SINERGIE: Soluzioni integrate per le macchine automatiche di prossima generazione

SINERGIE
SOLUZIONI INTEGRATE PER
LE MACCHINE AUTOMATICHE DI PROSSIMA GENERAZIONE
Clust-ER Meccatronica Motoristica
Value Chain Automazione e Robotica Emilia Romagna (A&RER)
Reggio Emilia, 28 febbraio 2018
Bando per progetti di ricerca industriale strategica rivolti agli ambiti prioritari della Strategia di Specializzazione Intelligente
(azione 1.2.2)
Asse I POR FESR Emilia-Romagna 2014-2020

2
Macchine Automatiche
Emilia Romagna
• il settore del packaging e delle macchine automatiche copre il 60% del
fatturato nazionale
• oltre 230 aziende con ruoli di eccellenza a livello internazionale
Il mantenimento di queste posizioni di assoluto rilievo implica un
adeguato investimento nella ricerca.
• Il progetto mira a sviluppare nuove soluzioni integrate hardware/software
per la movimentazione ad elevata dinamica in macchine automatiche.
Due aree tematiche principali:
• Strumenti SW per la progettazione e il controllo
• Dispositivi contactless e wireless per misure, trasmissione segnali ed
attuazione

3
CIRI ICT
LABORATORI
IMPRESE PARTECIPANTI
CIRI MAM
Partner
CAPOFILA
INTERMECH
PARTNER
Laboratorio Industriale Automazione
Macchine per il Packaging

4
Obiettivi del progetto
1. Architetture software machine & platform-independent
(supervisione e controllo di macchine automatiche)
2. Metodi e strumenti di ausilio alla progettazione dei sistemi di moto
di macchine automatiche (ottimizzare materiali, energia, prestazioni)
3. Sistemi Embedded autonomi per il controllo e la diagnostica di
macchine automatiche
4. Movimentazione controllata e trasferimento contactless della
potenza elettrica di alimentazione su parti non fisse

5
Cosa stiamo sviluppando (OR1)
OR1: Strumenti e Metodi per Sviluppo Software di Automazione
- Machine-independent
librerie per configurare e non programmare una nuova macchina
- Platform-independent
molti fornitori (nessun italiano di dimensione importante),
diversi strumenti e metodi ⇒ necessità di un abstraction layer
Filone di attività avviato da tempo
Obiettivo nuovo e molto importante:
Abstraction Layer per Motion Control
ATTIVITÀ PROGETTO - IDEA DI BASE
6
RequestsType
Homing
Jogging
Posi?oning
GENERIC AXES
Axis Reference
Data
OperaZon Type
Clock
Clock Time
Requests Commands
Actual PosiZon
Actual Speed
OperaZonal Mode
Signallings
OperaZonalModes
Ac?vated
Running
UnknownPosi?on
Signallings
Error (BOOL)
Warning (BOOL)
Messages (ARRAY)
Stessa interfaccia per il proge%sta soware
Funzionamento
interno dipendente
dalla pia6aforma

6
OR1: Obiettivi
• Sviluppo controllo macchina indipendente dalla piattaforma
• Architetture di controllo software indipendenti dall’applicazione
macchine
• Componenti di libreria riutilizzabili
Fornitore 1 Fornitore 2 Fornitore 1 Fornitore 2
Logica
Macchina 1
Logica
Macchina n

7
OR1: Risultati
Definizione di un framework di architettura per il controllo macchina
LOGICA DI CONTROLLO
+
ATTUAZIONE COMANDI
LOGICA DI
CONTROLLO
IMPLEMENTAZIONE
COMANDO
APPLICAZIONE

8
OR1: Risultati
Sviluppo librerie di motion control hardware independent
LOGICA DI
CONTROLLO
IMPLEMENTAZIONE
COMANDO
ABSTRACTION LAYER
INDIPENDENTE DA HARDWARE DI
CONTROLLO UTILIZZATO
COMANDI SPECIFICI
DEL PLC UTILIZZATO
VIRTUALIZZAZIONE SISTEMI
MOTION CONTROL

OR1: Risultati
LOGICA DI CONTROLLO
Prove sperimentali su alcune piattaforme
d’automazione
Validazione componenti libreria
Validazione stessa logica di controllo lato applicazione
In fase di definizione prove su gruppi di macchine reali

