ProMAP: software per la progettazione di macchine automatiche

Claudio Bonivento
Università degli Studi di Bologna



  • Sommario
    A partire dall’inizio del 1993, il LAR (Laboratorio di Automazione e Robotica, Università di Bologna) è stato coinvolto in una iniziativa di cooperazione con PMI per l’innovazione nel settore delle macchine automatiche per il confezionamento e l’impacchettamento. Al fine di poter realizzare una serie di complesse attività di ricerca applicata di nuove soluzioni architetturali basate sull’uso di attuatori elettrici controllati, è stato creato P.U.M.A. (Progetto Unificato per Macchine Automatiche), un consorzio comprendente cinque aziende e l’Università di Bologna. In una prima fase, alcuni gruppi di lavoro con conoscenze ed esperienze diversificate hanno esplorato soluzioni innovative per i problemi del progetto delle macchine, dell’impiego dei materiali utilizzati per l’impacchettamento ed il confezionamento, dell’eliminazione delle vibrazioni e del rumore, e della razionalizzazione ed automazione dell’assemblaggio. In una seconda fase, l’attività si è focalizzata sul tema del controllo degli attuatori elettrici e sull’analisi cinematica e dinamica delle catene meccaniche che collegano i dispositivi operativi e gli attuatori. L’obiettivo finale consiste nel creare un potente strumento CAD basato su MATLAB e SIMULINK, denominato ProMAP, per il progetto e la valutazione di nuove soluzioni caratterizzate da flessibilità operativa ed affidabilità.


  • Introduzione
    La convinzione che la tecnologia elettronica ed informatica giochi un ruolo significativo nel progetto di macchine per l’impacchettamento è molto diffusa ed accettata tra gli operatori del settore. Oltre a diminuire il rischio di obsolescenza per le apparecchiature, la tecnologia elettronica e di controllo può aiutare notevolmente nel soddisfare le richieste degli utenti per avere macchine maggiormente versatili, con la possibilità per esempio di cambiare la forma del prodotto senza modifiche significative delle apparecchiature. Una conseguenza di questa prospettiva è che la competitività di un produttore di macchine per il confezionamento dipenderà molto dalla propria capacità di evolvere da una tecnologia meccanica ad una di tipo elettrico, di rendersi conto delle soluzioni tecnologiche disponibili e di ideare nuove soluzioni. Tuttavia, esistono due fattori che in qualche modo ostacolano questo processo. Da un lato la natura relativamente innovativa delle applicazioni elettroniche progettate per queste macchine e, dall’altro, la maggior attenzione che i costruttori hanno sempre dato agli aspetti meccanici a causa principalmente del loro bagaglio sia di esperienze che culturale. Questi problemi sono sentiti con sempre maggior consapevolezza da un crescente numero di produttori italiani, che si preparano ad affrontare la formidabile competizione sia americana che tedesca. Ciò giustifica il fatto che Bologna, nelle cui vicinanze si concentra la maggior parte dei produttori italiani di macchine per l’impacchettamento, è divenuta il centro di uno studio di ricerca applicata specificatamente focalizzato sui problemi derivanti dall’introduzione della tecnologia elettronica in questo settore. Questa iniziativa, chiamata P.U.M.A., ha condotto nel 1993 ad un consorzio composto da cinque industrie (Cassoli, GD, ICA, IMA, Wrapmatic) e dall’Università di Bologna. Mentre cooperazioni di questo tipo sono relativamente comuni in nazioni come gli Stati Uniti, spesso esse generano notevoli difficoltà in Italia, a causa delle forti barriere competitive che solitamente dividono le industrie di un settore, per non citare gli ostacoli burocratici che caratterizzano spesso i rapporti tra il mondo accademico e quello industriale.

    Le ditte partners hanno deciso di utilizzare P.U.M.A. per predisporre una serie di strumenti ed esperienze al fine di essere pronte allorchè le tecnologie elettroniche entreranno pesantemente nel settore, sospinte dalle richieste del mercato. In effetti, P.U.M.A. non si propone di produrre nuove macchine per una loro immediata commercializzazione, bensì di dimostrare che anche per questo tipo di macchine il controllo degli assi di movimento con attuatori elettrici è utilizzabile ed affidabile come quello di tipo meccanico.


