Il testo Cinematica e dinamica dei meccanismi elementari delle macchine automatiche risolte con Working Model 3D presenta al lettore una vasta panoramica di analisi cinetodinamiche, sintesi e animazioni con rendering fotorealistico dinamico delle soluzioni costantemente usate negli impianti robotizzati.
L'autore, l'ing. Alberto Alberoni, è stato assistitito dal prof. Gabriele Vassura dell'Universià di Bologna, riconosciuto come uno degli esperti della robotica italiana. La trattazione corredata da un CD-ROM con i files di lavoro degli esempi proposti in formato Working Model, VRML e sotto forma di filmati Windows AVI.

Premessa

Il Working Model 3D, prodotto dalla californiana Knowledge Revolution, è stato sviluppato nel 1996 sulla scia del clamoroso successo della precedente versione bidimensionale e subito introdotto in Italia dalla Lista Studio srl (www.lista.it e www.workingmodel.it) in qualità di agente e distributore esclusivo.

Nel 1999 i clienti italiani utilizzatori di questa soluzione software di analisi cinetodinamica di sorprendente facilità di utilizzo raggiungevano già le trecento unità. Oltre a referenti estremamente prestigiosi, come la Ferrari, la Cagiva, la Ducati, la Bticino, l'Alenia Spazio, la Breda e l'Ansaldo, è soprattutto la sua diffusione nelle piccole e medie aziende a testimoniare il progressivo utilizzo della prototipazione virtuale nello sviluppo progettuale. La possibilità di provare ed ottimizzare il funzionamento di una macchina a livello del personal computer e prima di costruire qualsivoglia prototipo fisico consente vantaggi competitivi evidenti. In aggiunta, l'acquisizione nel 1999 della Knowledge Revolution da parte della The Mac Neal Schwendler, produttrice della famosa famiglia di codici di analisi agli elementi finiti (tra questi, Nastran, Patran e Dytran), e la formazione della divisione MSC Working Knowledge, ha consentito di affiancare ed anzi integrare in un unico ambiente anche l'analisi strutturale ed il rendering fotorealistico.

Per realizzare una presentazione interattiva e in grado di coinvolgere l'utente è oggi infatti indispensabile fare uso di filmati.
Questo concetto è ormai chiaro anche nell'ingegneria meccanica. Un filmato trasmette all'utente medio molte più informazioni di semplici immagini e diagrammi.
Fino ad oggi, il problema implicito in questa tecnologia nel settore industriale è stato rappresentato dalla difficoltà di creare contenuti fisicamente reali e quindi effettivamente fruibili. In altre parole, non ha senso per un ingegnere meccanico spendere tempo alla ricerca di strumenti per disegnare un meccanismo, un evento o un'animazione in genere sulla base della semplice verosimiglianza e non del suo reale funzionamento.
Ora, quando già esiste un modello solido CAD di una macchina e da questo è possibile ricavare un prototipo virtuale, la realizzazione di un filmato scientificamente corretto (ovvero rappresentante il reale funzionamento fisico della macchina) diventa un passo estremamente semplice.
Quando gli strumenti per l'analisi cinematica, dinamica ed il calcolo strutturale vengono integrati con quelli per l'animazione e la visualizzazione, risulta infatti possibile produrre filmati fotorealistici con un semplice click del mouse.

La tradizionale animazione è stata finora basata su una tecnica chiamata "keyframing".
Un operatore individua cioè le posizioni desiderate dei vari oggetti in vari istanti, ipotizzando il loro possibile moto. Per esempio, un pallina viene considerata sospesa a mezz'aria all'istante t=0 secondi. Nei vari istanti successi (t=0,1 e poi t=0,2 secondi ecc.) la pallina viene considerata in posizioni diverse e sempre più lontane, tentando cioè di immaginare il moto accelerato che deriva per effetto della gravità. La fisicità dell'evento è riposta quindi nella sola immaginazione dell'operatore nel disporre i fotogrammi di riferimento. La sua bravura e professionalità consiste proprio nel rendere questa ricostruzione il più possibile naturale e verosimile, in modo che lo spettatore la percepisca come naturale.

Il risultato di una animazione keyframed è pertanto un moto il più possibile accattivante per l'occhio umano ma comunque del tutto artificiale e privo di una qualsiasi analisi e documentazione scientifica. Al punto che, al crescere della complessità del fenomeno e quando l'immaginazione dell'operatore non riesce a produrre risultati verosimili o ad immaginare lo scenario risultante, si utilizzano sofisticate tecniche di ripresa fotografica per l'acquisizione di alcune misure di base o si montano sofisticati sensori sugli oggetti in moto, vuoi anche sul corpo umano, per campionarne alcune posizioni di riferimento sulle quali interpolare poi il filmato.

