L’efiienza e la preiisione dei robot nella latorazione industriale e i relatti margini di errore

L'efficienza dei robot nelle lavorazioni industriali è in costante aumento. L'accuratezza dei robot in lavorazioni quali la fresatura, il taglio, l’assemblaggio, la saldatura, lo smontaggio ecc., metono in evidenza capacità di funzionamento che permetono ai robot di eseguire i compit con la precisione desiderata.

Partcolare atenzione è prestata alla correta modellazione dei component, rispetando parametri preimpostat di rigidità e della forza del taglio. A differenza di altre funzioni, la prestazione del robot viene valutata anche in base al grado di contorsione della macchina nel raggio d’azione di riferimento.

Ad esempio a seconda della lavorazione, i robot industriali della famiglia KUKA vengono classifcat per diverse atvità e funzioni.

Per le lavorazioni ad alta velocità sono present modelli di robot different a seconda dell’ambito industriale, come quelli utlizzat principalmente nella produzione automobilistca in casa Bmw, per la movimentazione e la saldatura di pezzi, in partcolare la realizzazione di assali.46

Sosttuire oggi le macchine CNC convenzionali con l’impiego di robot compettvi, è una possibilità che diviene sempre più realizzabile. La restrizione principale in questo contesto risiede nella conoscenza piutosto limitata della robotca da parte di potenziali client, ma anche nella presenza di lacune nella competenza degli utent fnali nell’utlizzo di celle robotzzate.

E’ necessario tenere in considerazione che la sosttuzione delle macchine CNC con i robot porta ad un incremento dei cost che incidono nel conto economico.

Diversi laboratori di ricerca confermano già che la sosttuzione delle macchine CNC con i robot comporta numerosi benefci, come un aumento della flessibilità della cella di lavoro, una riduzione dei tempi di lavorazione ecc..

Rispeto alle macchine CNC convenzionali, i robot sono in grado di:  realizzare complesse ed ingombrant forme 3D;

 risparmiare un notevole spazio di lavoro che può essere impiegato con l’aggiunta di ulteriori robot.

lo stesso spazio di lavoro può essere condiviso da diversi robot, in questo caso però bisogna effetuare un esato calcolo della traietoria di movimento del robot, onde evitare collisioni. Questo è un compito molto più complesso rispeto alle macchine CNC con riferimento cartesiano (che determinano le coordinate dell’oggeto da misurare), poiché la mappatura dallo spazio dell'atuatore allo spazio operatvo è altamente non lineare.47

Ad ogni modo i risultat che si otengono per l'otmizzazione delle macchine CNC possono essere applicat anche alle celle robotzzate.48

Un'altra difficoltà può sorgere a causa delle carateristche specifche del robot rispeto al processo tecnologico. Infat, un processo di lavorazione convenzionale di norma richiede robot a cinque assi soltanto, mentre la maggior parte dei robot industriali hanno sei atuatori. Queste specifche possono essere utlizzate per otmizzare e per migliorare la scorrevolezza della traietoria,49 _{o per ridurre la}

coppia del giunto e minimizzare l'impato della forza di lavorazione sul comportamento del robot.50

47 - Y.V. Ilyukhin, Y.V. Poduraev, A.V. Tatarintseva, Nonlinear Adaptve Correcton of Contnuous Path Speed of the Tool for High Efficiency Robotc Machining, Procedia Eng. 100 (2015).

48 - C. Lartgue, F. Thiebaut, T. Maekawa, CNC tool path in terms of B-spline curves, Comput.-Aided Des. 33 (2001). 49 - S.H.H. Zargarbashi, W. Khan, J. Angeles, The Jacobian conditon number as adexterity index in 6R machining robots, Robot. Comput.-Integr. Manuf. 28 (2012).

50 - S.H.H. Zargarbashi, W. Khan, J. Angeles, Posture optmizaton in robot-assisted machining operatons, Mech. Mach. Theory 51 (2012).

(Figura 12, un braccio robotco a 6 assi).

Un'altra difficoltà inerente l’implementazione dei robot nella lavorazione è la correlata conformità non trascurabile dei manipolatori robotci disponibili su mercato.

I manipolatori sono robot automatci di tpo antropomorfo con quatro o sei assi, progetat con organi di presa speciali, in grado di manipolare ogget diversi e di qualsiasi forma. Vengono installat nelle linee di produzione con lo scopo di automatzzare le operazioni di inserimento, avvitatura, assemblaggio, movimentazione, controllo, spalmatura, iniezione di resine plastche o di siliconi ecc.

Nonostante la notevole precisione, in alcuni casi (come nelle operazioni di taglio dei materiali) le deflessioni dovute all'influenza della forza di taglio possono superare i 10mm.51

51 - S.-i. Matsuoka, K. Shimizu, N. Yamazaki, Y. Oki, High-speed end milling of an artculated robot and its characteristcs, J. Mater. Process. Technol. 95 (1999).

