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Dalla meccanica alla meccatronica.
Per le macchine di confezionamento
e imballaggio si apre una nuova fase, nella quale il progetto deve essere sviluppato in modo sistemico così da ottimizzare tutti i componenti
e prendendo in esame anche fenomeni secondari fino ad oggi trascurati. Ecco come cambierà
lo scenario competitivo nei prossimi anni.
Mario Salmon | | | | | Evoluzione nella progettazione delle macchine automatiche. Questo è il titolo del simposio organizzato di recente presso il Museo del Patrimonio Industriale di Bologna, da Elau in collaborazione con l’Associazione Meccanica. Si è trattato di un incontro di notevole livello che, nonostante si sia svolto di sabato mattina, è stato partecipato da oltre 200 operatori, in rappresentanza del mondo accademico, delle aziende produttrici di macchine automatiche e degli end-user.
Gli interventi hanno complessivamente tratteggiato lo stato dell’arte del settore dando indicazione su quelli che saranno i probabili sviluppi futuri in materia di progettazione. In apertura dei lavori sono intervenuti Roberto Curti padrone di casa, direttore e, possiamo dire, inventore del Museo del Patrimonio Industriale, e Marco Padovani, presidente della Associazione Meccanica che riunisce, da oltre venti anni, il fior fiore dei tecnici emiliani, nonché Erwin Fertig presidente della Elau AG. A seguire si sono succeduti gli interventi più tecnici di Gabriele Vassura, Claudio Melchiorri e Alberto Tonielli dell’Università di Bologna, di Thomas Cord della Elau, di Ermanno Capritti della Nestlè e di un progettista, Gilberto Poli, della TMC (Tissue Machinery Company) di Bologna.
Il simposio è stato coordinato da Gianluigi Gamberini, nella duplice veste di presidente della Associazione Amici del Museo e di imprenditore.
Il primo obiettivo raggiunto con questo incontro è stato quello di mettere intorno a un tavolo attori che raramente hanno occasione di confronto. E questo è stato possibile proprio grazie allo spirito d’iniziativa dell’azienda tedesca di sistemi di motion control, Elau, che ha scelto Bologna come sede della filiale italiana, arrivando a fatturare, dopo soli tre anni, oltre 6 miliardi nel solo settore dei controlli, azionamenti e motori.
Numerosi sono stati gli spunti offerti dai vari relatori, ma piuttosto che tentare un’ardua sintesi di carattere generale, riteniamo più opportuno focalizzare l’attenzione su due interventi, forse i più interessanti in senso strategico, in quanto indicano da una parte i nuovi mezzi concepiti dalla Elau specificamente per il settore del packaging, e dall’altra alcune delle difficoltà che si devono saper superare per la loro applicazione, come ha avuto modo di precisare Tonielli.
Attenti alle curve
L’intervento di Alberto Tonielli è stato certamente il più stimolante della giornata in quanto ha saputo mettere in correlazione le conoscenze teoriche del docente e del ricercatore con una considerevole esperienza pratica, acquisita “sporcandosi le mani” in diversi casi reali di macchine per l’imballaggio.
La relazione svolta in chiave di “problematiche”, e quindi di “elementi critici” più che di “possibilità” e “punti di forza”, ha evidenziato le prestazioni “nascoste” che, all’aumentare delle richieste di velocità, possono diventare un fattore importante e limitante nei nuovi sistemi “meccatronici” utilizzati nelle macchine automatiche.
Con linguaggi e strumenti accessibili anche ai non esperti, Tonielli dopo una rapida panoramica delle tecnologie disponibili - motori AC con inverter, motori a passo, motori brushless - ha puntato l’attenzione sul comportamento di sistemi di controllo assi che debbano realizzare un moto sinusoidale.
In dettaglio ha dimostrato come la risposta di questo sistema si degradi all’aumentare della frequenza, non solo in termini di attenuazione in ampiezza dell’uscita, ma anche di sfasamento dell’uscita.
In altre parole se si vuole realizzare un moto come quello indicato in blu nella figura 1 succede che, all’aumentare della frequenza, il moto reale generato ha un’ampiezza ridotta e un ritardo di fase: nella figura si vede infatti come nel caso a) il moto ottenuto è quasi uguale a quello “comandato”, mentre nel caso d) il moto ha non solo un’ampiezza ridotta ma anche un forte ritardo di fase.
