Tecnologie in campo - a cura di Massimo Mortarino

s Rubrica a cura di Massimo Mortarino (mmortarino@affidabilita.eu)

TECNOLOGIE IN CAMPO

Ceramiche piezo miniaturizzate Controllo qualità al 100% Moderni sistemi di automazione

Componenti piezo versatili e integrabili – Celle robotizzate compatte per misure e controlli – Macchine di misura – Requisiti dei sistemi di automazione

TECHNOLOGIES IN ACTION The section “Technologies in action” presents a number of recent case studies of industries or institutions gaining profit from the latest innovation in measuring instruments and systems.

RIASSUNTO La Rubrica “Tecnologie in campo” presenta un compendio di casi di studio di Aziende e/o istituzioni che hanno tratto valore aggiunto dalla moderna strumentazione di misura.

CERAMICHE PIEZO MINIATURIZZATE

Versatili, facilmente integrabili e adatte in molteplici applicazioni I materiali piezoelettrici possono generare una carica elettrica quando viene applicata una forza o, viceversa, modificare le proprie dimensioni quando un campo elettrico viene applicato ai loro capi. Questi fenomeni furono scoperti da Jacques e Pierre Curie alla fine del XIX secolo e da loro denominati “effetto piezoelettrico”: termine derivante dall’antica parola greca “piezo”, che significa “pressione” o “spremere”. I materiali

Figura 1 – I componenti piezoceramici sono disponibili in diverse versioni – anche senza piombo – e in varie geometrie diverse tra loro, come dischi, piastre, tubi, cuboidi o in qualsiasi forma venga richiesta dal cliente creando prodotti personalizzati OEM (Immagine: PI)

piezoelettrici sono molto versatili, in quanto possono essere utilizzati per produrre attuatori ma anche sensori. Poiché i componenti piezoceramici sono disponibili con dimensioni molto ridotte e in varie forme, è possibile integrarli e utilizzarli in diverse applicazioni. Le aree di applicazione per le ceramiche piezoelettriche sono estremamente ampie e coprono una varietà di settori industriali, poiché raggiungono un’elevata dinamica con frequenze fino a diverse migliaia di Hz, potendo anche generare oscillazioni ultrasoniche in gas o fluidi. Non ci sono componenti meccanici per limitare la risoluzione e nemmeno usura meccanica, perché il movimento si basa su effetti cristallini allo stato solido. Ciò rende possibile, ad e - sempio, apportare re - golazioni adattive di precisione a elementi ottici miniaturizzati, co - me nelle applicazioni di fotonica dei semiconduttori o del silicio, op - pure su lenti o aree di uscita di fibre ottiche especchi. Questo è an - che il modo in cui attuatori e sensori miniaturizzati vengono creati per la nano-dispensazione e la fluidodinamica o per i sistemi di misura

miniaturizzati. Poiché sono molto com - patti ed efficienti nello spazio in cui sono installati, è anche possibile utilizzarli in unità per dispositivi mobili o tecnologia lab-on-a-chip.

Differenti Geometrie, Dimensioni e Materiali I requisiti che i sensori piezoceramici o gli attuatori devono soddisfare sono molteplici quanto le applicazioni per cui sono utilizzati. Per questo motivo, PI Ceramic offre componenti piezoelettrici in diverse versioni – anche senza piombo – e in varie geometrie come dischi, piastre, tubi, cuboidi o in qualsiasi forma venga richiesta dal cliente, creando prodotti personalizzati OEM (Fig. 1). Le diverse forme possono essere realizzate con dimensioni esterne inferiori a 1 mm. Sono anche possibili versioni compatibili con il vuoto, versioni con connettori elettrici specifici per la data applicazione, l’integrazione su dispositivi sviluppati dall’utente e anche incollaggio e stampaggio a iniezione. Di conseguenza, non vi è praticamente alcun limite alle possibilità di applicazione. I tubi piezoelettrici, ad esempio, forniscono uno spostamento radiale e as - siale o, quando sono controllati in segmenti, scansionano il movimento sul piano XY. Sono realizzati con tolleranze di 0,05 mm e possono essere prodotti in serie con diametri fino a 0,8 mm. Essi possono essere utilizzati come scanner in miniatura, per l’allineamento, ma anche nei sistemi per il controllo del segnale ottico o negli endoscopi medici.

