La macchina e il robot

L’estensione e lo sviluppo dell’automazione nella prima metà del Novecento sono grandemente debitori nei confronti dell’elettronica (Lilley, 1957), la quale ha contribuito a integrare circuiti elettronici alle varie parti di una macchina utensile, che diviene così capace di muoversi (e di produrre) rispondendo a feedback e che quindi è in grado di reagire a degli stimoli.

L’automazione diviene quindi un processo sempre più flessibile, ovvero un processo in cui le dinamiche possono mutare ma l’obiettivo finale viene co- munque raggiunto perché il processo è in grado di autoregolarsi. L’automazio- ne, tuttavia, non va confusa con la robotica: la robotica costituisce un settore dell’automazione e si riferisce a una tipologia di strumentazione caratterizzata da differenti gradi di libertà e dalla flessibilità di tipologie di lavorazione (Ro-

lA MAcchinA cnc

la macchina cNc è una macchina a control- lo numerico (computer Numerical control) ed è considerata come l’evoluzione delle macchine utensile, macchine cioè che ri- producono meccanicamente un gesto lavo- rativo, attraverso l’impiego di forza motrice animale o di altra natura (acqua, vapore, fino a energia elettrica).

le macchine cNc devono il proprio sviluppo all’impiego dell’informatica, utilizzata per integrare alla macchina utensile un softwa- re attraverso il quale l’operatore può fornire istruzione per le operazioni da eseguire, tra- mite un linguaggio matematico.

le prime macchine a controllo numerico furono sviluppate nel contesto aeronau- tico per supportare la produzione di su- perfici curve complesse. La macchina CNC

è stata infatti realizzata con l’obiettivo di effettuare una lavorazione in cui l’utensile potesse muoversi contemporaneamente su più assi (X, y, Z).

con macchina cNc non si intende uno speci- fico strumento, ma una categoria di macchi- nari, basati sull’impiego di un software cAm (computer Aided manufacturing) in grado di muovere un utensile fisso o intercambiabile, su differenti assi, che costituiscono i gradi di libertà di una macchina. una macchina cNc può eseguire differenti lavorazioni e ciascu- na di esse richiede strumenti appositi: la fresatura, la tornitura, la foratura sono le la- vorazioni più diffuse ma si ricordano anche il taglio laser, taglio filo a caldo, getto d’acqua. la macchina cNc è uno strumento adatto alla manifattura sottrattiva, quindi esegue lavorazioni per l’asportazione di materiale e può essere impiegata per diversi materiali

solidi, come metallo, legno, plastica, poli- stirolo EPS, polistirolo XPS, pietra. ciascuno di questi materiali richiede oltre a specifici utensili, anche motori differenti, perché oc- corre utilizzare forze ed energie appropriate e soprattutto un piano di lavorazione varia- bile in funzione del materiale grezzo su cui eseguire l’operazione.

Attraverso il software viene elaborata la lavorazione da eseguire, l’impiego di uno o più utensili e il percorso che ciascuno deve eseguire: la macchina cNc consente di eseguire una lavorazione che può richie- dere anche tempi molto lunghi, con conti- nuità e senza interruzioni, senza interagire con l’uomo. Quando la macchina cNc è in grado di utilizzare più utensili e quindi di eseguire una moltitudine di lavorazioni su un unico pezzo, si definisce anche centro di lavoro.

mAGAZZiNO uTENSili

rappresenta il deposito degli utensili per eseguire le lavorazioni: il mandrino accede a questa zona per cambiare il proprio utensile. Il magazzino può essere mobile o fisso, ed è conosciuto come ATc – Automatic Tool changer. Obiettivo dell’ATc è ridurre al minimo i tempi di cambio.

