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La modellazione multi-dominio è un approccio che consente di rappresentare e simulare sistemi complessi che coinvolgono più domini fisici rappresentandoli attraverso modelli matematici o computazionali che considerano interazioni tra diverse grandezze: meccaniche, elettriche, idrauliche, ecc. Questo approccio consente una valutazione dettagliata delle interazioni tra diversi domini fisici e facilita la progettazione ottimizzata dei sistemi.

In molte applicazioni, la quasi totalità in realtà, i sistemi coinvolgono interazioni tra diversi domini. Basti pensare ad un “semplice” motore elettrico il cui modello di funzionamento necessita sia di grandezze elettriche che meccaniche. In altre tipologie di modelli, finalizzati ad esempio all’analisi strutturale, il motore elettrico è spesso rappresentato con una massa concentrata. Quest’ultimo caso è tipico della modellazione ad elementi finiti che può tuttavia essere messa in comunicazione con altri domini fisici attraverso strumenti di co-simulazione tra diversi software.

MUSP ha maturato esperienza nella modellazione multi-dominio nel campo delle macchine utensile, delle macchine automatiche e dei robot industriali. I modelli sviluppati sono stati realizzati sia con software dedicati alla modellazione multi-fisica sia eseguendo co-simulazioni mettendo in comunicazioni diversi software che assolvono a compiti diversi.

L’obiettivo nell’utilizzo di questo tipo di simulazione, naturalmente più onerosa di quella su un solo dominio, è quello di Ottimizzazione la progettazione di un sistema complesso considerando anche le interazioni tra diversi domini, effetto spesso trascurato nelle modellazioni tradizionali mono-dominio. Basti pensare all’effetto che le motorizzazioni o le calibrazioni di un controllo numerico possono avere sul comportamento dinamico di un centro di lavoro per asportazione di truciolo.

Strumenti

Linguaggi di programmazione e ambienti di calcolo (TOOL: SW_DEV)

All’interno di questo strumento sono raggruppati tutti gli ambienti di programmazione tecnici che MUSP utilizza per lo sviluppo dei progetti e/o servizi. L’utilizzo di questi linguaggi di programmazione o software di sviluppo permette, ad esempio, di dialogare con software commerciale tramite API per velocizzare lo scambio di dati e informazioni tra più piattaforme. Altri programmi vengono scritti per velocizzare analisi e calcoli che derivano da misure sperimentali o ancora servono a leggere/scrivere su bus di campo per le applicazioni legate alla manifattura avanzata. MUSP, a seconda delle esigenze dell’azienda, può realizzare fogli di calcolo o programmi di calcolo per velocizzare progettazione di componenti, programmazione di macchine, storicizzazione di misure e ottimizzazione di parametri processo che rispondano ad un problema tecnico molto focalizzato per l’azienda.

A titolo esemplificativo, non esaustivo, MUSP si serve ad esempio dei seguenti ambienti/linguaggi:

  • Python: linguaggio di programmazione ad alto livello, noto per la sua semplicità e leggibilità. Supporta paradigmi di programmazione multipli, inclusi il procedurale, l'orientato agli oggetti e il funzionale. MUSP lo utilizza prevalentemente per l’analisi di dati;
  • C++: linguaggio di programmazione di basso livello. Caratterizzato da efficienza e controllo diretto sull'hardware, è ancora ampiamente utilizzato per programmare sistemi embedded, software di sistema e applicazioni ad alte prestazioni;
  • LabVIEW: ambiente di sviluppo integrato sviluppato da National Instruments®, utilizzato principalmente per l'automazione di test, misure e controllo di sistemi industriali. Consente di creare applicazioni tramite un'interfaccia intuitiva basata su diagrammi di flusso, facilitando lo sviluppo di software per acquisizione dati e analisi in tempo reale;
  • ROS (Robot Operating System): framework flessibile per lo sviluppo di software per robot, fornendo servizi come astrazione hardware, controllo di dispositivi, implementazione di algoritmi e messaggistica tra processi. Grazie alla sua architettura modulare e alla vasta collezione di pacchetti open source, facilita la ricerca e lo sviluppo di applicazioni robotiche complesse, dalla prototipazione alla produzione.

Software FEA (TOOL: FEA)

Un software FEA (Finite Element Analysis) è uno strumento che consente di simulare il comportamento (dinamico, termico, ecc.) di strutture e sistemi complessi utilizzando il metodo degli elementi finiti. Il vantaggio è quello di poter progettare il componente e ottimizzarlo o conoscerne caratteristiche quali sforzi, deformazioni o rigidità in maniera preliminare rispetto alla realizzazione del componente reale.

