Avete mai comprato un paio di scarponi da sci, che sembravano perfetti, per scoprire alla prima discesa essere causa di disumane torture al vostro piede? Per non trasformare ogni uscita sulle piste innevate in un calvario siete stati costretti a cambiarli, o peggio, acquistarne un altro paio con medesime incognite e costi ulteriori. Quanto sarebbe stato più semplice e meno costoso avere la possibilità di provare quegli scarponi e acquistarli solo dopo aver verificato tutte le problematiche che potevano emergere?
Non tutti hanno l'hobby dello sci, ma l'analogia può essere estesa a centinaia di altre situazioni nelle quali la possibilità di testare e provare prima di acquistare e realizzare avrebbe creato meno problemi a costi decisamente più competitivi. Mai come in queste sfortunate parentesi ognuno di noi ha desiderato poter usufruire di una funzione di Undo che purtroppo esiste solo nel software di un computer. L'evoluzione tecnologica hardware e software, cresciuta a dismisura negli ultimi anni, ha permesso una giunzione sinergica tra le varie tecnologie e le architetture, consentendo di arrivare a qualcosa che realmente si avvicina alla funzione di Undo implementata anche nell'hardware (che qui ha assunto la nomenclatura di 'simulazione').
Il vero significato del termine 'simulazione'
Wikipedia riporta: “Per simulazione s'intende un modello della realtà che consente di valutare e prevedere lo svolgersi dinamico di una serie di eventi susseguenti all'imposizione di certe condizioni da parte dell'analista o dell'utente. Un simulatore di volo, ad esempio, consente di prevedere il comportamento dell'aeromobile a fronte delle sue caratteristiche e dei comandi del pilota. Le simulazioni sono uno strumento sperimentale molto potente e si avvalgono delle possibilità di calcolo offerte dall'informatica. La simulazione, infatti, non è altro che la trasposizione in termini logico-matematica-procedurali di un 'modello concettuale' della realtà che può essere definito come l'insieme di processi che hanno luogo nel sistema valutato e il cui insieme permette di comprendere le logiche di funzionamento del sistema stesso”.
Una definizione più diretta potrebbe essere: “simulazione significa avere la possibilità di riprodurre virtualmente una certa situazione, senza realizzarla realmente, e verificarne tutti gli aspetti positivi e negativi e solo successivamente passare alla realizzazione fisica”.
I toolkit di simulazione elettronica sono stati in un passato molto recente e sono tuttora tecnologie atte alla simulazione che consentono di realizzare virtualmente un circuito e simularne il reale comportamento; non si può non parlare dei toolkit a più vasto impiego, come quelli di rendering e modelling 3D che consentono di simulare progetti architettonici completi di arredamenti fatti su misura. Settori, questi, molto favoriti dall'elaborazione matematica.
A livello di progettazione meccanica, la questione è tuttavia più complessa. Da sempre i cad permettono, in misura diversa, di implementare vari livelli di simulazione strettamente meccanica. Dal punto di vista della movimentazione, la questione è più aleatoria, in quanto tale soluzione rimane una via di mezzo, o un insieme se vogliamo, tra meccanica ed elettronica e i parametri in gioco, oltre ad essere molteplici, sono molto volubili in funzione di tanti fattori legati al campo. Anche Wikipedia non fornisce delucidazioni esaustive sulla definizione di 'simulazione per impianti e processi produttivi', non liquidando la questione in modo semplicistico, ma cercando di approfondirla invano.
Tipicamente, la questione è risolta mantenendo un completo distacco tra meccanica, attuazione e controllo. Il risultato è che la parte meccanica è progettata e simulata al cad, ma per verificarla fisicamente deve essere realizzata in forma prototipale per capire solo successivamente i pro e i contro del progetto imbastito. Del resto, molto è dovuto al fatto che ogni macchina, nella sua completezza, è fine a se stessa con caratteristiche proprie difficilmente replicabili in toto in un numero che giustifichi lo sviluppo di un toolkit di simulazione specifico. In certi settori particolari qualcosa è stato fatto; pensiamo ai robot antropomorfi che sono dotati di toolkit specifici per una completa simulazione delle movimentazioni in base al payload definito, questo però impiantato in una macchina non si fa carico della simulazione integrale della macchina, ma seguita a simulare la stazione robot. Si potrebbe pensare alle varie parti di un'intera macchina come suddivise in forme modulari per poter simulare le singole porzioni: questo rappresenterebbe un vantaggio progettuale non indifferente.
