Embedded N. 61 - September 2016

Embedded September 2016

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“Il punto sulla meccatronica”

a cura di Francesca Prandi

La meccatronica comprende tutte quelle attività di progettazione, test e produzione di macchinari e attrezzature caratterizzate da un livello elevato di integrazione funzionale tra sistemi meccanici, elettronica e informatica

La meccatronica è un ambito multidisciplinare che combina in maniera sinergica le conoscenze dell’ingegneria meccanica, idraulica, pneumatica, ottica, elettronica, dei materiali e informatica. Il macchinario prodotto in modo meccatronico si distingue da quello tradizionale per l’intelligenza artificiale che incorpora. I device meccatronici infatti riescono a processare informazioni molto precise e a comunicarle attraverso vari tipi di segnali (meccanici, elettrici, idraulici, chimici, biologici e così via). Questo concetto di meccatronica si è formato negli ambienti dell’automazione e della robotica come soluzione avanzata ai problemi della progettazione puramente meccanica. E’ difficile quantificare il livello di diffusione della meccatronica. La definizione stessa della categoria di imprese meccatroniche non è semplice. Ci ha provato di recente il centro studi Antares per un’analisi commissionata da Unindustria Reggio Emilia. Antares ha individuato dapprima un insieme di settori che più verosimilmente possono contenere imprese meccatroniche e poi ha selezionato quelle aziende che presentano caratteristiche di struttura di impresa e di produttività tali da differenziarle da quelle della meccanica tradizionale. Ha così stimato per l’Italia 72mila imprese con un totale di 713mila addetti, un fatturato di 200 miliardi di cui 50 miliardi di valore aggiunto e una produttività media per addetto pari a 0/mila euro. Il settore più rappresentato è quello dei macchinari e apparecchiature, con il 56% delle imprese. Le regioni a maggiore concentrazione di imprese meccatroniche sono Lombardia, Emilia-Romagna e Veneto con il 1/2 del valore aggiunto e dell3occupazione.

Un altro studio, relativo al solo comparto macchinari e apparecchiature, è stato sviluppato dall’Osservatorio   Meccatronica-Automazione   industriale curato dal Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano (in collaborazione con Messe Frankfurt Italia e ANIE Automazione) e presentato lo scorso 41 dicembre a Milano. L’Osservatorio ha indagato su quali siano le esigenze delle imprese di questo comparto che potremmo definire candidato naturale alla meccatronica. “Si tratta di un progetto ambizioso – disse Giambattista Gruosso, professore del Politecnico di Milano e curatore della ricerca – che punta a investigare la capacità di innovazione del comparto dell’industria meccanica e dell’automazione.  Nell’ottica europea di rilancio del settore manifatturiero basato sui concetti di Smart Factory e Industria 4.0, risultano di fondamentale importanza aspetti quali l’innova- zione di processo e di prodotto, la computerizzazione, l’uso di tecnologie abilitanti dell’elettronica e dell’IT, l’automazione dei processi. Obiettivo dello studio è dunque quello di capire qual è lo stato del comparto al fine di creare sinergie tra il mondo della formazione e i rappresentanti dell’automazione per trovare il modo più efficiente di mettere in pratica quei concetti conosciuti, ma forse ancora sottostimati, di automazione e Industria 4.0”. Lo studio coinvolge le province di Brescia, Verona e Mantova, con un campione di più di 570 aziende, consultate tramite un questionario on line e approfondimenti diretti con interviste per case history di particolare interesse. Dall’analisi dei bilanci emerge che quasi l’80% delle aziende del campione è profittevole. È particolarmente significativo il risultato relativo al livello di conoscenza e percezione delle aziende intervistate in ottica Smart factory. Lo studio evidenzia infatti che la maggior parte manifesta esigenze che sono direttamente correlate ai benefici di un passaggio alle tecnologie di Industria 4.0, ma purtroppo ha una conoscenza piuttosto limitata delle potenzialità di questa transizione verso la fabbrica digitalizzata. Circa l’80% delle aziende ha dichiarato di essere a conoscenza delle rivoluzioni in atto nel manifatturiero, il 60% tuttavia ammette che non si sta muovendo per attuare le trasformazioni verso l’industria 4.0; il 13% si sta muovendo in maniera media e il 14% è fortemente orientato in quella direzione. Analogo discorso per i fabbisogni in termini di personale qualificato e risorse informatiche. Solo il 16% del campione ha già a disposizione il personale necessario per la trasformazione verso l’industria  4.0  e  il 13% le risorse IT.

