Relazione tecnica del progetto Braccio

Concorso SIEMENS S.p.A. − A&D SCE.
"Olimpiadi dell'automazione 2012".
Braccio pneumatico
Referenti:
Siemens S.p.A.
Segreteria concorso "Olimpiadi dell'automazione
2012-02-12"
Viale Piero e Alberto Pirelli, 10
20126 − Milano (MI)
Referente: Roberto Guidi
I.T.I. Aldini Valeriani − Bologna
Classe 5A elettrotecnica e automazione:
allievi
Balestrazzi Giorgio
Masi
Simone
Fornasari Fabio
Benini
Federico
Guerra
Marco
Siri
Matteo
Modelli
Eugenio
Iorga Alexandro
Docente Tutor:
Marco Fanfoni
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Presentazione progetto "Braccio pneumatico"
Abbiamo deciso di partecipare al concorso nazionale Siemens “Olimpiadi
dell’Automazione 2012” presentando un sistema di automazione che simuli i gradi di
libertà di un braccio umano, ne è uscito un vero e proprio braccio antropomorfo con
azionamento pneumatico.
Come previsto dal regolamento del concorso il Compattatore è dotato di un PLC S7 1200
provvisto di pannello operatore, il tutto programmato utilizzando TIA Portal 11.
Ci siamo inoltre divertiti nel fornire al braccio movimenti che simulino sensazioni di gioia,
ad esempio applaude quando riesce a concludere un ciclo (prelevare spostare e
depositare una pallina di gomma)
Effettuata questa doverosa introduzione Vi auguriamo una piacevole lettura….
Marco FANFONI
Struttura della relazione
. Le sezioni contengono:
Struttura della relazione
I capitoli sviluppati sono:
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Presentazione progetto "Braccio pneumatico",
Descrizione del sistema
Schemi elettrici
Il progetto completo per SIMATIC Siemens S7−1200,
Foto del sistema
Il nostro Istituto,
Ringraziamenti
Contenuto del DVD−ROM
Il DVD allegato all'elaborato cartaceo contiene il seguente materiale:
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PDF della presentazione cartacea
Filmato del braccio antropomorfo in azione
Programma eseguibile
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Braccio pneumatico
1. Caratteristiche e funzionalità del braccio
Struttura:
Il braccio è fissato ad una base rotante che permette la rotazione orizzontale, e si
compone di 3 parti rigide collegate tra loro da snodi meccanici che ne rappresentano le
articolazioni (spalla e gomito per rimanere nell’antropomorfo)
una mano meccanica ad azionamento pneumatico è infine montata sul terminale del
braccio (la struttura fisica del braccio è stata realizzata in legno). Quattro cilindri
pneumatici consentono di movimentare i vari settori, nello specifico:
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il cilindro A agisce sulla base rotante consentendo una rotazione sul piano
orizzontale di circa 80°
il cilindro B è posto tra la base rotante e il primo sostegno rigido, tale azionamento
consente all’ intero braccio di sollevarsi ed abbassarsi
i cilindri C e D sono infine montati rispettivamente tra la prima e la seconda parte e
tra la seconda e la terza, opportunamente coordinati offrono sia in posizione
abbassata che elevata una funzionale movimentazione della mano (simulando i
gradi di libertà del polso)
infine la mano che è costituita da un prenditore monostabile con azionamento
sempre pneumatico
Movimentazione:
Gli snodi tra le parti rigide e il posizionamento dei pistoni sono stati studiati per consentire
al braccio di muoversi raggiungendo determinate posizioni (con base a 0 e 80°), quali
quelle elevate di braccio raccolto in stato di attesa, braccio in posizione di presa o di
sollevamento oggetto, oppure quelle abbassate di presa e sistemazione pezzo.
La corsa dei cilindri pneumatici è determinata dalle dimensioni fisiche degli stessi, nel
pistone C è stato necessario ridurla tramite un anello inserito sul cilindro mobile che ne
blocca il rientro.
Tutti e 4 i pistoni sono regolabili in velocità attraverso 2 valvole di regolazione, una relativa
la fuoriuscita del cilindro l’ altra il suo rientro, la loro regolazione è stata eseguita in modo
da rendere il movimento di A e B ad un livello di compromesso tra l’ appariscenza della
velocità dei movimenti e le sollecitazioni che agiscono sul perno della base rotante, mentre
C e D sono stati regolati in modo da arrivare a fine corsa praticamente insieme, essendo
questi due pistoni impiegati spesso simultaneamente per il movimento della mano.
