Progettazione meccatronica di un Plotter cartesiano

Il presente studio concerne il progetto meccatronico di un plotter cartesiano. L'obiettivo è quello di poter controllare in real-time il sistema plotter: data una qualsiasi traiettoria in formato .dxf esso deve essere in grado di stamparla il più velocemente possibile e con il minimo, se non addirittura nullo, scostamento dall'immagine di partenza.
Il plotter utilizzato (plotter a penna) è ormai soppiantato dai moderni plotter a getto d’inchiostro o a laser, tuttavia il suo studio si rivela molto interessante e fornisce un utile strumento di introduzione alla meccatronica in quanto tocca le tre discipline che ne fanno parte: meccanica (progettazione e analisi del sistema), elettronica (attuatori, elettronica di potenza), informatica (controllo software del plotter).
In primo luogo, sarà analizzato il sistema meccanico nel suo complesso cercando di individuare i suoi punti di forza e, principalmente, i punti deboli del sistema. Si prevede, in particolare, una riprogettazione del gruppo testina dal momento che è risultato essere inadatto allo svolgimento delle funzioni richieste.
In seguito si procederà ad una modellizzazione del sistema con l'obiettivo di sviluppare il controllo e testarlo. Non si potrà considerare la totalità delle variabili in gioco ma ci si dovrà concentrare sugli aspetti principali del problema andando a costruire un modello matematico sul quale poter impostare il ragionamento. Saranno analizzati i gradi di libertà del sistema, i limiti elettrici e meccanici dello stesso e saranno messe a punto le equazioni della dinamica che riassumano il problema.
Sviluppato il modello, seguirà la fase di implementazione in MATLAB di un programma che permetta, previa opportuna strategia di ottimizzazione della traiettoria, di realizzare simulazioni numeriche sullo stesso, in modo da ottenere dei primi dati (le tempistiche di tracciamento, le velocità ideali per disegnare la figura, ecc. ). Da queste simulazioni saranno tratte le prime conclusioni sulle prestazioni del sistema.
L'esperienza insegna che i risultati teorici spesso si discostano da quelli reali. Un modello, infatti, per sua definizione, prende in esame gli aspetti fondamentali del problema ma non può considerare tutte le variabili in gioco.
Per fare in modo che una volta sviluppato l'anello di controllo del plotter i risultati siano il più vicini possibile a quelli teorici sarà necessario considerare un regolatore che, istante per istante, confronti quelli che dovrebbero essere i punti del disegno con quelli che effettivamente si sta disegnando e, nel caso riscontri delle differenze, sia in grado di agire per correggere l'errore. Anche in questa fase sarà necessario eseguire un’analisi teorica delle prestazioni del controllore prima di metterlo in pratica: sarà utilizzato Simulink, un programma che permette di realizzare uno schema a blocchi dell’intero sistema e di valutarne le prestazioni al variare dei diversi parametri di funzionamento.
Sarà valutata, inoltre, la possibilità di mettere a punto un filtro digitale con l’obiettivo di migliorare la qualità dei segnali in uscita dagli encoder.
La fase successiva consisterà nello sviluppo del programma di controllo in real-time sfruttando il software a disposizione: LabView 8.2. Si ritiene, prima, di sviluppare un programma, che sarà chiamato di 'test', che, al posto di un disegno qualsiasi, farà eseguire al nostro sistema una traiettoria più semplice, per esempio una traiettoria sinusoidale, e, dopo aver corretto gli eventuali errori presenti, riuscirà ad estendere la parte di codice per il caricamento e l'esecuzione di un disegno qualsiasi a scelta dell'utente.
Seguirà un periodo di prove per mettere a punto i vari parametri del sistema in esame per riuscire ad ottimizzare le tempistiche e la precisione di disegno.