Le sfide

L’adozione della meccatronica potrebbe incrementare significativamente il valore aggiunto di molti settori industriali. L’aumento della produttività, la capacità di soddisfare richieste personalizzate in tempi ridotti, l’innalzamento della qualità dei prodotti accrescerebbero di gran lunga la competitività. Tuttavia l’accettazione del concetto meccatronico stesso da parte delle imprese incontra alcune resistenze. Un tema importante è quello della disponibilità di personale adeguatamente formato (alcune università stanno laureando ingegneri specializzati che vengono immediatamente assunti dalle aziende più avanzate) o comunque di figure tecnico-manageriali capaci di assumere le logiche della meccatronica per collaborare in team multi- disciplinari. Di questi e altri temi parlano le aziende che collaborano a questo focus on: Intellisystem, con il suo presidente e Ceo Cristian Randieri; Lenze Italia con Giorgio Ballocchi, Consumer Goods manager; Schneider Electric con Antonio Marra, Marketing manager Machine Solutions; Siemens Italia rappresentata da Sabina Cristini, responsabile della Business Unit Mechanical Drives.

Embedded: A vostro parere qual è la conoscenza del- la meccatronica nelle imprese industriali italiane?

Marra: Le aziende italiane stanno gradualmente acquisendo consapevolezza delle opportunità offerte dalla meccatronica, che tutto sommato è un concetto emerso nella sua importanza piuttosto di recente. Siamo in una fase di transizione, nella quale ogni azienda sta cercando di capire come cambiare il modello tradizionale di progettazione e sviluppo di nuovi prodotti. Riteniamo comunque che nell’arco dei prossimi 5-10 anni la meccatronica si sarà affermata in modo significativo.

Cristini: Le metodologie e le funzionalità innovative offerte dalla meccatronica non sono ancora state recepite appieno. L’alba della quarta rivoluzione industriale genera atteggiamenti e approcci diversificati. Soprattutto in un panorama industriale consolidato, qual è quello italiano, ciò può suscitare alcune perplessità e il timore di non riuscire a governare la complessità dei nuovi siste-mi in un quadro economico-politico instabile. Nello studio “Mappatura delle competenze meccatroniche in Italia” condotto dal Prof. Gruosso del Politecnico di Milano (insieme a Messe Frankfurt Italia e ANIE Automazione) presentato in occasione del Forum Meccatronica 2015, si evince che molte aziende non riescono ancora a quantificare i reali benefici che la meccatronica, la digitalizzazione e l’approccio della smart manufacturing potranno portare al loro business. L’adozione della meccatronica è quindi una grande sfida, soprattutto nella piccola e media impresa, che è il cuore pulsante del nostro mondo industriale, ma ha ridotte capacità di investimento. In ogni caso siamo certi che gli approcci meccatronico e di integrazione verranno abbracciati in modo più deciso in un vicino futuro, per garantire risultati di efficienza, innovazione e per distinguersi nel panorama competitivo internazionale.

Ballocchi: Nelle aziende costruttrici di macchine osserviamo una sempre maggiore sinergia tra i reparti meccanici ed elettrici. Le soluzioni meccatroniche vengono adottate per aumentare il valore delle macchine. La capacità di lavorare un numero sempre maggiore di formati, di adattarsi alle variazioni del prodotto durante la produzione stessa, di condurre la macchina in modo sempre più intuitivo, garantendo livelli elevati di produttività ed efficienza, sono qualità immediatamente percepite dalle aziende clienti. I costruttori possiedono una conoscenza molto buona delle tecnologie che la meccatronica rende disponibili sul mercato oggi e soprattutto stanno sviluppando azioni volte a superare vecchie barriere e contrapposizioni ormai non più sostenibili tra i reparti meccanici ed elettronici. Vengono inseriti giovani con formazione meccatronica e sempre più di frequente i reparti di progettazione vengono etichettati come meccatronici. Soprattutto è ormai adottata diffusamente la pratica di progettare per mezzo di un team multifunzionale, con il coinvolgimento di reparti diversi e competenze esterne all’azienda. Lenze crede molto in questo approccio e garantisce alle Aziende il supporto dei propri tecnici esperti di applicazioni meccatroniche fin dalle prime fasi di generazione delle idee dei nuovi progetti.

