Premiato progetto dal Ministero dell’Università e Ricerca, il progetto OCCAM – Optimal Control for Computer-Aided Manufacturing sta riscrivendo la pianificazione del moto nelle macchine CNC. Si tratta di una tecnologia innovativa sviluppata dall’Università di Pisa e che Eurosoft e XStar Motion stanno portando sul mercato delle macchine di taglio.
Oggi, ancor più che nel recente passato, Eurosoft spa è impegnata in un progetto che mira a riscrivere le regole del gioco della manifattura ripensando radicalmente la pianificazione del moto delle macchine CNC. Da questa visione, condivisa con il gruppo di ricerca in robotica e controllo dell’Università di Pisa, guidato dal Prof. Manolo Garabini, è nata una tecnologia basata su ottimizzazione numerica in grado di massimizzare l’efficienza del ciclo di vita delle macchine CNC e XStar Motion srl che, un settore applicativo dopo l’altro, sta portando questa tecnologia sul mercato.
Questa visione è stata premiata nel 2025 dal Ministero dell’Università e Ricerca che – nell’ambito del Fondo Italiano per le Scienze Applicate – ha finanziato il progetto OCCAM – Optimal Control for Computer-Aided Manufacturing per la realizzazione della prossima generazione di controlli CNC adattivi e intelligenti.
Potenza di calcolo? Sì ma non solo
Oggi, due fattori abilitano la possibilità di cambiare in modo radicale la concezione della pianificazione del moto nelle macchine CNC. Il primo è evidente a tutti: la potenza di calcolo oggi disponibile a costi accessibili è di ordini di grandezza superiore rispetto anche solo a pochi anni fa. Processori multi core, GPU e unità di calcolo dedicate rendono finalmente possibile eseguire a run-time operazioni che un tempo richiedevano minuti o ore.
La seconda novità, meno evidente ma che non sfuggirà agli addetti ai lavori, è la potenza degli algoritmi oggi disponibili. Le più recenti tecniche di ottimizzazione numerica e controllo predittivo permettono di modellare e risolvere in modo deterministico problemi dinamici complessi, fino a poco tempo fa considerati intrattabili in ambito industriale.
È proprio dalla convergenza di – potenza computazionale e algoritmica – che può nascere un nuovo paradigma in cui la pianificazione del moto non si basa più su regole fisse o approssimazioni, ma su calcoli basati sul principio di ottimalità che sfruttano fino in fondo i vantaggi dati dalle capacità computazionali moderne. Il risultato è un controllo più efficiente, preciso e sostenibile, capace di adattarsi in tempo reale alle condizioni operative della macchina e alle esigenze del processo produttivo.
Il motion planning per una macchina CNC
Per comprendere la portata del cambiamento in corso, è utile chiarire cosa si intende per pianificazione del moto in una macchina CNC a quali sono i principali indici con cui se ne valuta l’efficacia. In termini semplici, si tratta del processo attraverso cui si determinano la posizione e la velocità a cui ciascun asse deve muoversi per eseguire una lavorazione – che si tratti di un taglio, una fresatura, una saldatura o anche solo uno spostamento dell’utensile.
Questo processo si articola in tre fasi principali:
- Generazione del percorso utensile, partendo dalla digitalizzazione del risultato da ottenere, ad esempio il modello CAD del componente;
- Conversione del percorso utensile nei movimenti di ciascun asse della macchina;
- Determinazione della legge di moto, ovvero della velocità con cui ogni asse deve percorrere la traiettoria assegnata.
Le prime due fasi sono oggi ampiamente automatizzate e affidate ai software CAD/CAM, che calcolano traiettorie geometricamente corrette in base alle tolleranze richieste. È però nella terza fase – quella della definizione del moto effettivo – che si gioca la vera sfida tecnologica.
Da cosa si capisce se la pianificazione del moto è eseguita in modo efficace? Nelle lavorazioni come in pochi altri settori il tempo è denaro. Un’ottima predizione del costo di un processo eseguito con macchine CNC è fornita dal tempo ciclo. Il processo, tuttavia, non deve solo essere economico ma deve garantire anche un adeguato livello qualitativo che dipende dalla precisione e dalla fluidità del moto della macchina. I più avanzati algoritmi di pianificazione dinamica rendono possibile gestire l’inevitabile compromesso tra tempo e qualità imponendo il corretto livello qualitativo come un vincolo e ottimizzando per minimizzare il tempo ciclo.
