Modellazione e studio delle prestazioni di un pattino pneumostatico controllato da una valvola a diaframma = Modeling and study of performance of aerostatic pad controlled by a diaphragm valve

Grazie al loro attrito nullo, alla loro pulizia, eco sostenibilità e lunga vita di esercizio, i pattini pneumostatici sono utilizzati in molte applicazioni dove sono richieste elevate precisioni di posizionamento. Tra queste è possibile annoverare macchine utensili, guide lineari. Tuttavia, la comprimibilità dell’aria comporta diversi svantaggi, tra i quali la bassa rigidezza relativa e il ridotto smorzamento. Per tale ragione nella letteratura scientifica sono state analizzate molte soluzioni che permettono di ridurre queste limitazioni. Inizialmente, sono state valutate soluzioni finalizzate ad incrementare le prestazioni dei cuscinetti progettando i loro sistemi di alimentazione. Ad esempio, nel caso di pattini con fori semplici si può agire modificando la loro dimensione, numero e disposizione. Altre soluzioni più efficaci che possono essere adottate sono l’utilizzo di piccole scanalature sulla superficie dei cuscinetti o di superfici porose. Tuttavia, questo tipo di soluzioni permettono solamente di ottenere limitati miglioramenti delle performance e portare a problemi di instabilità qual ora si adottino delle ragnature con volumi troppo elevati e a difficoltà produttive nei casi in cui si utilizzino delle superfici porose. Successivamente grazie ai miglioramenti tecnologici sono state sviluppate metodologie di compensazione. In generale è possibile distinguere metodi di compensazione passivi ed attivi. Nella compensazione attiva i pattini sono integrati con elementi quali i sensori, controllori e attuatori. I metodi di compensazione attiva più efficaci utilizzano attuatori per controllare l’apertura degli orifizi e per modificare la geometria. Questo metodo di compensazione permette di ottenere dinamiche maggiori, maggiori accuratezze di posizionamento. Nonostante le loro elevate performance, ad oggi, i metodi di compensazione attivi, essendo molto costosi, non possono essere ancora pronti per essere utilizzati all’interno di applicazioni industriali. Al contrario, i sistemi di compensazione passiva utilizzando componenti più economici che sfruttano solo l’energia associata alla pressione di alimentazione e si prestano all’ambito industriale. In questa tesi viene studiata una metodologia di compensazione passiva che consiste nell’integrazione di una valvola pneumatica a diaframma ed un pattino commerciale. Le prestazioni del sistema sono state studiate in condizioni statiche, dinamiche e nei transitori. È stato implementato un modello numerico a parametri concentrati e i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli di prove sperimentali condotte su un apposito banco prova. Il confronto tra i risultati numerici e sperimentali ha confermato l’accuratezza del modello. A seguito della validazione del modello numerico è stato possibile analizzare diverse configurazioni di set-up della valvola da cui si è potuto constatare che la soluzione proposta permette di ottenere rigidezze quasi-statiche infinite per diversi range di meati. Successivamente è stata analizzata la stabilità del pattino ed è stato dimostrato che quando la rigidezza della membrana è adeguatamente selezionata il pattino risulta stabile. Infine, è stata svolta un’analisi dinamica che ha dimostrato che le performance del metodo di compensazione proposto si riducono drasticamente all’aumentare della frequenza a causa della bassa dinamica della valvola. In conclusione possiamo notare come questi risultati indicano che il metodo di compensazione proposto è un metodo efficiente per basse frequenze di lavoro.