Appunti di Calcolo e progetto di sistemi meccanici - parte 1

Appunti di calcolo e progetto di sistemi meccanici

Sistema meccanico

Un sistema meccanico è un insieme di componenti (meccanici, elettrici, elettronici) che svolge una determinata funzione.

Nel campo della misura

Un esempio è la bilancia di precisione, un sistema elettromeccanico in cui una leva meccanica viene tenuta in equilibrio da una cellina. Una volta che si applica il peso all’estremità (a una cella), la cellula fa passare una corrente per mantenere un equilibrio. Dalla misura della corrente si ottiene una misura indiretta della forza meccanica applicata.

Nel campo del collaudo strutturale

Un altro esempio è il banco per prove a fatica (progetto), un sistema costituito da componenti meccanici, elettrici, elettronici e idraulici, utilizzati per applicare, in modo preciso, dei carichi sinusoidali per prove a fatica.

Sistemi meccanici per la produzione

Questo include presse idrauliche ed elettroniche integrate, macchine per lo stampaggio di lamiere, e macchine per la pressofusione.

Requisiti da soddisfare

1. Prestazione: Garantire che il sistema meccanico lavori con la precisione voluta nei tempi voluti. I parametri della prestazione includono precisione, velocità di risposta, ripetibilità del sistema meccanico per garantire le prestazioni nel tempo e l'uniformità dei risultati.
2. Durata del sistema: Durata nel tempo, ossia durabilità strutturale, resistenza nel tempo e sicurezza strutturale.

Il campo della prestazione implica partire dalla concezione del sistema meccanico nel suo complesso. Le fasi della progettazione si possono riassumere nel modo seguente:

1. Concezione del sistema fisico: Se si desidera una grande velocità di risposta e precisione per un banco prova, utilizzare come mezzo di trasporto per la potenza l'aria (banco pneumatico) potrebbe non essere la scelta migliore perché l'aria è elastica rispetto a un fluido non comprimibile (es. l'olio). Un banco prova servo-idraulico è la scelta migliore.
2. Progettazione funzionale: Coinvolge la scelta dei componenti (es. attuatori idraulici), la scelta dei parametri (es. la pressione), la verifica delle prestazioni con simulazioni o prototipi.

Progetto strutturale: Verifiche di resistenza, rigidità, deformabilità. Le prime due fasi di progetto garantiscono la prestazione mentre l’ultimo punto garantisce la durata.

Esempio di sistema meccanico

Banco prove a fatica - prima effettuo una descrizione generale.

• Fonte di energia → Regolatore di energia → Trasferimento o trasformazione dell’energia → Utilizzazione
• Supplosta ∞ Immette la quantità giusta nel sistema
• Trasferimento Em in Em al più omologa le caratteristiche della potenza
• Routine ad ingranaggi vari (Pm) Trasformazione
• Trasforma l’energia in ingresso in altra forma → motore elettrico riceve Ed e la trasforma in Em

Questo è un sistema meccanico in anello aperto ed esso soffre di scarsa precisione. Perché?

Esempio: banco per prove strutturali. All’interno del cilindro faccio arrivare olio ad una determinata pressione P che si traduce in una forza F tramite lo stelo. Qual è la relazione per trovare F?

F = pA

Questa non tiene conto dell’attrito tra pistone e cilindro e nelle suore tra stelo e cilindro e quindi F non è rigorosamente collegata a P. Le relazioni che considerano l’attrito, probabilmente come F (temperatura, usura...), non sono di facile determinazione. Per garantire una precisione si deve completare lo schema a blocchi del sistema meccanico con una seconda parte in anello chiuso. In ogni istante devo monitorare lo stato fisico dell’utilizzatore (sensore che misura il valore verso cui parametrerò):

• Fonte di energia → Regolatore → Trasf. o Transform. → Utilizzatore
• Segnale di correzione F (real) ≠ F (desi)
• Nasce un errore che genera un segnale
• La grandezza vera viene confrontata con il valore desiderato
• Computer o elettronica che governa le funz. Regolatore
• Sensore determina l’errore

Procedo con l'esempio sul banco prova a fatica

• Cilindro idraulico
• Regolatore di energia
• Servovalvola
• Fonte di energia (com)
• Motore elettrico che assorbe energia elettrica e trasporta in rotazione la pompa (trasf. e)
• Banco prova utilizzatore - Ganasce - Cella di carico (sensore)
• Anello aperto con un vincolo fisso

Il punto di partenza per progettare il banco di prova a fatica è l'analisi della prestazione con la precisione. Se vogliamo fare prove a fatica, un altro requisito di prestazione è la Fmax applicabile e la velocità.