Tubi Piezo per Applicazioni di Scansione Un esempio pratico è l’innovativo endoscopio a scansione in fibra (SFE) per immagini a colori ad ampia area, avente diametro di solo 1 mm. Questo endo-

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Figura 2 – La fibra ottica single-mode risonante è guidata lateralmente da un attuatore piezoelettrico tubolare in un design coassiale molto compatto (Immagine: PI)

scopio consente di realizzare immagini video di alta qualità basate su tecnologia laser con procedure mininvasive e può fornire nuovi risultati per la ricerca biologica. Il componente principale di questa tecnologia è una singola guida d’onda ottica che vibra alla risonanza meccanica. In questo modo scansiona la luce laser RGB sull’immagine e la fibra ottica risonante è guidata lateralmente da un attuatore piezoelettrico tubolare con un design coassiale molto compatto (Fig. 2). La vibrazione laterale può essere modulata durante il funzionamento, la fibra si muove in un modello di scansione a spirale. L’attuatore specifico per questa applicazione ha un diametro di 0,45 mm e una lunghezza di soli 4 mm. La tensione elettrica applicata all’SFE durante il funzionamento è bassa perché il tubo piezo corrisponde elettricamente a un piccolo condensatore. Tipicamente, la tensione fornita durante il funzionamento è inferiore a 20V con una potenza elettrica di 5,5mW. Applicazioni di scansione simili sono possibili anche con attuatori bender che raggiungono spo - stamenti relativamente grandi anche nelle aree più piccole.

Dischi Piezo: Pompe per Microfluidi È possibile creare attuatori piezoelettrici ad alte prestazioni che soddisfino ampiamente i requisiti necessari per le pompe di micro-dispensazione. Funzionano ad alta velocità e hanno tempi di risposta molto contenuti, il che rende possibili alte frequenze di pompaggio e basse portate ove richiesto. Le corse variabili consentono di controllare il processo di erogazione con elevata

precisione. Poiché sono disponibili c o n f i g u r a z i o n i molto diverse, è possibile trovare una soluzione personalizzata per qualsiasi attività. I ricercatori dell’istituto di ricerca Fraunhofer per microsistemi e tecnologie a stato solido (EMFT) stanno lavorando su un im - pianto attivo che sia in grado di regolare la pressione oculare interna in modo efficace e permanente. L’impianto è costituito da un sistema di micro-pom pe, un dispositivo di controllo basato su sensori, un pacco batterie integrato per l’alimentazione sen za contatto e un modulo di telemetria per la trasmissione dei dati. Può es sere applicato direttamente sul bul - bo oculare. Un elemento piezo a for - ma di disco che viene applicato direttamente sul substrato di silicio è la forza trainante per la micropompa (Fig. 3). Genera esattamente il movimento lineare richiesto e per di più si adatta perfettamente all’ambiente applicativo. Anche con la contropressione, le velocità di pompaggio necessarie per la terapia possono essere ottenute variando le frequenze di commutazione o l’ampiezza dello spostamento tramite un controllore dedicato. La pom - pa nell’impianto oculare ha una velocità massima di pompaggio di 30 mi - crolitri al secondo e, a seconda dei sintomi, può inumidire l’occhio o pompare fuori qualsiasi umore acqueo.

Figura 3 – La forza trainante della micropompa è un elemento piezoelettrico ad alta dinamica a forma di disco che viene applicato direttamente su un disco di silicio (Immagine: PI)

PI Ceramic in Breve PI Ceramic (filiale di Physik Instrumente

GmbH & Co. KG, situata nella città di Lederhose in Turingia, Germania) è considerata fra i leader mondiali nel campo degli attuatori piezoelettrici e dei sensori. L’ampia gamma di competenze nel complesso sviluppo e processo di fabbricazione di componenti ceramici funzionali combinati con apparecchiature di produzione stateof-the-art, garantisce alta qualità, flessibilità e il rispetto dei termini di ap - provvigionamento. I prototipi e le produzioni in piccole serie di componenti piezoelettrici personalizzati sono disponibili dopo bre - vi tempi di lavorazione. PI Ceramic ha inoltre una capacità produttiva automatizzata di attuatori piezo con me - die dimensioni e grandi serie.