  • Un approccio unificato all’innovazione
    Al momento, le attività di P.U.M.A. sono concentrate essenzialmente su due punti: nuove architetture delle macchine e controllo di attuatori elettrici. In particolare, si stanno sviluppando nuovi strumenti, come pacchetti software interattivi per il progetto di macchine basati su simulazioni e considerazioni di dimensionamento.

    Infatti, al fine di minimizzare il costo progettuale di una nuova apparecchiatura, calcoli cinematici e cinetostatici possono essere utilizzati in modo intensivo per determinare le prestazioni ed i vincoli progettuali della macchina, o di alcune sue parti, prima di iniziarne la realizzazione effettiva. Inoltre, tutti i componenti, includendo quelli elettronici e meccanici, possono essere attentamente dimensionati. Questo è un approccio culturale presente da lungo tempo in altre aree tecnologiche, ma che si discosta nettamente dal modo di progettare comunemente adottato nel settore delle macchine automatiche.

    Un prodotto importante di P.U.M.A. è il pacchetto software chiamato ProMAP (Progettazione Macchine Automatiche per Packaging), basato sull’ambiente MATLAB-Simulink della MathWorks. ProMAP comprende alcuni moduli, con possibilità di scambio dati, che sono orientati ai seguenti obiettivi generali:

    1. rendere disponibili alternative per il progetto dell’architettura delle macchine;
    2. esecuzione di una analisi cinematica e cinetostatica dei modelli delle macchine definite dal progamma precedente;
    3. dimensionamento dei sottosistemi per compensare gli effetti sia sulle macchine che sul prodotto di micro-interruzioni dell’alimentazione e di spegnimento manuale;
    4. taratura degli algoritmi di controllo degli attuatori elettrici e relativa prototipizzazione veloce per una rapida esperimentazione pratica.

  • Le funzionalità di ProMAP
    Il programma ProMAP consente di effettuare dimensionamenti e simulazioni di sottoparti di una macchina automatica. Il pacchetto software è orientato alla risoluzione di problemi cinematici, dinamici ed energetici tipici delle catene cinematiche per la trasmissione del moto e la generazione di movimenti particolari, da fare eseguire ai mezzi operativi specifici (MOS). In questo ambito ProMAP assiste il progettista, fornendogli un mezzo molto semplice da usare quanto potente nell'analisi.
    I campi di pertinenza di ProMAP sono:
    • Disegno schematico di macchina
    • Analisi Cinematica Inversa
    • Analisi Cinematica Diretta
    • Analisi Dinamica Inversa
    • Analisi Funzionale
    • Analisi Energetica
    Le varie analisi condotte da ProMAP vengono effettuate su una schematizzazione della catena cinematica effettuata tramite blocchi convenzionali, rappresentanti i cinematismi di uso più frequente. A ciascun blocco cinematico sono associati differenti modelli matematici che ne descrivono il comportamento nelle varie analisi. Così, per ogni blocco, esiste una funzione descrittiva per l'analisi funzionale, per l'analisi cinematica inversa, per l'analisi cinematica diretta e per l'analisi dinamica inversa. Le assegnazioni di queste funzioni al blocco in oggetto avvengono automaticamente in base all'analisi contestuale che il progettista vuole eseguire, in modo trasparente; si ha così l'impressione di lavorare sempre e comunque sullo schema originale della macchina, disegnato la prima e unica volta. Le varie analisi, quindi, hanno come struttura comune, lo schema originale della macchina che d'ora in poi verrà chiamato semplicemente schematico. E' compito di ProMAP richiedere all'utente i parametri appropriati per descrivere il blocco a seconda della particolare analisi da effettuare, ed è compito di ProMAP tradurre lo schematico originale in appositi schemi, peculiari dell'analisi stessa. I parametri che caratterizzano l'analisi funzionale sono gli indici di criticità dei cinematismi; i parametri che caratterizzano l'analisi cinematica sono le grandezze geometriche degli elementi (lunghezze aste, raggi ruote, numero denti, ecc..); i parametri che caratterizzano l'analisi dinamica comprendono quelli per l'analisi cinematica e inoltre masse, inerzie, forze e coppie. Diamo ora una rappresentazione schematica dei menù e del flusso di dati e risultati di ProMAP. Nelle figure seguenti i blocchi rettangolari smussati rappresentano i tasti del menù, i blocchi di tipo circolare i file letti o scritti da ProMAP.


