Progetto meccanico di un nuovo sistema per movimentazione articoli con cambio di velocità: Il caso Diatec

Università di Pisa

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE ED INDUSTRIALE Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Tesi di Laurea Magistrale

Progetto di un sistema innovativo

per il ricollocamento con cambio di passo

di lamine sottili di materiale plastico

Relatori:

Prof. Marco Beghini Dipartimento di Ingegneria Civile ed Industriale Ing. Piero Silvestri Diatec s.r.l. Candidato: Mario Marini Sessione di Laurea 1 Ottobre 2014 Anno Accademico 2013/2014

Indice

Elenco delle gure iv

Sommario vii

Abstract viii

Ringraziamenti ix

Introduzione 1

I La problematica del repitching 3

1 Sistema repitching 4

1.1 La produzione di pannolini e assorbenti igienici . . . 4

1.2 La struttura 'a strati' di pannolini ed assorbenti igienici . . . 5

1.3 L'operazione di repitching . . . 6

1.4 Come si realizza il repitching . . . 7

2 Esempi di sistema repitching 10

2.1 Brevetto US 4,880,102 . . . 11 2.2 Brevetto US 4,726,876 . . . 13 2.3 Brevetto EP 2 612 632 A1 . . . 14 3 La soluzione attuale 17 3.1 Principio di funzionamento . . . 18 3.1.1 Variazione di velocità . . . 19

Indice

3.1.2 Sistema vacuum . . . 21

3.2 Limiti della soluzione attuale . . . 23

II Proposta di miglioramento 24 4 Soluzione alternativa 25 4.1 Un sistema che semplichi il set-up . . . 25

4.2 La soluzione individuata . . . 26

4.3 Dierenze costruttive rispetto alla soluzione attuale . . . 27

5 Brevetto US 7,650,984 B2 28 5.1 Principio di funzionamento . . . 28

5.2 Rivendicazioni . . . 30

6 Denire una specica tecnica 32 6.1 Specica tecnica . . . 32

6.1.1 Generalità . . . 33

6.1.2 Prestazioni . . . 33

6.1.3 Dimensioni . . . 33

6.1.4 Assemblaggio e smontaggio . . . 34

6.1.5 Interfaccia con la macchina . . . 34

6.1.6 Condizioni ambientali . . . 34

6.1.7 Vincoli sui particolari meccanici . . . 34

6.1.8 Vincoli economici . . . 35

6.2 Considerazioni sulla specica . . . 35

III La nuova soluzione 36 7 Principio di funzionamento 37 7.1 Rappresentazione manuale . . . 37

7.2 Considerazioni e primi confronti con i sistemi in commercio . 40 8 Modellazione 2D 42 8.1 L'albero . . . 42

8.2 Il montaggio dei rotori . . . 44

8.3 I collettori . . . 48 8.4 Il gruppo di alimentazione . . . 50 8.5 Il collegamento manicotto-gripper . . . 52 9 Modellazione 3D 56 9.1 L'albero . . . 58 9.2 I rotori . . . 59 9.3 Il gruppo collettore . . . 60

Indice

9.4 I manicotti . . . 63 9.5 Il gripper . . . 65 9.6 I bracci . . . 67 9.7 Complessivo . . . 68 10 Veriche preliminari 71 10.1 Resistenza a fatica dell'albero . . . 71

10.2 Serraggio del collettore . . . 73

10.3 Resistenza dei collegamenti lettati . . . 74

10.4 Potenza necessaria all'alimentazione . . . 74

11 Risultati e sviluppi futuri 75

Appendici 78 A Brevetto US 4,880,102 78 B Brevetto US 4,726,876 88 C Brevetto EP 2 612 632 A1 102 D Brevetto US 7,650,984 B2 124 Bibliograa 135

Elenco delle gure

1 Logo dell'azienda . . . 1

2 Ingresso lato uci della Diatec s.r.l. . . 2

1.1 Parte di una macchina per produzione di pannolini/assorbenti

igienici. . . 5

1.2 Schematizzazione di un pannolino. . . 5

1.3 Schematizzazione dell'operazione di repitching. . . 6

1.4 Parte terminale del gripper vacuum per movimentazione articoli. 7 1.5 Schematizzazione di aspirazione articolo eettuata con

velo-cità maggiore di quella a cui gli articoli si muovono. . . 9

1.6 Schematizzazione di rilascio articolo eettuato con velocità

minore di quella a cui si muove il nastro continuo. . . 9

2.1 Schema di funzionamento del brevetto US 4,880,102. . . 11 2.2 Particolare interno del brevetto US 4,880,102: viene mostrato

il sistema biella-manovella solidale ad una traiettoria circolare decentrata. . . 12 2.3 Schematizzazione del funzionamento del brevetto US 4,726,876. 13 2.4 Particolare della struttura cava con cui sono realizzati i

grip-per nella soluzione del brevetto US 4,726,876. . . 14 2.5 Schema di funzionamento del brevetto EP 2 612 632 A1. . . . 15 2.6 Esempio di camma utilizzata per la variazione di velocità

nei sistemi con funzionamento simile a quello del brevetto EP 2 612 632 A1. . . 15 3.1 Rappresentazione schematica del sistema repitch utilizzato in

Elenco delle gure

3.2 Modello 3D del carrellino e della guida cui è vincolato. . . 19

3.3 Schematizzazione di un braccio utilizzato per l'alimentazione dei gripper. . . 20

3.4 Simulazione del sistema repitch realizzata con SolidWorks®_{. . 20}

3.5 Andamento della velocità periferica dei gripper in funzione del tempo: intervallo corrispondente a 2 giri competi. . . 21

3.6 Andamento ideale della velocità periferica dei gripper in fun-zione della coordinata angolare percorsa nell'arco di 2 giri completi. . . 22

3.7 Esempio di collettore. . . 22

4.1 Andamento della velocità di rotazione dei motori in funzio-ne del tempo, funzio-nel caso di 4 gripper alimentati in maniera indipendente. . . 27

5.1 Vista isometrica del sistema brevettato US 7,650,984 B2. . . . 29

5.2 Vista sezionata del sistema brevettato US 7,650,984 B2. . . . 29

7.1 Schema di funzionamento del meccanismo ideato. . . 38

7.2 Schema del sistema di alimentazione. . . 39

8.1 Schematizzazione dell'albero come trave. . . 43

8.2 Esempio di montaggio con cuscinetti radiali. . . 45

8.3 Particolare dell'assieme provvisorio con cuscinetti radiali. . . 45

8.4 Cuscinetto obliquo ad una corona di sfere. . . 46

8.5 Particolare dell'assieme provvisorio con cuscinetti obliqui. . . 46

8.6 Cuscinetto a doppia corona di sfere. . . 47

8.7 Particolare dell'assieme provvisorio con cuscinetti a doppia corona. . . 47

8.8 Parziale del complessivo provvisorio con montaggio dei cusci-netti scelti e congurazione dei collettori. . . 49

8.9 Prima alternativa di gruppo alimentazione. . . 51

8.10 Seconda alternativa di gruppo alimentazione. . . 51

8.11 Gruppo alimentazione denitivo. . . 52

8.12 Assieme temporaneo con proposta di applicazione di un ap-poggio per i gripper. . . 53

8.13 Modello 3D del complessivo carrellino-guida. . . 53

8.14 Proposta nale della progettazione 2D. . . 55

9.1 Interfaccia principale di Solid Edge® _{v11. . . 57}

9.2 Modello 3D dell'albero. . . 58

9.3 Particolare in trasparenza del modello 3D dell'albero. . . 59

9.4 Modello 3D del rotore. . . 59

Elenco delle gure

9.6 Modelli 3D in trasparenza delle due metà che compongono il collettore. . . 61 9.7 Modello 3D del gruppo collettore. . . 62 9.8 Modello 3D dell'assieme parziale a ne montaggio del gruppo

rotori. . . 62 9.9 Modelli 3D dei manicotti. . . 63 9.10 Modello 3D della ruota dentata da calettare sul manicotto

interno. . . 64 9.11 Modello 3D dell'assieme parziale a ne montaggio dei gruppi

alimentazione. . . 64 9.12 Modelli 3D in trasparenza degli attacchi porta-gripper. . . 65 9.13 Modelli 3D in trasparenza della parte terminale del gripper. . 66 9.14 Modelli 3D dei gripper assemblati e pronti da montare sui rotori. 67 9.15 Modelli 3D in trasparenza dei bracci. . . 68 9.16 Modello 3D dell'assieme completo di tutte le sue parti. . . 69 9.17 Modello 2D dell'assieme completo di tutte le sue parti. . . 70 10.1 Diagramma delle caratteristiche di sollecitazione per il

parti-colare albero. . . 72 10.2 Sezioni corrispondenti ai punti critici A e B, con indicazione

dei momenti di inerzia Jx e delle superci S. . . 72

Sommario

Il lavoro di tesi consiste nella progettazione preliminare di un nuovo sistema repitch, meccanismo di cui si servono macchinari automatici dedicati alla produzione di pannolini ed assorbenti igienici. L'esperienza di tirocinio ma-turata all'interno dell'azienda Diatec s.r.l., che si occupa della progettazione e realizzazione di questo tipo di macchine, ha evidenziato le problematiche relative al funzionamento del sistema da loro attualmente utilizzato ed ha fornito lo spunto per la risoluzione di queste tramite la progettazione di un nuovo sistema.