MACCHINE DI MISURA E CONTROLLO QUALITÀ AL 100% DIRETTAMENTE IN PRODUZIONE

Con la linea di celle robotizzate CheckBox di VEA CheckBox di VEA è una linea di celle robotizzate compatte, capaci di eseguire controlli qualitativi, misure, analisi di superfici e oggettivazione dei controlli. Questi impianti utilizzano la tecnologia LIF, che permette di eseguire misure micrometriche su tutti i pezzi diret-

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tamente in ambiente di produzione, con la stessa precisione che si può ottenere nel laboratorio metrologico. CheckBox è semplice da usare, flessibile al cambio di prodotto, con poca manutenzione. Questi impianti utilizzano un robot controllato da un sistema di visone (guida robot) e possono prendere pezzi in modo disordinato, anche di forma diversa, senza che questo comporti onerose messe a punto meccaniche. L’interfaccia uomo macchina è veramente innovativa e naturale: essa ri - siede, infatti, in un unico grande mo - nitor touch che permette di comandare in modo agevole e immediato tutte le funzioni della macchina. Questi impianti vengono personalizzati sui pezzi del cliente e possono eseguire analisi di superfici, analisi colore, presenza bave, misure dimensionali, rilevazione cricche, soffiature o grumi e tutto quello che può servire per controllare la produzione. All’interno della CheckBox vengono montati i sistemi di visione HQV ® -PPM appositamente studiati per ridurre al minimo la produzione di falsi-scarti e garantire contemporaneamente l’affidabilità del riconoscimento del difetto con ordini di grandezza di qualche parte in 10 6 . Nei sistemi CheckBox ogni pezzo può essere controllato e misurato in tutte le sue facce e in diverse angolazioni. Il sistema permette di vedere il pezzo da oltre 50 diversi punti di vista e consente di eseguire più di 1.000 misure o controlli nell’arco di qualche secondo. Al termine dell’analisi è possibile mar-

chiare il prodotto controllato per garantire l’eseguito controllo e si possono me morizzare le foto e le fasi di controllo di ogni singolo pezzo in conformità alle ultime direttive sulla qualità. Checkbox è inoltre predisposto per l’imballaggio automatico. Per ulteriori informazioni: www.vea.it.

REQUISITI DEI MODERNI SISTEMI DI AUTOMAZIONE

Un white paper a cura di HBM Le ideologie di automazione innovative richiedono un cambiamento di mentalità radicale. Il centro dell’attenzione non deve più essere il sistema o il componente ma la persona, che va supportata in maniera efficiente nello svolgimento dei suoi compiti di automazione. La tecnologia di misura e automazione deve adattarsi alla persona e non viceversa. Il White Paper in oggetto illustra i requisiti ai quali devono rispondere queste ideologie.

Nuove ideologie necessarie In passato, l’interazione tra i singoli componenti del sistema, come i sensori di misura e le trasmissioni, spesso erano possibili solo utilizzando complicati canali di trasferimento e convertitori d’interfaccia. Per tenere traccia di questi sistemi complessi, si è pro gressivamente cercato di uniformare sempre più interfacce e componenti, sotto forma di sistema modulare. Gli sviluppatori dei prodotti e i re - sponsabili della pianificazione della produzione sono sostanzialmente alla ricerca della stessa cosa: sistemi flessibili, che consentano una facile integrazione di nuove tecnologie basate sul web, con le quali gli utenti possano diventare esperti in breve tempo. Le attività di automazione e quelle relative allo sviluppo del prodotto presentano alcune differenze sostanziali. Lo sviluppo del prodotto richiede di acquisire le misurazioni in modo preciso e con tassi di registrazione elevati.

Nelle applicazioni di automazione, invece, le sequenze devono essere eseguite in tempo reale e in modo deterministico, per far sì che le macchine operino in condizioni di esercizio ottimali. In queste condizioni i dati di misura diventano importanti in quanto costituiscono elementi di ingresso ad attività, ad alta priorità, di diagnostica. Misure e diagnostica, in passato, erano completamente separate; da diverso tempo, invece, esse stanno crescendo insieme, all’interno dei si stemi meccatronici. Idealmente i componenti dovrebbero essere abba - stan za flessibili da poter essere usati in entrambe le aree.

Tecnologia Operativa (OT) e Tecnologia Informatica (IT) procedono di pari passo La stessa cosa accade per il software di prova e di controllo. Le grandezze di misura provenienti dal campo di prova devono essere salvate e analizzate con un software adatto. A causa delle grandi quantità di dati da elaborare, questo software si basa su PC e viene trasferito tramite un’interfaccia Ethernet al computer che si occupa delle misurazioni. Nella fase successiva, le parti e i metodi del software di valutazione vengono riutilizzati in maniera frammentaria nell’ambiente di produzione, in combinazione con elementi della tecnologia di controllo. Inoltre, nei sistemi meccatronici in ambienti di produzione è spesso presente un alto grado di comportamenti in tempo reale, per garantire un’integrazione facile e senza errori tra tutti i componenti. HBM offre un’ampia gamma di prodotti che implementano ideologie di - verse per i sensori e l’acquisizione del le misurazioni sia per lo sviluppo sia per la produzione. Oltre a fornire sensori adatti, la moderna elettronica di misura costituisce il cuore della catena di misura per la produzione. Spesso i sistemi esistenti non sono in grado di stare al passo con i requisiti e le quantità di dati delle linee di produzione moderne e altamente dinamiche. I criteri importanti da considerare per utilizzare al meglio questo tipo di sistema di misura comprendono il

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trasferimento di dati in tempo reale ed elevate capacità di memoria. Anche la facilità di parametrizzazione e visualizzazione dei dati di misura per diversi gruppi di addetti e operatori è importante.

