Cos'è la meccatronica, elementi meccatronici, moduli, macchine e sistemi

La parola "meccatronica" è formata da due parole: "meccanica" ed "elettronica". Questo termine è stato proposto nel 1969 da uno sviluppatore senior di Yaskawa Electric, un giapponese di nome Tetsuro Mori. Nel 20° secolo, Yaskawa Electric si è specializzata nello sviluppo e nel miglioramento di azionamenti elettrici e motori CC e quindi ha ottenuto un grande successo in questa direzione, ad esempio, lì è stato sviluppato il primo motore CC con armatura a disco.

Seguono gli sviluppi riguardanti i primi sistemi CNC hardware. E nel 1972 qui è stato registrato il marchio Mechatronics. Ben presto l'azienda fece passi da gigante nello sviluppo delle tecnologie di azionamento elettrico. L'azienda in seguito ha deciso di abbandonare la parola "Mechatronics" come marchio, poiché il termine era ampiamente utilizzato sia in Giappone che nel mondo.

In ogni caso, il Giappone è la patria dello sviluppo più attivo di tale approccio nella tecnologia, quando è diventato necessario combinare elementi meccanici, macchine elettriche, elettronica di potenza, microprocessori e software per implementare il controllo dell'azionamento elettrico ad alta precisione.

Un simbolo grafico comune per la meccatronica è un diagramma dal sito Web RPI (Rensselaer Polytechnic Institute, NY, USA):

La meccatronica è uno dei campi dell'ingegneria più recenti al mondo, che, secondo l'UNESCO, è uno dei dieci più promettenti e ricercati.

In generale, al termine "meccatronica" può essere data la seguente definizione: è un campo della scienza e della tecnologia basato su una combinazione sistematica di unità per la meccanica di precisione, l'ingegneria elettrica, l'elettronica, la tecnologia dei microprocessori, varie fonti di energia, elettriche, idrauliche e gli azionamenti pneumatici, nonché il loro controllo intelligente, si sono concentrati sulla creazione e sul funzionamento di blocchi di moderni sistemi di produzione automatizzati.

La meccatronica è il controllo computerizzato del movimento.

L'obiettivo della meccatronica è creare moduli di movimento qualitativamente nuovi, moduli di movimento meccatronici, moduli meccatronici intelligenti e, sulla loro base, macchine e sistemi intelligenti in movimento.

Storicamente, la meccatronica si è evoluta dall'elettromeccanica e, basandosi sui suoi risultati, è andata oltre combinando sistematicamente sistemi elettromeccanici con dispositivi di controllo del computer, sensori integrati e interfacce.

Schema del sistema meccatronico

Struttura generalizzata dei sistemi meccatronici

Elementi elettronici, digitali, meccanici, elettrici, idraulici, pneumatici e informativi — possono far parte del sistema meccatronico, in quanto inizialmente elementi di diversa natura fisica, però accostati per ottenere un risultato qualitativamente nuovo del sistema, che non può essere raggiunto da ogni elemento come da un esecutore separato.

Un motore mandrino separato non sarà in grado di espellere da solo il vassoio del lettore DVD, ma sotto il controllo di un circuito con software a microcontrollore e opportunamente collegato a un ingranaggio a vite senza fine, tutto funzionerà facilmente e sembrerà un semplice sistema monolitico. Tuttavia, nonostante la semplicità esterna, un sistema meccatronico per definizione include diverse unità e moduli meccatronici interconnessi e interagenti tra loro per eseguire azioni funzionali specifiche per risolvere un compito specifico.

Un modulo meccatronico è un prodotto indipendente (strutturalmente e funzionalmente) progettato per eseguire movimenti con compenetrazione e simultanea integrazione hardware e software mirata dei suoi componenti.

Un tipico sistema meccatronico è costituito da componenti elettromeccanici e di potenza interconnessi che sono a loro volta controllati da un computer o da microcontrollori.