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2. La componentistica
Oltre alla struttura portante e all’ installazione pneumatica per la movimentazione del
braccio sul pannello sono presenti un set di elettrovalvole per l’ attuazione dei pistoni, la
sensoristica per la rilevazione delle posizioni del braccio e l’ interfaccia per il PLC costituita
da ingresso femmina per connettore unico a 30 pin.
Set di elettrovalvole:
Il set di elettrovalvole è costituito da nove elettrovalvole monostabili che permettono di
regolare ON_OFF l’aria proveniente da un dispositivo che fissa la pressione a 4 Bar.
Le elettrovalvole sono montate su un collettore ad alimentazione d’ aria condivisa, tali
elettrovalvole comandano a coppie la fase positiva o negativa del pistone.
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Sensoristica:
Un sensore di fine corsa magnetico è stato applicato alle estremità di ogni cilindro, il
pistone in essi contenuto presenta un magnete che rendono possibile l’ attivazione dei
sensori Reed.
La presenza di un led rosso che si accende all’ attivarsi dei ogni sensore consente una
buona regolazione di posizione di questi sui pistoni. Nel collegamento elettrico è stato
accomunato il conduttore positivo e portati i fili al connettore.
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SCHEMA ELETTRICO
PLC
Avendo in laboratorio un consistente numero di DEMOBOX equipaggiate con CPU
S7_1214 e pannello HMI KTP 600 Basic PN, abbiamo optato per l’utilizzo di uno di
questi dispositivi per automatizzare il braccio.
E’ stato sufficiente connettere il nostro dispositivo agli ingressi e uscite digitali
della CPU
Il resto è programmazione del PLC….. e costruzione del braccio !!!
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3. Programmazione
Il programma è stato creato utilizzando TIA Portal 11.
Vista del portale TIA Portal 11
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Layout S7 CPU 1214
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Tabella delle variabili
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Blocchi di programma utilizzati
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Le idee sono state sviluppate nelle ore di TDP e Sistemi dal mese di maggio 2011, la
realizzazione iniziata in dicembre è stata completata lavorando nelle ore pomeridiane fino
a metà marzo 2012
Il gruppo di lavoro (studenti e tutor) ha sviluppato le prime idee relative alla realizzazione
in aula, disegnando i blocchi alla lavagna, momento di creatività che ha coinvolto l’ intera
classe, nelle immagini che seguono sono rappresentati gli schizzi relativi alle prime ipotesi
di realizzazione dei blocchi
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Il nostro Istituto
L'Istituto Tecnico Industriale Aldini Valeriani è attualmente ubicato in Bologna in Via Bassanelli 9/11. E' una
struttura "poderosa" edificata nei primi anni sessanta sotto la spinta del "boom economico" e di un numero di
iscritti, allora, in grande crescita.
Nell'epoca dell'oro per la Cultura Tecnica (anni settanta) l'Istituto raggiunse i 3500 studenti (attualmente ne
annovera 1500). Per l'iscrizione era necessario passare 24 ore in fila fuori dalla struttura e all'addiaccio (il
periodo di iscrizione era, ed è tuttora, febbraio) per potere accedere a uno dei moduli di iscrizione
disponibili...per questo l'Istituto era scherzosamente chiamato "la scuola dei nonni" in quanto era
assolutamente necessario un parente in pensione (e in buona salute!!) per affrontare, a turni, la sfiancante
fila di cui sopra.
Laboratori di Elettronica e
Telecomunicazioni
Laboratori di elettrotecnica e
automazione
Figura 1 − L'Istituto Tecnico Industriale Aldini − Valeriani (foto da satellite − Google Maps).
Purtroppo viviamo un periodo difficile, nel quale l'istruzione tecnica è poco gradita a studenti e genitori e,
soprattutto, non viene incentivata dallo Stato (qualunque sia il colore del Governo). La motivazione è
semplice...un corso liceale costa poco allo Stato (qualche laboratorio di informatica e qualche laboratorio di
lingue sono più che sufficienti per questo tipo di corso), al contrario, i laboratori necessari al buon
funzionamento di un Istituto Tecnico sono vari e costosissimi (sia come impianto che come gestione /
manutenzione). Per inciso, il nostro principale laboratorio di automazione industriale (Lab. 072) è costato,
nell'ultimo aggiornamento, circa 250.000 €.