Ideologie di automazione integrate Il tempo è denaro, quindi risparmiare tempo significa anche risparmiare denaro. Questa formula è particolarmente vera per i costruttori di macchinari e sistemi. Un dispositivo di automazione dev’essere in grado di gestire il maggior numero di compiti e processi in maniera rapida e semplice e senza errori. Anche la componente umana non dev’essere dimenticata: ciò significa che facilità di utilizzo, visualizzazione e diagnosi sono indispensabili per lavorare in maniera efficiente, risparmiare sui costi ed evitare interventi di formazione dispendiosi per i dipendenti.

I componenti della tecnologia di misura come strumento per raccogliere i dati di misura Raccolta dei dati di misura rapida, precisa e con minima rumorosità. L’identificazione del sensore dotato di chip TEDS facilita la configurazione dell’amplificatore e la modalità di mi - surazione. Oltre a una rapida configurazione, permette anche una facile

messa in esercizio tramite rete, che rende obsoleti gli strumenti usati per questi compiti. Lo stato del valore mi - surato può essere utilizzato per una diagnosi specifica del singolo canale e per un accesso selettivo in loco o in remoto in caso di problemi.

Un componente della tecnologia di misura con canali di calcolo interni Perché un sistema di automazione funzioni in maniera stabile, i canali di trasferimento non devono essere “ostruiti”. Ciò significa che è necessario elaborare in anticipo e in maniera decentralizzata il maggior numero di dati di misura possibile. Per poterlo fare, il componente deve disporre di canali di calcolo interni che eseguano le funzioni di monitoraggio e controllo in tempo reale. I segnali devono poi essere elaborati di nuovo internamente ed esportati al sistema di automazione tramite output analogici o bus di campo veloci basati su Ethernet. In questo modo, la macchina e il dispositivo di controllo del sistema non vengono sovraccaricati e i tempi del ciclo di controllo sono ridotti. Gli amplificatori industriali con funzioni SMART integrate (ad esempio, canali di calcolo intelligenti) risultano economicamente vantaggiosi per molti produttori di macchinari, perché eliminano la necessità di ricorrere a sviluppatori

di software interni che scrivano numerose stringhe di codice. Qualsiasi ingegnere esperto di meccatronica è in grado di utilizzare queste funzioni SMART in maniera intuitiva.

Per l’IIOT (Industrial Internet of Things) servono processi e metodi semplici L’industria 4.0 ha come obiettivo principale quello di realizzare prodotti, metodi e processi intelligenti. Il processo di produzione è supportato da componenti messi in rete tramite internet. I componenti per l’IIoT sono già dotati di queste funzioni “smart” con i loro canali di calcolo interni. Sono quindi sistemi ciberfisici che possono essere utilizzati per avviare un’azienda o un’infrastruttura intelligente. I processi di manutenzione possono essere controllati tramite opzioni di diagnostica integrata, che consentono, ad esempio, di pianificare in maniera strutturata le chiamate al servizio di assistenza e impedire che vengano inoltrate in momenti poco funzionali al lavoro. Tutto questo si basa sulla disponibilità di tutte le informazioni rilevanti in tem - po reale tramite la rete, un requisito fondamentale per l’Industria 4.0. La connessione di persone e sistemi crea reti a valore aggiunto dinamiche, ottimizzate in tempo reale e organizzate in maniera autonoma che possono

La catena di misura moderna: dal sensore all’uscita, passando dall’elettronica

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essere utilizzate in tutta l’azienda. Que ste reti possono essere ottimizzate utilizzando vari criteri, quali costi, di - sponibilità e impiego delle risorse.