Quando progettano e costruiscono un tale sistema meccatronico, cercano di evitare nodi e interfacce non necessari, cercano di rendere tutto conciso e il più fluido possibile, non solo per migliorare le caratteristiche di massa del dispositivo, ma anche per aumentare l'affidabilità del sistema in generale.

A volte non è facile per gli ingegneri, sono costretti a trovare soluzioni molto insolite proprio per il fatto che unità diverse si trovano in condizioni di lavoro diverse, facendo cose completamente diverse. Ad esempio, in alcuni punti un cuscinetto convenzionale non funzionerà e viene sostituito da una sospensione elettromagnetica (questo viene fatto, in particolare, nelle turbine che pompano gas attraverso i tubi, poiché un cuscinetto convenzionale si guasterebbe rapidamente a causa della penetrazione del gas in il suo lubrificante).

In un modo o nell'altro, oggi la meccatronica ha permeato tutto, dagli elettrodomestici alla robotica da costruzione, alle armi e all'aerospaziale. Tutte le macchine a controllo numerico, i dischi rigidi, le serrature elettriche, il sistema ABS della tua auto, ecc. — ovunque la meccatronica non è solo utile, ma anche necessaria. Ora è raro trovare il controllo manuale, tutto si riduce al fatto che hai premuto il pulsante senza fissazione o semplicemente toccato il sensore - hai ottenuto il risultato - questo è forse l'esempio più primitivo di cosa sia oggi la meccatronica.

Diagramma gerarchico dei livelli di integrazione in meccatronica

Il primo livello di integrazione è costituito dai dispositivi meccatronici e dai loro elementi. Il secondo livello di integrazione è costituito dai moduli meccatronici integrati. Il terzo livello di integrazione è costituito dall'integrazione delle macchine meccatroniche. Il quarto livello di integrazione è costituito dai complessi delle macchine meccatroniche. Il quinto livello di integrazione è formato su un'unica piattaforma di integrazione di complessi di macchine e robot meccatronici, che implicano la formazione di sistemi di produzione flessibili riconfigurabili.

Oggi, i moduli e i sistemi meccatronici sono ampiamente utilizzati nelle seguenti aree:

• ingegneria meccanica e attrezzature per l'automazione, processi tecnologici nell'ingegneria meccanica;

• robotica industriale e speciale;

• tecnologia aeronautica e spaziale;

• attrezzature militari, veicoli per la polizia e servizi speciali;

• apparecchiature di ingegneria elettronica e prototipazione rapida;

• industria automobilistica (moduli motrici, freni antibloccaggio, trasmissioni automatiche, sistemi di parcheggio automatico);

• veicoli non tradizionali (auto elettriche, biciclette elettriche, sedie a rotelle);

• apparecchiature per ufficio (es. fotocopiatrici e fax);

• periferiche per computer (ad es. stampanti, plotter, unità CD-ROM);

• attrezzature mediche e sportive (protesi bioelettriche ed esoscheletriche per disabili, trainer tonificanti, capsule diagnostiche controllate, massaggiatori, ecc.);

• elettrodomestici (lavaggio, cucito, lavastoviglie, aspirapolvere indipendenti);

• micromacchine (per medicina, biotecnologia, comunicazioni e telecomunicazioni);

• dispositivi e macchine di controllo e misurazione;

• attrezzature per ascensori e magazzini, porte automatiche in hotel e aeroporti; apparecchiature fotografiche e video (lettori di videodischi, dispositivi di messa a fuoco di videocamere);

• simulatori per l'addestramento di operatori di sistemi tecnici complessi e piloti;

• trasporto ferroviario (sistemi di controllo e stabilizzazione dei treni);

• macchine intelligenti per l'industria alimentare, della carne e lattiero-casearia;

• macchine da stampa;

• dispositivi smart per l'industria dello spettacolo, attrazioni.

Di conseguenza, la necessità di personale con tecnologie meccatroniche è in aumento.