Se la macchina dispone di un magazzino utensili, si può definire tale strumento anche come centro di taglio e può realizzare un prodotto completo in ogni sua lavorazione.

mANDriNO

È il dispositivo su cui viene installato l’utensile da lavoro: il mandrino può eseguire movimentazioni lungo differenti assi, che determinano a loro volta i gradi di libertà di una macchina. maggiori sono i gradi, maggiori saranno quindi le tipologie di lavorazione che si potranno eseguire: le cNc base dispongono di 3 assi (X,y,Z) e consentono quindi di lavorare su altezza, larghezza e profondità; le macchine possono raggiungere fino a 12 assi, integrando operazioni in cui il mandrino assume inclinazioni differenti. POrTAlE O cAVAllETTO

costituisce il sistema per la movimentazione del mandrino e contribuisce quindi ad accrescere i suoi gradi di libertà: su questo può essere installato anche il magazzino degli utensili. il cavalletto può muoversi lungo l’asse X, l’asse cioè del piano di lavoro, lungo l’asse y ciè l’asse dei binari, oppure restare fisso. In tal caso sarà un nastro a muovere il prodotto su cui eseguire la lavorazione, come ad esempio fresature su elementi lineari, come travi in legno.

PiANO Di lAVOrO

le dimensioni del piano sono molto variabili, in funzione del prodotto sui cui si esegue l’operazione: si passa da piani con dimensioni medie di 120 cm x180 cm, a piani larghi 300 cm e lunghi anche 900 cm, per eseguire lavorazioni su pannelli in legno ad esempio.

HArDWArE

l’hardware rappresenta l’unità che coordina le operazioni della macchina e gestisce l’intero funzionamento dello strumento.

Questa parte è realizzata tramite schede e microprocessori, le cui dimensioni nel corso degli anni si sono ridotte sempre più grazie al progresso tecnologico che ha permesso di ottimizzare lo spazio di ingombro. l’hardware è sempre presente nella macchina cNc. l’immagine rappresenta lo schema di una mac-

china cNc: quanto indicato infatti può essere installato all’interno della macchina in maniera e posizioni differenti.

vetta, 1990). L’automazione invece non è in alcun modo riferita agli strumen- ti ma viene definita in relazione ai differenti ambiti in cui trova impiego, dai servizi pubblici a quelli di sicurezza, dalla gestione aziendale ai singoli processi produttivi. Per questo motivo l’automazione impiega differenti strumenti: ciò è evidente soprattutto osservando le filiere produttive in cui l’automazione ha contribuito a ridefinire il processo, dalle fasi di lavoro come il trasporto del materiale o la sua lavorazione, fino al grado di intervento dell’essere umano, coinvolto in maniera sempre più indiretta nella lavorazione materiale.

Nel settore produttivo l’automazione si diffonde attraverso lo sviluppo di macchine transfer e macchine a controllo numerico (CNC Computer Numerical

Control), come progresso tecnologico delle macchine utensili già in uso. I primi

modelli di macchine transfer sono organizzati lungo una linea di produzione e lavorano su prodotti che si spostano autonomamente: si tratta di un siste- ma applicato soprattutto a linee di produzione in serie che realizzano numeri molto alti di prodotti. Grazie all’integrazione con l’informatica, e soprattutto con l’impiego della sensoristica, si sviluppano nuove forme di automazione e vengono realizzate le prime macchine CNC: sono le “macchine a programma controllato, [cioè] macchine fornite di intelligenza sufficiente per leggere una serie di istruzioni […] e per tradurre queste istruzioni in azione, in un tempo assai minore di quello che occorre a un operaio per leggere un diagramma cia- nografato e per controllare l’esattezza delle operazioni compiute” (Lilley, 1957). Successivamente, vengono installati i primi hardware e le macchine18 _divengo- no capaci di elaborare azioni in funzione dei feedback che i sensori acquisiscono: in questo caso la flessibilità e la programmabilità della lavorazione riguardano la macchina stessa e non solo la sua posizione all’interno della linea di produzione.