I bus di campo in un ambiente di automazione Queste interfacce garantiscono la sincronicità del ciclo. Ciò significa che i dati di misura e diagnostica vengono sempre trasferiti nello stesso intervallo di tempo. Per assicurarsi che questo avvenga, viene sempre riservato un intervallo fisso per questi dati in tempo reale nel frame di dati. In passato, le dimensioni dei frame di dati erano estremamente limitate. Ciò era in parte dovuto al fatto che la quantità di dati era relativamente bassa ed era possibile implementare solo reti con struttura centralizzata (con cavi corti). L’avvento della tecnologia Ethernet come mezzo di trasmissione nella produzione ha rivoluzionato il sistema consentendo reti più grandi e tassi di trasferimento di dati più alti (nell’ordine anche dei Gigabit). La topologia delle reti spazia da collegamenti 1:1 alle reti del sistema e dell’azienda fino a sistemi e siti in rete fra loro ma situati in diverse parti del mondo. Una caratteristica fondamentale della tecnologia Ethernet è l’elevato tasso di disponibilità dei componenti di rete esistenti.

Il sistema nel cloud Quando i dati di sistema possono es - sere archiviati e utilizzati in maniera centralizzata, si aprono nuove e interessanti possibilità. Le soluzioni cloud (un fenomeno a cui molti sono già abituati grazie a Google Maps), ad esempio, vengono trasferite alla produzione. In questo modo, i diversi re - quisiti possono essere affrontati in ma - niera selettiva, ad esempio controllando la produzione in base alle dimensioni dei lotti e all’approvvigionamento del materiale. È inoltre possibile identificare e segnalare i guasti in mo - do tale che possano essere riparati più rapidamente. La produzione di - venta oggettivamente più efficiente ed economica e può essere ampiamente automatizzata, con conseguente riduzione delle operazioni manuali e

garanzia di un controllo dei servizi basato sulle richieste effettive.

Nuovi protocolli d’interfaccia necessari Per trasferire in maniera efficiente i dati di pianificazione e diagnostica al cloud per la produzione, è necessario un nuovo formato di dati. OPC-UA è il formato di dati che risponde a questa esigenza. Il suo predecessore, OPC, è un formato standardizzato che veniva utilizzato in tutto il mondo. OPC UA (OPC Unified Architecture) è un protocollo di comunicazione M2M industriale. OPC UA è la più nuova di tutte le specifiche OPC della OPC Foundation ed

ClipX di HBM è un condizionatore di segnale preciso con connettività OPC UA per l’invio di dati a un cloud

è molto diversa dai suoi predecessori: in particolare, non è in grado solamente di trasferire i dati della macchina (variabili di controllo, valori e parametri di misura ecc.), ma anche di descriverli semanticamente in un formato leggibile dalla macchina. Questa tecnologia inoltre si basa su Ethernet e quindi ha un grande potenziale in termini di risparmio e sicurezza degli investimenti. I dati acquisiti sono trasferiti via Ethernet anche in questo caso, ma non nel ciclo veloce utilizzato nei sistemi con bus di campo.

Vantaggi per l’utente I processi diventano più lineari e trasparenti con le nuove tecnologie di rete e di comunicazione. Le attività di controllo della produzione sono più semplici, perché sono per gran parte automatizzate e possono essere controllate da remoto. Serve meno personale

e gli operatori non devono essere formati. I sistemi forniscono informazioni sul loro “stato di salute” e gli interventi di manutenzione possono essere ottimizzati.

Il cloud offre nuove possibilità di automazione e grandi potenzialità Il futuro della tecnologia di misura nel cloud si basa sul fatto che i dati non vengono trasferiti da un dispositivo di archiviazione a un altro. Grazie all’intelligenza artificiale e all’apprendimento automatico, in molti casi questa tecnologia può rivelarsi immediatamente utile, ad esempio nell’ambito della comunicazione, del controllo delle macchine e della manutenzione preventiva. Il monitoraggio della pro duzione e il controllo del le macchine sono attività già ben consolidate nei settori nei quali l’uso del cloud può essere applicato alla tecnologia di misura. Ciò richiede la ca - pacità non soltanto ditrasferire i dati relativi alle macchine (variabili di controllo, valori e parametri di misura ecc.), ma anche di de scriverli semanticamente in un formato leggibile dalla macchina (come in OPC UA). L’impiego di sistemi di misura intelligenti come ClipX e PMX di HBM svolge un ruolo fondamentale nei sistemi di produzione che usano macchine collegate in rete che comunicano l’una con l’altra.

Conclusione Utilizzando sistemi con una tecnologia di misura moderna nell’IIOT i costruttori possono ridurre i costi di produzione aumentando allo stesso tempo in modo significativo la qualità e la velocità dei processi di costruzione e di prova. HBM lavora costantemente all’implementazione di queste tecnologie e le ha già incorporate nei sistemi di misura e controllo ClipX e PMX. Per ulteriori informazioni: www.hbm.com.

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