Randieri: Purtroppo ancora oggi molti considerano la meccatronica come mero accostamento dei componenti elettronici ai sistemi meccanici tradizionali, i cosiddetti sistemi elettromeccanici di altri tempi, a bassissimo livello d’integrazione. D’altronde, qualunque impresa si avvale oggi di una molteplicità di tecnologie diverse, ma questo non è sinonimo di sviluppo di una nuova tecnologia. Per definirsi meccatronica, infatti, un’impresa deve pensare in modo “meccatronico”, utilizzando e integrando al meglio le tecnologie afferenti a molteplici aree dell’ingegneria: meccanica e industriale, elettrica, elettronica, informatica, dell’automazione, dei materiali. Per fare ciò occorre abbandonare la metodologia classica di progettazione che si è consolidata negli anni, in cui è prevista l’esecuzione sequenziale di una serie di fasi, quali ad esempio la progettazione meccanica, la scelta degli attuatori e dell’elettronica di controllo, la realizzazione di un prototipo fisico con particolari proprietà meccaniche e l’esecuzione dei test necessari per l’ottimizzazione del dispositivo stesso. Nella realtà industriale italiana ho riscontrato una dicotomia netta tra imprese che si muovono su di un terreno di sviluppo industriale già tipicamente meccatronico e imprese per le quali la meccatronica si limita a una mera sperimentazione. Proprio quest’ultime, dietro una naturale “timidezza” sono in realtà attratte dal futuro tecnologicamente e strategicamente prossimo al quale sentono di accostarsi dietro la spinta di logiche concorrenziali oppure per la pressione a cogliere nuove opportunità o magari semplicemente con la paura di “perdere un treno in corsa”. Questa differente maturità del tessuto industriale italiano configura pertanto uno scenario a due velocità. Da un lato le imprese già in grado di lavorare con sicurezza in termini di meccatronica e dunque pronte a coglierne i relativi vantaggi. Dall’altro, imprese caratterizzate da una bassa propensione verso la meccatronica, da cui scaturisce una maggiore prudenza che si traduce in una valutazione marginale del potenziale di sviluppo insito nella rete distrettuale di cui fanno parte.

Embedded: Quali settori industriali sono candidati a coglierne per primi le opportunità?

Randieri: I settori di riferimento indicati come più promettenti spaziano da quello dei computer e telecomunicazioni agli autoveicoli; dagli strumenti e attrezzature mediche agli apparati elettrici. Il cuore del comparto è comunque nella produzione di macchinari e apparecchiature. A mio avviso i settori che in futuro riusciranno a cogliere al meglio le opportunità offerte dalla meccatronica saranno quelli che sapranno sviluppare al massimo la collaborazione tra aziende e mondo della ricerca, attraendo talenti dotati di competenze nuove. Utilizzeranno molta sensoristica avvicinando il mondo consumer a quello industriale. Quest’ultimo era rimasto un pò arretrato rispetto al primo quanto all’uso di tecnologie avanzate. Oggi c’è maggiore consapevolezza del fatto che queste tecnologie avrebbero un impatto significativo anche a livello industriale.

Ballocchi: Oggi il mercato richiede prodotti sempre più personalizzati purché a costi non superiori allo standard e ciò comincia ad influenzare l’intera catena di approvvigionamento. Tra i nostri clienti, settori quali l’automotive, l’intralogistica, il consumer goods, il converting, il tessile e il vetro sono i primi destinatari di queste mutate esigenze del mercato. Volendo stilare una classifica, riteniamo che il settore più pronto a recepire le opportunità offerte dalla meccatronica sia quello del consumer goods. Le dinamiche di mercato dei prodotti di largo consumo – siano essi bevande, alimentare, cosmetica, benessere, o farmaceutico – impongono ai costruttori di macchine di adottare soluzioni meccatroniche sempre più innovative.

