meccatronica

meccatronica

meccatrònica s. f. – Settore interdisciplinare fondato sulla sinergia di conoscenze proprie della meccanica e dell'elettronica. I contenuti si sono evoluti prevalentemente per l'utilizzo che i sistemi meccanici hanno fatto delle conoscenze acquisite e dei risultati conseguiti dall'elettronica. Negli ultimi decenni del Novecento l'elettronica ha avuto un rapido sviluppo. Nata come approfondimento dell'elettrotecnica dei circuiti non lineari, si è andata poi configurando come disciplina autonoma, differenziata successivamente in due settori: quello della macro- e quello della microelettronica. La prima ha portato alla realizzazione e alla diffusione delle apparecchiature di elettronica di potenza (per es., raddrizzatori, invertitori, convertitori); la seconda alla realizzazione, alla programmazione e all'impiego di unità di calcolo numerico e, cioè, all'informatica. Quest'ultima ha avuto, in particolare, un'evoluzione tecnica e tecnologica molto rapida. Il consolidamento delle conoscenze nel settore è stato molto favorito dalla realizzazione di microapparecchiature in grado di effettuare un elevato numero di operazioni in tempi estremamente brevi (dell'ordine di nanosecondi). La facilità di accedere a tali apparecchiature e la semplicità con la quale esse possono essere predisposte al fine di eseguire sequenze di operazioni ha favorito l'estensione delle tecniche e tecnologie informatiche a differenti campi di impiego. La meccanica costituisce uno dei settori in cui l'elettronica e l'informatica vengono utilizzate con grande successo, perché consentono di poter conseguire grandi progressi tecnici e, specificatamente, di aumentare la flessibilità di impiego di macchine e apparecchiature, di ridurre i tempi di risposta, di soddisfare particolari esigenze con prestazioni altamente qualificate e con l'ottenimento di precisioni elevate. Lo sviluppo ha comportato il raggiungimento di equilibri ottimali tra strutture meccaniche di base, l'impiego di sensori e attuatori, l'uso di tecniche informatiche per la gestione di sistemi di controllo gerarchizzati. Sempre più di frequente operazioni e compiti originariamente assegnati a organi meccanici sono svolti da sistemi informatici, perché con questi si realizzano strutture più semplici nel loro complesso, che risultano anche più funzionali. Si concepiscono inoltre nuovi sistemi meccanici per svolgere funzioni che le tecnologie convenzionali della meccanica tradizionale non sono in grado di soddisfare. Questo progresso tecnico è reso possibile unicamente dall'impiego sinergico di tecnologie proprie dei settori della meccanica e dell'elettronica e riguarda miriadi di prodotti che afferiscono a diversi settori. L'integrazione dunque ha comportato e continua a comportare cambiamenti sostanziali nei criteri di dimensionamento di componenti elettromeccanici, macchine, veicoli e apparecchiature di meccanica di precisione, dal momento che i processi dell'area meccanica, elettronica e informatica si influenzano l'un l'altro mutuamente.

Sistemi meccatronici e loro impieghi. – Il sistema meccatronico è costituito da un insieme di elementi (macchine e apparecchiature) tra loro collegati e pilotati in modo da realizzare una ben definita trasformazione energetica, le cui caratteristiche dipendono da una determinata elaborazione delle informazioni che stabilisce il controllo delle uscite del sistema. Alcuni sistemi meccatronici non hanno la catena di controllo chiusa per via completamente informatica, perché tale chiusura avviene attraverso l'intervento di un operatore: si tratta ovviamente di sistemi che non richiedono velocità operative estremamente elevate (cioè dell'ordine di frazioni di secondo). La maggior parte dei prodotti ad alta tecnologia, progettati e realizzati all'inizio del 21° sec., è costituita da sistemi meccatronici ottenuti con l'integrazione di componentistica elettronica (microcontrollori, sensori) e di parti meccaniche (attuatori elettrici, pneumatici). L'evoluzione ha portato alla progettazione dell'intero sistema meccatronico come un'unica entità e, quindi, ha comportato anche la riprogettazione delle parti meccaniche per un'ottimale integrazione con la parte elettronica e per una maggiore miniaturizzazione dei sistemi. Differenti sono i settori in cui trovano impiego i sistemi meccatronici. Il settore industriale è stato il primo in cui si è potuto assistere alla loro crescente diffusione, perché ha impiegato azionamenti elettrici per il controllo di velocità e posizione. Si tratta di robot e di sistemi di movimentazione automatici, azionamenti elettrici con funzioni automatiche tanto di regolazione di velocità quanto di posizione, macchine utensili a controllo numerico (torni, frese), sistemi di taglio laser, sistemi di lettura ottica e così via. Tuttavia è nei settori automobilistico e dei trasporti che la m. ha trovato maggiore impiego negli ultimi anni. Si è infatti assistito al proliferare di funzioni e di automatismi per aumentare il comfort dei passeggeri, le prestazioni e la sicurezza dei veicoli. Le automobili di moderna costruzione sono dotate di numerosi sistemi meccatronici quali, per es., i regolatori della fasatura oppure del sistema di iniezione, le sospensioni attive, i sistemi antipattinamento e di controllo della stabilità, l'ABS (Antilocking braking system), il cruise control, i sistemi di climatizzazione, i tergicristalli con sensori di pioggia. Nei veicoli che vengono destinati al trasporto collettivo sono impiegati da tempo con successo, per es., sistemi di allineamento e di apertura automatica delle porte. Anche l'applicazione della m. ai sistemi domestici è una tendenza consolidata. L'automazione e il coordinamento degli elettrodomestici 'intelligenti' e dei sistemi di aerazione, di allarme, di riscaldamento, si configurano nell'ambito della disciplina denominata domotica. Le funzioni meccatroniche sono orientate al controllo delle parti meccaniche per conseguire un'elevata efficienza, ma anche semplicità e versatilità di utilizzo e, in ultimo, anche per integrare nei prodotti funzioni di comunicazione avanzata, finalizzate al telecontrollo. Applicazioni del genere si hanno, per es., in lavatrici e lavastoviglie, nei sistemi di aerazione e climatizzazione, nei sistemi di antifurto. La sinergia esistente tra meccanica ed elettronica caratterizza molte apparecchiature elettroniche di normale uso quotidiano; esse possono, infatti, incorporare micromotori elettrici controllati. Si considerino i lettori di supporti ottici e magnetici (videoregistratori, lettori CD e DVD, hard disk, floppy disk), che integrano funzioni meccaniche avanzate per il posizionamento delle testine di lettura nonché per la movimentazione dei supporti; le telecamere e le fotocamere analogiche e digitali (tra le prime a essere considerate prodotti meccatronici), nelle quali sono impiegati micromotori per i sistemi automatici di messa a fuoco, regolazione dell'esposizione, zoom ottici, stabilizzazione dell'inquadratura; le stampanti e i fax, dove microsistemi meccatronici governano il movimento delle testine di stampa, l'avanzamento della carta utilizzando motori passo passo; i sistemi di puntamento elettronico; i bancomat e così via. L'introduzione della m. nel settore biomedico ha consentito di ottenere notevoli progressi nelle tecniche di intervento chirurgico, rendendole meno invasive e con minori danni per i pazienti. Sono stati sviluppati, infatti, sistemi robotizzati che affiancano, o in alcuni casi addirittura sostituiscono, la mano del chirurgo durante gli interventi. Sono prevalentemente di approccio meccatronico, inoltre, i prototipi di protesi di arti artificiali di ultima generazione, bracci meccanici e manipolatori di supporto per interventi chirurgici, nonché alcuni sistemi di diagnostica.