Identificazione e Modellazione di un Sistema di Posizionamento ad Azionamento Pneumatico = Identification and Modelling of a Pneumatic Drive Positioning System

Lo scopo del presente lavoro di tesi è identificare e modellare un sistema di posizionamento ad azionamento pneumatico costituito da un carrello traslante su una guida lineare a ricircolo di sfere movimentata per mezzo di un cilindro pneumatico a doppio effetto e una valvola 5/3 proporzionale in flusso. La scelta di adoperare un cilindro pneumatico come organo di posizionamento è giustificata dal loro largo impiego in ambito industriale grazie all’economicità, alla versatilità e alla semplicità della meccanica rispetto ad attuatori di altra natura e di pari potenza. Nonostante le qualità appena citate, gli attuatori pneumatici presentano alcune problematiche non trascurabili che, volendo semplificare, si traducono in un deficit di precisione ed efficienza energetica. Uno dei principali problemi è la comprimibilità dell’aria, che si traduce in una rigidezza ridotta, un basso smorzamento e una riduzione delle prestazioni dinamiche. Altri problemi tipici sono le numerose non linearità, due tra tutte sono la relazione tra portata e rapporto tra le pressioni di monte e valle della valvola e le forze di attrito generate durante il moto relativo dello stelo. Inoltre, l’attrito non solo complica la modellazione del sistema, ma può ridurne significativamente l’efficienza energetica dell’intero sistema. La sfida principale è quindi di modellare con cura queste non linearità e in particolar modo l’attrito che risulta essere un fenomeno molto difficile da analizzare. Infatti, ad oggi non si dispone di un modello universale dato che questo tipo di fenomeno è soggetto a molti fattori che dipendono a loro volta dalle condizioni di esercizio e dalla tecnologia costruttiva del sistema in esame. L’obiettivo di questo studio è di proporre un modello di un sistema di posizionamento pneumatico che risulti quanto più possibile semplice ed affidabile. Nella prima parte del lavoro è stato studiato il comportamento della valvola al fine di ottenere una relazione che correlasse la portata smaltita e la tensione di comando. Per fare ciò si è fatto uso della norma ISO 6358 per ricercare una formulazione adatta a prevedere il comportamento della valvola in tutte le condizioni di lavoro (regime sonico/subsonico, fase di carico/scarico). Il passo successivo è stato di identificare un opportuno modello che ben replicasse gli andamenti delle forze d’attrito relative al sistema cilindro-carrello. Dato che queste tipologie di modelli presentano livelli di complessità anche molto elevati, si è cercato di utilizzare una formulazione matematica che risultasse quanto più semplice possibile per ridurre la presenza di possibili problematiche computazionali. In questo caso la sperimentazione ha mostrato che, per frequenze di lavoro inferiori a 5 Hz, è possibile ottenere ottimi risultati già a partire da un modello statico che tenga conto di fenomeni di attrito statico, viscoso e coulombiano. Infine, una volta modellati tutti i componenti è stato possibile procedere con la validazione del modello complessivo del sistema controllato in anello aperto. I test di validazione sono stati effettuati fornendo una opportuna tensione di comando alla valvola (sinusoidale e a gradino) e confrontando gli andamenti numerici e sperimentali delle variabili di interesse. Il confronto tra i risultati dei numerosi test effettuati ha dimostrato un ottimo livello di accuratezza del modello proposto. I lavori futuri riguarderanno ulteriori studi sui modelli di attrito e la validazione del modello del sistema di posizionamento posto in anello chiuso.