Tonielli ha poi fatto “toccare con mano” cosa questo significhi in un caso reale. La figura 2 infatti indica come, nella pratica, la legge del moto ottenuta (curva rossa) si allontani sempre più da quella teorica desiderata (curva blu) al passare della velocità della macchina da 25 a 50, a 100 ed a 200 battute al minuto: a questa velocità potrebbe sembrare che il sistema “funzioni bene” ma in realtà le distorsioni della legge del moto sono tali da indurre, verosimilmente, grossi problemi alla macchina, qualora venisse applicato.
Un altro tema “caldo” esaminato da Tonielli è stato poi quello dell’integrazione con la parte meccanica del sistema: partendo da un modello classico di azionamento, quello di figura 3, ha messo in evidenza come la scelta del rapporto di trasmissione abbia un’influenza fondamentale sulla definizione dei valori di risonanza del sistema: diminuendo il rapporto di trasmissione, le frequenze proprie del sistema si abbassano e quindi, a parità di componenti meccanici, aumenta il rischio di incappare in fenomeni di risonanza, come illustrato in figura 4. Fenomeni di risonanza, che possono essere eccitati dalle leggi del moto utilizzate, e che diventano difficili da evitare mano a mano che le macchine automatiche operano con leggi del moto variabili. In conclusione Tonielli ha evidenziato come i fattori critici dipendono dalle leggi del moto utilizzate, dai rapporti di riduzione, dall’elasticità e smorzamento della catena cinematica, dal bilanciamento ottimale delle inerzie del motore e dei cinematismi mossi.
Per aggirare questi vincoli i sistemi di movimentazione devono essere progettati con:
• un approccio sistemico (mai studiando una parte alla volta);
• in modo iterativo (non accontentandosi di una soluzione “funzionante” ma cercando ottimizzazione e robustezza);
• l’impiego di strumenti di simulazione basati su CAD 3D particolarmente potenti e di utilizzo non complesso.
Possiamo dire, in sintesi, che la relazione di Tonielli chiude l’era della progettazione puramente dinamica-cinematica e indica le difficoltà da considerare per entrare nel campo delle alte velocità e limitate rigidezze, dove la progettazione deve comprendere i fenomeni elastodinamici seguendo quindi la strada già percorsa, in contesti differenti, dai costruttori di macchine utensili e robot.
Il suo intervento, che non aveva ovviamente né scopi scientifici, né tantomeno didattici, ha probabilmente ottenuto lo scopo di avvisare gli utenti sul fatto che la meccatronica stia entrando in una nuova era; una fase in cui, dopo aver sostituito sistemi meccanici con sistemi di motion control, si rende necessario, anche per quanto riguarda le macchine automatiche, sviluppare fin dall’inizio il progetto in modo sistemico, ottimizzando tutti i componenti, analizzandoli nello spazio delle frequenze e prendendo in esame fenomeni secondari fino a oggi trascurati.
Il futuro È nell’integrazione
Elau, si può dire con grande signorilità, si è ritagliata un ruolo quasi secondario durante il simposio, limitandosi a una sola presentazione tecnica tutta centrata sulla filosofia di prodotto portata avanti con coraggio in questi anni.
Elemento caratterizzante della sua strategia è stato, fin dall’inizio, quello di aver pensato la propria gamma in modo ben diverso da gran parte della concorrenza, così da ottenere uno specifico posizionamento di mercato.
Entrando nel campo dei “motion control systems” la Elau ha scelto di mettere la parola “sistemi” davanti a tutto, con l’obiettivo di non realizzare una serie di componenti pensati dal “basso all’alto”, come invece hanno fatto gli altri costruttori che, prima o poi, hanno dovuto fare i conti con la difficoltà di integrare le funzioni di programmazione del motion control e le funzioni logiche tipiche dei PLC. L’esperienza ha dunque dimostrato che “aggiungere funzioni di motion control al PLC” (soluzione diciamo classica), oppure “aggiungere funzioni PLC ai motion control”, porta inevitabilmente a sistemi o troppo lenti, nel primo caso, o di difficile programmazione e gestione, nel secondo caso.
Elau ha “tagliato la testa al toro” e, forse per prima anche se oggi non unica, ha proposto un sistema integrato nel quale, in un unico ambiente, convivono programmazione delle funzioni logiche e controllo del moto.
PacDrive (trade name della Elau) permette, così, di programmare nello standard IEC 1131 tutte le funzioni e consente al programmatore di avere una visione unitaria della macchina senza dover continuamente “guardare” ai mondi del moto e della logica con occhio e linguaggi diversi, e con tutte le difficoltà ben note di interfacciamento, sincronizzazione, gestione delle emergenze e degli interrupt.
