Struttura, componenti, cablaggio elettronico, manutenibilità.

Riunire ingegneria meccanica, elettrica, di programmazione e di controllo non è semplice. Tuttavia, l'integrazione dei progressi tecnologici e la concentrazione su queste cinque aree possono semplificare il processo e rendere la meccatronica più accessibile.

Gli attuali cicli di sviluppo prodotto rapidi e i progressi tecnologici hanno reso sempre più urgente la necessità di un'ingegneria multidisciplinare. Se un tempo l'ingegnere meccanico si concentrava esclusivamente sull'hardware, l'ingegnere elettrico sul cablaggio e sui circuiti stampati e l'ingegnere del controllo sul software e sulla programmazione algoritmica, la meccatronica unisce queste aree, creando un punto di riferimento per una soluzione di movimento completa. I progressi e l'integrazione di tutti e tre i campi semplificano la progettazione meccatronica.

È proprio questa semplificazione a guidare i progressi nella robotica e nei sistemi cartesiani multiasse per usi industriali e manifatturieri, l'automazione per i mercati di consumo in chioschi e sistemi di consegna, insieme alla rapida accettazione delle stampanti 3D nella cultura di massa.

Ecco cinque fattori chiave che, combinati insieme, semplificano la progettazione meccatronica.

1. Guide lineari e struttura integrate

Nella progettazione meccanica, i gruppi di cuscinetti e guide lineari esistono da così tanto tempo che spesso la meccanica di un sistema di movimento viene considerata un aspetto secondario. Tuttavia, i progressi nei materiali, nella progettazione, nelle funzionalità e nei metodi di produzione rendono opportuno valutare nuove opzioni.

Ad esempio, l'allineamento pre-ingegnerizzato integrato nelle guide parallele durante il processo di produzione si traduce in costi inferiori grazie a un minor numero di componenti, una maggiore precisione e un minor numero di variabili in gioco lungo la lunghezza della guida. Tali guide parallele migliorano anche l'installazione poiché eliminano la necessità di molteplici elementi di fissaggio e l'allineamento manuale.

In passato, era quasi scontato che, qualunque sistema di guida lineare un ingegnere scegliesse, avrebbe dovuto anche considerare piastre di montaggio, binari di supporto o altre strutture per garantire la rigidità necessaria. I componenti più recenti integrano le strutture di supporto direttamente nella guida lineare. Questo passaggio dalla progettazione di singoli componenti a progetti monoblocco o sottoassiemi integrati riduce il numero di componenti, con conseguente riduzione dei costi e della manodopera.

2. Componenti per la trasmissione di potenza

Anche la scelta del meccanismo di azionamento o dei componenti di trasmissione di potenza più adatti è un fattore determinante. Il processo di selezione, che prevede il giusto equilibrio tra velocità, coppia e precisione delle prestazioni del motore e dell'elettronica, inizia con la comprensione dei risultati che ogni tipo di azionamento può produrre.

Proprio come la trasmissione di un'auto in quarta marcia, le trasmissioni a cinghia sono adatte ad applicazioni in cui sono richieste velocità massime su corse di lunga durata. All'estremo opposto dello spettro prestazionale si trovano le trasmissioni a ricircolo di sfere e a vite senza fine, che sono più simili a un'auto con una prima e una seconda marcia potenti e reattive. Offrono una buona coppia ed eccellono in partenze, arresti e cambi di direzione rapidi. Il grafico mostra le differenze tra la velocità delle cinghie e la coppia delle viti.

Analogamente ai progressi nelle guide lineari, l'allineamento pre-ingegnerizzato è un altro ambito in cui la progettazione delle viti a ricircolo di sfere ha compiuto passi avanti per offrire una maggiore ripetibilità nelle applicazioni dinamiche. Quando si utilizza un giunto, è fondamentale prestare attenzione all'allineamento tra motore e vite per eliminare le oscillazioni che riducono la precisione e la durata. In alcuni casi, il giunto può essere completamente eliminato e la vite fissata direttamente al motore, unificando la parte meccanica ed elettrica, riducendo il numero di componenti, aumentando la rigidità e la precisione e, al contempo, i costi.

3. Elettronica e cablaggio

Le configurazioni convenzionali per l'elettronica nelle applicazioni di controllo del movimento prevedono cablaggi complessi, oltre a armadi e supporti di montaggio per assemblare e alloggiare tutti i componenti. Il risultato è spesso un sistema non ottimizzato, oltre che difficile da regolare e manutenere.

Le tecnologie emergenti offrono vantaggi di sistema integrando driver, controller e amplificatore direttamente su un motore "intelligente". Non solo si elimina lo spazio necessario per alloggiare i componenti aggiuntivi, ma si riduce anche il numero complessivo di componenti e si semplificano i connettori e i cablaggi, diminuendo il rischio di errori e consentendo un risparmio di costi e manodopera.

4. Progettato per la produzione (DFM)

• Bracketizzazione

Oltre alla maggiore facilità di assemblaggio su rotaia di progetti integrati, l'esperienza e le tecnologie emergenti come la stampa 3D aumentano la capacità di creare prototipi di assemblaggi meccatronici e robotici conformi agli standard DFM (Design for Manufacturing). Ad esempio, la realizzazione di staffe di connessione personalizzate per sistemi di movimento è spesso risultata costosa e dispendiosa in termini di tempo se effettuata in un'officina meccanica o di fabbricazione. Oggi, la stampa 3D consente di creare un modello CAD, inviarlo alla stampante 3D e ottenere un componente utilizzabile in una frazione del tempo e a una frazione del costo.

• Connettori

Un altro aspetto del DFM (Design for Manufacturing) già trattato è l'utilizzo di motori intelligenti che integrano l'elettronica direttamente sul motore, semplificando l'assemblaggio. Inoltre, le nuove tecnologie che integrano connettori, cablaggio e gestione dei cavi in ​​un unico pacchetto, semplificano l'assemblaggio ed eliminano la necessità dei tradizionali e pesanti portacavi a catena in plastica.

5. Manutenibilità a lungo termine

Le nuove tecnologie e i progressi nella progettazione non solo influiscono sulla fattibilità produttiva iniziale, ma possono anche avere un impatto sulla manutenibilità continua di un sistema. Ad esempio, spostare il controller e l'azionamento direttamente sul motore semplifica qualsiasi intervento di risoluzione dei problemi. L'accesso al motore e all'elettronica risulta più agevole e diretto. Inoltre, molti sistemi possono ora essere collegati in rete, consentendo l'accesso da qualsiasi luogo per eseguire diagnosi da remoto.