Quando si usano strumenti di prototipazione virtuale è molto più immediato ottenere questi risultati, facendo soprattutto riferimento al calcolo cinematico e dinamico e non alla fantasia dell'operatore. Al punto che la creazione di un filmato di qualità televisiva che descriva il funzionamento di una macchina complessa con realismo tale da far credere allo spettatore che tale macchina sia stata realmente costruita e ripresa con tecniche cinematografiche, è oggi alla portata anche del progettista CAD che in tal modo prova e documenta in maniera esaustiva ogni passo dello sviluppo progettuale.

Per esempio, un ingegnere meccanico che lavora al progetto di un flipper elettromeccanico può ottenere varie simulazioni al personal computer di una pallina che interagisce con i vari elementi della macchina usando i controlli di collisione del motore di analisi cinematica e dinamica di un software di prototipazione virtuale. Con tale strumenti egli riesce a calcolare e dimensionare forze e sollecitazioni in modo da sperimentare vari livelli di difficoltà di gioco senza dover necessariamente costruire e sperimentare su di un prototipo fisico. Si passa poi all'analisi strutturale (FEM) per evidenziare ad esempio le deformazioni sugli elementi critici del sistema. A questo punto, la creazione di un filmato fotorealistico diventa un processo molto simile a quello con cui si lancia banalmente una stampa, dal momento che per via del tutto automatica la simulazione visualizzata a video viene scritta su di un file AVI o MPEG creando il filmato necessario.

Dal momento che il nostro ingegnere meccanico stava già lavorando in un ambiente di simulazione cinematica, dinamica e FEM, specificare fotogrammi di riferimento o rilevare traiettorie tramite sensori diventa inutile. Il filmato video viene inoltre costruito con tecniche fotorealistiche, dal momento che si specificano i materiali, il loro grado di finitura superficiale, la presenza di trame o scritte oltre che di colori, per non parlare di luci, ombre, riflessi e trasparenze tutte calcolate dinamicamente. Infine, tale filmato è immediatamente fruibile da qualsiasi personal computer anche economico e facilmente veicolabile in rete, internet o su supporto CD-ROM.

Si consideri poi quante volte nelle aziende italiane tutto il lavoro svolto in progettazione viene ignorato dai grafici pubblicitari per la realizzazione dei manuali d'uso, dei cataloghi e della pubblicità del prodotto solo perchè, ad esempio, la piattaforma operativa dell'ufficio tecnico è Windows e quella dell'ufficio marketing è Macintosh.

O, ancora, la difficoltà del team di progettazione di spiegare al management le intuizioni alla base di una nuova soluzione impiantistica, dovendosi basare su innumerevoli stampe di disegni bidimensionali o, nei casi più fortunati, di assiemi tridimensionali statici visualizzabili solo sulla workstation dell'ufficio tecnico e dopo aver costretto il management a lunghe spiegazioni per far comprendere come tutte quelle parti si muovano durante il funzionamento.

Il cervello umano è estremamente addestrato a percepire anche sottili differenze tra due moti. Per esempio, si consideri come sia esperienza di tutti i giorni associare al ricordo di una persona il suo modo di camminare o gesticolare. Bene, lo stesso accade anche con le caratteristiche di moto degli oggetti. Quando si confronta un filmato realizzato con software di prototipazione virtuale e quindi calcolo fisico come quello realizzato con il Working Model e lo si paragona con una animazione realizzata con tecnica keyframe, il cervello umano percepisce immediatamente il primo come "naturale" ed il secondo come "irreale" a prescindere dalla bontà delle caratteristiche fotorealistiche dei giochi di luci ed ombre.

In altre parole, al di là della ricostruzione degli aspetti estetici, c'è una percezione intuitiva della realtà fisica anche nello spettatore comune. I filmati realizzati con questa tecnica costituiscono uno strumento potente di documentazione di un nuovo prodotto attraverso tutto il team che li sviluppa, dai progettisti al canale di vendita, dal pubblicitario all'utente finale che chiede di poter apprezzare la macchina senza dover necessariamente prendere visione di un prototipo fisico.

Un passo successivo, già immediatamente disponibile con i prodotti commerciali, consiste nella realizzazione non solo del filmato ma bensì nella creazione di un modello solido animato con tecnologia VRML 2.0. Con questa soluzione qualunque utente, disponendo solo di un modesto personal computer con un browser come Netscape o Microsoft Internet Explorer, può manipolare oggetti tridimensionali senza disporre di un CAD e navigare all'interno di una macchina in funzione per capirne i vari meccanismi. Non solo, è possibile addirittura evidenziare lo stato di sollecitazione delle parti durante il loro funzionamento, al punto che utenti distanti tra loro possono interagire con la stessa macchina virtuale in internet e discuterne il progetto, ottimizzare le parti o valutare le operazioni di manutenzione ancor prima di costruirne il prototipo fisico.

