, che riunisce tutte le funzioni di un asse. Per ciascuna funzione, questo blocco effettua “chiamate” ai blocchi funzionali PLCopen che si trovano a livello inferiore (firmware). L'organismo Omac ha messo a punto due principali soluzioni rivolte al settore delle macchine di packaging: PackTags e PackML, ora compresi negli standard statunitensi Ansi/ISA-88. PackTags stabilisce una terminologia convenzionale unificata e strutture di dati standardizzate per facilitare la distribuzione e l'integrazione di programmi di automazione, mentre PackML è un modello standardizzato degli stati della macchina che facilita il coordinamento tra più macchine diverse e semplifica lo sviluppo di sistemi di visualizzazione e raccolta dati. L'integrazione degli standard PackML e PackTags nelle soluzioni di automazione rende meno onerosa la sincronizzazione fra i Plc delle linee coordinate, consentendo velocità più elevate e riducendo la necessità di convogliatori e/o accumulatori di bufferizzazione. Gli standard Omac, inoltre, facilitano il monitoraggio delle prestazioni delle macchine.

La meccatronica nelle auto
Anche nelle automobili, come nelle macchine automatiche, l'elettronica può consentire una significativa semplificazione della meccanica, con vantaggi in termini di ingombro, peso e costo. Rientrano in questa categoria le tecnologie “drive by wire”, che in futuro consentiranno la realizzazione di un posto guida basato su comandi elettronici paragonabili a quelli di un videogioco o di un simulatore. Il volante e i pedali saranno in realtà trasduttori di posizione (encoder) incaricati di rilevare le intenzioni del guidatore e trasmetterla via cavo ai sistemi elettronici. Nel caso dello sterzo (“steer by wire”) saranno eliminati il piantone del volante e i circuiti idraulici; la deviazione delle ruote sterzanti sarà affidata a un motore elettrico. Nel caso dei freni (“brake by wire”) verranno eliminati i circuiti idraulici comandati dal pedale. Attualmente le implementazioni pratiche di questa filosofia riguardano solo il pedale dell'acceleratore; in questo caso l'eliminazione del tradizionale cavo metallico consente ai sistema di muovere la valvola a farfalla per compensare le variazioni di carico anche se il piede sul pedale rimane fermo (Electronic Throttle Control). Rientra nel campo delle applicazioni meccatroniche anche la realizzazione di sistemi che azionano il cambio di velocità, come l'Automated Manual Transmission di Magneti Marelli, noto anche come Selespeed, derivato dalla Formula 1. Il dispositivo opera sul cambio manuale di un'automobile nello stesso modo in cui agisce il guidatore: apre e chiude la frizione, innesta e disinnesta le marce e, quando necessario, comanda anche la selezione del cambio (modalità di cambio marcia automatico o sequenziale). Cuore del sistema di comando è una centralina elettronica di controllo della trasmissione che gestisce i cambi marcia sulla base delle richieste del guidatore e delle condizioni operative del veicolo. L'ultima generazione dell'Amt è stata battezzata da Magneti Marelli “cambio meccatronico” perché integra per la prima volta in un unico kit la parte elettronica di comando e la parte idraulica di attuazione della trasmissione. Un esempio estremo delle semplificazioni meccaniche ottenibili tramite l'elettronica è rappresentato dai futuri motori senza camme, nei quali l'apertura delle valvole di aspirazione e scarico non sarà più comandata dalle tradizionali camme meccaniche bensì da attuatori elettrici comandati elettronicamente. Questa particolare applicazione di “motion control” consentirà di eliminare non solo l'albero a camme, ma anche il motorino d'avviamento, poiché diverrà possibile innescare lo scoppio nei cilindri senza muovere l'albero motore. Una delle società maggiormente impegnate nello sviluppo di motori senza camme è la francese Valeo.

La meccatronica in Italia
In Italia la meccatronica è al centro di numerose iniziative che coinvolgono associazioni imprenditoriali, università e centri di ricerca pubblici, con finalità legate perlopiù allo sviluppo di distretti economici di rilevanza regionale o provinciale. A Reggio Emilia è stato creato il “Club Meccatronica”, promosso da un gruppo di imprenditori della locale Associazione Industriali, che organizza annualmente un Premio Italiano Meccatronica in collaborazione con l'inserto Nòva de Il Sole 24 Ore. Sempre a Reggio Emilia sorge il laboratorio di ricerca regionale Mectron, attivo appunto nel campo della meccatronica. A Bari è nato il Distretto Pugliese della Meccatronica (Medis), per iniziativa di Regione Puglia, Arti (Agenzia Regionale per la Tecnologia e l'Innovazione), Confindustria Bari, Università e Politecnico di Bari e varie aziende operanti in zona (Bosch, Centro Ricerche Fiat, Getrag, Magneti Marelli). In Umbria è stato costituito il consorzio Pomec (Polo Meccatronico dell'Umbria), un'aggregazione d'imprese, università e laboratori privati di ricerca applicata. Oltre all'università di Perugia, il Polo Meccatronico comprende numerose aziende umbre e la multinazionale Rexroth (gruppo Bosch). A Vicenza è nato un Distretto Formativo Meccatronica per iniziativa della locale Confindustria, del Dipartimento di Meccatronica dell'università di Vicenza e di altri soggetti. A Torino la Regione Piemonte ha dato vita a Mesap (Polo di Innovazione della Meccatronica e dei Sistemi Avanzati di Produzione), iniziativa che coinvolge un centinaio di soggetti, tra Pmi, grandi imprese e organismi di ricerca. Anche in Sicilia, infine, esiste un Distretto della Meccatronica a cui aderiscono numerose aziende.

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