Dopo aver creato, quasi inventato, questo ambiente, la Elau lo articola per il mercato proponendo due diversi hardware : - nel caso che non vi siano forti richieste di programmazioni specifiche e di particolari interfacce verso il mondo esterno, operatore o rete, e si voglia privilegiare il costo di produzione, offre un hardware specifico, il PacController (figura 5) particolarmente compatto;
- nel caso invece che vi sia necessità di disporre di programmi complessi è possibile “montare” il software su un PC qualsiasi, sul quale il main program è un software “industriale” con sistema operativo specifico VxWindows, che “fa girare” Windows come un suo task; in questo modo si ottiene un sistema (figura 6), ampiamente indipendente dalla scelta del PC industriale utilizzato, che presenta la robustezza di un sistema specifico insieme a tutte le enormi possibilità e strumenti di Windows NT. Con questa architettura Elau si muove in sincronia, anzi in anticipo, rispetto alle linee di evoluzione dei sistemi di controllo per macchine automatiche, che tendono alla convergenza e all’integrazione di funzioni del tipo interfaccia TCP/IP verso Internet, architetture “open” su hardware basato su PC, programmazione basata su standard IEC 1131, ovviamente senza sacrificare, è inutile dirlo, le prestazioni del generatore di moto vero e proprio.
Più’ attenzione alla formazione
Gli altri relatori hanno contribuito, con perizia, a fare il punto sull’utilizzo delle tecnologie elettroniche nel mondo del packaging, in un momento in cui molte aziende stanno passando a utilizzare questi nuovi mezzi, per mantenere quella competitività che per anni è stata basata sull’eccellenza nella progettazione meccanica, e che in futuro dovrà fondarsi sempre più su una progettazione sistemica e un utilizzo ottimale dei componenti commercialmente disponibili. Per realizzare questo salto di qualità sarà necessario anche un completamento dei percorsi di formazione iniziali e di formazione permanente, e di conseguenza è utile segnalare due nuove iniziative in quest’ambito: il nuovo corso di laurea in Automazione Industriale, presso l’Università di Bologna e i corsi sul tema della meccatronica, organizzati dalla Fondazione Aldini Valeriani.
Per concludere, nel momento in cui il settore delle macchine per il packaging appare bisognoso di nuovo vigore, eventi come questo simposio tecnico possono rappresentare la base di un reale processo di innovazione tecnologica mirata al mercato. Potremmo quindi dire, “avanti a chi tocca”. n
Ingegner Mario Salmon
Consulente Industriale
[email protected] | | How automatic machines are changing
From mechanics to mechatronics. A new chapter opens for packing and packaging machinery, where the design must be developed in a systematic manner so that all components can be optimised and secondary phenomena, that until now have been overlooked, are also taken into account. Here’s how the competitive scenario is likely to change over the next few years.
“Evolution in the engineering of automatic machines” was the title of the recent symposium at the Museum of Industrial Heritage in Bologna organised by Elau in cooperation with the Italian Mechanics Association. This was a meeting at a high level that, despite it being held on a Saturday morning, was attended by more than 200 operators, representing the academic world, automatic machine producers and end-users.
Together, the various speakers drew an outline of the state of the art for this sector, with indications of what would most probably be the future developments in the matter of design. The meeting was opened by Roberto Curti, host, director and, dare we say it, inventor of the Museum of Industrial Heritage, and Marco Padovani, chairman of the Italian Engineering Association that has brought together the crème de la crème of technicians in Emilia Romagna for more than twenty years, as well as Erwin Fertig, president of Elau AG. They were followed by several more technical speeches by Gabriele Vassura, Claudio Melchiorri and Alberto Tonielli of Bologna University, Thomas Cord of Elau, Ermanno Capritti of Nestlè and a designer, Gilberto Poli, of TMC (Tissue Machinery Company) of Bologna.
The symposium was coordinated by Gianluigi Gamberini, in his dual role as chairman of the Friends of the Museum Association and businessman.
The first successful goal of this meeting was to get the leading figures in this sector to sit at the same table, since they rarely get a chance to compare points of view. This was made possible thanks to the spirit of initiative of the German motion control systems company, Elau, which has chosen Bologna as the location for its Italian branch and which now, after just 3 years, has a turnover of more than 6 billion Lira in the controls, drives and motors sector alone.
The various speakers offered many points for reflection, but rather than attempt to make a difficult summary here in general terms, we believe it’s best to concentrate on just two of the speeches, perhaps the most interesting in terms of strategy, as one spoke about the new means conceived by Elau specifically for the packaging sector, while the other discussed a few difficulties that one must know how to overcome in order to apply these, as Tonielli explained.
