Struttura, componenti, cablaggio elettronico, manutenibilità.

Unire ingegneria meccanica, elettrica, di programmazione e di controllo non è un'impresa semplice. Ma integrare i progressi tecnologici e concentrarsi su queste cinque aree può semplificare il processo e garantire che la meccatronica sia resa semplice.

Gli odierni cicli di sviluppo prodotto frenetici e i rapidi progressi tecnologici hanno reso sempre più necessaria una progettazione interdisciplinare. Laddove un tempo l'ingegnere meccanico poteva concentrarsi esclusivamente sull'hardware, l'ingegnere elettrico sul cablaggio e sulle schede elettroniche e l'ingegnere di controllo sul software e sulla programmazione algoritmica, il campo della meccatronica unisce queste aree, creando un focus per una soluzione di movimento completa. I progressi e l'integrazione di tutti e tre i campi semplificano la progettazione meccatronica.

È questa semplificazione che sta guidando i progressi nella robotica e nei sistemi cartesiani multiasse per usi industriali e manifatturieri, nell'automazione per i mercati di consumo nei chioschi e nei sistemi di consegna, insieme alla rapida accettazione delle stampanti 3D nella cultura dominante.

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

1. Guide lineari e struttura integrate

Nella progettazione di macchine, cuscinetti e guide lineari sono presenti da così tanto tempo che spesso la meccanica di un sistema di movimento viene trascurata. I progressi nei materiali, nella progettazione, nelle caratteristiche e nei metodi di produzione, tuttavia, rendono utile considerare nuove opzioni.

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

In passato, era quasi scontato che, indipendentemente dal sistema di guida lineare scelto, un ingegnere avrebbe dovuto considerare anche piastre di montaggio, guide di supporto o altre strutture per garantire la rigidità necessaria. I componenti più recenti integrano le strutture di supporto nella guida lineare stessa. Questo passaggio dalla progettazione di singoli componenti a progetti monoblocco o sottogruppi integrati riduce il numero di componenti, riducendo al contempo costi e manodopera.

2. Componenti di trasmissione di potenza

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

Proprio come la trasmissione di un'auto che funziona in quarta marcia, le trasmissioni a cinghia sono adatte ad applicazioni in cui sono richieste velocità massime su corse lunghe. All'estremo opposto dello spettro delle prestazioni ci sono le viti a sfere e le viti a madrevite, più simili a quelle di un'auto con una prima e una seconda marcia potenti e reattive. Offrono una buona coppia, eccellendo 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 madri ha compiuto progressi per offrire una maggiore ripetibilità nelle applicazioni dinamiche. Quando si utilizza un giunto, prestare attenzione all'allineamento del motore e della 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, unendo direttamente la parte meccanica ed elettrica, eliminando componenti, aumentando la rigidità e la precisione e riducendo al contempo i costi.

3. Elettronica e cablaggio

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

Le tecnologie emergenti offrono vantaggi di sistema posizionando 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 semplifica il numero di connettori e cablaggi, riducendo il potenziale di errore e risparmiando costi e manodopera.

4. Progettato per la produzione (DFM)

• Parentesi

Oltre a semplificare l'assemblaggio di rotaie in progetti integrati, l'esperienza e le tecnologie emergenti come la stampa 3D aumentano la capacità di creare prototipi di assemblaggi meccatronici e robotici secondo gli standard DFM. Ad esempio, le staffe di collegamento personalizzate per i sistemi di movimento sono spesso state costose e richiedono molto tempo per essere elaborate in un'officina meccanica o in un'officina 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.

• Connettività

Un altro aspetto del DFM già trattato è l'utilizzo di motori intelligenti che integrano l'elettronica direttamente sul motore, semplificandone 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, pesanti portacavi in plastica.

5. Manutenibilità a lungo termine

Le tecnologie più recenti e i progressi nella progettazione non solo incidono sulla producibilità iniziale, ma possono anche influire sulla manutenibilità continua di un sistema. Ad esempio, lo spostamento del controller e dell'azionamento a bordo motore semplifica qualsiasi risoluzione dei problemi che potrebbe essere necessaria. L'accesso al motore e all'elettronica è ordinato e diretto. Inoltre, molti sistemi possono ora essere collegati in rete, consentendo l'accesso da praticamente qualsiasi luogo per eseguire la diagnostica remota.