La tesi è divisa in 3 parti: la prima riporta il lavoro di studio ed appro-fondimento del repitching e dell'ambito entro cui è inserito, una descrizione sintetica di alcuni brevetti inerenti il tema, utile ad una migliore compren-sione della problematica, e del principio di funzionamento della soluzione utilizzata in azienda, evidenziandone i particolari da migliorare; la seconda parte analizza le proposte avanzate dall'azienda per risolvere le problemati-che individuate, confrontate in seguito con le rivendicazioni di un brevetto che si basa su principi simili, al ne di redigere una specica tecnica prelimi-nare che elenca le richieste e i limiti cui il progetto ha fatto fronte, evitando la violazione dei cosiddetti claims; la terza ed ultima parte è incentrata sul lavoro di progettazione svolto, teso in primo luogo alla ricerca di una solu-zione che soddis la specica tecnica, per poi passare alla messa in tavola di

un complessivo tramite software AutoCAD®_{, di cui sono stati inne creati}

i modelli 3D, con il software utilizzato in azienda Solid Edge® _{v11, di tutti}

i particolari e dell'assieme.

I risultati di questo progetto di tesi costituiscono la base per la denizione del progetto esecutivo del nuovo sistema repitch ideato.

Abstract

The thesis work consists in the preliminary project of a new repitch system, mechanism used by automatic machines dedicated to production of diapers and sanitary napkins. The internship experience gained within the company Diatec s.r.l., which deals with the design and realization of this type of machines, highlighted the problems relating to the system they are currently using and has provided the inspiration for the resolution of these problems through the design of a new system.

The thesis is divided into 3 parts: the rst shows the study and investiga-tion about repitching and the scope within which it is inserted, a descripinvestiga-tion summary of certain patents related to the theme, useful for a better un-derstanding of the problem, and the principle of operation of the solution used by the company, highlighting the details to be improved; the second part analyzes the proposals made by the company to resolve problems iden-tied, compared later with the claims of a patent that is based on similar principles, to prepare a preliminary technical specication which lists the requirements and limitations to which the project has faced, avoiding the violation of the claims; the third and nal part focuses on the design work done, stretched in the rst place in search of a solution which would fulll the technical specication, then move on to drafting of an overall using the

software AutoCAD®_{, which was nally devolped in 3D models, with the}

software used in the company Solid Edge® _{v11, of all details and assembly.}

The results of this thesis project forms the basis for the denition of the nal design for the new repitch system devised.

Ringraziamenti

Un ringraziamento doveroso all'Ing.Mancini e all'Ing.Villari, che mi hanno oerto la possibilità di tirocinio nella loro azienda.

Un sentito grazie all'Ing.Silvestri, che con grande pazienza e disponibilità mi ha seguito, rendendo possibile il raggiungimento dei risultati sperati.

Grazie a mio padre Alfonso e mia madre Antonietta: questa laurea è un regalo che loro mi hanno fatto, frutto di sacrici che non potrò mai ripagare abbastanza.

Grazie a mia sorella Francesca e mio fratello Roberto, che in tanti anni di lontananza ho sempre sentito vicini.

Grazie ai miei amici di sempre, su tutti a Fabio e Yllka: per lunghi periodi il tempo trascorso insieme è stato davvero poco, ma è bello sapere che quando si sta di nuovo insieme nulla è cambiato.

Grazie ai miei compagni di corso, in particolare Fabio, Francesco e Marco: da buoni amici mi hanno sempre aiutato, non solo nello studio.

Grazie alla famiglia di Elena, su cui ho sempre potuto fare adamento in questi anni di studio.

Grazie a Manuela e Sabrina: nel loro locale mi hanno sempre fatto sentire come a casa.

Inne grazie ad Elena. . . sono sincero quando dico che senza di lei al mio anco probabilmente non sarebbe andata così.

Introduzione

L'argomento di questa tesi è stato sviluppato in seguito all'esperienza matu-rata durante un tirocinio formativo. L'azienda presso cui è stata svolta tale attività è la Diatec s.r.l., società abruzzese operante nel settore dei prodotti sanitari a consumo, quali assorbenti igienici, pannolini e vari, prodotti per i quali la regione Abruzzo rappresenta un bacino di importanza mondiale.

Figura 1: Logo dell'azienda

Lo sviluppo di tale settore vede la sua origine negli anni 50, quando la famiglia Angelini fondò la Fater s.p.a., società che si occupa della fabbrica-zione di tali prodotti, il cui sviluppo nel tempo l'ha portata ad importanti collaborazioni di fornitura nei confronti di aziende multinazionali del cali-bro della Lines e della Procter&Gamble; la crescita della Fater ha trascinato quella del settore industriale abruzzese, che ha visto inanzitutto la nasci-ta di realtà dedicate alla progetnasci-tazione di macchinari per conto della stessa Fater, come la fondazione nel 1975 dell'attuale Fameccanica.Data s.p.a. lea-der mondiale di settore nel 2001, e poi l'aermazione di realtà concorrenti, come appunto Diatec che ha esportato il know-how italiano all'estero, ed altre dedicate alla fornitura di quest'ultime.

Il campo di applicazione di queste aziende è caratterizzato da una do-manda di prodotti niti sempre molto elevata, che non risente del momento

Introduzione

Figura 2: Ingresso lato uci della Diatec s.r.l.

di essione che molti settori, come ad esempio quello automotive, stanno ac-cusando: al contrario arrivano richieste sempre più numerose e acquisizione di nuovi clienti dai paesi con un mercato emergente, soprattutto quelli del continente africano, i quali rappresentano una nuova e potenzialmente molto procua fonte di lavoro.

Le elevate prestazioni e l'alto livello di adabilità che sono richiesti a que-sti macchinari fanno sì che essi rappresentino oggetti molto avanzati sotto diversi aspetti tecnologici, da quello dei materiali utilizzati e dei trattamenti su di essi eettuati, a quello dei sistemi di controllo elettronici, no ad ar-rivare a quello dei sistemi meccanici impiegati; unitamente a ciò, l'elevata tecnologia che viene messa a disposizione del cliente con questi macchinari deve essere abbinata a facilità di manutenzione e riduzione della frequen-za di intervento, dato che le realtà in cui queste macchine operano possono non essere contraddistinte da un elevato livello tecnico degli operatori che solitamente si occupano degli interventi manutentivi.

La forte concorrenza che le aziende si sono trovate ad arontare, e tuttora arontano, ha portato alla continua ricerca di nuove soluzioni e al brevetto di diversi metodi e sistemi, atti ad implementare nuove tecnologie ed aumentare adabilità e prestazioni.

Proprio nello sviluppo di nuove soluzioni, trova collocazione l'argomen-to di questa tesi, il cui oggetl'argomen-to di studio è il cosiddetl'argomen-to sistema repitching, meccanismo che verrà descritto nel seguito: esso rappresenta un punto cri-tico per l'incremento di prestazioni di questi macchinari e in quanto tale è argomento di diversi brevetti e studi da parte delle aziende del settore.

Parte I

1

Sistema repitching

La necessità del repitching trova origine in diversi ambiti industriali, come la produzione di sigarette, il packaging, la fabbricazione di prodotti sanitari. . .

Il termine trae origine dall'inglese pitch, ovvero passo: il repitching è infatti la generica operazione, compiuta in maniera automatica da un mac-chinario, volta a prelevare oggetti in movimento e distaccati di un passo costante l, ricollocandoli in una sequenza a passo L dierente, il che, come vedremo nel seguito, comporta anche una dierenza di velocità.

Il lavoro di tesi è incentrato sulla problematica del repitching applicata alla fabbricazione di pannolini e assorbenti igienici; molti dei concetti che verranno esposti possono tuttavia considerarsi applicabili ad altre categorie di prodotti e processi.

1.1 La produzione di pannolini e assorbenti igienici

I macchinari utilizzati per la produzione di pannolini ed assorbenti igieni-ci, di cui un'immagine è riportata in gura 1.1 nella pagina seguente, sono completamente automatizzati: al loro interno viene realizzato l'intero pro-cesso di fabbricazione, dalla formazione dell'impasto per la materia prima, all'impacchettamento dei prodotti niti.

Il macchinario lavora vari nastri di diverso materiale, alimentati da bo-bine motorizzate poste nei pressi della macchina: tramite un sistema di rulli, ogni nastro viene rinviato al proprio percorso, lungo il quale subisce la relativa lavorazione, tra le quali:

1. Sistema repitching

ˆ incisione di ricami o disegni

ˆ taglio

ˆ saldatura ad ultrasuoni ˆ ecc. . .