Marra: A nostro avviso tra i diversi settori pronti per la meccatronica si distinguono quelli dell’assemblaggio, del packaging e delle soluzioni di automazione dedicate alla logistica; ad essi si aggiunge il grande ambito trasversale della robotica, che del resto nasce già con un concetto di integrazione meccanica-elettronica. In questi settori alcuni nuovi sistemi, come ad esempio quello a carrelli indipendenti, possono rivoluzionare la gestione del movimento, che è particolarmente complessa e richiede performance elevate per le operazioni che queste macchine sono chiamate a svolgere.

Cristini: Numerose realtà italiane di eccellenza hanno già avuto esperienze concrete di approccio meccatronico e integrato. In particolare, abbiamo esempi di successo in alcune realtà manifatturiere nazionali e nella produzione di alcuni costruttori di macchine del mondo automotive e aerospace, nel packaging e nel converting. Si tratta di esempi significativi sia a carattere internazionale sia italiano, che sottolineano l’impegno verso il futuro dell’industria manifatturiera del nostro Paese.

 

Esperienze meccatroniche

“Negli ultimi anni Intellisystem Technologies ha investito molto nel campo della meccatronica mettendo a punto diverse soluzioni che prevedono l’utilizzo di particolari droni industriali per il monitoraggio aereo a basso costo. In particolare ci siamo riferiti al campo dell’efficienza delle infrastrutture di trasporto dell’energia. Il nostro dipartimento di Ricerca e Sviluppo ha progettato e realizzato un nuovo strumento meccatronico per la diagnostica e il monitoraggio delle linee elettriche aeree denominato TID (acronimo di Thermal Inspection Drone); i droni sono equipaggiati con sistemi termografici di ultima generazione, progettati per un utilizzo a livello industriale. La rapidità di accesso, la capacità di avvicinarsi e di spostarsi in tutte le direzioni, di mantenere una posizione per tutto il tempo desiderato ed effettuare riprese da prospettive differenti, consentono di individuare i punti di struttura che richiedono un intervento; si riducono così i costi e i tempi della manutenzione. Nel progetto TID abbiamo dovuto coniugare e ottimizzare l’integrazione di meccanica, elettronica, automazione e telecomunicazioni in un contesto prettamente aereonautico nonché progettare dei sistemi di elaborazione dati finalizzati all’analisi delle misure effettuate.

Attualmente stiamo lavorando su uno dei progetti meccatronici per noi più innovativi, che prevede la messa a punto di un nuovo sistema robotizzato per l’ispezione delle tubature metalliche industriali. Il progetto vuole rispondere alla richiesta del mercato industriale di strumenti a basso costo atti a garantire l’integrità delle tubazioni per gas e liquidi, rilevando e misurando la corrosione interna ed esterna del metallo e altre anomalie. Il sistema che stiamo realizzando si dovrà muovere tranquillamente all’interno di tubi metallici con un diametro di almeno 10 centimetri, semplicemente usando la combinazione di ruote e magneti per rimanere attaccato alle pareti del tubo da ispezionare. Contiamo di utilizzare una telecamera digitale ad alta definizione e una termo-camera, entrambe integrate in un unico corpo di ripresa al fine di poter ottenere una doppia visione, sia classica che termografica. Grazie a questa dotazione, il robot sarà in grado di muoversi su piccole ruote all’interno della tubazione, illuminandola e usando un cavo di collegamento per inviare i dati e le immagini raccolte direttamente a un computer che controlla l’operazione di ispezione e fornisce le misure effettuate. Siamo ancora in una fase di prototipazione, nella quale stiamo ottimizzando la funzionalità dei magneti per mantenere il robot attaccato ai tubi metallici, permettendogli di muoversi liberamente attraverso il tubo anche in verticale. Contiamo di realizzare un prodotto finito dalle dimensioni ridotte che possa essere utilizzato all’interno della maggior parte delle tubazioni industriali standard”.