Quali sono i vincoli che caratterizzano il livello qualitativo di una lavorazione? Se è ovvio che la precisione con cui vengono approssimati gli waypoints forniti è un chiaro indice di qualità, più sfuggente è il concetto di fluidità del movimento. Quando una macchina si muove con accelerazioni e jerk – variazione dell’accelerazione nel tempo – elevati insorgono fenomeni indesiderati quali l’aumento di stress meccanico e l’innesco di vibrazioni portando a un’esecuzione della lavorazione con peggioramento della qualità, e un incremento della frequenza di manutenzione. Una pianificazione del moto che tenda a minimizzare il tempo ciclo ma rispetti valori massimi di errore in posizione, velocità, accelerazione, e jerk garantisce quindi la qualità desiderata al minor costo possibile.
Nel nuovo paradigma sviluppato nel progetto OCCAM e implementato industrialmente da XStar Motion, la pianificazione del moto è formalizzata come una particolare classe di problemi di ottimizzazione – ottimizzazione convessa – per i quali vi è un’unica soluzione, che, per la macchina e per la lavorazione risulta quindi la migliore possibile.
Old but gold…
Per decenni, la pianificazione del moto nelle macchine CNC si è basata su euristiche, ovvero su insiemi di regole empiriche che definiscono a priori come devono variare velocità, accelerazione e jerk lungo una traiettoria. È un approccio che nasce in un’epoca in cui la potenza di calcolo era limitata e in cui, di conseguenza, la priorità era garantire tempi di elaborazione rapidi più che prestazioni ottimali. In pratica, il percorso dell’utensile viene suddiviso in tratti elementari – linee o archi – ai quali si applicano profili di velocità predefiniti, generalmente trapezoidali. Questi profili assicurano un compromesso accettabile tra tempo ciclo e stabilità meccanica, ma al prezzo di una notevole approssimazione dinamica: il moto degli assi risulta spesso discontinuo, con bruschi cambi di accelerazione e perdita di fluidità.
Per compensare questi effetti, i controllori applicano un filtraggio del segnale, una sorta di “levigatura” della traiettoria prima dell’esecuzione reale in macchina. Questo passaggio migliora la fluidità, ma lo fa senza garanzie formali sul rispetto dei vincoli cinematici: la traiettoria filtrata, infatti, non corrisponde più esattamente a quella pianificata, e può introdurre deviazioni o imprecisioni. Il successo di questa strategia – oggi ancora dominante – deriva dal suo basso costo computazionale e dalla facilità di implementazione nei controlli numerici tradizionali.
Tuttavia, con l’aumentare delle esigenze di precisione, velocità e affidabilità, i suoi limiti sono sempre più evidenti:
- la qualità della lavorazione dipende fortemente dal tuning manuale dei parametri, spesso effettuato da tecnici esperti del costruttore del CNC;
- ogni tipo di operazione richiede un set di parametri diverso, rendendo difficile la generalizzazione e aumentando i costi di messa a punto;
- soprattutto, non è possibile garantire il rispetto rigoroso dei vincoli di velocità, accelerazione e jerk, né assicurare che la macchina operi al massimo delle proprie potenzialità.
Oggi, nell’era dell’ottimizzazione numerica e del calcolo ad alte prestazioni, questo approccio mostra tutta la sua obsolescenza concettuale.
OCCAM: dall’ottimizzazione numerica al controllo intelligente
Il progetto OCCAM – Optimal Control for Computer-Aided Manufacturing, finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca nell’ambito del Fondo Italiano per le Scienze Applicate (FISA), nasce con un obiettivo preciso: portare nel mondo della manifattura la stessa rivoluzione che l’ottimizzazione numerica e l’intelligenza artificiale hanno già prodotto in altri settori tecnologici. OCCAM adotta un approccio sistematico e rigoroso per sviluppare e validare nuove tecniche di pianificazione e controllo del moto basate su metodi di ottimizzazione matematica.
Lo sviluppo delle tecnologie OCCAM è guidato da due casi d’uso di grande rilevanza economica e industriale: macchine taglio lama e macchine taglio laser. In entrambi i casi, l’obiettivo è ridurre i tempi ciclo, migliorare la precisione e garantire il rispetto dei vincoli cinematici (velocità, accelerazione e jerk), aumentando contemporaneamente sicurezza, qualità e durata della macchina.
Gli algoritmi sviluppati in OCCAM combinano due anime:
- Deterministica, basata su modelli fisici accurati e metodi di ottimizzazione in grado di fornire soluzioni con vincoli rispettati formalmente – una condizione indispensabile per applicazioni industriali e safety-critical;
- Adattiva, grazie a tecniche di machine learning capaci di apprendere dal comportamento reale della macchina, migliorandone le prestazioni e adattandosi a condizioni operative mutevoli (ad esempio variazioni termiche, usura o carichi differenti).