La ne del percorso di lavorazione di ogni nastro prevede l'assemblaggio alla struttura base del prodotto, che via via si compone di ogni parte so-vrapponendo uno strato all'altro; l'operazione nale vede il prodotto nito arrivare sotto forma di nastro continuo, al quale applica un taglio a misura per discretizzare gli articoli e permetterne l'impacchettamento.

Figura 1.1:

Parte di una macchina per produzione di pannolini/assorbenti igienici.

1.2 La struttura 'a strati' di pannolini ed assorbenti

igienici

Figura 1.2: Schematizza-zione di un pannolino.

Pannolini ed assorbenti igienici sono quindi og-getti caratterizzati da una struttura a strati sot-tili di materiale plastico sovrapposti l'uno sull'al-tro; alcuni di questi strati non ricoprono l'intera supercie del prodotto, ma costituiscono inser-ti posinser-ti sulla struttura base, come ad esempio la parte assorbente centrale oppure le linguet-te adesive necessarie nell'utilizzo quotidiano; co-me si può vedere dallo schema riportato in gu-ra 1.2, tali inserti sono cagu-ratterizzati da larghezza e lunghezza diverse, oltre che, solitamente, anche materiale diverso.

Ad ognuno di questi corrisponde una bobina che fornisce un nastro di materiale continuo al macchinario, il quale compie il suo percorso di lavorazione alla ne del quale subisce un taglio, che trasforma

1. Sistema repitching

il nastro in una sequenza di lamine di uguale dimensione ed equidistanziate; queste lamine devono poi essere applicate sul corpo del prodotto.

1.3 L'operazione di repitching

Nell'applicazione di suddette striscie discrete, sorge il problema della die-renza di velocità tra i vari nastri di materiale. La cadenza produttiva del macchinario impone infatti che ad ogni periodo T corrisponda la fuoriuscita di un prodotto: ciò comporta che le varie parti che lo compongono dovranno essere fornite alla macchina con velocità corrispondente ad 1 pz/T, a sua volta ogni nastro scorrerà con una velocità direttamente proporzionale alla lunghezza del lembo che da esso sarà ricavato; per gli strati che ricoprono tutta la lunghezza L del prodotto nito si avrà dunque una velocità di alimen-tazione del rispettivo nastro equivalente a quella della struttura base L/T ; per i nastri che fanno da materia prima per gli inserti si avrà invece una velocità di alimentazione l/T, dove l rappresenta la lunghezza dell'inserto corrispondente.

Figura 1.3: Schematizzazione dell'operazione di repitching.

Con riferimento alla gura 1.3, si consideri di dover applicare una lamina di lunghezza l, su di un pannolino lungo L: da una parte, al passaggio di una quantità di nastro corrispondente alla lunghezza di un pannolino corrispon-derà una velocità v2=L/T, dall'altra, al passaggio di una quantità di nastro

pari a l corrisponderà una velocità di v1=l/T.

L'operazione attraverso la quale si realizza il prelievo dell'articolo a

ve-locità v1 e l'applicazione dello stesso sul nastro viaggiante a velocità v2>v1

prende il nome di repitching.

E' facile intuire come essa abbia un ruolo fondamentale per il corret-to funzionamencorret-to della macchina, poichè da questa dipende direttamente la qualità del prodotto nito ed inuenza la capacità produttiva: sarebbe

1. Sistema repitching

inutile infatti realizzare macchinari in grado di movimentare nastri di mate-riale continuo ad alta velocità, se poi non si ha la possibilità di inserire al suo interno un sistema repitching che sia in grado di svolgere correttamente tale operazione, problematica tutt'altro che scontata, come sarà spiegato a seguire.

1.4 Come si realizza il repitching

Il sistema repitch dovrà dunque essere in grado non solo di prelevare del materiale per poi rilasciarlo al momento opportuno, ma dovrà anche eseguire le due operazioni adeguando la propria velocità a quella del nastro con cui l'operazione si interfaccia.

Per quanto riguarda la presa e il rilascio, è prassi consolidata presso qualsiasi azienda del settore, realizzarle tramite un apposito gripper del tipo vacuum, conformato in maniera tale che la supercie di presa ricalchi la forma del lembo da movimentare; il sistema vacuum fa in modo che al momento del prelievo si realizzi una pressione subatmosferica negli appositi fori ricavati sulla supercie della parte terminale del gripper, che permette l'adesione del materiale, tale azione di risucchio viene poi interrotta al ne di realizzare il rilascio. Si veda, ad esempio la gura 1.4, la quale illustra un esempio della parte terminale di un gripper realizzato per il repitching di una coppia di lamine di forma trapezoidale.

Figura 1.4:

Parte terminale del gripper vacuum per movimentazione articoli.

Il cambio di velocità tra una operazione e l'altra si rende necessario ai ni di garantire la qualità del prodotto. Nelle gure 1.5 e 1.6 a pagina 9 vengono riportate delle schematizzazioni dell'operazione di repitching, che anticipano la spiegazione del funzionamento di alcuni sistemi già in commercio, e che

1. Sistema repitching

verranno discusse in seguito, ma si rendono necessarie ai ni di una migliore comprensione della problematica.

Con riferimento alle gure, si pensi al sistema repitch come ad un rotore posizionato tra i 2 nastri, come indicato in rosso nello schema 1.3 a pagina 6, e dotato di bracci capaci di realizzare la presa dell'inserto tramite meccani-smo vacuum, in modo da trasportarlo nei pressi del punto di rilascio, dove verrrà aspirato dal nastro su cui deve essere posizionato; la soluzione più semplice consiste nell'imporre al rotore una velocità di rotazione costante, dimensionando i bracci ad esso solidali in modo da permettere al gripper di interfacciarsi con i nastri di materiale; la regolazione della velocità peri-ferica u sarà quindi possibile variando la velocità del motore che alimenta il sistema; il numero di bracci di cui è dotato il meccanismo schematizza-to nelle gure è puramente indicativo, i sistemi reali vengono dotati di più bracci possibile, in modo da aumentare la produttività e ridurre la velocità rischiesta all'alimentazione.

La scelta della velocità periferica u ricade su due possibilità, ovvero quella

che essa sia pari alla velocità v1del nastro che subisce il taglio a lunghezza l

o che sia pari alla velocità v2 del nastro su cui vengono ricollocate le lamine;

ciò comporta che una delle due operazioni tra presa e rilascio articolo sia realizzata a velocità pari a quella del nastro, mentre l'altra a velocità minore o maggiore; ricordando che i nastri aderiscono ai rulli motorizzati grazie all'aspirazione realizzata tramite una sequenza di fori ricavati su di essi, le situazioni cui si va incontro sono le seguenti:

ˆ immaginando di realizzare il prelievo a velocità u maggiore di quel-la posseduta dai lembi discreti v1, esso porterebbe inevitabilmente ad avere una distensione del lembo in fase di prelievo, poichè la parte an-teriore già in contatto con il gripper verrebbe trascinata mentre quella posteriore tende a restare attaccata al rullo, come mostrato in gu-ra 1.5 nella pagina successiva, andando a compromettere l'integrità del materiale prima ancora del suo riposizionamento;

ˆ pensando di realizzare il rilascio a velocità u minore di quella del nastro

continuo v2, nel momento in cui il gripper si interfaccia con il nastro

veloce, l'inserto verrebbe allo stesso tempo spinto e aspirato dal na-stro su cui deve depositarsi, come riportato in gura 1.6 nella pagina seguente, un'azione che porta a posizionamenti sbagliati.

Fare in modo che la velocità periferica u si adegui alternativamente a v1e v2è

dunque fondamentale ai ni di garantire la qualità e l'integrità del prodotto; dotare un meccanismo, come quello brevemente descritto nelle gure, di un sistema di variazione della velocità rappresenta la dicoltà principale e l'aspetto più interessante nella progettazione dello stesso, quindi del lavoro di tesi svolto.

1. Sistema repitching

Figura 1.5: Schematizzazione di aspirazione articolo eettuata con velocità maggiore di quella a cui gli articoli si muovono.

Figura 1.6: Schematizzazione di rilascio articolo eettuato con velocità minore di quella a cui si muove il nastro continuo.

2

Esempi di sistema repitching

Si ritiene opportuno, a questo punto, illustrare alcuni esempi di sistema repitching, da cui si è preso spunto per lo sviluppo dell'argomento di tesi, al ne di evidenziare quelle che sono le dicoltà nella progettazione.