A partire dagli anni Sessanta viene adottata nelle di produzione anche la ro- botica, in particolar modo il braccio robotico, una tipologia di strumento mol- to flessibile adatto a svolgere un’ampia varietà di lavorazioni. Il primo robot utilizzato nella produzione industriale è stato progettato dalla Unimation Inc e installato nel 1961 nell’impianto della General Motors (fig. 03) per esegui- re operazioni di pressofusione del metallo, operazioni pericolose per la salute dell’uomo19 _{(Isidori, 1986). In seguito vengono sviluppati numerosi robot, sem-} pre sottoforma di bracci antropomorfi, in grado di svolgere lavorazioni prece- dentemente affidate dall’uomo, specialmente nel campo automobilistico, settore già fortemente segnato da sistemi di automazione20_.

L’impiego della robotica nell’industria ha tratto origine dalle figure introdot- te e diffuse nell’immaginario comune attraverso la letteratura. Lo stesso termine “robot” conosce una prima ampia diffusione a partire dalla stampa de I robot

universali di Rossum21_{, una commedia fantascientifica del 1920 firmata da Karel} Čapek (1890-1938) in cui i robot sono organismi simili agli uomini e sono geneticamente modificati per svolgere le attività lavorative più pesanti: il loro nome deriva dalla parola ceca robota, che significa lavoro forzato22_{. Un impor-} tante contributo allo sviluppo e alla diffusione del robot, inteso come macchina artificiale realizzato in somiglianza dell’uomo, va riconosciuto al biochimico e scrittore Isaac Asimov (1920-1992), autore di numerosi racconti fantascienti- fici, ma noto soprattutto per la raccolta Io, robot23_{, che contiene nove racconti} ambientati nel 2050: il file rouge di tutti i racconti è la “robopsicologa” Susan Calvin, esperta dei “comportamenti” dei robot che sembrano dominati da tratti caratteriali umani. Asimov associa al robot una figura umanoide con una forte connotazione metallica, per esaltare maggiormente il carattere di macchina in-

03. unimate è il primo robot industriale, uti- lizzato dalla General motors nello stabilimen- to di Ewing Township (New Jersey), nel 1961. unimate esegue operazioni di pressofusione all’interno della catena di montaggio e salda le parti lavorate sui corpi delle autovetture. Nel 1969 viene General motors realizza la prima catena di assemblaggio completa- mente automatizzata (in foto). international Federation of robotics

il braccio robotico funziona come un brac- cio umano, composto da arti tra loro colle- gati; in funzione della tipologia dei giunti, le parti del braccio possono compiere dif- ferenti tipologie di rotazione, la cui combi- nazione consente di eseguire movimenti più o meno complessi.

il braccio robotico è conosciuto anche come manipolatore, proprio per la sua morfologia antropomorfa. È costituto da segmenti rigidi, detti link o bracci, e da giunti rotatori o di traslazione, attivati da un motore, posto generalmente nella zona del corpo e del basamento.

i gradi di libertà di un braccio robotico sono definiti con l’acronimo DOF (Degree of Freedom) e dipendono dal numero e dalla tipologia di giunti tra i vari segmen- ti. Il giunto è il punto in cui le superfici dei

due segmenti collegati si muovono l’una sull’altra e restano in contatto, con movi- menti che possono essere di tipo rotatorio, planare, cilindrico, prismatico, sferico. il manipolatore è dotato di: attuatori che permettono il movimento delle parti, in genere elettrici o idraulici; interfaccia utente-macchina; sensori per misurare la posizione del braccio robotico e dell’end effector nello spazio di lavoro. lo spazio di lavoro di un braccio robotico è proporzio- nato alla dimensione dei segmenti e alla tipologia di giunti (si distinguono più pre- cisamente lo spazio raggiungibile, e il suo sottoinsime, lo spazio destro o di destrez- za). Nello spazio di lavoro il punto 0 è rap- presentato dalla posizione del basamento. il BrAccio roBotico

