VALIDAZIONE SPERIMENTALE

La validazione sperimentale della cella ha riguardato, in una prima fase di lavoro, la configurazione A del prototipo, ed è stata realizzata attraverso la lavorazione del componente descritto nel seguito. Infatti, al fine di validare l’approccio proposto, si è definito il processo di lavorazione di un componente rappresentativo dell’attuale contesto industriale, da da confrontare rispetto all’approccio di lavorazione tradizionale impiegando una macchina CNC a 5 assi.

Il componente scelto, mostrato in Figura 9, è una pinza freno di dimensioni di 290mm x 155mm x 80mm e viene realizzato con una lega di alluminio AlSi7Mg0.5. La massa è di circa 2.7Kg.

Figura 8. Meccanismo HDCM sviluppato dal Fraunhofer IPA di Stoccarda

Figura 9. Pinza freno scelta per la definizione del ciclo di lavoro dimostrativo.

Dal punto di vista della precisione i requisiti dimensionali e geometrici sono i seguenti:

 ISO 2768 - f per le tolleranze dimensionali

 ISO 2768 - H per le tolleranze geometriche

La pinza freno è ottenuta da lavorazioni successive a partire da un semilavorato in alluminio pressofuso. Il ciclo di lavorazione di riferimento prevede 15 differenti lavorazioni fondamentali, quali foratura, fresatura, spianatura e smussatura, disposte sui diversi lati del componente.

In Figura 10 è riportato il dettaglio del cartellino di lavorazione con la tipologia e la sequenza delle lavorazioni proposte.

Al fine di avere un approccio rigoroso nella valutazione dei risultati ottenuti, le lavorazioni sono definite rispetto a elementi geometrici di riferimento univoci, Datum A, B e C, utilizzati anche per il successivo controllo dimensionale.

L’esecuzione del ciclo di lavorazione è preceduta da una campagna sperimentale volta alla identificazione dei parametri di taglio ottimali. In particolare, le operazioni di fresatura frontale sono state eseguite con una velocità di rotazione del mandrino di 7100rpm e un avanzamento di 5mm/s. La profondità di passata è variata da un massimo di 1 mm per finire a 0.25mm nelle ultime passate.

Nelle operazioni di finitura la velocità del mandrino è stata incrementata a 9000rpm. Le operazioni di foratura sono state eseguite con un avanzamento di 5mm/s e a 6000rpm. Infine, nelle operazioni di smussatura le velocità sono state incrementate: 16000rpm per il mandrino e 15mm/s per quanto riguarda l’avanzamento.

Figura 10. Lavorazioni previste sulla pinza freno.

4. RISULTATI

I percorsi robot per le operazioni di fresatura sono stati creati e simulati nel plug-in PSIR, Figura 11.

Al fine di migliorare la precisione di lavorazione sono state adottate le specifiche funzioni CAM offerte dalla soluzione PSIR, dipendenti dalla configurazione assunta dai giunti del robot, in particolare:

 Impostazione una bassa priorità per l'asse/i che presentano elevati valori di gioco

 Definizione di differenti strategie di avvicinamento per l’utensile / parte,

 Minimizzazione dell’inversione dei giunti del robot.

Figura 12 mostra due possibili approcci adottabili per minimizzare gli urti legati all’ingresso dell’utensile sul pezzo.

Figura 13 mostra la pinza freno al termine della lavorazione ottenuta con la cella in configurazione A.

Figura 11. Simulazione dei percorsi robot con PSIR

Figura12. Esempio di ottimizzazione delle strategia di avvicinamento al percorso.

Figura 13. Componente realizzato con la configurazione A

Rispettando i requisiti dimensionali definiti dalla norma ISO 2768 – f/H e considerando i Datum impiegati durante l’esecuzione delle operazioni di lavorazione, è stato individuato un campione rappresentativo di feature necessario a valutare distanze, planarità, perpendicolarità e parallelismo.

Figura 14 riassume le tolleranze misurate rispetto alle feature individuate. Nella tabella, a fianco di ogni caratteristica dimensionale e geometrica sono riportati i valori numerici nominali definiti dalla normativa e i valori misurati con una macchina a misura di coordinate, DEA Global Status equipaggiata con una testa Renishaw PH10M.

I risultati della tabella mostrano una buona capacità della configurazione A di produrre feature che siano geometricamente in tolleranza. Al contrario le dimensioni, legate alla precisione di posizionamento del robot, risultano fuori tolleranza.

5. CONCLUSIONI

Dalle sperimentazioni eseguite è possibile osservare come il solo impiego della configurazione A mostra un evidentemente miglioramento della precisione rispetto all’impiego di robot tradizionali. Infatti, l’approccio CAM proposto, integrato con alcuni strumenti specifici sviluppati nell’ambito del progetto COMET, consente un controllo completo delle strategie di lavorazione, dei percorsi e il controllo del comportamento del robot, elementi già sufficienti a mostrare un netto miglioramento delle prestazioni dei sistemi robotizzati impiegati per l’esecuzione di lavorazioni meccaniche.

In termini di processo, nell’ipotesi di lotti di ridotte dimensioni ad elevata variabilità, il costo della lavorazione robotizzata con la configurazione A è, inoltre, mediamente più basso di quello per la lavorazione con CNC, soprattutto a causa della riduzione del tempo di interazione operatore-pezzo durante le fasi di riposizionamento dei pezzi, necessari quando si lavori su più lati. In Configurazione A, l’operatore si limita alla disposizione dei pezzi grezzi su pallet mentre il robot procede a svolgere autonomamente tutte le operazioni successive, fino al controllo ed al rilascio dei pezzi finiti.

In termini di equipaggiamento, il costo di un robot dotato di un mandrino è inferiore rispetto a quello di una macchina utensile CNC a 5 assi. Considerando tutti i costi dovuti all’automazione di base del ciclo di lavoro, ad esempio il sistema di visione, riposizionamento delle parti, magazzino pinze, sistema di lubrificazione e sistema di calibrazione, il divario economico tra una soluzione robotizzata e una soluzione CNC è ridotta.

Figura 14. Tolleranze geometriche e dimensionali

Il principale vantaggio per la soluzione COMET consiste nel costo “processo per parte”, che considera non solo l'investimento ma anche la produttività del sistema. La configurazione A dimostra come il costo relativo all’introduzione delle tecnologie abilitanti PSIR e KDMIR sia facilmente giustificato da un punto di vista industriale. L’integrazione industriale di ATIR e HDCM, invece, richiede una successiva valutazione da svolgersi in base al rapporto tra la precisione desiderata e il costo della strumentazione.

In conclusione, sulla base dei risultati ottenuti è possibile affermare come l’integrazione delle tecnologie nella cella robotizzata permetta di impiegare i robot in lavorazioni robotizzate ad elevata precisione. Nelle prime due configurazioni di cella descritte, in particolare, l’incremento delle prestazioni avviene senza aumentare sostanzialmente l’investimento iniziale per l’installazione del robot e quindi diventa appetibile anche per PMI.

Le prove realizzate sul prototipo in congiurazione A dimostrano effettivi vantaggi già ad un primo livello di integrazione delle tecnologie COMET. Ulteriori prove relative alle successive configurazioni sono in corso di realizzazione.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano gli ingg. Luciano e Davide Passoni e Lino Ferrari di SIR S.p.A. per il supporto alle attività e ricordano la ricerca è stata finanziato dalla Comunità Europea all’interno del European Economic Recovery Plan (EERP) e della misura Public-Private Partnerships (PPP) nel settore Factories of the Future (FoF).