10
OR2: Metodologie e strumenti di progettazione
meccatronica realmente integrata
Ambiente di sviluppo per integrare:
1. progettazione meccanica dei cinematismi,
2. scelta del riduttore, scelta dell’azionamento elettrico
3. ottimizzazione delle traiettorie
4. progettazione di algoritmi di controllo per il moto
⇒ ottimizzare costi-pesi-consumi (Green-Automation)
- Punto nodale:
- interfacciamento con CAD commerciali
- Sfida:
aprire la strada a cinematismi non rigidi (poco materiale e non energivori ⇒
sostenibili) da dominare (prevenire vibrazioni) con sistemi di controllo avanzati

11
Architettura modulare, composta da servo-assi a 1
grado di libertà.
Modello integrato meccanico-elettrico.
Caratteristiche del modello meccanico:
• Modello a parametri concentrati, incluse perdite per attrito.
• Determinazione del profilo di coppia e velocità richiesto
all’azionamento.
Caratteristiche del modello elettrico:
• Relazione non lineare tra coppia motrice e corrente assorbita
(motore PMSM ).
• Perdite energetiche nel rame e nel ferro, perdite di commutazione
nell’inverter.
• Basato sui dati di targa dei componenti (non sono necessarie
sperimentazioni).
Servo-motore
Trasmissione
Organo
terminale
Azionamento
Energia scambiata con
il BUS DC
Modello
meccanico
Modello
elettrico
Servo - asse

12
• Scelta ottimale dei componenti motore e riduttore
– Funzioni obiettivo: energia assorbita, coppia motrice, rendimento.
– Ricerca del rapporto di trasmissione ottimo.
– Creazione di cataloghi «continui» di componenti mediante interpolazione dei dati di targa:
determinazione del componente ottimo assoluto, minore dipendenza dalle
caratteristiche specifiche del costruttore, individuazione di lacune sul catalogo dei codici
presenti in azienda, valutazione di eventuali componenti custom-made.
• Sviluppo di software di ausilio alla progettazione (ambiente MATLAB)
Simulazione
- Valutazione dei consumi di
energia.
- Impatto delle scelte progettuali
(es. leggi di moto).
Ottimizzazione
- Scelta componenti.
Tool di ausilio
- Geometria e inerzia della
trasmissione.
- Profilo di carico.
- Catalogo dei componenti (motore,
riduttore).
(con interfaccia
grafica)
Input

13
Simulatore fisico real-time:
• Modellistica di tipo Multibody
• Identificazione e calcolo di collisione
fisica tra prodotti
• Simulazione

Filtri dinamici per generazione di traiettorie
• In molte applicazioni la generazione di
traiettorie deve considerare vincoli
dinamici: vibrazioni
• Affidabilità degli organi meccanici
• Precisione
• Generatori con struttura "feedforward"
sono preferibili in ambito industriale
• Indipendenti dal controllore (di fabbrica)
• Facile implementazione (tempo discreto)
• Tecniche basate su filtraggio
• Shaping
• Smoothing
• ... Generatore di traiettorie
Posizione
desiderata
Vincoli cinematici
(velocità, accelerazione
massime)
Vincoli dinamici
(frequenze di
risonanza)
Traiettoria
ottima
OR2

• Dato un sistema risonante, l’obiettivo è
ridurre l’effetto della coppia di poli
oscillante dell’impianto
• Tipicamente sistemi del secondo ordine
• Il filtro esponenziale assicura la completa
soppressione delle vibrazioni
OR2

• Sistema con trasmissione elastica
Traiettoria del secondo
ordine
Traiettoria del secondo ordine più
filtro esponenziale
OR2

• Robot con giunti a rigidezza variabile
• Elevata cedevolezza
• Basso smorzamento
Viene impiegato un
filtro per ogni modo
di vibrare del
sistema
OR2

• Riduzione degli errori in un carico oscillante
• Pendolo appeso alla flangia di un robot industriale
Spline standard
Spline più filtro esponenziale
OR2

• Riduzione delle oscillazioni nella manipolazione di liquidi
OR2

Schemi di controllo avanzati basati sulla modifica
delle traiettorie
• Repetitive Control: permette di annullare disturbi durante lo
svolgimento di task periodici.
• Integrazione con traiettorie Spline: permette di annullare l’errore di
posizione nei punti di passaggio di una traiettoria Spline periodica.
OR2

delle traiettorie
• Azione del repetitive control
Controllo
disattivato
Controllo
attivato
OR2

delle traiettorie
• Prove sperimentali con un sistema di visione esterno
25
Andamento della
posizione del robot nel
piano della telecamera
OR2

delle traiettorie
• Prove sperimentali con un sistema di visione esterno
26
Andamento dell’errore
OR2

