VERSO LA meccatronica 2.0

Tecnologie
VERSO LA
meccatronica 2.0
Le più recenti evoluzioni della meccatronica riguardano sistemi di controllo, motori lineari
e direct drive, ambienti di progettazione che includono software, cad, e-cad e testing.
La partita dell’innovazione in futuro si giocherà sul campo della sensorializzazione
delle macchine e dell’Internet of Things
di Mario Salmon*
P
er leggere il futuro
facciamo un breve
riassunto della storia della
meccatronica. Nata nel 1969 e,
diciamo, registrata all’anagrafe nel
1973 da Yaskawa, ‘meccatronica’
è rimasto praticamente solo un
nome per molti anni. Dopo i primi
passi negli anni Settanta con le
macchine a controllo numerico e
i primi robot, negli anni Ottanta
la meccatronica ha cominciato
a correre con lo sviluppo dei
computer industriali e con la
diffusione dei microcomputer. La
sua corsa si è accelerata alla fine
degli anni Ottanta con i motori
brushless per poi continuare,
sempre più veloce, mano a
mano che i controllori e i relativi
software si evolvevano e i motori
Fig. 1. La piramide dell’automazione industriale: tutti i sistemi sono interconnessi sulla rete Internet
64 soluzioni di assemblaggio MARZO/APRILE 2013
semplificare la meccanica
Oggi le prestazioni dei motori
e dei relativi controlli sono
abbastanza uniformi tra i vari
costruttori con progressi continui,
ma incrementali. Gli ultimi
anni sono stati caratterizzati da
innovazioni in due aree distinte:
motori lineari e motori direct drive
o torque; architettura dei sistemi
di controllo.
I motori lineari e i direct drive
rotativi sono nati per poter
semplificare la meccanica, ridurre
le masse, le inerzie, i giochi e
le dimensioni e dove sono stati
applicati hanno permesso di
realizzare macchine molto più
semplici di quelle tradizionali
con prestazioni nettamente
superiori. Le applicazioni sono
state numerose solo dove vi erano
grandi masse da muovere, come
Un esempio delle tendenze di oggi: questo motore
incorpora tutta l’elettronica di controllo e anche due
accelerometri Mems per la misura delle
vibrazioni
nelle macchine utensili, e per
movimenti molto corti e molto
frequenti. Questi nuovi motori, per
essere ben utilizzati, richiedono
una riprogettazione ex novo della
macchina - e forse anche una
nuova generazione di progettisti
- e di, conseguenza, la loro
applicazione non si espande con la
velocità prevista.
l’integrazione è al massimo
L’altra area di innovazione è stata
quella dell’architettura dei sistemi
di controllo. Fino a pochi anni fa
i sistemi avevano un’architettura,
comune a tutti i produttori, con plc
e motion control separati e collegati a stella. Oggi non c’è applicazione che non sia realizzata attorno a
una rete locale utilizzando moduli
con tipologie estremamente diversificate come i Pac, i panel pc,
i sistemi integrati di controllo, a
fianco dei tradizionali plc ancora
sempre diffusissimi.
La disponibilità di reti, basate
su standard Ethernet rese
deterministiche e proprietarie,
ha segnato in questi anni la
Tecnologie
calavano di prezzo e aumentavano
le prestazioni.
In questi primi 40 anni, tondi
tondi, la meccatronica si è
identificata con il motion control:
il cuore di ogni applicazione è
stato sempre, infatti, il controllo
del movimento di organi
meccanici in sostituzione di
cinematismi meccanici. Con queste
funzionalità la meccatronica ha
invaso si può dire ogni macchina,
dall’automobile (Abs) all’aereo (fly
by wire, joystick) alle nostre case
(demotica, giochi) e, soprattutto,
a tutte le macchine automatiche
per imballaggio, lavorazioni
meccaniche, robot e così via.
Oggi restano pochi casi di
generazione del moto con camme
e leverismi solo in macchine molto
veloci, in qualche applicazione
del settore ‘difesa’ e nel comando
delle valvole delle auto, ma anche
qui è arrivata l’elettronica con
il TwinAir che integra camme
e meccatronica. Il progresso in
questi 40 anni è stato gigantesco.
‘battaglia’ tra le industrie del
settore. Dopo una ventina d’anni
dalle prime apparizioni di Sercos,
l’evoluzione tecnologica sembra
essersi assestata lasciando il posto
alla competizione tra i costruttori
per l’affermazione dei propri
standard. In questa evoluzione
cominciano ad acquistare un
certo spazio i sistemi aperti, cioè
utilizzabili senza royalty. Su questo
tema si potrebbero fare qualche
considerazione negativa sulla
scarsa spinta in questa direzione
da parte delle istituzioni sia private
che pubbliche.