L’obiettivo è realizzare un framework di controllo universale, indipendente dal tipo di macchina, in grado di essere integrato nei moderni software CAM e di comunicare nativamente con i controlli numerici industriali attraverso linguaggi standard come il G-code. Un’interfaccia grafica dedicata (GUI) renderà il sistema accessibile e facilmente utilizzabile anche da operatori non esperti di ottimizzazione.
Le attività di OCCAM si articolano in tre fasi:
- Ricerca fondamentale, per sviluppare nuovi algoritmi di ottimizzazione deterministica e tecniche di controllo predittivo in tempo reale;
- Ricerca industriale, per trasformare questi algoritmi in software concreti, integrabili e personalizzabili;
- Sperimentazione industriale, attraverso due progetti pilota che testeranno le tecnologie prima in ambiente di laboratorio e poi in condizioni operative reali.
L’obiettivo finale è raggiungere un alto livello di maturità tecnologica (TRL 8-9).
Applicazioni e modalità applicative
Le possibilità di utilizzo di questa tecnologia sono oggi ampie e diversificate, trovando applicazione sia nel settore della robotica sia in quello dell’automazione industriale. Le soluzioni XStar consentono di ottimizzare la pianificazione e il controllo del moto in una grande varietà di scenari: dalla gestione di operazioni robotiche di pick&place, alla fresatura ad alta velocità su macchine CNC con elevate inerzie e accelerazioni, fino all’impiego nelle tecnologie di taglio più diffuse – laser, plasma e lama.
Integrazione nel mondo del taglio laser
Un ambito di applicazione particolarmente significativo è quello del taglio laser, dove la tecnologia XStar è oggi integrata nella piattaforma xCut – Laser Automation Suite di Eurosoft S.p.A., progettata per processi di taglio termico e basata sulla collaudata piattaforma Linux ECP1000. xCut rappresenta una suite completa per la gestione del processo produttivo, dal CAD/CAM alla comunicazione con il controllo numerico, e offre un’interfaccia moderna, altamente configurabile e pienamente compatibile con i requisiti dell’Industria 4.0/5.0.
Tra le principali caratteristiche di xCut:
- un micro-CAD/CAM integrato con supporto per formati DWG/DEF, nesting multi-pezzo e multi-piano, gestione automatica di lead-in/lead-out e ordinamento del taglio;
- un’interfaccia utente personalizzabile e modulare, con livelli di accesso configurabili per costruttori e operatori;
- un database tecnologico dinamico, aggiornabile in tempo reale, che distingue tra materiale e processo di taglio;
- supporto per modalità avanzate come il fly-cut con precisione del microsecondo (1 μm a 60 m/min), rilevamento automatico del punto zero, e controllo in tempo reale delle collisioni mediante sensori testa laser;
- compatibilità nativa con protocolli OPC-UA e gestione diretta di I/O EtherCATR ottimizzati.
Grazie alla sinergia con la tecnologia di pianificazione ottimizzata di XStar Motion, xCut integra modalita di controllo “high-dynamics”, che consentono di sfruttare appieno la potenza computazionale disponibile per ottenere tagli estremamente rapidi, fluidi e precisi. In questo modo, i metodi di ottimizzazione numerica sviluppati nel progetto OCCAM – Optimal Control for Computer-Aided Manufacturing trovano applicazione diretta anche nel mondo del taglio laser, consentendo lavorazioni ad alte prestazioni e con ridotto stress meccanico.
Versatilità e modalità d’impiego
La tecnologia XStar può gestire percorsi di lunghezza arbitraria ed essere impiegata sia in modalità online che offline, fornendo riferimenti ottimizzati alla frequenza del controllore. Questa versatilità e uno dei principali punti di forza della piattaforma, che può essere integrata in applicazioni personalizzate anche su macchine con cinematiche complesse e non convenzionali.
Tra le principali modalità di implementazione:
- G-Code Optimizer: una soluzione plug-and-play compatibile con i controlli che supportano il comando G93, che non richiede modifiche alla macchina e genera direttamente file processabili dal CNC;
- XS-Lib: una libreria binaria che consente di integrare le funzionalita di ottimizzazione del moto all’interno di applicazioni software esistenti;
- XS-Server: un server dedicato installabile direttamente sulla macchina CNC, che comunica tramite API con le applicazioni esterne;
- XS-Box: un’unita computazionale Intel pronta all’uso, connessa direttamente a robot o macchine CNC, che offre un’integrazione immediata e scalabile.
Infine, le soluzioni XStar possono essere utilizzate anche per il revamping di macchine esistenti, senza interventi hardware, migliorando sensibilmente la qualità di lavorazione e le prestazioni dinamiche della macchina stessa.
di Manolo Garabini è professore associato presso l’Università di Pisa, coordina il progetto FISA23 OCCAM ed è co-fondatore di qbrobotics s.r.l. e XStar Motion s.r.l.