Quali possono essere i vantaggi di una simulazione meccanica-elettronica? Pensiamo ai livelli commerciali e di marketing: oggi i costruttori si vedono costretti a imbastire fisicamente almeno un prototipo che mostri effettivamente il funzionamento reale, oppure devono vendere l'idea senza prototipo, per contenere costi di progettazione che comunque esistono. Una simulazione, non solo della parte meccanica ma anche della parte di controllo, consentirebbe di mostrare l'idea così come sarebbe poi realizzata. La simulazione consente di verificare i pro e i contro progettuali di una porzione di macchina a priori, intervenendo però solo sul progetto della macchina e non sulle parti meccaniche già dimensionate e magari realizzate: i tempi di progettazione e verifica sono notevolmente abbattuti; eventuali modifiche sono a costo zero e in tempi limitati; adattamenti progettuali per soluzioni 'custom' sono immediati e a costi ridotti.
Sicuramente la simulazione del progetto, intesa come meccanica e controllo, e la successiva messa in opera aderiscono al concetto di time-to-market che sta caratterizzando il mercato dell'automazione in questi momenti difficili. È importante progettare e realizzare con investimenti contenuti, velocemente ammortizzabili, e nello stesso tempo essere in grado di modificare il progetto in base alle richieste del mercato che non è più caratterizzato dai volumi perseveranti nel tempo, ma dalla volubilità della richiesta nel tempo.
La triade meccatronica
Uno dei primi playoff di National Instruments suonava 'The Software is the Instruments' e mai come in questa fase ha impersonato il suo originario messaggio e quindi la richiesta proveniente dal mercato della meccatronica. L'efficacia di un progetto elettromeccanico passa inevitabilmente per una fase di prototipazione che necessariamente deve essere simulata sia nella parte meccanica sia in quella relativa al controllo della movimentazione. In questo modo è possibile verificare tutti i pro e i contro delle scelte meccaniche ed elettriche effettuate, visualizzando il comportamento simulato sia della parte meccanica sia di quella elettrica-elettronica del progetto e, se necessario, operare le eventuali modifiche orientate all'ottimizzazione del sistema. Con opportuni toolkit software questa fase è svolta in tempi ridotti e a costi molto bassi. Una soluzione possibile è data dal cad 3D SolidWorks, con l'integrazione di CosmosMotion, applicativo per la simulazione cineto-dinamica del moto, unitamente al sistema di sviluppo LabView ed NI SoftMotion di National Instruments.
SolidWorks permette la realizzazione al cad di parti meccaniche e assemblaggi, mentre CosmosMotion realizza la simulazione del movimento dei vari dispositivi tenendo in considerazione forze e attriti per ricavare informazioni come posizione ed energia cinetica. La simulazione meccanica tiene in considerazione parametri come attriti, forze e gravità mentre la simulazione di controllo si basa su algoritmi di Pid; il toolkit NI SoftMotion propone fino a 650 algoritmi di analisi e controllo del movimento in varie tipologie: spline, asse elettrico, interpolazione 1D, 2D ecc. L'interazione sinergica tra SolidWorks, CosmosMotion e SoftMotion in LabView non solo consente di realizzare prima la progettazione meccanica, poi di definire le attuazioni meccaniche, sempre al cad, e infine di simularne anche il controllo da ambiente LabView, ma successivamente, se tutto procede secondo le previsioni e le simulazioni non sono disattese, il medesimo programma di controllo realizzato in LabView può essere applicato alla macchina fisicamente reale, senza cambiare 'una virgola' in virtù della simulazione pseudo-realistica operata e grazie a una serie di moduli hardware e basati su cpu real-time e Fpga messi a disposizione sempre da National Instruments su piattaforma CompactRio. L'utilizzo della triade SolidWorks, CosmosMotion e SoftMotion in LabView permette ad oggi di realizzare veramente una simulazione realistica della macchina al computer per poterla poi validare e portare in produzione, oppure modificarla a dovere.