Ultima tendenza, comune a
tutti i principali costruttori di
sistemi di controllo, è l’offerta di
sistemi integrati di progettazione,
collaudo e avviamento dei
macchinari. Sono ben noti a tutti la
grande difficoltà e i costi crescenti
delle attività ‘intellettuali’ di
integrazione di parti meccaniche,
elettriche e del software e delle
fasi di ‘certificazione’ e validazione
dei progetti sistemistici. Per
ridurre questa criticità e realizzare
una migliore organizzazione
MARZO/APRILE 2013 soluzioni di assemblaggio 65
Tecnologie
della gestione di progetti, tutti
i costruttori offrono oggi quelli
che potremmo definire come
‘sistemi integrati di sviluppo e
collaudo’, nei quali convivono in
un unico ambiente funzionalitò
di plm, ingegneria del software,
integrazione meccano-elettrica,
progetto dei cablaggi, test e
follow-up di prodotto. Questi
nuovi sistemi integrati sono oggi,
si potrebbe dire, ‘alla moda’ e in
forte sviluppo.
Uno sguardo al futuro
Fin qua il passato e il presente.
Cosa possiamo dire sul futuro?
Ovviamente qui ci imbarchiamo
su un terreno difficile e dove
lo sbaglio è pressoché sicuro
in quanto è ben noto che le
innovazioni sono, per loro natura,
imprevedibili.
Il futuro dovrebbe svilupparsi
secondo le linee di tendenza
PRIMA ONDA
Hardware custom
Motori CC
Elettroidraulica
Macchine CNC
che dovrebbero portare
alla fabbrica del futuro,
caratterizzata dall’attenzione
alla sostenibilità intesa come
riduzione dell’impatto ambientale,
iniziando dalla riduzione dei
consumi energetici, e dall’utilizzo
pervasivo delle tecnologie Ict,
cioè della gestione e trasmissione
delle informazioni.
Vediamo rapidamente come
la meccatronica dovrebbe - il
condizionale è d’obbligo - recepire
e attuare queste tendenze.
Impatto ambientale
L’attenuazione dell’impatto
ambientale è oggi ancora poco
richiesta dagli utilizzatori, ma
dovrebbe esplodere nel giro di
non molti anni sotto la spinta dei
costi dell’energia, delle leggi che
seguiranno le direttiva RoHS e,
soprattutto, a mio parere, sotto la
criticità dell’approvvigionamento
SECONDA ONDA
Microcomputer
Motion Control
Macchine CNC
Automaz. Industriale
Motori Brushless
Motori Lineari e DD
di materiali strategici per
la meccatronica, in primis
le terre rare utilizzate nei
magneti permanenti. Nuovi
dimensionamenti, nuovi tipi di
motori, nuove architetture di
collegamento dovrebbero essere
proposte al mercato per aggirare
questi vincoli ‘ambientali’
e commerciali ancora oggi
piuttosto blandi e poco richiesti.
Tecnologie Ict
ed elettronica
Le tecnologie Ict troveranno
impiego a diversi livelli della
sempre classica - ormai ha 30
anni - piramide dell’automazione
industriale (Figura 1). Il livello
‘alto’ porterà a un progetto
architettonico unico di tutti i
sistemi di controllo, dal motore
al web, dove convivranno, si
potrebbe dire armoniosamente,
sistemi di telecontrollo, accesso
TERZA ONDA
Meccatronica 2.0
Internet of things
Sensori & Data Fusion
M2M
Tele*
Tempo
‘70
‘80
‘90
66 soluzioni di assemblaggio MARZO/APRILE 2013
2000
2013
Le tre fasi dello
sviluppo della
meccatronica:
i primordi, la
fase del motion
control, la futura
meccatronica
2.0 (per cortesia
Musp)
L’era dell’Internet
of Things
Il termine Internet of Things
(Internet delle cose) riassume
tutte queste nuove funzionalità
caratterizzando un sistema
basato sul web dove tutte le
macchine, le apparecchiature
e i relativi software di servizio
si parleranno tra loro in modo
autonomo e automatico, con
interfacce verso gli operatori
che assomiglieranno al modo
attuale di comunicare con i vari
smartphone e itablet di enorme
diffusione. Queste tipologie di
sistemi non toccheranno tanto il
progetto delle singole macchine
meccatroniche, ma la loro gestione
e manutenzione.
