Riassunto analitico
L'elaborato si basa sull’esperienza di tirocinio curriculare svolta presso Esautomotion S.p.A., un’azienda italiana (sita a Carpi, in provincia di Modena) leader a livello internazionale nello sviluppo, produzione e vendita di sistemi CNC integrati di nuova generazione. L’attività di stage svolta riguarda un’indagine scientifica, eseguita nel campo delle macchine CNC per il taglio di lamiere metalliche mediante raggio laser e plasma. Tale studio rientra nell’ambito dei controlli automatici analogici e digitali ed è stato condotto al fine di ottimizzare e velocizzare il processo che permette ad una testa laser (utensile) di mantenere una distanza assolutamente costante rispetto alla parte (pezzo) durante la lavorazione di taglio.
La misurazione della distanza avviene tramite sensori capacitivi, i quali forniscono un segnale che viene elaborato dai controllori presenti all’interno dei sistemi CNC, in modo tale da fornire la giusta azione di controllo ai sistemi di movimentazione dell’asse della testa laser.
La buona riuscita della velocizzazione di tale processo corrisponde al miglioramento della qualità di taglio delle lamiere metalliche, nonostante la presenza di numerose e casuali non planarità delle parti in lavorazione, oltre alla presenza di ritardi di attuazione e misura nel sistema di controllo, dovuti alla comunicazione tra i diversi componenti della macchina laser durante l’elaborazione.
L’approccio iniziale al problema comprende uno studio accurato dei componenti del sistema attuale, il quale è stato modellizzato e simulato grazie all’utilizzo dei software MatLAB e Simulink, utilissimi anche in fase di simulazione del segnale acquisito dal sensore capacitivo e dei vari profili di lamiera da sottoporre a test simulativi. A partire dalla simulazione del modello del sistema risulta possibile raccogliere informazioni sulle sue caratteristiche attuali, in modo tale da suggerire alcune proposte di miglioramento nell’anello di controllo attuale.
L’indagine è compiuta, dapprima, considerando un sistema ideale privo di alcun ritardo di trasmissione. In seguito, essa viene estesa anche al sistema reale, nel quale vengono considerati anche eventuali ritardi di trasmissione del segnale, che potrebbero verificarsi in fase di attuazione dell’asse della testa laser ed in fase di lettura da parte dei sensori.
Al fine di tentare di velocizzare il sistema di controllo che movimenta la testa laser, le proposte suggerite, sperimentate in fase simulativa, riguardano:
• l’introduzione di un controllore PID, che sostituisce l’attuale controllore proporzionale, in modo da rendere più veloce la risposta del sistema. Il controllore proporzionale-integrale-derivativo viene progettato nel dominio analogico ed in seguito discretizzato in vista di una sua implementazione reale. Il suo comportamento viene valutato in situazioni ideali ed in situazioni reali, grazie anche alle simulazioni del sistema di controllo in Simulink, le quali permettono di testare diversi profili di lamiera.
• l’introduzione di uno schema di controllo a Predittore di Smith, che permette di compensare i ritardi presenti nel loop di controllo e di migliorare la risposta del sistema, la quale deve essere non solo sufficientemente veloce rimanendo fedele alla traiettoria da inseguire, ma anche essere esente da eccessive oscillazioni o sovraelongazioni.
In ultimo, viene affrontato il problema di trasformare i risultati teorici ottenuti dalle simulazioni in uno pseudocodice da implementare nel regolatore PID digitale (abbinato ad uno schema di controllo a Predittore di Smith), per ottenere il comportamento desiderato del sistema di controllo migliorato.
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