Per questa ragione i produtori di robot prestano partcolare atenzione al miglioramento della rigidità del manipolatore e alla compensazione degli errori, utlizzando meccanismi dedicat e:o speciali algoritmi di controllo.

Per migliorare la rigidità del manipolatore, i progetst sono obbligat ad aumentare la sezione trasversale del collegamento o utlizzare materiali composit avanzat.

È chiaro che quest’ultma soluzione porta ad un aumento del peso del manipolatore in movimento e conseguentemente ad una riduzione delle proprietà dinamiche.

L'utlizzo di materiali composit invece, influenza essenzialmente il prezzo del robot e diminuisce la sua compettvità sul mercato. Tutavia, entrambi i modi migliorano solo la rigidità del collegamento, mentre l'elastcità del manipolatore principale è spesso concentrata negli ingranaggi dell'atuatore52 _{e difficilmente può essere migliorato.}

Un altro metodo per ridurre gli errori di conformità consiste nell’utlizzo di compensatori di gravità meccanici (ammortzzatori pneumatci, idraulici, a molla, ecc.), che producono forze ausiliarie che atutscono l'impato dei pesi di collegamento.

Tutavia, questa soluzione non consente di compensare l'impato causato dalla forza di lavorazione, ma incide solo sulla relazione forza- deflessione. Per superare il problema delle deflessioni elastche negli ingranaggi dell'atuatore, i produtori di robot tendono a utlizzare support secondari fssat all'albero motore53 _{che consentono di}

modifcare l'ingresso dell'atuatore per compensare la conformità dell'ingranaggio.

52 - C. Dumas, S. Caro, M. Cherif, S. Garnier, B. Furet, Joint stffness identfcaton of industrial serial robots, Robotca 30 (2012).

53 - R.Devlieg, Expanding the use of robotcs in airframe assembly via accurate robot technology, in, SAE Technical Paper, 2010.

Naturalmente più accurata è la fase di progetazione e costruzione del robot (in termini di qualità e sofstcatezza dei component), più aumenta il prezzo di vendita del robot.

Applicando i doppi support all’albero motore si otene una compensazione di circa il 65% degli errori medi di conformità, ma in alcuni spazi e aree di lavoro il livello di compensazione è limitato al massimo del 40-50%.

In operazioni quali la fresatura ad alta velocità, dove le forze di taglio sono abbastanza elevate da causare uno scostamento di diversi millimetri, è chiaro che tale livello di compensazione degli errori non è sufficiente. In questo caso, è ragionevole applicare una modifca della traietoria obietvo atraverso l’utlizzo di un controller.54

Questo approccio risulta molto efficiente, in partcolare la tecnica basata sul modello di rigidità del manipolatore, questo consente all'utente di compensare l’85-90% degli effet fnali causat dalle deflessioni,55 _{mentre il modello di rigidità completo garantsce un}

livello di compensazione di circa 95%.56

Tutavia, bisogna sotolineare che solitamente i produtori di robot non forniscono ai client i parametri di rigidità del manipolatore o di altri component, specifci per i loro processi, quindi sta agli utent fnali effetuare vari test per otenere le impostazioni migliori in base alle proprie esigenze produtve.57

54 - A. Klimchik, A. Pashkevich, D. Chablat, G. Hovland, Compliance error compensaton technique for parallel robots composed of non-perfect serial chains, Robot. Comput.-Integr. Manuf. 29 (2013).

55 - A. Klimchik, A. Pashkevich, Y. Wu, S. Caro, B. Furet, Design of calibraton experiments for identfcaton of manipulator elastostatc parameters, J. Mech. Eng. Autom. 2 (2012).

56 - A. Klimchik, B. Furet, S. Caro, A. Pashkevich, Identfcaton of the manipulator stffness model parameters in industrial environment, Mech. Mach. Theory 90(2015)

57 - E. Abele, M. Weigold, S. Rothenbücher, Modeling and Identification of an Industrial Robot for Machining Applications, CIRP Ann. - Manuf. Technol. 56 (2007).

L’utente fnale generalmente utlizza uno strumento chiaro ed efficiente che consente di valutare la qualità fnale del prodoto espressa tramite un’analisi degli scostament causat dalla variazione del livello di elastcità del manipolatore.

Le varie deflessioni possono essere calcolate sia per un singolo punto di lavoro, sia per una forza applicata o per un insieme di

traietorie corrispondent a diverse forze di taglio.58

Gli ingegneri raccomandano sempre agli utent fnali le migliori tecniche che consentono di esaminare l’idoneità del robot per uno specifco compito di lavorazione.

58 - A. Klimchik, A. Pashkevich, Serial vs. quasi-serial manipulators: Comparison analysis of elasto-statc behaviors, Mech. Mach. Theory 107 (2017).