il braccio robotico può essere impiegato in differenti ambiti, grazie alla variabilità della struttura e delle dimensioni, che permettono quindi di utilizzare questo strumento in grandi impianti industriali o in laboratori dagli spazi ridotti. ciò che caratterizza un robot è la flessibilità nella movimentazione ma soprattutto nel tipo di utensili che può impiegare. il braccio robotico a differenza di una macchina cNc, può essere utilizzato per manifat- tura sottrattiva e anche additiva: in base all’utensile installato, il braccio infatti può eseguire lavorazioni per sottrarre materiale (come la fresatura di legno) o per depositare materiale (come il rilascio di calcestruzzo).

BASAmENTO

costituisce il punto di collegamento e il punto più pesante per controbilanciare i movimenti del braccio robotico: può essere collegato a una base fissa, quindi bullonato su un piano, oppure su una base mobile, ad esempio con ruote o cingoli. Generalmente in quest’ultima categoria rientrano bracci robotici per eseguire operazioni su componenti e che non richiedono di muovere pezzi pesanti che possano controbilanciare il braccio .

il basamento costituisce il punto 0, ovvero il punto di riferimento per le coordinate dei movimenti del braccio.

cOrPO

È il segmento collegato al basamento: generalmente queste due parti sono collegate da un giunto rotatorio, il cui movimento è definito “rotazione della spalla”.

SPAllA

È il giunto rotoidale tra il corpo e il braccio, il cui movimento è definito “elevazione della spalla”. È il giunto con dimensioni maggiori, poiché deve supportare il peso dell’intero braccio robotico.

BrAcciO

costituisce il segmento rigido dell’intero sistema: alle estremità di ciascun braccio è posto un giunto, generalmente di tipo rotatorio, planare o prismatico.

GOmiTO

È il giunto rotoidale tra i due bracci, o tra il braccio e l’avambraccio, il cui movimento è definitivo come “estensione del gomito”

AVAmBrAcciO O SEcONDO BrAcciO costituisce il secondo segmento rigido del sistema del braccio robotico. il numero di elementi rigidi può essere superiore a due, in funzione dell’applicazione e della lavorazione che il braccio robotico deve eseguire.

END EFFEcTOr

costituisce l’estremità libera del braccio robotico, il punto di contatto con il prodotto da modellare o spostare. l’end effector rappresenta l’utensile installato, che può variare a seconda

POlSO

È il giunto più articolato del braccio robotico che collega il braccio con l’end effector. Questo giunto infatti consente tre specifici movimenti rispetto l’asse dell’end effector: il beccheggio la rotazione attorno al suo asse trasversale, l’imbardata la rotazione attorno al suo asse verticale, e il rollio la rotazione longitudinale.

l’immagine rappresenta il funzionamento di un braccio robotico e delle sue parti.

tesa come assemblaggio di parti meccaniche. Asimov attraverso i suoi racconti ha fatto della robotica una vera e propria disciplina, un’insieme cioè di norme che definiscono i metodi attraverso cui progettare e riconoscere i robot come strumenti in grado di eseguire e riprodurre lavori manuali.I suoi racconti sono conosciuti anche per aver introdotto le Tre leggi della robotica24_{, alle quali si fa} spesso riferimento nella progettazione dei robot intesi come macchine autono- me e intelligenti: tuttavia la robotica non deve essere confusa con l’intelligenza poiché questa è un valore aggiunto e non un carattere proprio della robotica.

Se i racconti e le leggi di Asimov si riferiscono al comportamento e all’inte- razione di robot intelligenti nei confronti degli uomini, va ricordato che i robot non corrispondono tutti a queste caratteristiche, ma sono prima di tutto strumen- ti, progettati per svolgere il lavoro dell’uomo o collaborare con esso, specialmente in quelle attività che vengono riconosciute come pericolose o faticose.