Tali sistemi sono brevettati e se ne riporta il documento pubblico, re-peribile online, con cui l'azienda e gli ingegneri che hanno richiesto l'ap-provazione del brevetto hanno presentato la soluzione da loro pensata ed utilizzata: in ognuno di questi documenti sono riportate, oltre che le infor-mazioni riguardo l'azienda che detiene il brevetto e gli ingegneri che hanno ideato il sistema, una introduzione alla problematica del repitching, segui-ta da una spiegazione del principio di funzionamento dell'invenzione, che si avvale dell'utilizzo di alcuni schemi semplicativi, per nire con la sezione claims, ovvero rivendicazioni.

Le rivendicazioni rappresentano il fulcro di ogni brevetto, poichè consi-stono negli aspetti e le caratteristiche che l'azienda reclama come di sua pro-prietà, protette appunto dal brevetto: in fase di progettazione di un sistema che svolga lo stesso tipo di lavoro di uno o più meccanismi già brevettati, le rivendicazioni rappresentano gli elementi o le idee non replicabili, in quanto di proprietà altrui.

Bisognerà dunque ideare e realizzare qualcosa che non violi in tal sen-so i brevetti in questione, oppure utilizzare una sen-soluzione del tutto simile pagandone i diritti per l'utilizzo.

Tra i brevetti studiati, si è scelto di citare quelli il cui funzionamento si fonda su principi simili alla soluzione utilizzata dalla Diatec, per lo meno dal punto di vista dell'alimentazione e della realizzazione del cambio di velocità;

2. Esempi di sistema repitching

per la consultazione degli altri brevetti analizzati vedere [1], [2], [7], [8], [9], [10] e [13].

2.1 Brevetto US 4,880,102

Il brevetto è di proprietà del norvegese Leidulf Indrebo ed è stato pubblicato nel Novembre del 1989.

Figura 2.1: Schema di funzionamento del brevetto US 4,880,102. Come mostrato nella gura 2.1, estrapolata dal documento uciale, il sistema sfrutta un rotore che gira a velocità costante, dotato di 10 bracci ad esso solidali per mezzo di una cerniera; i bracci, tramite appositi gripper posizionati alla loro estremità, prelevano degli elementi discreti A distanziati tra loro di una distanza a, ottenuti tramite taglio di un nastro continuo 1 da parte del rullo 3 dotato di coltelli montati sul suo diametro esterno; il prelievo è ottenuto tramite un'azione di risucchio operata da un sistema vacuum, che non viene tuttavia descritto all'interno del documento; il rilascio deve essere realizzato sugli elementi B, applicati a loro volta su di un nastro 2, in modo che la distanza sia ora pari a b > a.

Come detto in fase di descrizione dell'operazione di repitch, la velocità a cui gli elementi discreti vengono rilasciati è maggiore rispetto a quella con cui vengono prelevati: tale eetto è ottenuto in questo meccanismo tramite un sistema biella-manovella, visibile in gura 2.2 nella pagina seguente, cui ogni braccio è collegato per mezzo di un'ulteriore cerniera. La biella 9 è

2. Esempi di sistema repitching

obbligata a percorrere la traiettoria circolare 17 decentrata rispetto al centro di rotazione del meccanismo, trascinando in questo movimento il braccio e consentendo allo stesso di sommare alla sua velocità periferica costante, dovuta all'alimentazione centrale, una componente tangenziale concorde ad essa nel caso del rilascio, così da aumentare la velocità al livello del nastro 2, opposta nel caso di prelievo, in modo da rallentare il braccio ed adeguare la sua velocità a quella del nastro 1.

E' evidente come tale sequenza di accelerazione e decelerazione porta i bracci a modicare la distanza che tra di loro intercorre nell'arco di una rotazione completa.

Figura 2.2: Particolare interno del brevetto US 4,880,102: viene mostrato il sistema biella-manovella solidale ad una traiettoria circolare decentrata.

Il brevetto US 4,880,102 è dunque caratterizzato da un'unica fonte di alimentazione, verosimilmente un motore elettrico collegato in presa diretta al rotore, e il cambio di passo/velocità è ottenuto per imposizione cinematica. Come detto, il documento non riporta particolari informazioni sul si-stema previsto per il risucchio degli articoli, tuttavia è presumibile che sia ottenuto realizzando i bracci e i gripper con una struttura cava, che permetta il passaggio di aria attraverso di essi.

Per ogni approfondimento, è comunque possibile visionare il documento completo in appendice A a pagina 78.

2. Esempi di sistema repitching

2.2 Brevetto US 4,726,876

L'invenzione è stata ideata dallo statunitense James E. Tomsovic, Jr., il brevetto appartiene alla Kimberly-Clark Corporation ed è stato pubblicato nel Febbraio del 1988.

Dalla gura 2.3, estrapolata dalla pubblicazione, è possibile notare come il trasporto e l'incremento di velocità che si applicano all'articolo discreto 12, ricavato dal nastro 16 e posto sul 22, vengono realizzati in 2 step, per ognuno dei quali viene utilizzato un rotore a velocità costante dotato di 6 bracci che realizzano presa e rilascio articolo.

Figura 2.3:

Schematizzazione del funzionamento del brevetto US 4,726,876. I bracci durante il moto variano il loro raggio di rotazione per mezzo di un meccanismo telescopico, obbligato ad allungarsi e ritrarsi tramite una guida circolare decentrata rispetto al centro di rotazione dei bracci e posta internamente all'involucro che sostiene i bracci stessi. Il raggio di rotazione massimo del rotore 10 è pari al raggio minimo del rotore 20, ciò permette di avere, a parità di regime di rotazione, la stessa velocità periferica al momento del passaggio dell'articolo tra i due dispositivi.

Anche per il brevetto US 4,726,876 la presa ed il rilascio degli articoli vengono realizzate con sistema vacuum, che sfrutta la struttura cava dei gripper, mostrata in gura 2.4 nella pagina successiva, posizionati sui bracci

2. Esempi di sistema repitching

Figura 2.4: Particolare della struttura cava con cui sono realizzati i gripper nella soluzione del brevetto US 4,726,876.

per realizzare l'azione di risucchio ed interromperla nel momento del rilascio. L'invenzione di Tomsovic prevede dunque l'utilizzo di un sistema mecca-nico per l'incremento di velocità, con la possibilità di alimentare tramite due motori elettrici collegati direttamente e rotanti allo stesso regime, oppure di sfruttare un'unica fonte di alimentazione opportunamente rinviata all'uno e all'altro dispositivo.

Ogni approfondimento è rimandato alla visione del documento completo, consultabile in appendice B a pagina 88.

2.3 Brevetto EP 2 612 632 A1

Il brevetto appartiene alla Uni-Charm Corporation, è stato pubblicato nel Luglio del 2013, ideato da Miwa Iida e Osamu Ishikawa.

Nello schema, estrapolato dal documento uciale e visibile in gura 2.5 nella pagina successiva, si può osservare come anche questo brevetto si basa sull'utilizzo di un rotore alimentato a velocità costante, su cui sono applicati dei gripper con struttura cava per permettere il funzionamento del sistema vacuum: tale sistema può funzionare grazie all'apertura angolare 33, dalla quale l'aria viene aspirata, e alla 33rp, ridotta, tramite la quale si realizza un soo che facilita l'espulsione e il posizionamento dell'articolo al punto di rilascio.

I 7 gripper sono solidali al rotore per mezzo di un braccio non visibile in gura: essi subiscono una variazione di velocità tramite un sistema descritto come un 'ben noto' meccanismo di variazione della velocità, tramite camma:

2. Esempi di sistema repitching

Figura 2.5: Schema di funzionamento del brevetto EP 2 612 632 A1.

Figura 2.6: Esempio di camma utilizzata per la variazione di velocità nei sistemi con funzionamento simile a quello del brevetto EP 2 612 632 A1.

2. Esempi di sistema repitching

un piatto di spessore uniforme e forma irregolare, dotato di foro circolare coassiale all'asse di rotazione, e di una cava che guida i bracci dei gripper variando la velocità periferica similmente al brevetto US 4,880,102.

Un esempio di camma è riportato in gura 2.6 nella pagina precedente, per una descrizione più approfondita del suo funzionamento si rimanda all'a-nalisi della soluzione attualmente utilizzata dalla Diatec stessa, che sfrutta un principio di funzionamento simile a quello appena descritto e sintetizzato nella sottosezione 3.1.1 a pagina 19.

Anche la soluzione della Uni-Charm sfrutta dunque un'unica fonte di alimentazione e realizza il cambio di velocità tramite imposizione cinematica. Per ulteriori approfondimenti e delucidazioni si rimanda alla visione del documento completo riportato in appendice C a pagina 102.

3

La soluzione attuale

Per motivi di segretezza industriale, non è possibile riportare disegni tecnici del gruppo repitch utilizzato dalla Diatec, nè dei particolari che lo com-pongono; se ne può tuttavia descrivere il funzionamento attraverso delle schematizzazioni. Come già detto, inoltre, esso è simile per principio e mo-dalità di alimentazione ai sistemi citati in precedenza, in particolare al bre-vetto EP 2 612 632 A1 (vedi sezione 2.3 a pagina 14), pur ovviamente non violandone i reclami.