Aziende coinvolte:
• IMA
• SACMI
• Tetrapak
• GeboCermex
• Clevertech

OR3: Sistemi Embedded Wireless -- Obiettivi:
Progettazione di una piattaforma embedded HW/SW per il controllo,
la diagnostica ed il controllo di qualità di macchine automatiche, con
connessioni di tipo wireless.
Caratteristiche del sistema:
q Interfacciamento totalmente wireless con attuatori e sensori
q Alimentazione di potenza tramite Wireless Power Transfer (WPT):
- WPT ad RF con accoppiamento magnetico induttivo risonante per attuatori
- WPT a microonde tramite propagazione in campo lontano per i sensori
q Scambio dati wireless a larga banda tra sensori e unità remote
q Sistemi a microprocessore embedded per il controllo e l’analisi real-time dei dati
q Implementazione di algoritmi per la compensazione delle non idealità di sensori

Sistema embedded master Smart sensor
Attuatore e/o
batteria
RF transceiver
data
power
Microwave power
transmitter
Far field radiative wireless power transfer
(Long distance – 2.4 GHz, mW)
Near field non-radiative wireless
power transfer
(Decine di cm - 1-20 MHz - 1-100 W)
§ Sistema a
microprocessore
§ ADC
§ Controllo di processo
§ Elaborazione dati
§ Algoritmi di correzione
§ Controllo power transfer
§ Sensore
§ Microprocessore
§ ADC
§ RF transceiver
§ Rectenna
DC/AC converter
ad elevata velocità di
commutazione: 1-20 MHz
AC/DC converter
power conditioning
Load modulation
controller
Resonant
transmitting coil
Resonant
receiving coil
power
Voltage and
current sensing
data via
microwave link

Tecnologie e competenze
q Sistemi embedded a microprocessore per il controllo del sistema e
l’elaborazione dei dati acquisiti dai sensori (Embedded System)
q Convertitori di potenza, sensori di corrente/tensione (Power Electronics)
q Trasmettitori e ricevitori a microonde (RF and Microwave Electronics)
q Antenne per trasmissione e ricezione in campo lontano (EM Fields)
q Bobine per trasmissione e ricezione di potenza in campo vicino (EM Fields)
q Propagazione wireless (EM Fields)

q Le potenziali applicazioni del sistema oggetto dell’OR3 sono state
discusse durante svariati incontri con i seguenti partner industriali:
- IMA http://ima.it/it/
Produttore di macchine automatiche per il processo e il confezionamento di
prodotti farmaceutici, cosmetici, alimentari, tè e caffè
- SACMI http://www.sacmi.it/
Produttore di macchine automatiche per Ceramics, Packaging, Food e Automation
- NiLAB http://ni-lab.online/
Produttore di motori lineari per macchine automatiche
q Le indicazioni fornite dalle aziende hanno permesso di identificare le
funzionalità e le specifiche dei prototipi che sono stati progettati e sono in
fase di realizzazione

100 W - 50 cm - 6.78 MHZ - WPT - inductive link
for wireless supply and control of 5 Linear motors
Risultati: prototipo progettato,
in fase di costruzione
TX
resonant
coil
RX
resonant
coil
AD/DC
converter
DC/DC
SMPS
PWM
CTRL IC
µP
µP
Linear motors
DC linear
regulator
RF TX/RX
TX
Inverter
voltagesense
V&I
PWM
Motor commands
CAN
50 cm
6.78 MHZ
WPT
inductive
link
DC/DC
SMPS
AC/DC
converter
Currentsense
Tempsense
PWM
@6.78MHz
voltagesense
RF TX/RX
Bluetooh
microwave link
AC
mains
RX embedded
system
TX embedded
system
Bluetooh link: control of the WPT
link and commands to the motors
Control
(OR3)

Applicazione: alimentazione e controllo wireless di 5
motori lineari tubolari NiLaB
Prototypes of TX and RX coils (22x20 cm2)
NiLaB linear
motor NLI080Q
TX coil board
RX coil board
20 cm x20 cm
12 cm x 12 cm
50 cm
Schematic view of the application
Paper sottomesso a IEEE WPTC 2018 – Wireless Power Transfer Conference - http://wptc2018.org/
Autori: Corrado Florian, Marco Grossi, Kreshnik Veliu, Rudi Paolo Paganelli, Francesco Berra, Diego
Masotti, Massimo Lanzoni, Alberto Santarelli, Bruno Riccò, Marco Gavesi, Alessandra Costanzo