Il ruolo della sensoristica
Chi opera nella meccatronica
di oggi sarà invece molto più
coinvolto nell’innovazione della
parte bassa della piramide, cioè
della parte più vicina al processo
da realizzare. L’automazione degli
ultimi cinquant’anni ha riguardato
il controllo delle macchine
senza, molto spesso, un vero
controllo del processo realizzato.
La macchina si muove in modo
perfetto, il mandrino esegue
spostamenti esatti, gli spintori si
muovono perfettamente, i robot
si posizionano con precisioni di
centesimi di millimetro, ma, in
molti casi, non c’è un controllo
che queste azioni generino il
risultato voluto: la macchine vibra
e danneggia il pezzo, il materiale
da imballare manca o si inceppa, il
robot perde il pezzo, la macchina
danneggia il prodotto con forze
eccessive, sproporzionate alle
necessità e non misurate e
calibrate.
La tecnologia elettronica mette
ora a disposizione un numero
elevatissimo di sensori basati
su nuove tecnologie, quali le
micromeccaniche come i Mems,
sulla piezoelettricità, sull’effetto
Hall, sulla fotonica, sulle misure
Irf, sui sistemi di visione ecc. Con
questi sensori si possono misurare
accelerazioni, forze, vibrazioni,
posizioni, temperature, umidità,
viscosità, portate, e così via, in
modo impensabile fino a pochi
anni fa, non solo con dimensioni
minime, ma anche con forti
intelligenze locali come nel caso
dei cosiddetti ‘smart sensor’.
Oggi ogni controllo è realizzato
con hardware e software esterni
al controllore principale, non
pensati sin dall’inizio, e ‘integrati’
in modo diverso caso per caso:
solo raramente, ad esempio, i
sistemi di visione sono integrati
nel controllo: quasi sempre sono
esterni e colloquiano con una
certa difficoltà con il cuore del
controllore. Per risolvere questi
problemi, diffusi in tutti i settori,
dovrebbe (?) nascere una nuova
branca della meccatronica, quasi
che potremmo definire una
meccatronica 2.0, caratterizzata
dall’impiego diffuso e integrato di
sensori di processo.
Questo dovrà, o dovrebbe, dare
luogo a una nuova generazione
di macchine caratterizzate da
un vero controllo del processo
per garantire la mancanza di
errori, la diagnostica dei difetti, e
l’eliminazione della causa prima
degli stessi.
Per realizzare queste applicazioni
saranno necessarie, e stanno
arrivando sul mercato, diverse
innovazioni quali: sensori piccoli,
robusti, intelligenti, con minimo
o nullo consumo energetico,
e cablaggio con utilizzo di
bus specifici e, in molti casi,
wireless; software e logiche
di interpretazione di sensori
eterogenei con tecnologie di data
fusion; componenti hardware
dedicati a questi compiti o
funzionalità integrate di sistemi di
controllo.
I primi segni di queste innovazioni
sono già presenti con l’impiego
diffuso di bus Ssi, l’offerta
da parte di uno dei leader di
mercato di ‘moduli’ per l’analisi
armonica di fenomeni vibratori e
l’acquisizione di numerose piccole
aziende del settore ‘sensori e
analisi’ da parte di un’importante
azienda italiana del settore.
La meccatronica dovrebbe dunque
evolvere, in parte ‘trainata’ dalle
richieste del mercato e delle norme
per soddisfare le richieste di
riduzione dell’impatto ambientale,
di controllo dei processo e in parte
‘spinta’ dalla disponibilità di nuove
tecnologie quali sensori smart e
Internet delle cose.
L’effetto combinato di queste
spinte e di queste trazioni porterà,
nel tempo, molteplici diverse
innovazioni quali, ad esempio,
la realizzazione di sistemi di
controllo aperti per integrare
tutte le funzioni, l’offerta non solo
di prodotti ma anche di servizi
innovativi come la tele-assistenza e
simili, che insieme concorreranno
alla realizzazione della fabbrica del
futuro. Quando questi due trend si
uniranno avremo la ‘fabbrica del
futuro’.
*Mario Salomon (www.salmon.it),
con la collaborazione dei ricercatori
del Musp (www.musp.it).
Si ringraziano i ricercatori
del Musp, a partire dal
prof. Monno e dall’ing. Grasso,
che hanno contribuito - ma
non hanno la responsabilità alla creazione delle idee
esposte nel testo.
MARZO/APRILE 2013 soluzioni di assemblaggio 67
Tecnologie
remoto diffuso e libero delle
informazioni, funzionalità di
collegamento diretto, il cosiddetto
M2M (machine-to-machine), tra
macchine diverse e remote.