  • Creazione / modifica modello
    • lo schematico è un file *.m il cui nome deve essere al massimo di 6 caratteri 'xxxxxx.m' e contiene lo schema a blocchi principale della macchina. E' accessibile all'utente mediante le funzioni di creazione e modifica del modello
    • i file topologici sono di due tipi:
      1. 'xxxxxx&&.mat' di carettere matematico contenente le matrici e le variabili usate da ProMAP per descrivere lo schematico. E' il risultato dell'operazione di compilazione modello. Non è mai accessibile direttamente all'utente ed il suo nome si ottiene aggiungendo la coppia di caratteri '&&' al nome dello schematico. Ogni nome di file contenente i caratteri '&&' specifica un file topologico e non deve mai essere modificato, pena un malfunzionamento o un arresto di ProMAP.
      2. 'xxxxxx.asc' è un file ascii, leggibile tramite un normale editor, e contenente un rapporto sul tipo di blocchi e le reciproche connessioni contenute nello schematico.
    Fig. 1: Crea/modifica/compila modello.


  • Analisi cinematica inversa
    L'analisi cinematica inversa, Fig. 2, parte traslando le informazioni del file topologico 'xxxxxx&&.mat' in uno schema di macchina con i collegamenti orientati dai MOS ai motori (file 'xxxxxxci.m'). Tutti i file generati nell'ambito della cinematica inversa hanno come caratteri iniziali o finali la coppia 'ci'.
    La simulazione vera e propria produce un file di risultati numerici per ogni uscita di ogni blocco presente nello schema. Tali file di risultati non sono accessibili direttamente ma tramite le routine di graficazione ed interpolazione; il loro nome è composto nel seguente modo :

    ciyyyyoo.mat
    dove :
    ci = abbreviazione di cinematica inversa
    yyyy = numero del blocco interno allo schema (max4 cifre)
    oo = numero dell'uscita del blocco nello schema (max 2 cifre)

    Fig. 2: Analisi cinematica inversa

    Una volta traslato lo schema ed assegnati i parametri geometrici ai vari blocchi, si può avviare la simulazione la quale, partendo dai profili di moto ai MOS immagazzinati nei file 'profili.mat', genera tutti i file 'ciyyyyoo.mat' ed i file 'tabelle.mat' che descrivono le tabelle delle eventuali camme, oscillatori, intermittori presenti nello schema. Successivamente è possibile visualizzare il contenuto di questi file di risultati tramite la procedura di graficazione.


  • Analisi cinematica diretta
    Il diagramma di flusso è quello di Fig. 3. Come si vede, l'analisi cinematica diretta avviene secondo le stesse modalità dell'analisi cinematica. Tutti i file generati da questo tipo di analisi sono caratterizzati dalla coppia di caratteri 'cd', i quali abbreviano le parole cinematica diretta. Inoltre questa volta la simulazione preleva i profili di moto presenti ai motori e le tabelle delle camme per fornire i profili di moto indotti ai MOS.

    Fig. 3: Analisi cinematica diretta.


  • Analisi dinamica inversa
    L'analisi dinamica inversa si svolge in maniera simile all'analisi cinematica inversa, Fig. 4. Tutti i file generati in questo ambito sono caratterizzati dalla coppia di caratteri 'di' i quali riassumono le parole dinamica inversa. La simulazione si avvale oltre che dei profili di moto di camme, oscillatori ecc... (genericamente indicati con il nome di 'tabelle.mat') e dei profili di moto ai MOS, anche di tutti i file prodotti dalla cinematica diretta 'xxxxxcd.mat'.

    Fig. 4: Analisi dinamica inversa.