Lo studio della soluzione utilizzata in azienda si è reso necessario ai -ni di comprendere al meglio le problematiche fondamentali che riguardano la messa in opera di un sistema repitch: grazie ai disegni esecutivi messi a disposizione dall'azienda e all'osservazione delle fasi di collaudo, assem-blaggio e prove di funzionamento, è stato possibile analizzare la dinamica del repitch, cogliere le dicoltà che si celano dietro la realizzazione di un sistema perfettamente funzionante e che abbracciano le varie fasi della sua esistenza, dalla denizione della problematica che il meccanismo è chiamato a sopperire alla redazione della speca tecnica, dal montaggio in macchina alla manutenzione.

Grazie a tale lavoro di studio preliminare si è potuto comprendere, inoltre, i presupposti che stanno alla base di questa tesi, ovvero i motivi che spingono la Diatec alla ricerca di una nuova soluzione che svincoli dai problemi e dai difetti che l'attuale gruppo repitch presenta e che verranno evidenziati in questo capitolo.

3. La soluzione attuale

Figura 3.1:

Rappresentazione schematica del sistema repitch utilizzato in azienda.

3.1 Principio di funzionamento

Prendendo a riferimento la gura 3.1, si può vedere come il meccanismo sia composto da un albero sso (rappresentato in nero) che permette il mon-taggio in macchina e fa da telaio per tutti i particolari, tra cui una guida circolare (color rosso) con asse coincidente a quello dell'albero, sulla quale scorrono con basso attrito dei carrelli (color verde chiaro): guida circolare e carrelli sono prodotti commerciali e possono essere osservati in gura 3.2 nella pagina successiva.

Su ognuno di questi carrelli viene montato, tramite delle viti passanti negli appositi fori su di essi ricavati, una staa solidale alla parte terminale di un gripper vacuum e di cui un esempio è riportato in gura 1.4 a pagina 7: que-st'ultimi sono così vincolati a percorrere una traiettoria circolare, in modo tale che i punti estremi della loro supercie esterna, su cui si realizza la presa ed il rilascio delle lamine, descrivano una circonferenza tangente ai punti di presa e rilascio, che sono diametralmente opposti come mostrato in gura 1.3 a pagina 6.

Il moto circolare dei gripper è permesso dal collegamento ad un disco libero di ruotare attorno all'albero portante e alimentato a regime costante da un motore elettrico, il quale fornisce velocità al rotore per mezzo di cinghia dentata e puleggia (il tutto rappresentato in colore blu). Il rotore in questione è dunque caratterizzato da 8 attacchi per gli 8 bracci (color magenta) portanti i gripper, bracci che rappresentano l'elemento fondamentale, unitamente alla camma (color verde scuro), per realizzare il prolo di velocità, aspetto che verrà discusso nella sottosezione 3.1.1 nella pagina seguente.

3. La soluzione attuale

Figura 3.2: Modello 3D del carrellino e della guida cui è vincolato. Per quanto riguarda le operazioni di presa e rilascio, queste sono otte-nute per mezzo di un'azione alternata di aspirazione e soo: i gripper sono realizzati con una struttura cava e ad ognuno di essi è collegato un tubo es-sibile (color giallo), attraverso il quale viene aspirata aria in fase di prelievo e soata aria in fase di rilascio; gli 8 tubi hanno dunque un'estremità solidale ai gripper e l'altra collegata ad un disco rotante (anch'esso rappresentato in giallo) che, tramite un elemento sso detto collettore e rappresentato in azzurro, il cui funzionamento verrà approfondito nella sottosezione 3.1.2 a pagina 21, è in grado di fornire alternativamente capacità di aspirazione ed espulsione aria.

3.1.1 Variazione di velocità

Come accennato in precedenza, il movimento è permesso da un braccetto simile a quello mostrato in gura 3.3 nella pagina seguente: la cerniera supe-riore è quella che permette il collegamento al gripper, in modo da assicurare che la sua supercie sia sempre orientata in maniera corretta durante il mo-to; la cerniera in basso a destra vincola il braccio a ruotare solidalmente al disco alimentato, sul quale sono ricavati dunque 8 fori per altrettante cer-niere; la cerniera in basso a sinistra è invece vincolata a percorrere una pista ricavata su di una piastra di forma irregolare, la cosiddetta camma di cui un esempio è riportato in gura 2.6 a pagina 15. Il movimento imposto tramite la camma fa sì che alla componente di velocità periferica costante, dovuta al motore, si sommi una ulteriore componente che sarà positiva o negativa a seconda del settore angolare che il braccio sta percorrendo.

La velocità di rotazione del motore è calcolata in modo tale che sia ri-spettata la cadenza produttiva: nel caso la produzione si debba assesta-re sul valoassesta-re di 1000 pz/min, il assesta-regime a cui si muoverà il rotoassesta-re sarà di

3. La soluzione attuale

Figura 3.3:

Schematizzazione di un braccio utilizzato per l'alimentazione dei gripper. 1000/N giri/min, dove N rappresenta il numero di bracci; per il sistema studiato N è pari a 8, per cui la velocità in esercizio sarà di 125 giri/min.

La traiettora della pista ricavata sulla camma è invece studiata in ma-niera analitica in modo da mantenere un rapporto tra velocità più alta e velocità più bassa costante, cosicché anche in seguito ad un cambio regime, la funzionalità non sia compromessa.

Figura 3.4:

Simulazione del sistema repitch

realizzata con SolidWorks®_.

Ai ni di una migliore compren-sione del funzionamento, è stata rea-lizzata una simulazione 2D

attraver-so il attraver-software SolidWorks®_{, nella}

quale è stato riprodotto in manie-ra schematica il meccanismo e il suo movimento: in gura 3.4 è mostra-to il modello 2D creamostra-to, nel quale per semplicità gripper e bracci sono stati schematizzati come corpi uni-ci di colore blu, mentre il disco ali-mentato e la pista della camma sono stati semplicati rispettivamente in una circonferenza verde ed una cur-va irregolare di forma casuale rossa. Dal fermo immagine è possibile no-tare come la distanza reciproca tra i bracci vari per eetto della traiet-toria imposta dalla camma, in par-ticolare nel settore dove i bracci sono più vicini tra loro si ha il minimo della

3. La soluzione attuale

velocità periferica e quindi il punto di presa, mentre in corrispondenza del punto in cui i bracci sono più lontani la velocità è massima e si eettua il rilascio.

Il prolo di velocità ottenuto con la simulazione del modello mostrato è riportato in gura 3.5: esso è palesemente irregolare e non adatto al fun-zionamento reale, a causa delle semplicazioni eettuate, a dimostrazione di come il calcolo della traiettoria della camma svolga un ruolo fondamentale nell'ottenere i valori di velocità desiderati nei punti giusti; nonostante ciò, il diagramma mostra come ci sia un punto di minimo assoluto e un punto di massimo assoluto, corrispondenti ai punti di presa e rilascio articolo.

Figura 3.5: Andamento della velocità periferica dei gripper in funzione del tempo: intervallo corrispondente a 2 giri competi.

Prendendo in esame il funzionamento del sistema reale utilizzato in azien-da, esso mostrerebbe un diagramma della velocità simile a quello riportato in gura 3.6 nella pagina seguente, in cui accelerazione e decelerazione assu-mono valori costanti e si annullano gradualmente in prossimità del raggiun-gimento di velocità massima e minima. Il motore che permette il funziona-mento del sistema è elettrico e servoassistito, tramite un controllo di velocità e di posizionamento, in modo da realizzare una rotazione a regime costante e sincronizzata all'avanzamento dei nastri sui quali il repitch lavora.

3.1.2 Sistema vacuum

Come anticipato nella gura 3.1 a pagina 18, aspirazione e soo vengono realizzati tramite dei tubi essibili che collegano i gripper ad un disco dota-to di aperture, che fanno da passaggio per l'aria; la essibilità è richiesta a causa del movimento relativo fra i 2 punti di attacco: mentre il disco ruota a velocità costante, i gripper procedono con una velocità variabile (vedi gu-ra 3.6), seppure la media nell'arco di ogni giro assume lo stesso valore della

3. La soluzione attuale

Figura 3.6: Andamento ideale della velocità periferica dei gripper in funzione della coordinata angolare percorsa nell'arco di 2 giri completi.

velocità costante del disco, gli estremi del tubo subiscono durante un giro completo avvicinamento e allontanamento, condizione che non si potrebbe rispettare se i tubi in questione non fossero fatti di materiale essibile.