In particolare, all’interno delle competenze ed esperienze MUSP vi è l’impiego di questi software, largamente utilizzati per la simulazione del comportamento dinamico dei sistemi di produzione e in particolare delle macchine utensili (per anticipare la risposta dinamica che avrà la macchina realizzata ed eventualmente variarne/ottimizzarne la progettazione). È stata utilizzata storicamente sia per gli alleggerimenti di strutture di macchine piegatrici, sia per gli impatti/urti non elastici di mezzi industriali in accordo alle specifiche del cliente. MUSP dispone inoltre di alcune caratterizzazioni di materiale quali fibra di carbonio, polimero stampato in additivo e schiume metalliche.

Software MultiBody (TOOL: MULTIBODY)

Un software MultiBody è uno strumento di simulazione che modella il comportamento dinamico di sistemi meccanici complessi, consentendo l'analisi dei movimenti, delle forze e delle prestazioni di macchine, veicoli o robot, facilitandone la progettazione e l'ottimizzazione.

Questa tipologia di simulazione è un’estensione della simulazione FEA in cui non viene preso in considerazione il singolo componente con i suoi vincoli ma l’intero cinematismo. Ad esempio, la deformazione (cedimento) di un robot antropomorfo dal basamento al suo TCP in funzione della posa oppure la cinematica complessa di un insieme di componenti di una macchina. 

Software Object-oriented models (TOOL: OBJ_MODEL)

Un software di questo tipo consente una modellazione orientata alla definizione di oggetti, multi-dominio, di componenti a formare sistemi complessi dei quali è possibile studiare qualunque grandezza (meccanica, elettrica, elettronica, idraulica, termica, di controllo, ecc.) confrontandola, offline ma anche online, con grandezze provenienti dal campo.

Si tratta di un software orientato alla definizione di oggetti per la modellazione di sistemi. Alcuni prevedono la connessione acausale di componenti riutilizzabili governati da equazioni (differenziali) per facilitare la modellazione a partire dai principi fisici fondamentali. Molto simile concettualmente ai P&ID, permette la caratterizzazione top-down delle caratteristiche meccaniche e fisiche degli elementi rappresentati (es. inerzie e rendimenti di un motoriduttore per il collegamento ad una piattaforma di steward).

Digital Twin (TOOL: DTWIN)

Il “Digital Twin” è una replica digitale di un oggetto, di un processo o di un sistema del mondo reale. Questo gemello digitale permette di monitorare, simulare e ottimizzare le prestazioni dell'oggetto o del sistema, consentendo una migliore comprensione del suo funzionamento e facilitando la presa di decisioni informate.

Il Gemello Digitale è un insieme ampio di concetti; nelle esperienze e competenze MUSP si sintetizza nell’utilizzo di strumenti digitali che, anche grazie alla presenza di sensori sull’oggetto virtualizzato, sono in grado di scambiare informazioni e mantenere aggiornato (o evidenziare scostamenti in caso di anomalie) tra il modello digitale (descritto in maniera analitica da una matematica) e quello reale (immerso in un contesto con diverse variabili non sempre prevedibili o controllabili soprattutto quando è industrializzato e operativo).

Analisi modale sperimentale (TOOL: EMA)

L'analisi modale sperimentale è un metodo di analisi che permette di studiare le caratteristiche dinamiche di una struttura attraverso opportune misure. I risultati permettono di analizzare le prestazioni derivanti dalla dinamica del sistema e di identificare eventuali problematiche che le limitano (es. cedevolezze concentrate). MUSP utilizza questo tipo di misure per esaminare il comportamento dinamico di centri di lavoro per asportazione di truciolo.

In particolare, le esperienze e le competenze MUSP sono rivolte sia a validazioni sperimentali (nel caso di progettazione FEA dinamica) sia nella ricerca/soluzione di problematiche di lavorazione che possono essere sia rappresentate da parametri di lavorazione non ottimizzati sia da non conformità nei componenti della macchina.

Process Measurements (TOOL: MISURE PROCESSO)

L’obiettivo delle misurazioni di processo è quello di ottenere una quantificazione delle grandezze fisiche che governano (o definiscono) le prestazioni di un processo produttivo o di un sistema. MUSP vanta una strumentazione molto ampia che gli permette di quantificare tantissime grandezze di interesse per il settore manifatturiero, per l’automazione, ecc.

Per affrontare una misura sperimentale, è necessario eseguire un’analisi degli obiettivi della misura e una pianificazione del piano sperimentale (analisi e conoscenza del processo), utilizzando i sensori adeguati (in termini di risoluzione, scala, banda passante, ecc.). Le esperienze e le competenze di MUSP, unite all’attrezzatura disponibile presso il laboratorio, permettono l’esecuzione di misure che, adeguatamente analizzate e filtrate, forniscono informazioni di elevato valore per l’ingegneria o la produzione.