  • Analisi funzionale
    L'analisi funzionale, Fig. 5, può avvenire solo dopo la compilazione del modello (Fig. 1) la quale fornisce il file topologico 'xxxxxx&&.mat'. Le funzioni:

    • - Crea Albero, - Modifica Indici, - Calcolo Indici, - Riepilogo Modello

      lavorano su file che descrivono i singoli blocchi in termini di indici di criticità, questi file hanno nomi che iniziano con il suffisso 'a_' ( il cui significato è abbreviare analisi funzionale). Invece la funzione

    • - Calcolo criticità modello

      è quella che effettua di fatto il calcolo complessivo degli indici di criticità, componendo gli indici di tutti i blocchi. Man mano che tale funzione valuta i singoli blocchi nello schema, si producono due file di risultati. Il primo file si chiama 'xxxxxx_a.m' e contiene lo schema di macchina con l'aggiunta di blocchi sonda per visulizzare gli indici di criticità globali e parziali. Il secondo file è numerico, si chiama 'xxxxxx.mat' e contiene 3 variabili che riassumono i valori degli indici di criticità della parte meccanica, della parte elettronica di controllo e della flessibilità operativa della macchina.

    Fig. 5: Analisi funzionale.


  • Analisi energetica
    Con il termine analisi energetica di una macchina si intende un procedimento di calcolo che consente di valutare i flussi di potenze e di energie presenti all'interno della macchina tra catene cinematiche ed azionamenti, e scambi energetici tra la macchina intera e il mondo esterno (rete Enel, dissipazione di calore verso l'ambiente).

    L'obiettivo di questo tipo di indagine è la quantificazione delle energie che occorrono alla macchina durante un ciclo master per poter funzionare a regime. È possibile sia una analisi di tipo globale (tutti gli azionamenti fanno capo ad unico bus in continua) sia una analisi relativa alla ripartizione dei vari azionamenti su più bus aventi caratteristiche diverse; chiameremo quest'ultimo tipo di indagine analisi partizionata per distinguerla dall'analisi globale. Questo tipo di studio può guidare il progettista nella scelta della ripartizione dei vari azionamenti tra i bus e nella scelta dei motori, a cui può essere convenientemente incrementata l'inerzia (volano) in modo da accumulare una maggiore quantità di energia cinetica che successivamente potrà essere riconvertita in energia elettrica per superare temporanei cali di alimentazione.

    Altro obiettivo fondamentale dell'analisi energetica è il dimensionamento dei tamponi energetici da porre sul bus in continua per consentire alla macchina di far fronte a temporanee micro interruzioni ed eventualmente di effettuare uno spegnimento controllato in caso di vero e proprio power failure.

    Per effettuare l'analisi energetica è indispensabile avere preventivamente eseguito l'analisi dinamica che consente di ricavare coppie e potenze necessarie al motore per trasmettere il moto alla catena cinematica; partendo dai motori si risale alle potenze ed energie relative all'azionamento e con un ulteriore passaggio si arriva infine a caratterizzare energeticamente il bus in continua e a quantificare lo scambio di potenza con la rete Enel.

    In pratica, selezionando l'opzione Analisi Energetica dal menù principale di ProMAP si attiva un ulteriore menù relativo alle diverse indagini conducibili (Fig. 6)

    1. Bilancio Energetico Globale
      Si considera la macchina nel suo funzionamento a regime (Velocità master costante) e si esegue un bilancio energetico relativo ad un ciclo macchina considerando che tutti gli azionamenti siano connessi ad un unico bus in continua. Gli scambi di potenze ed energie avvengono quindi tra tutte le catene cinematiche ed un’unica sorgente di alimentazione.

    2. Bilancio Energetico Parziale
      Si assume ancora un funzionamento a regime della macchina ma a differenza del precedente caso si considera la presenza di più bus in continua a cui fanno capo i diversi azionamenti.
      Per ogni bus e gruppo motori viene eseguito un bilancio energetico locale.

    3. Power Failure
      Si considera che la macchina funzioni in regime transitorio a causa del verificarsi dell'evento micro_interruzione (µI). In particolare si stabilisce per via grafica quale profilo di velocità master debba essere imposto nel caso in cui si presenti la µI e quale siano le modalità di spegnimento controllato della macchina (Fig. 7)
  • Le librerie di ProMAP
    Le classi principali, Fig. 8, sono le seguenti:
    • CINEMATISMI
      contiene ulteriori librerie di meccanismi
    • MOTORI
      contiene i blocchi degli attuatori
    • APP_CTRL
      contiene blocchi rappresentanti apparati di controllo
    • MOS
      contiene un solo blocco che è il Mezzo Operativo Specifico