Ruotando solidalmente al disco, le estremità dei gripper percorrono una traiettoria circolare interfacciandosi con un collettore, di cui è possibile vi-sionare un esempio semplicato in gura 3.7: un solido di forma cilindrica solidale all'albero sso, sulle cui basi sono ricavati da un lato dei fori per accogliere dei tubi esterni (visibili nell'immagine di destra), alcuni dei quali aspirano mentre uno spinge aria, dall'altro lato delle aperture circonferen-ziali collegate ai fori (visibili a sinistra), in modo da creare vere e proprie camere del vuoto e zone di espulsione aria; ogni gripper attraversando i vari settori angolari del collettore riesce dunque a svolgere alternativamente le fasi di presa e di rilascio dell'articolo.

3. La soluzione attuale

3.2 Limiti della soluzione attuale

Il meccanismo repitch utilizzato da Diatec è pertanto un sistema che sfrutta un unico motore elettrico collegato tramite cinghia, grazie al quale si riesce a mettere in moto i gripper e a fornire anche il movimento di cui il sistema va-cuum necessita, mentre il prolo di velocità viene ottenuto per imposizione cinematica. Una soluzione che permette ingombri relativamente bassi, so-prattutto per quanto riguarda il gruppo di alimentazione, che garantisce un rapporto fra il valore massimo e minimo di velocità costante indipendente-mente dal regime di rotazione imposto, un aspetto che ore vantaggi in caso di cambio di cadenza produttiva o durante i collaudi, solitamente eettuati a velocità ridotte.

La problematica principale cui si va incontro utilizzando questa come qualunque altra soluzione che sfrutti una camma, si riscontra nel momento in cui bisogna cambiare il prodotto o semplicemente cambiare la dimensione degli articoli che vengono movimentati: il percorso ricavato sulla camma è infatti ottimizzato per un determinato rapporto tra la lunghezza del pro-dotto nito e quella dell'articolo; variazioni nella dimensione di quest'ultimo sono frequenti nell'ambito della produzione ed al ne di avere un macchina-rio essibile alle esigenze del cliente deve essere possibile variare i parametri del prodotto, senza inuenzare qualità e prestazioni. Fare ciò è attualmente possibile solamente fermando la produzione e cambiando la camma, sosti-tuendola con una nuova opportunamente calcolata e prodotta sulla base dei nuovi parametri: una procedura che porta via tempo utile alla produzio-ne e che richiede una certa esperienza produzio-nell'ambito della manutenzioproduzio-ne per smontare il sistema e rimontarlo correttamente, aspetto per il quale spesso è necessario l'intervento in loco di tecnici specializzati, con conseguenti elevati costi di trasferta e tempi di restart della macchina.

Parte II

4

Soluzione alternativa

Insieme al tutor è stata individuata una soluzione, il cui sviluppo rappresenta l'argomento di questa tesi.

Come spiegato nella sezione 3.2 a pagina 23, la problematica principale viene evidenziata in fase di set-up del macchinario per preparare la produ-zione di un nuovo prodotto oppure di una versione modicata: la struttura meccanica del sistema stesso, che realizza il cambio passo/velocità degli ar-ticoli tramite un particolare fondamentale, la camma, obbliga al ricalcolo, alla realizzazione e alla sostituzione della stessa.

4.1 Un sistema che semplichi il set-up

L'attuale procedura per il cambio di prodotto richiede l'arresto della pro-duzione e la sostituzione della parte terminale dei gripper e della camma, seguita dalla regolazione e collaudo del nuovo setting, eettuata da tecnici specializzati.

Nel caso la modica sia inedita e il cliente non abbia quindi a disposizione l'attrezzatura necessaria al set-up, la procedura si compone delle seguenti fasi:

1. studio della nuova situazione operativa richiesta dal cliente: l'ucio tecnico dell'azienda deve pertanto ridenire i parametri di lavoro del repitch e ricalcolare il percorso da incidere sulla camma, denendo nuovi disegni esecutivi;

4. Soluzione alternativa

2. realizzazione della nuova camma: l'ucio acquisti deve inviare i di-segni esecutivi al proprio fornitore, richiedere un'eventuale oerta, e commissionare l'ordine;

3. sostituzione della camma e collaudo: dopo aver ricevuto dal fornito-re la camma, uno o più tecnici addetti al collaudo dovranno fornito-recarsi dal cliente per procedere allo smontaggio e riassemblaggio del siste-ma e permetterne la sostituzione; in seguito dovranno essere compiu-te delle prove e delle regolazioni per risolvere eventuali problemi di funzionamento.

La nuova soluzione dovrà permettere un cambio di prodotto senza sosti-tuzione di alcun componente, eccetto che le mascherine dei gripper, le quali devono comunque essere sostituite al ne di avere una supercie di presa uguale a quella degli articoli da movimentare, in modo da ridurre il più pos-sibile il tempo di set-up e soprattutto eliminare i costi legati allo studio e alla progettazione delle camme; l'operazione dovrà inoltre essere facile da compiere, in maniera da non dover richiedere l'intervento di un tecnico spe-cializzato, o al più fare in modo che sia suciente un'assistenza a distanza, seguendo le istruzioni che l'azienda fornisce al cliente.

Una soluzione in grado di ottemperare a tale rischiesta si rivela utile anche per i nuovi macchinari in fase di progettazione o di installazione presso un cliente: la camma è un particolare meccanico a cui sono legati elevati costi di acquisto e carichi di lavoro, la sua eliminazione pertanto riduce i costi e il tempo di progettazione, dando la possibilità inoltre di standardizzare i vari meccanismi repitch montati sulla stessa macchina o su macchine diverse.

4.2 La soluzione individuata

Insieme al tutor, la soluzione è stata individuata nella riprogettazione dell'ali-mentazione dei gripper: attualmente, come spiegato nella sottosezione 3.1.1 a pagina 19, gli 8 bracci sono vincolati ad una traiettoria imposta dalla camma e la fonte di alimentazione è unica.

La proposta è quella di svincolare i bracci, rendendo il movimento di ognuno di essi dipendente da una propria fonte di alimentazione: così fa-cendo il meccanismo si comporebbe di gripper che percorrono traiettorie perfettamente circolari e da un motore per ognuno di essi, il quale dovrà im-primere una velocità variabile, con un prolo del tipo mostrato in gura 3.6 a pagina 22.

In questo modo, in caso di cambio prodotto, sarà suciente modicare il prolo di velocità imposto dai motori, i quali realizzeranno lo stesso identico prolo di velocità sfasato di un angolo pari a 360°/N, dove N è il numero di bracci montato sul repitch, adattandolo ai nuovi valori di velocità massima e minima.

4. Soluzione alternativa

In gura 4.1 è riportato un esempio del prolo di velocità, in funzione del tempo, imposto dai motori di alimentazione nel caso di 4 bracci, con uno sfasamento quindi di un intervallo di tempo equivalente ad un arco di 90°.

Figura 4.1: Andamento della velocità di rotazione dei motori in funzione del tempo, nel caso di 4 gripper alimentati in maniera indipendente.

4.3 Dierenze costruttive rispetto alla soluzione

at-tuale

Dal punto di vista meccanico, la nuova soluzione sarà sensibilmente diversa: se da un lato è stata eliminata la necessità di calcolare traiettorie geometri-camente irregolari e quindi di progettare meccanismi in grado di realizzarle, dall'altro si introduce la necessità di conferire il moto in maniera indipen-dente a elementi che ruotano necessariamente intorno allo stesso asse, aspet-to che, come verrà spiegaaspet-to nei capiaspet-toli a seguire, rappresenta la maggiore dicoltà progettuale incontrata.

Per quanto riguarda il meccanismo di presa e rilascio, è stata presa in considerazione l'idea di mantenere il sistema vacuum, essendo questo col-laudato, eciente e studiato approfonditamente nel corso degli anni dagli ingegneri dell'ucio tecnico aziendale.

5

Brevetto US 7,650,984 B2

Prima ancora di iniziare la progettazione di un nuovo sistema repitch, si è studiato in maniera approfondita il brevetto US 7,650,984 B2 di proprietà della Fameccanica.Data S.p.A., il cui testo completo è disponibile in appen-dice D a pagina 124 e di cui si può osservare il modello in gura 5.1 nella pagina seguente: esso è stato pubblicato nel Gennaio del 2010 e sfrutta un principio di funzionamento simile a quello individuato per lo sviluppo del progetto argomento di tesi; è stato pertanto necessario analizzare il testo e gli schemi riportati in maniera approfondita, focalizzandosi attentamente sulle rivendicazioni, in modo da poter progettare un sistema che non violi i diritti ottenuti da Fameccanica con questo brevetto.

Il rispetto delle rivendicazioni riportate su questo documento hanno rap-presentato, insieme alle speciche dimensionali e prestazionali imposte dal-l'azienda e che saranno esplicate nel prossimo capitolo, i vincoli entro i quali muoversi per portare avanti la progettazione.

5.1 Principio di funzionamento

In gura 5.1 si possono osservare 4 gripper, indicati con il numero 12, che ruotano attorno all'asse X10 per movimentare gli articoli A, posizionati sui nastri riportati in linea tratteggiata.

