SVILUPPO DI UN DIGITAL TWIN: MODELLAZIONE E TEST SPERIMENTALI PER IL CONTROLLO DI UNA PIATTAFORMA STEWART

Stewart platforms have been mostly used for applications outside the fluid dynamics field, but recent developments in this direction have required the design of specific platforms built to guarantee appropriate motions for fluid simulation purposes. In this case, given the mechanical and electrical components selected beforehand at the New Jersey Institute of Technology and with knowledge of real application constraints, an optimization problem was approached with the help of the software Matlab. Thanks to that, it was concluded that an optimal configuration of the components making up the Stewart platform is possible by taking into account the values of some performance indicators related to the platform’s kinematics. Based on this knowledge, additional work has been done to obtain a functional 3D model – also called “digital twin” – in the software Simulink in order to simulate its motion before attempting to work in the real environment. This course of action was chosen because operating on the real system requires extensive knowledge of the programming language for the microcontroller and of the possible motions allowed by the kinematic constraints. Furthermore, choosing a wrong value of the velocities and accelerations of the electric motors, together with the physical limitation due to the kinematic constraints could result in reaching a position of the platform outside the workplace which would cause the stripping of the belt connecting the shaft of the electric motor to the linear actuator. Since the platform was assembled by following strict and time-consuming procedures, this outcome was of course undesirable. Furthermore, safety considerations were also made because a person had to be by the Stewart platform to operate the commands at the control panel, and an eventual mechanical failure could potentially be a danger for the operator. In addition to the aforementioned work, two stepper motors together with another microcontroller board have been provided by the New Jersey Institute of Technology as practice material to begin learning the microcode needed to translate the motion obtained from the simulation onto the real scenario and, after a training procedure has been created and tested, it was possible to code and test the motion of the Stewart platform.

Le piattaforme Stewart sono state per lo più utilizzate per applicazioni al di fuori della fluidodinamica, ma i recenti sviluppi in questa direzione hanno richiesto la creazione di specifiche piattaforme costruite per garantire moti adatti alle simulazioni. In questo caso, dati i componenti meccanici ed elettrici selezionati in precedenza al New Jersey Institute of Technology e conoscendo i veri limiti applicativi, è stato approcciato un problema di ottimizzazione con l'aiuto del software Matlab. Grazie a questo, si è concluso che esiste una configurazione ottimale dei componenti che costituiscono la piattaforma e che può essere realizzata tenendo in considerazione alcuni indicatori di prestazione relativi alla cinematica della piattaforma. Basandoci su queste informazioni, è stato svolto altro lavoro per ottenere un modello 3D funzionante nel software Simulink per simulare qualsiasi movimento prima ancora di passare all'ambiente reale. Questo procedimento è stato scelto perché operare sul sistema reale richiede una conoscenza estesa del linguaggio di programmazione del microcontrollore e dei moti permessi dai limiti cinematici. Inoltre, scegliere un valore sbagliato delle velocità o accelerazioni dei motori elettrici, assieme ai limiti fisici dovuti alla cinematica, potrebbe causare il raggiungimento di una posizione al di fuori dell'area di lavoro con un conseguente scivolamento della cinghia di trasmissione che connette l'albero del motore elettrico all'attuatore lineare. Siccome la piattaforma è stata assemblata secondo delle procedure molto severe, questo risultato è ovviamente non desiderabile. Inoltre, sono state fatte delle considerazione di sicurezza perché un operatore deve stare vicino la piattaforma per poter premere i pulsanti al pannello di controllo e un fallimento di tipo meccanico potrebbe essere un pericolo per la salute dell'operatore. Oltre al lavoro citato in precedenza, sono stati forniti due motori stepper assieme a un microcontrollore per poter far pratica e imparare il microcodice necessario a tradurre il moto ottenuto nella simulazione in un moto reale.