Ancora, determinate le sollecitazioni sui vari membri della macchina in movimento si può chiedere al software di determinare forme e soluzioni progettuali meglio rispondenti a quel compito. Si definiscono gli ingombri massimi disponibili e si chiede al personal computer di eliminare tutto il materiale superfluo per la risposta ai carichi determinati. L'operatore vede che il suo solido di massimo ingombro viene via via scavato automaticamente per assumere magari forme del tutto diverse da quelle ipotizzate dal progettista o per riconfermare la felice intuizione già proposta dal tecnico stesso. Una visita in internet ai siti che offrono esempi di ottimizzazione topologica (es. www.lista.it e www.workingmodel.it) risulta veramente appassionante, e non manca di sorprendere l'utente dimostrando che queste soluzioni apparentemente futuristiche sono viceversa realtà oggi disponibili a livello dei personal computers e dei più diffusi sistemi CAD.

Introduzione

Scopo della testo è analizzare il software di modellazione dinamica Working Model 3D v. 5.0 accoppiato ad un CAD nella simulazione di meccanismi impiegati frequentemente nelle macchine automatiche.
Come CAD si è scelto a puro titolo esplicativo il Solid Edge di Unigraphics, ma le considerazioni seguenti sono immediatamente applicabili (e molto spesso formalmente identiche) anche ad altri Cad come SolidWorks di Dassault, Mechanical Desktop di Autodesk e Pro/E di PTC, tutti CAD che consentono l'integrazione diretta in Working Model e visualNastran. Tramite file import in formato ACIS, IGES o STL, è poi immediato l'utilizzo di sistemi Cad come Think3 di Cad.Lab, UG di Unigraphics, Solid Designer di CoCreate, CadKey di Baystate Technology, Helix di Microcadam, Alibre, ecc.
La trattazione dell'argomento procede con gradualità, introducendo concetti elementari per consentire anche all'utente iniziale del software di capire e seguire la trattazione successiva.

Nel primo capitolo si richiamano le caratteristiche generali di Working Model 3D v. 5.0: l'interfaccia grafica, i metodi per disegnare e assemblare un modello, le modalità di simulazione, l'importazione di disegni da un CAD come Solid Edge.

Nel secondo capitolo si analizzano semplici cinematismi come il quadrilatero articolato, i pentalateri, gli esalateri, un manovellismo ordinario, il glifo oscillante, il giogo scozzese. Si presentano modelli adatti per eseguire animazioni e modelli per le analisi. Le analisi, cinematiche e dinamiche, si eseguono utilizzando modelli tridimensionali in grado di reagire a sollecitazioni spaziali. Si studiano inizialmente i meccanismi ideali, poi, ove possibile, si mette in conto il gioco e l'attrito. Per verificare i risultati si sono costruiti modelli dei medesimi meccanismi con Simulink. Nel terzo capitolo si analizza come poter simulare meccanismi con coppie cinematiche superiori come croci di malta, cinematismi a camme, intermittore a camme. Per quanto riguarda le camme si analizzano inizialmente casi elementari come camme ad eccentrico, verificandone il funzionamento con meccanismi equivalenti, quindi camme policentriche ed infine il caso generale.

Nel quarto capitolo si espongono le conclusioni mettendo in evidenza per i vari tipi di meccanismi il metodo di costruzione del modello, i risultati che si possono ottenere ed i problemi risolti.

Naturalmente, i meccanismi usati nell'ambito delle macchine automatiche sono innumerevoli e di vario tipo. Si raggruppano comunque in due grandi categorie: semplici cinematismi e sistemi articolati a uno o due gradi di libertà nel primo capitolo; meccanismi con coppie superiori nel terzo capitolo. Si studiano quindi solo un certo numero di casi interessanti, in modo da mettere in evidenza le classi di meccanismi che possono essere modellate più agevolmente utilizzando Working Model 5.0 e un CAD. Si espone per ogni caso il metodo che occorre seguire per ottenere risultati affidabili e sicuri a seconda che la simulazione serva per produrre animazioni, analisi o sintesi.

I seguenti sei esempi di cinematismi VRML sono tratti dal testo e sono offerti in formato VRML (vedi istruzioni a questo link); i meccanismi sono volutamente semplificati per tenere le dimensioni dei files sotto i 30Kb e consentire il download immediato.