Watch those curves
The speech by Alberto Tonielli was certainly the most stimulating of the day as he managed to combine the theoretical knowledge of a teacher and researcher with considerable practical experience, obtained by “getting his hands dirty” in various real situations involving packaging machinery.
His speech took the form of “problems”, and thus “key elements” rather than “possibilities” and “strong points”. Tonielli highlighted the “hidden” performance that, as demands for greater speed are on the increase, can become an important, but limiting factor in the new “mechatronic” systems used in automatic machines.
Using language and tools easily understood by non experts, Tonielli gave a quick overall picture of the technology currently available - AC motors with inverter, stepping motors, brushless motors - and then turned his attention to the behaviour of axis control systems that must create a sinusoidal motion.
He then went on to describe in detail how the response of this system drops as the frequency rises, not just in terms of attenuation in the amplitude of the output, but also of output phase displacement.
In other words, if one wants to create a motion like that indicated in blue in figure 1, one finds that, as the frequency rises, the actual generated motion has a lower amplitude and a phase delay: in fact, the figure shows how in case a) the motion obtained is almost the same as that “driven”, while in case d) not only does the motion have reduced amplitude, but there is also a substantial out of synch.
Tonielli then provided “hands-on experience” of what this means in a real case. In fact, figure 2 shows how, in practice, the law of motion obtained (red curve) grows further and further away from the theoretical curve desired (blue curve) as the machine speed goes from 25 to 50, 100 and then 200 strokes per minute: at this speed it might seem that the system “works well”, but in reality, the distortions in the law of motion are such that, very likely, there will be big problems with the machine if actually applied.
Another “hot” theme looked at by Tonielli was that of integration with the mechanical part of the system: starting with a classic drive model, as in figure 3, he showed how the choice of transmission ratio has a fundamental influence on the definition of the values of resonance of the system: by lowering the transmission ratio, the frequencies of the system also drop and so, with the same mechanical components, the risk of meeting resonance problems increases, as illustrated in figure 4. Resonance phenomena, that can be excited by the laws of motion used and which become hard to avoid the more automatic machines operate with variable laws of motion.
To sum up, Tonielli showed how the key factors depend on the laws of motion adopted, the reduction ratios, the elasticity and damping of the kinematic chain, optimal balancing of the motor inertia and varying kinematics.
To get around these restraints, motion systems must be designed with:
• a systemic approach (never studying just one part at a time);
• a ripetitive method (not looking for a “functional” solution, but optimisation and strength);
• the use of very powerful, but not complex, 3D CAD simulation tools.
In brief, we can say that Tonielli’s speech closed the era of purely kinematic engineering and indicates the difficulties one should bear in mind when entering the field of speed and rigidity, where the design must take into account the elastic-dynamic phenomena, following a path already traced out, but in a different context, by machine tool and robot manufacturers.
His speech, which obviously had neither a scientific nor didactic aim, probably had the aim of warning users as to the fact that mechatronics is now entering a new era; a phase where, having replaced mechanical systems with motion control systems, it becomes necessary also for automatic machines to develop the design in a systematic way, optimising all the components, analysing them in the space of the frequencies and taking into account the secondary phenomena that have been overlooked until now.
The future’s in integration
It can be said that in a very courtly manner, Elau cast itself an almost secondary role during the symposium, limiting itself to just one technical presentation totally centred on the product policy it has bravely adopted in the last few years.
A characteristic feature of its strategy has been, right from the start, that of having viewed its product range in a different way from most of the competition, thus gaining a specific position on the market.
By entering the field of “motion control systems”, Elau has decided to place the word “systems” before all else, not with the object of creating a series of components conceived from the “bottom up”, but rather as other constructors have done who, sooner or later, have had to face the difficulties involved in integrating motion control programming functions and the logical functions typical of PLCs.
Experience has thus shown that “adding motion control functions to the PLC” (the “classic” solution), or “adding PLC functions to motion control”, inevitably leads to systems that are either too slow (in the first case) or too difficult to program and manage (in the second).
Elau has “cut the knot” and, perhaps, was the first (even if not the only one today) to propose an integrated system where programming of logic functions and motion control live side-by-side.
PacDrive (Elau’s trade name) thus lets one program all the functions using the IEC 1131 standard, while also letting the programmer to get an overall view of the machine without having to keep “looking” at the worlds of motion and logic with different eyes and languages, including all those well-known difficulties of interface, synchronism and emergency and interrupt management.
