Oggi, i produttori di sistemi di produzione e gli utenti finali dell'automazione sono costantemente alla ricerca di progressi tecnologici che semplifichino il loro lavoro. Le innovazioni dell'Industria 4.0 hanno dato impulso a una nuova classe di tecnologie intelligenti che combinano elettronica digitale e interfacce di comunicazione per offrire maggiore sofisticatezza, funzionalità e facilità d'uso.

Con l'adozione sempre maggiore da parte delle aziende manifatturiere di tecnologie pronte per l'Industria 4.0, le emergenti tecnologie meccatroniche intelligenti conferiscono alle macchine maggiore intelligenza e versatilità. Questi sistemi avanzati sono inoltre più facili da specificare, ordinare e implementare rispetto alle soluzioni precedenti, aumentandone il valore per i produttori di apparecchiature originali (OEM) e gli utenti finali.

Comprendere le capacità della meccatronica intelligente può aiutare i progettisti di sistemi a valutare come sfruttare al meglio questa tecnologia per rendere le loro soluzioni produttive altamente competitive.

La meccatronica moderna è integrata e versatile.

La meccatronica si occupa di sistemi e sottosistemi che combinano componenti meccanici ed elettronici eterogenei in soluzioni dedicate a compiti specifici. Nel mondo della movimentazione, due esempi sono l'assemblaggio e il trasporto di prodotti, realizzati rispettivamente da sistemi di movimentazione lineare meccatronici e robot cartesiani. Elemento centrale della meccatronica è la stretta integrazione di motori elettronici, controlli, sensori e componenti lineari. La meccatronica può essere considerata un precursore delle tecnologie dell'Industria 4.0.

La meccatronica intelligente porta il concetto a un livello superiore, assumendo la forma di soluzioni complete che integrano sensori avanzati e piattaforme di controllo intuitive. Questi sistemi offrono:

• Dati in tempo reale sulle prestazioni della macchina
• Dati in tempo reale sulla qualità della produzione, ove applicabile
• Controllo ed esecuzione precisi delle sequenze di movimento
• Monitoraggio automatizzato dei dati di produzione e della produttività
• Facile connettività con i sistemi di gestione a livello di singola macchina e a livello di impianto.

Meccatronica intelligente, primo passo: configurazione online.

I sistemi meccatronici intelligenti sono più veloci e facili da progettare e mettere in funzione rispetto ai sistemi meccatronici precedenti. Questo è un vantaggio perché la meccatronica, per sua stessa natura, è piuttosto complessa: richiede la considerazione e il dimensionamento simultanei di molteplici componenti lineari, azionamenti, controllori e interfacce operatore, nonché la loro attenta combinazione.

Il primo passo nella specifica, nell'acquisto e nella messa in servizio di una macchina meccatronica intelligente consiste nell'utilizzare gli strumenti online accessibili tramite i portali dei fornitori. Questi strumenti di configurazione consentono agli ingegneri di realizzare sistemi intelligenti pronti all'uso con una programmazione minima, risultando quindi particolarmente utili per gli ingegneri che possiedono solo una conoscenza di base dell'attuazione elettrica e oleodinamica (incluso il movimento lineare) e dei sistemi di controllo del movimento. Gli utenti inseriscono parametri come la corsa, il peso del pezzo e il tempo di ciclo, generando un output verificabile nell'ambiente CAD dello strumento online. Grazie alle successive fasi di dimensionamento e configurazione, è possibile specificare in un'unica soluzione tutti i componenti necessari per la soluzione meccatronica completa, come ad esempio un robot cartesiano, una pressa o una macchina per l'assemblaggio. Questa opzione permette agli ingegneri di ottenere una soluzione completa da un unico fornitore, ricevendo un sistema integrato con sequenze di movimento preprogrammate, pronto per l'implementazione immediata.

Controllo operativo più intelligente e semplice

La meccatronica intelligente può migliorare la produttività e la flessibilità, solitamente attraverso processi produttivi "trasparenti", grazie a sensori per il monitoraggio delle condizioni in tempo reale.

Si pensi, ad esempio, a come alcuni produttori offrono kit di funzioni meccatroniche specifiche per determinate operazioni, a supporto di questo tipo di monitoraggio. Un kit di funzioni per una pressa, ad esempio, potrebbe includere un cilindro elettromeccanico, un servomotore, un motore, un controller, sensori e un software operatore per supportare le operazioni di pressatura e assemblaggio. Le macchine realizzate con un kit di funzioni di questo tipo sono facili da implementare, poiché i componenti sono forniti con il software operativo preinstallato e la parametrizzazione automatica pronta per l'uso sul servomotore, quindi non è necessaria alcuna conoscenza di programmazione del controllo del movimento per mettere in funzione la macchina. Il software presenta un'interfaccia utente grafica (GUI) drag-and-drop che consente agli operatori di creare intuitivamente sequenze di produzione, come ad esempio la pressatura di cuscinetti a sfera in un alloggiamento.

