Meccatronica e Modellistica? Mechatronics is centered on mechanics, electronics, computing, control...

• Meccatronica e Modellistica?• Mechatronics is centered on mechanics, electronics, computing, control

engineering. …material engineering… which, combined, make possible the generation of simpler, more economical, reliable and versatile systems. The portmanteau "mechatronics" was coined by Tetsuro Mori, the senior engineer of the Japanese company Yaskawa in 1969

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Un Sistema Meccatronico è costituito da:

• una parte meccanica, formata in genere da più corpi (rigidi o flessibili) connessi tra loro in modo da consentire moti relativi (sist. Multicorpo)

• azionamenti (elettrici, pneumatici etc.) • sensori• una parte di controllo

Il modello di tale sistema deve comprendere questi elementi

• Meccatronica e Modellistica?

• La progettazione meccatronica richiede la capacità di modellare e simulare il comportamento di un sistema meccanico, anche considerando l’interazione con i sistemi di controllo e gli azionamenti.

• Il modello virtuale del sistema consente di effettuare test veloci, di prevederne il comportamento ed individuare eventuali criticità

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Le metodologie di modellazione possono poi essere implementate in programmi di calcolo che

consentono la “sperimentazione” su prototipi virtuali con risparmio di costi e tempi rispetto a test su

prototipi fisici.

I pacchetti commerciali (MSC.ADAMS) “nascondono” la parte di scrittura e soluzione delle equazioni

lasciando all’utente la modellazione geometrica e l’ingresso dei dati

F

M

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Sistema Multicorpo• è un insieme di due o più corpi (rigidi o flessibili) collegati tra

loro in modo che sia conservata la possibilità di moto relativo

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Esempio di sistema multicorpo (meccatronico)?

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Esempio di sistema multicorpo (meccatronico)?

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Esempi di sistemi multicorpo

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Automotive

MB Consente di realizzare modelli e test virtuali

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

• E’ possibile testare il comportamento di componenti hardware (ad es freni, sospensioni) all’interno di un sistema più complesso simulato via software: HIL (hardware in the loop)

• Schema banco prova HIL

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• Banco prova ABS HIL

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“AUTOVEICOLO….”

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

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Oppure….• Un modello semplificato di veicolo è codificato nella

centralina del dispositivo di controllo stabilità per stimare l’assetto del veicolo stesso

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

ESPABS

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Applicazioni non tradizionali

• Forensic mechanics (ricostruzione incidenti stradali)

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

prof. V. Lorenzi

• CoordinateUfficio: II piano edificio B, uff. 2.11.Tel:035/2052394 E-mail: vittorio.lorenzi@unibg.it

• Orario di RicevimentoLunedì 16-17, Mercoledì 15-17

• Materiale didattico e comunicazionihttp://mech.unibg.it

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Testi di consultazione:• A. Shabana, Dynamics of Multibody Systems, Wiley.• G. Legnani, Robotica industriale, Casa Editrice Ambrosiana.• G. Genta, Meccanica dell’autoveicolo, Levrotto & Bella, Torino,

2000

Esercitazioni• Le esercitazioni consistono nella risoluzione numerica di

problemi tramite Matlab e ADAMS.

Modalità d’esame• L’esame consiste in un colloquio orale

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

• Orario: Martedì 14-16.00 in aula 11 informatica

• Venerdì 10.30-12.30 aula 23

• Modalità:

Lezioni teoriche in aula e esercitazioni con Matlab e MSC.ADAMS in lab. Informatico

• Conoscenze richieste:

Meccanica Razionale - Meccanica Applicata – Vibrazioni Meccaniche (?)

Alternative ??

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

•Tipologia dei sistemi multibody

•“Collegamenti” tra corpi

•Sistemi di coordinate, vincoli e gradi di libertà

•Classi di problemi

•Cenni sull’ integrazione tra FEM e multibody

•Cosimulazione

Un sistema multicorpo può essere a catena aperta –

PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly, or Programmable Universal Manipulation Arm)

… o a catena chiusa

Tipologia di un sistema multicorpo

Giunti e gradi di libertà

I corpi sono collegati tra loro tramite giunti…

I gradi di libertà corrispondono al numero di coordinate indipendenti che definiscono la posizione del sistema.Formula di Gruebler:

dof=6*n_corpi-nv

Giunti e gradi di libertà

…si scambiano azioni tramite elementi elastici, viscosi…

Alcuni vincoli legano tra loro solo le velocità (o le variazioni dellecoordinate)

Tipi di coordinate

Per definire la posizione si puo’ usare un set di coordinate indipendenti o un set esteso di coordinate dipendenti legate da equazioni di vincolo

Un programma “general purpose” utilizza il medesimo set: •coordinate relative•coordinate cartesiane•coordinate naturali

Un programma dedicato può utilizzare formulazioni miste

Modellistica dei Veicoli e dei Sistemi Meccatronici

Coordinate relative

3 coordinate, 1 gdl, perciò 2 equazioni di vincolo

Modellistica dei Veicoli e dei Sistemi Meccatronici

Coord. Cartesiane

9 coordinate, 1 gdl, perciò 8 equazioni di vincolo…

Coordinate relative in 3D

Molto usata la notazione di Denavit e Hartenberg, conmatrici omogenee 4x4

Coordinate cartesiane in 3D

Nel caso 3D si usano le coordinate di un punto e l’orientamento.Per definire l’orientamento vengono usati gli angoli di Eulero, di Cardano (3 parametri indipendenti) o set di 4 coordinate dipendenti (parametri di Rodriguez-Hamilton, quaternioni, asse di rotazione finita)

Classi di problemi

Analisi cinematicaStudio del movimento di un sistema multicorpo a prescindere dalle forze agenti: assemblaggio, posizione, velocità ed accelerazione

Analisi dinamicaStudio del movimento di un sistema multicorpo in relazione alle forze agenti

Sintesi cinematica e dinamicaProgetto di un sistema multicorpo che soddisfa “criteri” cinematici o dinamici

ModellazioneModellazione

Vincoli-carichi

Assemblaggio

CinematicaAnalisi di posizione e simulazione cinematica

Consente di esaminare il posizionamento del meccanismo, individuare collisioni, determinare gli angoli di pressione etc.

Dinamica e Post-Processing

FEM MBS Stress

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Elementi flessibili

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Programma in sintesi.• Sistemi di riferimento, cambi di base e richiami sulle operazioni

vettoriali. • Orientamento di un corpo nello spazio, coordinate angolari. • Velocità e accelerazione di un corpo rigido. • Catena cinematica: coordinate indipendenti e dipendenti,

relative (joint), cartesiane (body), naturali. • Vincoli ed equazioni di vincolo. • Cinematica di sistema multicorpo• Dinamica del corpo rigido e di sistemi di corpi rigidi: equazioni di

Lagrange e di Newton Eulero. • Integrazione delle equazioni di moto.• Sistemi con corpi flessibili• Cosimulazione per sistema “meccatronico”

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

A venerdì….

Prof. Vittorio Lorenzi

Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Ricerche in corso (dottorato di ricerca in Meccatronica)

• Banco prova HIL di sospensione motociclistica

• Modellazione di attuatori piezoelettrici

LM Ing. Meccanica

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