After having created, we might even say “invented”, this environment, Elau breaks it down for the market, offering two different pieces of hardware:
- if there is no great demand for specific programming and special interface with the outside world, operator or network, and if one wants to favour production costs, it offers a specific, particularly compact piece of hardware - the PacController (figure 5);
- if, on the other hand, one needs to have complex programs, it’s possible to “mount” the software on any PC, where the main program is an “industrial” software with a specific operating system - VxWindows - that “runs” Windows as if a task. This lets one get a system (figure 6) that greatly independent of the choice of industrial PC used, with the strength of a specific system together with all the enormous potential and tools of Windows NT.
With this architecture, Elau is in step, or even ahead, of the lines of evolution in control systems for automatic machines, which tend to favour convergence and integration of TCP/IP interface functions for Internet, “open” architecture on PC-based hardware and programming based on the IEC 1131 standard, though obviously without sacrificing anything in terms of the performance of the actual motion generator.
More attention to training
The other expert speakers helped to provide a full picture of the use of electronic technologies in the world of packaging, at a time when many companies are in the process of switching to these new means, in order to retain their competitiveness that for years has been the basis of their excellence in mechanical engineering and which in the future must be based ever more on systematic engineering and optimal use of those components available on the market. To make this radical change, it will also be necessary to supplement the initial training and on-going training of staff. Here it’s useful to mention two new initiatives in this area: the new degree course in Industrial Automation at the University of Bologna and the courses on the theme of mechatronics organised by the Aldini Valeriani Foundation. To sum up, at a time when the sector of packaging machinery seems to need fresh blood, events such as this technical symposium can represent the basis for real progress in technological innovation, aimed at the marketplace. We could even ask “next please”.
Ingegner Mario Salmon
Industrial Consultant
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Meccatronica
Anche se questo termine non è stato usato esplicitamente durante il simposio, la Meccatronica aleggiava sulla sala!
Infatti con questa parola, peraltro veramente brutta, si intende la realizzazione di sistemi meccanici azionati e “controllati” da sistemi elettrici.
Gli esempi di prodotti che utilizzano, anzi che sono basati, su questa disciplina sono innumerevoli: dalle macchine fotografiche automatiche, ai registratori video, alle memorie a dischi, alle macchine a CN, alle macchine operatrici, alle auto, agli aerei “fly by wire”, e infine, ai robot che sono l’esempio più tipico dell’applicazione della meccatronica nell’industria.
La Meccatronica è una disciplina trasversale, che integra cioè discipline elementari quali il controllo automatico, l’informatica, la meccanica e l’elettronica e per questo motivo ha trovato con difficoltà e ritardo un posto nelle Università.
È però opinione diffusa che l’utilizzo di questa “scienza”, trasversale anche ai campi di applicazione, è già oggi alla base dell’evoluzione di moltissimi settori industriali.
Per colmare questa lacuna di conoscenza gli operatori hanno a disposizione numerosi corsi di formazione e di aggiornamento.
Per la vicinanza con i temi trattati in questo articolo vogliamo ricordare quelli in fase di avviamento alla Fondazione Aldini Valeriani di Bologna (http://fav.it; email: [email protected]) destinati in parte a un primo acculturamento - 10 lezioni pomeridiane - in parte a fornire informazioni avanzate - tre giornate dedicate al motion control, ai motori lineari e alla elastodinamica.
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Mechatronics
Even if this term wasn’t used explicitly during the symposium, Mechatronics definitely hovered over the room! In fact, this word (whilst definitely an ugly one) means the creation of mechanical systems driven and “controlled” by electrical systems.
There are untold numbers of examples of products using, indeed based on, this discipline: from automatic cameras to video recorders, disk memories, NC machines, operating machines, cars, “fly by wire” aeroplanes and even robots, perhaps the best example of mechatronics in industry. Mechatronics is a cross-border discipline, in other words one that integrates elementary disciplines like automatic control, IT, mechanics and electronics, and for this reason has found it hard, and a lengthy process, to gain a footing in universities. It is, however, a widely held opinion that the use of this “science”, cross-border too in its fields of application, is already at the base of evolution today in many industrial sectors. To make up for this gap in knowledge, operators have a wide choice of training and refresher courses. Particularly close to the themes dealt with in this article, we should mention those currently being organised by the Aldini Valeriani Foundation of Bologna (http://fav.it; email: [email protected]) partly aimed at providing an initial introduction - 10 afternoon lessons - and partly offering more advanced information - three days dedicated to motion control, linear motors and elastodynamics.
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