Il moto è conferito tramite il collegamento a degli organi rotanti coassiali visibili nella sezione riportata in gura 5.2 nella pagina successiva: l'albero 391 e i manicotti 371 361 e 351, sono coassiali e montati per mezzo di

5. Brevetto US 7,650,984 B2

Figura 5.1: Vista isometrica del sistema brevettato US 7,650,984 B2.

5. Brevetto US 7,650,984 B2

cuscinetti gli uni sugli altri, collegati rispettivamente alle pulegge 39 37 36 e 35 ; ognuna delle pulegge viene posta in rotazione da un motore attraverso una cinghia, trasferendo il moto alle ange 392 372 362 e 352 che pongono dunque in rotazione i gripper.

La forma di suddette ange presenta delle aperture, com'è possibile ve-dere in gura 5.1, le quali permettono di evitare l'urto fra i gripper: essi durante il funzionamento seguiranno infatti un prolo di velocità tipo quello illustrato in gura 4.1 a pagina 27, che porta ad una sequenza continua di avvicinamento ed allontanamento relativo fra loro; scorrendo quindi all'in-terno delle aperture in queste fasi di variazione di distanza relativa, si evita lo scontro.

Anche in questo sistema i gripper sono costituiti da corpi cavi e l'aspi-razione ed il soo sono ottenuti grazie al passaggio di aria all'interno dei tubi 18, i quali si collegano per mezzo dell'attacco 19 al collettore 312 : questo organo è responsabile della realizzazione dell'alternanza fra risucchio ed espulsione aria ed è anch'esso vincolato ad un manicotto coassiale alla struttura, il 311, che viene fatto ruotare a velocità costante dalla puleggia 31, azionata da un'ulteriore motore elettrico; ogni tubo è così collegato per un'estremità al collettore rotante a regime costante, per l'altra al gripper che ha velocità variabile, ma in media nel giro completo uguale a quella del collettore, sarà realizzato pertanto in materiale essibile per fare in modo che segua i movimenti senza danneggiarsi.

Il collegamento al telaio, indicato con il numero 14, è inne realizzato sfruttando la carcassa che racchiude gli alberi, posto in posizione centrale e verosimilmente in corrispondenza del baricentro assiale del peso complessivo del sistema.

5.2 Rivendicazioni

Le rivendicazioni presenti sul brevetto sono 21 e possono essere consultate in appendice D a pagina 124.

I vincoli principali posti dai suddetti reclami possono essere sintetizzati nel seguente elenco:

ˆ gruppo alimentazione posizionato sul lato opposto rispetto agli organi operanti presa e rilascio e costituito da pulegge montate in serie; ˆ collegamento tra gripper e pulegge realizzato tramite alberi cavi

mon-tati l'uno sull'altro per mezzo di cuscinetti, ai quali sono avvitate delle strutture angiate che fanno da supporto ai gripper stessi;

ˆ sistema vacuum realizzato attraverso un distributore di forma anulare, aancato in senso assiale alla traiettoria percorsa dai gripper, e tubi essibili attraversati dall'aria;

5. Brevetto US 7,650,984 B2

ˆ collegamento al telaio posto nella parte centrale, tra gruppo di alimen-tazione e gripper.

Il nuovo sistema dovrà dunque rispettare tali vincoli ed essere progettato in modo da realizzare la medesima operazione con una struttura diversa sia per quanto riguarda l'alimentazione che per il sistema vacuum.

6

Denire una specica tecnica

Si è ritenuto opportuno, a questo punto del lavoro di tesi, stilare una specica tecnica che riassuma le funzioni e le prestazioni richieste, i limiti dimensionali imposti dall'ingombro del sistema attuale e i principi tecnologici che fanno da linee guida nella progettazione del nuovo sistema.

6.1 Specica tecnica

Questa specica tecnica denisce un sistema repitch, ovvero un organo facen-te parfacen-te di una macchina automatica per la produzione in serie di pannolini ed assorbenti igienici.

Il sistema deve essere in grado di realizzare in maniera del tutto auto-matica la movimentazione di materiale plastico, sotto forma di sottili lamine viaggianti ad una determinata velocità e posti uno di anco all'altro, con passo costante e pari alla loro lunghezza; questi articoli devono essere po-sizionati su di un nastro di materiale continuo viaggiante ad una diversa velocità con un passo dierente: in particolare il rapporto fra i valori dei due passi è pari al rapporto fra le due velocità.

La sequenza di operazioni che il sistema deve svolgere è la seguente: 1. posizionamento dell'organo prensile in prossimità della lamina di

ma-teriale plastico da prelevare 2. prelievo della lamina

6. Denire una specica tecnica

4. posizionamento nei pressi del punto di rilascio 5. rilascio della lamina

6. ritorno dell'organo prensile in prossimità del punto di prelievo 6.1.1 Generalità

Il sistema deve essere composto di più gripper con principio di funzionamento vacuum, in modo da lavorare un certo numero di prodotti diminuendo la velocità ad essi richiesta; ogni gripper deve essere in grado di realizzare la presa della lamina e di rilasciarla sfruttando una fase di soo che interrompe l'azione di risucchio al momento opportuno: la supercie di presa del gripper deve essere prevista di un'area dotata di piccoli fori attraverso cui l'aria può passare, tale area deve avere forma uguale alla lamina da movimentare.

La supercie di presa dei gripper deve seguire una traiettoria circolare, il cui diametro è pari alla distanza che intercorre tra il punto di presa e di rilascio, situati diametralmente opposti l'uno all'altro.

Le operazioni di presa e di rilascio dell'articolo devono essere svolte a velocità pari a quella alla quale le lamine si muovono prima del prelievo e alla quale si muove il nastro di materiale continuo su cui devono essere posizionate: la velocità del gripper deve pertanto variare lungo la traiettoria percorsa, realizzando un prolo che prevede accelerazione nel tragitto tra presa e rilascio e decelarazione nel tragitto tra rilascio e presa.

Il prolo di velocità rischiesto deve essere realizzato per imposizione di un moto di questo tipo da parte del motore che alimenta ogni gripper. 6.1.2 Prestazioni

Il sistema deve poter garantire un ritmo di lavorazione delle lamine pari alla cadenza di produzione, ssata a 1000 pz/min.

Deve inoltre permettere la lavorazione di lamine di varie dimensioni, ren-dendo possibile il set-up nel passaggio alla lavorazione di un articolo di di-mensioni diverse senza la necessità di ricorrere alla sostituzione di organi meccanici, fatta esclusione per la parte terminale dei gripper, la quale deve avere supercie di presa bucherellata e di forma uguale a quella dell'articolo da prelevare.

6.1.3 Dimensioni

Il sistema deve poter essere inserito all'interno dei macchinari attualmente utilizzati e deve pertanto essere dimensionalmente compatibile con lo spazio a disposizione.

La sua struttura deve inoltre essere tale da poter subire delle modiche dimensionali in ottica di inserimento del sistema in un macchinario diverso, senza compromettere l'adeguatezza delle soluzioni ideate.

6. Denire una specica tecnica

Le dimensioni che il progetto attuale è chiamato a rispettare sono: ˆ dimensione misurata longitudinalmente rispetto alla lunghezza

maggio-re dell'intero macchinario pari a 660 mm, corrispondente alla distanza che intercorre fra i punti di presa e rilascio degli articoli;

ˆ dimensione misurata in direzione normale alla pavimentazione inferiore ai 1000 mm, corrispondente all'ingombro verticale del meccanismo; ˆ dimensione misurata trasversalmente alla macchina inferiore ai 1500 mm,

corrispondente alla zona utile dove è possibile collegare il sistema al telaio.

6.1.4 Assemblaggio e smontaggio

Il sistema deve poter essere completamente assemblato prima del suo posi-zionamento all'interno del macchinario e del collegamento all'alimentazione del movimento e del sistema vacuum.

Deve inoltre poter essere smontato al ne di realizzare manutenzione e sostituzione parti usurate.

6.1.5 Interfaccia con la macchina

Il sistema deve essere intelaiato alla macchina utilizzando una struttura di ssaggio realizzata su misura, che sfrutta collegamenti di tipo commerciale, quali bulloni, vite-madrevite, ecc.

Il sistema deve permettere la sostituzione e la regolazione dei componenti, laddove esse siano necessarie al ne di realizzare un nuovo set-up, senza la necessità di ricorrere allo smontaggio dell'intero sistema dalla macchina. 6.1.6 Condizioni ambientali

Il sistema deve poter operare a temperatura ambiente: le prestazioni e la qualità non devono risentire delle diverse condizioni di temperatura a cui il macchinario può trovarsi a lavorare, che vanno dagli 0‰ ai 40‰.

