Meccatronica

Il termine meccatronica appare per la prima volta in un documento di una compagnia giapponese (La Yaskawa Electric company) verso la fine degli anni sessanta. Il termine era stato composto dalle parole meccanica ed elettronica a indicare che lo sviluppo di questi sistemi richiede una conoscenza integrata e simultanea di entrambe le discipline. Vi è in questa disciplina una profonda differenza dai dispositivi elettro-meccanici nel fatto che con questi ultimi si intende definire la realizzazione di particolare dispositivi meccanici il cui movimento viene generato da fenomeni fisici di natura elettrica. Nella meccatronica è invece l'elettronica a essere il legante di riferimento. Questi dispositivi asservono e integrano sempre di più componenti elettroniche nei sistemi meccanici fino a divenire considerati parte integrante degli stessi.

Lo sviluppo della meccatronica si può intendere come un processo “evolutivo” delle tecniche di progettazione e controllo moderne. Lo sviluppo dapprima di microcomputer, poi di computer embedded e infine di microcontrollori ha infatti rivoluzionato il modo di intendere le logiche di controllo consentendo a un tempo di concepire e realizzare schemi di controllo molto complessi che qualche decennio fa venivano indicati solo come modelli teorici matematici che andavano poi semplificati per poter giungere a una implementazione fisica.

A oggi sono state fornite decine di definizioni differenti anche se simili di meccatronica, quella che riportiamo qui è quella utilizzata da Fukada e Harashima nel 1996: “Meccatronica sono quei sistemi che presentano una integrazione sinergica di ingegneria meccanica, elettronica e sistemi di controllo intelligenti”. Riteniamo questa definizione di particolare importanza in quanto mette in evidenza come le tre componenti fondamentali che costituiscono sistemi meccatronici non siano una subalterna all'altra ma richiedano una considerazione equivalente e bilanciata nelle varie fasi di progettazione. Si pensi ad esempio alla progettazione di un lettore per dischi rigidi oppure di compact disc, sarebbe inimmaginabile che chi progetta l'elettronica non tenga in considerazione specifiche problematiche meccaniche (come le prestazioni elettriche dei motori), oppure di controllo (come i tempi di elaborazione del segnale e di scheduling dei processi di controllo).

Un elegante esempio del ruolo della meccatronica nello sviluppo dei sistemi moderni è offerto dall'ambiente automobilistico, rispetto agli anni cinquanta dove non la presenza di elettronica a bordo non era richiesta, via via nel corso degli ultimi trent'anni un numero sempre più considerevole di componenti elettroniche sono state integrate. L'uso di queste componenti permette infatti non solo di raggiungere prestazioni sempre più spinte e vicine ai limiti “fisici” del modello fisico da controllare piuttosto che a quelle del meccanismi di controllo, ma anche di verificare il corretto funzionamento delle parti senza richiedere a un intervento esterno di aprire la “scatola” per comprendere consa non funziona dentro al meccanismo. L'elettronica dentro i veicoli si sono aperti strada prima tramite l'adozione di dispositivi in grado di controllare in maniera completamente elettronica i meccanismi elettrici interni del motore: lo spinterogeno si è col tempo trasformato da un albero di distribuzione meccanico a un sistema elettronico di rilevamento della posizione e chiusura dei circuiti relativi in grado di provocare l'accensione delle miscele nei cilindri. Ben presto anche il carburatore, l'elemento meccanico in grado di miscelare aria e benzina, e di controllare il flusso di miscela da mandare ai cilindri, veniva sostituito dalla iniezione elettronica. L'iniezione elettronica ha dimostrato ben presto un progresso notevole rispetto l'approccio classico, la riduzione di parti meccaniche in movimento, soggette a usura, depositi, vibrazioni, ha ridotto notevolmente sia i guasti dei dispositivi sia semplificato le tecniche di manutenzione. L'iniezione elettronica era realizzata tramite una serie di sensori di posizione per l'albero a camme, i pistoni, il flusso d'aria, e l'acceleratore, mentre un microcontrollore dedicato determina il tempo di apertura delle valvole.

Pressappoco negli stessi anni, le aziende automobilistiche compresero le enormi potenzialità che potevano risolvere questo tipo di sistemi e investirono in un gran numero di ricerche su sistemi meccatronici. I risultati conseguiti con l'iniezione elettronica dimostrarono infatti come opportuni sistemi di controllo digitale poteva di un colpo superare quelle barriere costituite dalle limitazioni tecniche delle progettazioni meccaniche. La sfida, si parla della metà degli anni settanta, era quindi quella di determinare quali componenti della vettura potevano avere una maggiore prestazione quando alcune componenti meccaniche fossero sostituite da opportune componenti meccatroniche.

I primi sistemi che ne risultarono furono i sistemi per il controllo elettronico della frenata (Automatic Braking System, ABS) e il sistema per il controllo elettronico della accelerazione (Traction Control system, TCS). Il primo in grado di relazionare le velocità di rotazione degli pneumatici con l'accelerazione rilevata dai sensori a bordo, e quindi in grado di modulare la pressione del circuito idraulico in maniera da evitare il bloccaggio delle ruote; il secondo (introdotto all'inizio degli anni 90) in maniera opposta regolava l'iniezione elettronica per evitare lo slittamento delle gomme durante fasi di accelerazione troppo spinta.

Di più recente introduzione è il controllo dinamico del veicolo (VDC) in grado di controllare anche la rotazione angolare e le conseguenti accelerazioni centrifughe.

Alcuni di voi, quelli che hanno autovetture di più recente costruzione si saranno resi conto dell'introduzione ormai in tutti i veicoli di un “computer di bordo”, una sorta di visualizzatore di molte delle componenti di stato del veicolo: dalla velocità corrente al consumo istantaneo, dal limitatore di velocità, al contachilometri elettronico. Il motivo di questo cambiamento è dovuto soprattutto al fatto che in questi ultimi venti anni, di pari passo al processo di generazione di nuovi servizi controllati elettronicamente all'interno della vettura, vi è stata una spinta di “accentramento e integrazione” dell'elettronica di modo che gli stessi sensori possano essere utili a più di un servizio contemporaneamente.

In figura solo alcuni dei sensori che sono a oggi contemporaneamente presenti in un veicolo. L'uso combinato di questi sensori/attuatori, insieme alla ricerca nei fenomeni fisici che essi controllano e ai meccanismi di ottimizzazione ha permesso oggi di ottenere da questi veicoli prestazioni estreme, come per il più recente “common rail”, che consente ai motori Diesel di consumare circa la metà dei motori a benzina offrendo le stesse prestazioni in termini di potenza, l'ASR che consente di integrare in uno controllo di trazione, frenata e stabilità garantendo l'intervento elettronico per limitare al minimo le condizioni di instabilità del veicolo.