Studio, modellazione e sperimentazione di un pattino pneumostatico compensato mediante una valvola differenziale a diaframma = Study, modeling and experimentation of a pneumostatic pad compensated by a differential diaphragm valve

Molte applicazioni industriali hanno la necessità di avere sistemi di movimentazione ad elevata precisione come ad esempio: macchine per il controllo di coordinate, macchine utensili e macchine per la fabbricazione di circuiti integrati. Questi sistemi necessitano di precisione nel movimento, buona efficienza e basso impatto ambientale. Una tecnologia che soddisfa questi requisiti è quella dei pattini pneumostatici. Questi permettono di ottenere prestazioni superiori rispetto a tecnologie tradizionali, come ad esempio i cuscinetti volventi o ad olio. I pattini pneumostatici utilizzano gas in pressione per interporre un meato fluido tra parti in movimento e parti fisse, eliminando ogni contatto diretto. Questa peculiarità consente di ridurre la dissipazione di energia, gli errori nel posizionamento e l’apporto di contaminanti. Tuttavia, a fronte di questi considerevoli vantaggi, si hanno limitazioni dovute alla scarsa rigidezza del sistema e al ridotto smorzamento. Per superare questi inconvenienti e raggiungere elevate prestazioni possono essere impiegati metodi di compensazione. Questi possono essere classificati come attivi o passivi in base alla sorgente di alimentazione richiesta. In questo elaborato viene studiato un metodo di compensazione passivo che, applicato ad un pattino pneumostatico rettangolare, permetta di ottenere rigidezza statica quasi infinita a un costo contenuto rispetto ad altre soluzioni. Il pattino presenta delle ragnature, ha quattro fori di alimentazione e uno di retroazione diretto alla valvola. L’aria di alimentazione al pattino è regolata da una valvola differenziale a membrana. Questa consiste in quattro camere separate da tre membrane. Ogni membrana è fissata all’otturatore che, interfacciandosi con l’ugello, controlla il flusso di aria al pattino. La posizione dell’otturatore è determinata dall’equilibrio delle forze di pressione alle membrane. L’elaborato è strutturato in cinque capitoli. Nel primo è fornita una panoramica completa dello stato dell’arte. Il secondo capitolo riporta le scelte progettuali effettuate e offre una descrizione dettagliata del banco prova statico utilizzato per i test. Nel terzo è riportato il principio di funzionamento del sistema valvola-pattino, accompagnato dalla presentazione del modello matematico a parametri concentrati. A supporto dell’analisi, in questo capitolo vengono presentati quattro modelli matematici. Tra questi è presente un modello di progetto che consiglia una rigidezza equivalente delle membrane per ottenere le prestazioni desiderate. Inoltre, è incluso un modello statico che permette di caratterizzare staticamente il sistema. Infine sono stati sviluppati due modelli dinamici: un modello non lineare, che simula la risposta del sistema a un’eccitazione armonica, e un modello lineare, che offre una soluzione per studiare la risposta del sistema in maniera efficiente dal punto di vista computazionale. Nel quarto capitolo sono presentati i risultati degli studi. In sintesi, si può affermare che il sistema permette di ottenere rigidezza quasi infinita in condizioni statiche, ma le sue prestazioni decadono per eccitazioni armoniche con frequenze superiori a cinque Hertz. Infine, il quinto capitolo presenta un’analisi critica del lavoro fatto. Il metodo di compensazione proposto, data la sua efficacia e il costo ridotto, rappresenta una soluzione che può essere impiegata in applicazioni industriali.