6.1.7 Vincoli sui particolari meccanici

Laddove sia possibile, i particolari che compongono il sistema devono essere progettati in modo che la loro fabbricazione e il loro assemblaggio possano essere eettuati tramite tecniche e strumenti convenzionali e standardizzati. Lavorazioni su misura di componenti solitamente standardizzati e cata-logati dai produttori possono essere tuttavia prese in considerazione nel caso di situazioni particolari.

6. Denire una specica tecnica

6.1.8 Vincoli economici

Il sistema non è soggetto ad alcun vincolo economico: la progettazione è libera di essere sviluppata senza tenere in considerazione aspetti legati ai costi di realizzazione e messa in opera.

6.2 Considerazioni sulla specica

La specica tecnica è impostata in maniera tale da esprimere poche e semplici richieste: tale scelta è stata eettuata nell'ottica di limitare il meno possibile la ricerca di una soluzione, rendendo la progettazione totalmente libera.

Questo aspetto si è rivelato fondamentale per il lavoro svolto: la libertà di inventiva e il fatto che il problema sia stato approcciato da un elemento esterno all'ambiente di lavoro, hanno permesso di analizzare l'argomento ed arontare la progettazione in maniera molto aperta.

Il non aver posto limiti economici alla progettazione, per lo meno in questa fase preliminare, è da leggersi come un'ulteriore spinta alla libertà progettuale; essi non sono stati tuttavia del tutto ignorati: il lavoro è stato svolto facendo uso di buon senso da parte del tesista, per quanto sia possibile fare con i mezzi che lo studio universitario mette a disposizione, analizzando le varie proposte insieme al tutor, con l'obiettivo di scartare le soluzioni che egli per esperienza ha considerato non convenienti, e consultando i vari fornitori, al ne di conoscere i prezzi di alcuni componenti o la fattibilità delle lavorazioni da eettuare esternamente all'azienda.

Punto della situazione

La tesi arriva ora allo snodo fondamentale: il lavoro descritto sinora corri-sponde al primo periodo trascorso durante il tirocinio; le nozioni acquisite attraverso lo studio del processo, la lettura dei disegni esecutivi della soluzio-ne attuale, le osservazioni sul campo dei montaggi e dei collaudi eettuati dai tecnici, hanno costituito la base cognitiva necessaria ad entrare nell'ottica della problematica.

Tali nozioni sono state consolidate e raorzate dall'analisi delle soluzioni individuate da altre aziende per la medesima operazione, svolta anche in ambiti diversi: l'operazione di repitching è infatti utilizzata non solo nella produzione di articoli sanitari, ma svolge un ruolo fondamentale anche in altre tipologie di processi, come nella produzione di sigarette o più in generale nel packaging; analizzare le soluzioni usate per ambienti dierenti è stato utile ad arontare la problematica da un'ulteriore e diversa prospettiva.

L'insieme di questi presupposti ha ispirato la ricerca di una nuova solu-zione, lo sviluppo della quale è argomento della prossima ed ultima parte della stesura.

Parte III

7

Principio di funzionamento

Nel rispetto delle speciche tecniche, consultabili al capitolo 6.1 a pagina 32, e dei vincoli imposti dalle rivendicazioni del brevetto US 7,650,984 B2, con-sultabile in appendice D a pagina 124, si è dunque iniziata la ricerca di un nuovo sistema.

In questa prima fase si è proceduto realizzando a mano libera delle bozze di progetto; la varie proposte avanzate sono state analizzate con la collabo-razione del tutor; lo schema riportato nella prossima sezione è quello rite-nuto come il più adeguato ad essere sviluppato, in base a considerazioni di semplicità costruttiva, montaggio e costi di realizzazione.

Le alternative scartate non sono riportate, poichè la loro rappresentazione cartacea è limitata a schemi abbozzati di scarsa comprensibilità, mentre l'unica soluzione di cui si è sviluppata una vera tavola a mano è quella presa in considerazione per il progetto.

7.1 Rappresentazione manuale

In gura 7.1 nella pagina seguente è riportata la parte centrale del mecca-nismo repitch, mentre il sistema di alimentazione è riportato in gura 7.2 a pagina 39: lo schema completo prevede il montaggio dei due assiemi in serie, in particolare il distanziale A è stato riportato in entrambe le rappresenta-zioni in modo da evidenziare la modalità di montaggio che è stata prevista.

7. Principio di funzionamento

7. Principio di funzionamento

7. Principio di funzionamento

L'idea è quella di collegare ogni gripper ad un rotore (o ruota), ognuno dei quali è libero di ruotare attorno ad un albero sso che fa da telaio per sistema e gruppo alimentazione ed è collegato al macchinario alle sue estre-mità; ogni rotore è alimentato in maniera indipendente: il gripper B2 sarà collegato al braccio B1, posto in movimento poichè solidale ad un manicotto comandato da un motore tramite la dentatatura su di esso ricavata, e tra-sporta in rotazione la ruota collegandosi in corrispondenza della supercie indicata dalle freccette, così come anche il gripper C2 sarà collegato al brac-cio C1 e per simmetria lo stesso accade per gli altri 2 gripper, non visibili a causa della vista sezionata. I gripper avranno la medesima parte superiore e si dierenziano nell'attacco per realizzare il collegamento con i rotori lato interno e lato esterno, ne sono previsti quindi 2 coppie diverse.

Il sistema di alimentazione è costituito da 2 gruppi identici e montati sim-metricamente rispetto al centro del sistema repitch: ogni gruppo prevede la presenza di 2 manicotti concentrici liberi di ruotare in maniera indipendente l'uno rispetto all'altro e rispetto all'albero sso; ad ogni manicotto è, come detto, collegato un braccio che permette il trasferimento del moto alle ruote ed è alimentato da un proprio motore, per un totale di 4, che impartisce il proprio moto, al ne di realizzare i proli di velocità mostrati in gura 4.1 a pagina 27.

La presa ed il rilascio delle lamine è pensata per essere realizzata tramite sistema vacuum, sfruttando la struttura cava dei componenti dei gripper ed un passaggio ricavato nei rotori che li collega ad un collettore: per ogni coppia di rotori è previsto 1 collettore sso calettato sull'albero, per un totale di 2, operativi da entrambi i lati; l'aria passa dalle aperture ricavate sul collettore, proveniente dall'interno dell'albero, che per questo è costituito da un tubo dotato di fori radiali in corrispondenza delle aperture dei collettori e ricevente il usso d'aria da tubi esterni che si collegano alle estremità di esso.

In questa fase della progettazione, il montaggio e la scelta dei cuscinetti, così come il collegamento tra le varie parti, le dimensioni relative dei par-ticolari e la loro forma geometrica, hanno valenza puramente indicativa: il progetto è allo stato preliminare ed ogni aspetto è stato in seguito analizzato, approfondito ed opportunamente modicato aggiornando di volta in volta la messa in tavola.

7.2 Considerazioni e primi confronti con i sistemi

in commercio

La bozza è stata analizzata dal tutor aziendale e confrontata con il sistema utilizzato attualmente e il brevetto citato.

Per quanto riguarda il confronto con il sistema attuale, è stata ritenuta plausibile una soluzione di questo tipo per le seguenti ragioni:

7. Principio di funzionamento

ˆ la disposizione dei particolari può risultare compatta in senso assiale e sembra pertanto orire garanzie per il soddisfacimento delle speciche tecniche;

ˆ dal punto di vista meccanico risulta relativamente semplice e può rap-presentare una buona soluzione sia per l'assemblaggio che per la rea-lizzazione dei particolari;

ˆ l'alimentazione e il controllo di 4 motori, in luogo dell'unico attualmen-te sfruttato, non rappresentano un problema: visto l'elevato numero di motori servoassistiti già presenti sull'intero macchinario, gli ulteriori costi legati ai consumi energetici e al più complesso sistema di controllo sono praticamente trascurabili.

Rispetto al brevetto US 7,650,984 B2 le dierenze possono essere sintetizzate in questo modo:

ˆ l'alimentazione è realizzata con due gruppi posizionati ai lati del siste-ma repitch in siste-maniera simmetrica e posti in rotazione tramite ruote dentate, invece che un unico gruppo situato sul lato opposto alla zona operativa e movimentato con pulegge;

ˆ i gripper sono collegati a dei rotori disposti in serie alimentati trami-te dei braccetti collegati in corrispondenza del loro diametro estrami-terno, in luogo delle ange dotate di aperture e calettate al centro su dei manicotti;

ˆ sistema vacuum realizzato tramite 2 collettori ssi posizionati tra i rotori, invece che un unico collettore motorizzato collegato ai gripper tramite tubi essibili;

ˆ struttura intelaiata in 2 punti alle estremità dell'albero, in luogo del-l'imbracatura posta al centro della lunghezza assiale.

Sono stati giudicati presenti dunque i presupposti per il rispetto della specica tecnica e delle rivendicazioni, consultabili rispettivamente alla se-zione 6.1 a pagina 32 e alla sese-zione 5.2 a pagina 30, rendendo possibile il proseguio dello sviluppo del progetto.