    Fig. 8: Libreria base di ProMAP



  • Libreria cinematismi
    La libreria dei cinematismi contiene al suo interno altri sottogruppi di cinematismi, raggruppati sotto le voci indicate in (Fig. 9):
    • Alberi per trasmissione e Distribuzione
    • Catene per trasmissioni
    • Cinghie per trasmissione
    • Controlli di Coppia
    • Generatori di Moto (camme ecc..)
    • Ruotismi e movimenti con ruote
    • Manovellismi
    • Innesti



  • Libreria Attuatori

    Fig. 10: Libreria degli Attuatori

    In questa libreria sono inclusi alcuni tra i più comuni attuatori, classificati in due gruppi fondamentali individuati dalla 'A' o 'B' posta alla fine del nome ed indicante la taglia dell'attuatore. Gli attuatori di taglia 'A' sono più piccoli, in potenza, degli attuatori di taglia 'B'. Questo ha effetto solamente nell'analisi funzionale in cui a maggior potenza corrispondono indici di criticità lievemente più elevati.

    1. MTAS_A, MTAS_B: motore asincrono di taglia A o B
    2. MTCC_A, MTCC_B: motore in corrente continua di taglia A o B
    3. BRSH_A, BRSH_B: motore brushless di taglia A o B
    4. PNEU_A, PNEU_B: pistone pneumatico di taglia A o B



  • Libreria Apparati di controllo
    Gli apparati di controllo comprendono le parti elettroniche necessarie al governo e alla gestione delle parti automatiche della macchina. Sono quindi inclusi PLC, schede per controllo assi, ecc. Anche in questo caso sono state individuate tre taglie fondamentali,

    1. taglia 'A': taglia piccola, di basse prestazioni, economica
    2. taglia 'B': taglia media, di discrete prestazioni, meno economica di 'A'
    3. taglia 'C': taglia grande, di ottime prestazioni, non economica
    Il significato dei nomi dei blocchi di controllo è il seguente:

    1. MASTER: rappresenta il sincronismo fornito dal motore master di macchina
    2. LOG_A,LOG_B: apparati LOGici di controllo, PLC, Microprocessori, schede digitali ecc..
    3. OPEN_A,OPEN_B:
    4. S_UN_A, S_UN_B, S_UN_C: scheda assi per pilotare il motore Slave con un moto a velocità costante cioè UNiforme; asservimento in asse elettrico.
    5. S_IN_A, S_IN_B, S_IN_C: scheda assi per pilotare il motore Slave con un moto INtermittente; asservimento in intermittore elettrico.
    6. S_CM_A, S_CM_B, S_CM_C: scheda assi per pilotare il motore Slave con un profilo di moto a CaMma; asservimento in camma elettrico.

    Fig. 11: Libreria Apparati di controllo



  • Libreria M.O.S
    Questa libreria contiene un solo blocco rappresentante il Mezzo Operativo Specifico, ossia quell’elemento della catena cinematica direttamente a contatto con il prodotto da trattare.

    Fig. 12: Libreria Mezzi Operativi Specifici



  • Considerazioni conclusive
    Il lavoro descrive la struttura e le finalità applicative del pacchetto ProMAP che è stato prodotto nell’ambito di una collaborazione tra università ed industria per lo studio di nuove macchina automatiche. Oltre a questi fini progettuali specifici, il software può essere utilizzato in generale per l’analisi di cinematismi complessi nell’ambito di corsi universitari di meccanica applicata o di azionamenti elettrici. Il suo impiego è reso particolarmente semplice in quanto si basa sulle piattaforme di programmazione di MATLAB e SIMULINK.


  • Notizie sull’autore
    Claudio Bonivento è Professore Ordinario di Controllo dei Processi presso l’Università degli Studi di Bologna. Nell’ambito del Consorzio P.U.M.A., egli svolge la funzione di direttore tecnico-scientifico.


  • Riconoscimenti
    Il lavoro presentato riporta in parte contributi del Prof. A. Tonielli che è il responsabile del sotto-progetto per gli attuatori elettrici, e del Prof. G. Vassura che è il responsabile per il progetto funzionale delle macchine. Collaborazioni tecniche specifiche sono state apportate dagli Ingg. F.Canini, G. Canini, C. Melchiorri, D. Nobili, F. Valentini, R. Zanasi, A. Zuccheri.



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