La proposta per la meccatronica di Lenze si caratterizza sempre per la flessibilità dei prodotti. Nel settore dei riduttori Lenze offre varianti pari a 1028. Lo Smart Motor, un unico motore per molte applicazioni che riduce fino al 70% la molteplicità di varianti degli azionamenti, soddisfa i più alti requisiti di efficienza energetica e può essere comandato tramite smartphone. L’Application Software Toolbox FAST, costituito da moduli tecnologici pretestati standard, ma aperti alle personalizzazioni dei progettisti, consente di risparmiare oltre l’80% del tempo e buona parte dei costi dedicati alla progettazione, sviluppando il controllo modulare dei movimenti della macchina. Per l’Intralogistica Lenze ha realizzato un prototipo di sorter intelligente, NeTkops (Network Kognitive Production System). Modularità, efficienza, alte performance e flessibilità sono le parole chiave di Netkops, sorter dotato di direzione di smistamento e orientamento multipla e adattiva che permette di trasportare più colli contemporaneamente, consentendo una gestione più flessibile dello smistamento degli item e un controllo efficiente dei consumi, grazie all’attivazione dei motori solo in caso di utilizzo”.

“Il principale contributo di Schneider Electric nell’area meccatronica è quello di avere arricchito i propri prodotti con le funzionalità necessarie a creare soluzioni meccatroniche. Il controllo motore, ad esempio, è realizzato in maniera diretta con le tecnologie direct drive, che eliminano la necessità di avere elementi meccanici di trasmissione del movimento fra il motore e l’elemento di trattamento prodotto. Uno degli ambiti in cui abbiamo applicato questa nuova funzionalità è quello dei prodotti che compongono l’architettura di automazione di macchina PacDrive, dedicata al settore packaging”.

“Il portfolio Siemens integra soluzioni industriali HW e SW per l’automazione di macchine e impianti quali l’engineering Framework Totally Integrated Automation (TIA), l’Integrated Drive System (IDS), l’Industry Software e i Plant Data Services. In particolare, la piattaforma Digital Enterprise Software Suite permette la comparazione del mondo virtuale e reale della produzione, per creare un sistema altamente flessibile, disponibile e interconnesso in rete, e rappresenta prodotti, servizi e soluzioni integrati e integrabili lungo l’intero ciclo di vita del prodotto. La possibilità di simulare a livello digitale il comportamento dinamico di un sistema permette di velocizzare la fase di prototipazione di una macchina, alleggerendo l’impatto economico di realizzazione fisica della demo e apportando le opportune correzioni HW e SW in fase ancora progettuale. Con lo stesso approccio è possibile trasferire al modello virtuale le prestazioni correnti di un impianto in campo, per verificarne comportamenti critici e ambiti di ottimizzazione. Questo si realizza grazie ai nostri sistemi Teamcenter, NX e Tecnomatix per il PLM (Product Lifecycle Management), Simatic IT per il MES (Manucturing Execution System) e Simatic, Simotion e Sinumerik per la Totally Integrated Automation. La compatibilità dei sistemi e l’interconnessione permettono di operare sui diversi piani della programmazione e simulazione in modo flessibile e aperto, assicurando la congruenza delle operazioni e delle visualizzazioni nelle varie modalità. L’evoluzione dei nostri sistemi persegue anche l’obiettivo della usability per la progettazione e la comunicazione. L’integrazione delle piattaforme permette la virtualizzazione delle parti o degli assiemi di macchina e a questo punto anche la simulazione virtuale delle dinamiche di sistema accedendo al programma di automazione e motion control. Ad esempio, con il TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) di Siemens è possibile eseguire attività di automazione e di drive technology in maniera semplice, velo- ce, intuitiva, efficiente. L’architettura software offre un’operatività standardizzata per controller, human machine interfaces (HMI) e drives; ma anche per lo storage di dati, comunicazione, diagnostica e offre potenti librerie per i dispositivi di automazione. L’ingegnerizzazione semplice attraverso TIA Portal facilita l’accesso completo ad attività quali: digital planning, integrated engineering e transparent operation”.

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Tavola Rotonda pubblicata su Embedded N. 61 – Settembre 2016

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