Abbiamo visto tutti cosa accade alle "economie virtuali" formate prevalentemente da imprese che
propongono solo servizi (magari di tipo speculativo...), si dovrebbe tornare (e si tornerà senz'altro) ad un
giusto equilibrio tra imprese di servizi ed imprese manifatturiere.
Noi vogliamo rappresentare la "Cultura del Saper Fare" indispensabile al Mondo intero per uscire dalla
recente crisi economica.
Sono certo che gli Istituti Tecnici torneranno "di moda" contribuendo, come avvenne, per Bologna, a metà
dell'ottocento e nell'immediato dopoguerra, ad un nuovo boom economico.
Alberto BENDA
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Storia "Per sapere chi siamo dobbiamo conoscere la nostra storia..."
L'attuale Istituto "Aldini−Valeriani" deriva, attraverso modificazioni successive, dalle Scuole Tecniche
Bolognesi, istituite nel 1844 dal Comune di Bologna a seguito dei lasciti testamentari di Giovanni Aldini e di
Luigi Valeriani.
Nella prima metà dell’ottocento, mentre in Europa si stava consolidando la Rivoluzione Industriale, Bologna
stava attraversando una grave crisi e registrava un progressivo impoverimento della popolazione per il crollo
della tradizionale economia legata alla produzione e alla lavorazione della seta.
Si rendeva quindi necessario rilanciare, su nuove basi, lo sviluppo produttivo della città.
La ricerca di adeguati modelli didattici di istruzione tecnica parve ad alcuni spiriti illuminati la migliore
strategia per perseguire questo obiettivo.
Giovanni Aldini era un valente fisico sperimentale,
nipote di Luigi Galvani di cui continuò gli studi,
collegato agli ambienti accademici di Bologna e di
Milano.
Morì nel 1834 lasciando al Comune di Bologna parte
del suo cospicuo patrimonio e tutto il suo gabinetto
scientifico. In cambio il Comune si sarebbe
impegnato a fondare una scuola per l'insegnamento
delle scienze e delle tecniche.
Figura 2 − Giovanni Aldini (1762 − 1834).
Luigi
Valeriani,
professore
di
Economia
all'Università di Bologna, morì nel 1828 lasciando al
Comune di Bologna una parte del suo patrimonio
per la fondazione di una scuola per l'insegnamento
del disegno.
Figura 3 − Luigi Valeriani (1758 − 1828).
Le scuole istituite nel 1844, prevalentemente rivolte agli artigiani, sopravvissero fino al 1869. Alla loro
chiusura il notevole patrimonio di attrezzature andò a costituire un museo che funzionò anche come centro
di consulenza tecnica per l'economia del territorio.
Nel 1878 fu istituito l'“Istituto Aldini−Valeriani per Arti e Mestieri”.
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La buona preparazione tecnica era favorita dalle
caratteristiche stesse della scuola in grado di
associare alle lezioni teoriche le lezioni pratiche
nell’annessa “scuola−officina”.
A partire da questo periodo ebbe inizio la forte
intersezione fra le Scuole e il tessuto economico
bolognese.
Figura 4 − Reparto tornitori (1881).
L’Istituto era collocato nei locali dell’ex Convento di
S. Lucia in Via Castiglione (attuale sede dell’Aula
Magna dell’Università di Bologna) e lì rimase fino al
trasferimento, nel 1971, nell’attuale sede di via
Bassanelli.
Figura 5 − Convento di S. Lucia.
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I tecnici formati dall'Istituto supportarono lo sviluppo
della città e andarono a costituire, almeno in parte,
la componente imprenditoriale di una industria,
centrata sulla piccola e media impresa, che registrò,
a partire dalla fine dell’ottocento, una continua
crescita.
Particolare rilevanza assunse fin da allora il settore
meccanico (ancora oggi l'industria bolognese è
leader mondiale nel settore delle macchine
automatiche).
Figura 6 − Reparto Meccanica (1898).