A 150-W Inductive Resonant WPT Embedded System at
6.78-MHz for the Supply and Control of Permanent
Magnet Three-Phase Linear Motors
• Prototipo realizzato ed in fase di testing: TX board (17
cm x 21 cm)
HF inverter board (10 cm x 12 cm)
• Prototipo in fase di costruzione: RX board
Supply
for 5
linear
motors

35
OR4: Sistemi combinati di movimentazione controllata e di
trasferimento contactless della potenza elettrica su parti mobili
Ambito: Attuatori (kW) su equipaggi mobili di macchine automatiche (giostre,
torrette rotanti)
Obiettivo: Sviluppo di nuovi sistemi di movimentazione controllata,
per realizzare, contemporaneamente movimento
e trasferimento di potenza elettrica
per l’alimentazione delle parti mobili
con modalità di tipo contactless e
controllo wireless.
POR-FESR OR4 9
Struttura proposta
Macchina asincrona
multifase a doppia
alimentazione
∼
Giostra
∼
Altri
azionamenti
Dettaglio giostra
• Semplificazione della macchina automatica
• Riduzione della manutenzione
• Maggiore efficienza

36
Risultati:
• Progetto e realizzazione di un prototipo di Macchina Elettrica a Doppia
Alimentazione (MEDA), multifase, di tipo direct-drive ad albero cavo per macchina
automatica a giostra.
• Progetto e realizzazione di convertitori di potenza per statore e rotore della
MEDA, con interazione wireless per lo scambio di dati.
• Ricerca e sviluppo di tecniche di controllo innovative per MEDA, con controllo
indipendente di coppia e di potenza elettrica.
• Verifica sperimentale del comportamento dell’intero azionamento, in diverse
condizioni operative.

5-phase
inverter
3-phase
grid
Actuator
Rectifier
Stator reference frame (parte fissa)
Actuator
Actuator
Actuator
5-phase
inverter
Rotor reference frame (giostra)
5-phase IM

[W]
[A]
Profilo di velocità del motore
Potenza elettrica assorbita dagli
attuatori e trasferita sulla giostra
Correnti pentafase statoriche
[V]
[Nm]
[A]
[rpm]
Tempo [s]
Coppia erogata dal motore
Correnti pentafase rotoriche
Tensione di alimentazione degli
attuatori della giostra (regolata)
Indipendenti

Traiettoria del vettore di spazio
del campo magnetico al traferro.
[T]
[T]
1° armonica di
campo al traferro
(4 poli)
3° armonica di
campo al traferro
(12 poli)
Campo
risultante
Il risultato è ottenibile grazie allo sfruttamento dei campi armonici al traferro

40
Coinvolgimento industriale
• Aziende produttrici di macchine automatiche con tavole rotanti o
traslanti (IMA, SACMI).
• Aziende produttrici di macchine elettriche speciali di tipo
multifase.
• Aziende produttrici di azionamenti elettrici multifase di tipo
innovativo.

41
Persone
OR1:
• Matteo Sartini (LIAM)
• Giorgio Magri (LIAM-IEMA)
• Prof. Eugenio Faldella (CIRI MAM)
OR2:
• Prof. Andrea Tilli (CIRI MAM)
• Prof. Marco Carricato (CIRI MAM)
• Dr. Alessandro Macchelli (CIRI MAM)
• Prof. Cesare Fantuzzi (Intermech)
• Prof. Cristian Secchi (Intermech)
OR3:
• Prof. Bruno Riccò (CIRI MAM)
• Prof. Alberto Santarelli (CIRI MAM)
• Prof.ssa Alessandra Costanzo (CIRI ICT)
• Prof. Massimo Lanzoni (CIRI MAM)
OR4:
• Prof. Giovanni Serra (CIRI MAM)
• Prof. Antonio Tani (CIRI MAM)
• Prof. Luca Zarri (CIRI MAM)
Inoltre:
• 8 nuovi ricercatori (AdR)
• 2 co.co.co

42
A chi serve?
Tutte le AZIENDE PRODUTTRICI DI MACCHINE AUTOMATICHE per:
- Ridurre i tempi e i costi dello sviluppo SW
- Ottimizzare i meccanismi
- costo
- quantità di materiale
- consumi
- Sfruttare sensori e miniattuatori su equipaggi mobili con Wireless Power
Transfer di mW e di 1-100W
- Realizzare movimentazioni controllate di importanti equipaggi mobili e
trasferimento di potenza a bordo degli stessi dell’ordine dei kW.

43
Contatti/Per approfondire
Coordinatore del Progetto:
Prof. Claudio Melchiorri – claudio.melchiorri@unibo.it
del laboratorio
CIRI-MAM Meccanica Avanzata e Materiali
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE

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