Inoltre, la macchina può essere dotata di un sensore di forza integrato per misurare e monitorare le operazioni. Ad esempio, in un'applicazione di pressatura per cuscinetti, tali sensori potrebbero monitorare l'attuatore lineare per garantire che applichi la forza corretta per inserire le sfere nell'alloggiamento del cuscinetto. Allo stesso tempo, i controlli di sistema possono anche eseguire il controllo qualità assicurando che gli attuatori eseguano correttamente le sequenze controllate con precisione. Poiché tali sequenze su una pressa si ripetono in genere centinaia o addirittura migliaia di volte all'ora, il controllore del sistema registra e inoltra per l'archiviazione le misurazioni di ogni ciclo di movimento. Gli operatori possono quindi utilizzare gli strumenti del pacchetto di controllo per creare visualizzazioni dei risultati del processo. Queste potrebbero mappare se le forze di pressatura hanno superato o non raggiunto le soglie di processo... e consentire agli operatori di analizzare le curve forza-spostamento in tempo reale sulle loro postazioni di lavoro. Tali dati consentono agli operatori esperti di mantenere la massima qualità e produttività di produzione senza la necessità di programmazione specializzata o sviluppo di analisi di qualità da parte di ingegneri software esperti.

Inoltre, i dati possono essere esportati tramite interfacce di sistema verso sistemi di analisi della produzione a livello di stabilimento o basati su cloud, rendendo così il sistema meccatronico intelligente una componente integrante della piattaforma Industria 4.0 di un'azienda.

Funzionalità simili vengono implementate anche in altri scenari di automazione industriale, inclusi i sistemi di movimentazione lineare come i robot di movimentazione cartesiani per operazioni di prelievo e posizionamento o trasporto. Questi sistemi utilizzano strumenti di configurazione online analoghi per dimensionare e specificare tutti i moduli lineari, gli attuatori e gli effettori terminali, il cablaggio, i sensori, gli azionamenti elettrici e il controllore necessari per la realizzazione di sistemi di movimentazione completi.

Applicazioni di meccatronica intelligente in azione

La meccatronica intelligente dimostra come una tecnologia sofisticata possa risolvere problemi ingegneristici complessi in modo più semplice. In un tipico scenario industriale, i costruttori di macchine hanno generalmente cercato di sviluppare i propri assemblaggi meccatronici ordinando e integrando componenti separati: attuatori lineari, controllori, alimentatori, effettori terminali e altro ancora. Questo processo è spesso macchinoso e dispendioso in termini di tempo.

In molte aziende o integratori di sistemi, è comune che il gruppo di ingegneria meccanica sia responsabile della specifica e dell'ordinazione di un set di componenti, mentre il gruppo elettrico ordina i propri. Tali accordi sono più complessi per l'ufficio acquisti, e il personale tecnico ha il compito di far sì che tutto si integri fisicamente e di programmare il sistema per garantirne il corretto funzionamento secondo le specifiche.

Il concetto di meccatronica intelligente cambia questo paradigma e, così facendo, libera gli ingegneri, consentendo loro di dedicare tempo e risorse a problematiche di progettazione più complesse e impegnative. Senza dubbio, i vantaggi offerti dalla tecnologia meccatronica intelligente aiuteranno i produttori a realizzare sistemi più pronti per la produzione, con l'intelligenza e la tecnologia dei sensori integrate per supportare i requisiti dell'Industria 4.0.

Sebbene il concetto di meccatronica intelligente sia molto intuitivo, è comunque importante collaborare con fornitori di meccatronica le cui competenze e capacità ingegneristiche coprano l'intera gamma di componenti – prodotti per il movimento lineare, controllori, servoazionamenti e software operatore – necessari per realizzare soluzioni meccatroniche complete e ad alte prestazioni. È inoltre fondamentale valutare la qualità e la facilità d'uso dei loro strumenti di configurazione, per assicurarsi che la semplicità d'uso promessa dai movimenti meccatronici intelligenti – dall'inizio alla fine – venga pienamente mantenuta. Questo contribuisce a garantire che i costruttori di macchine e gli utenti finali possano sfruttare appieno i vantaggi della meccatronica intelligente "plug-and-produce" nelle loro attività.