Nel 1912 la vecchia Scuola per Arti e Mestieri si incanalò nelle forme nazionali della formazione tecnica nel
settore industriale. La riorganizzazione del 1936 (Avviamento, Istituto Industriale, Scuola Tecnica) portò al
riconoscimento legale, da parte dello Stato, nel 1939. Nel 1959 è istituito l'Istituto Tecnico Industriale Serale.
Dal 1962 l'Istituto Professionale sostituisce la Scuola Tecnica. Seguono alcune immagini risalenti al
decennio 1950−1960.
Figura 7 − Navata sx (1950 − chiesa di S. Lucia).
Figura 8 − Freseria (1950 − chiesa di S. Lucia).
Figura 9 − Reparto aggiustaggio (1950 − chiesa di
S. Lucia).
Figura 10 − Lab. chimica (1950 − convento di S.
Lucia).
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Lab. 072 − Laboratorio di automazione industriale
Il laboratorio 072 è attrezzato per effettuare esercitazioni didattiche relative all’automazione industriale. In un
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locale di 150[m ] sono presenti diverse apparecchiature in parte acquistate, in parte progettate e costruite
dai nostri insegnanti.
Il laboratorio viene utilizzato per i corsi diurni di elettrotecnica ed automazione e nei corsi della Fondazione
Aldini Valeriani rivolti, in fascia diurna e preserale, ad aziende e a professionisti dell'automazione.
Figura 18 − Laboratorio di automazione 072.
Figura 18 − Barra PLC Siemens Serie 300.
Figura 18 − Garage automatico.
Figura 18 − PLC garage automatico.
Il laboratorio è dotato di:
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15 postazioni di lavoro costituite da PC HP su cui sono installati i SW che permettono agli allievi di
operare, per esercitazioni di automazione vengono utilizzati ETS3 e Step7.
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15 barre PLC S7−300, realizzate con CPU 314 e vari moduli di interfaccia tra i quali: I/O digitali e
analogici, controllo assi, ingressi veloci, ecc….
I PLC sono inoltre dotati di una board realizzata all’interno dell’Istituto che permette la simulazione
degli ingressi digitali e analogici e la lettura delle uscite digitali e analogiche del sistema da
controllare.
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Numerosi pannelli sperimentali interfacciabili con i PLC che permettono di eseguire il controllo di
sistemi pneumatici, controllo assi con motori in cc e motori passo−passo.
•
Sono inoltre presenti pannelli domotici Konnex realizzati con moduli Siemens con cui è possibile
controllare vari dispositivi (automazione tapparelle, plafoniere con EVG Dynamic, ecc…).
Il laboratorio, inizialmente specializzato nelle esercitazioni di automazione di cicli puramente pneumatici, si è
recentemente dotato di pannelli (realizzati sempre all’interno dell’Istituto) che utilizzano PLC S7−300 con
CPU−312 che permettono la gestione dei cicli pneumatici in logica programmabile.
Figura 18 − Pannello pneumatica.
Figura 18 − PLC pannello pneumatica.
Marco FANFONI
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Ringraziamenti
5A elettrotecnica e automazione
Balestrazzi Giorgio
Masi
Simone
Fornasari Fabio
Benini
Federico
Guerra
Marco
Siri
Matteo
Modelli
Eugenio
Iorga Alexandro
5A elettrotecnica e automazione.
Prof. Marco Fanfoni
Docente tutor che ha coordinato le attività degli
allievi .
Un ringraziamento a Mengoli Leonardo e Fortini Cristian studenti diplomati nell’a.s. 2010/2011con i
quali avevamo ipotizzato la progettazione del dispositivo
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La Dirigenza. (in ordine alfabetico).
Si ringrazia tutta la presidenza che ha consentito e promosso con entusiasmo la realizzazione del progetto
"Braccio pneumatico" sostenendo, anche economicamente, i costi della realizzazione.
Ing. Salvatore Grillo (Preside).
Prof. Carlo Dall'Omo (ex vice−Preside).
Prof. Licia Marcheselli (vice−Preside).
Prof. Donatella Molinari (vice−Preside).
Dott. Giuseppina Zullo (Dirigente economato)
Un particolare ringraziamento lo rivolgiamo al Ing. Roberto Guidi
responsabile della divisione P.M. SIMATIC Didactic Industry Sector IA AS
della Siemens / Simatic automazione di Milano.
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