Capitolo 1.
Automazione dei processi industriali
tramite robot
Con il termine automazione industriale, nella sua accezione più comune, ci si riferisce alla capacità di eseguire processi o attività in maniera programmata (e programmabile) e/o ripetitiva tramite l’utilizzo di tecnologie meccaniche, elettroniche ed informatiche, dove il lavoro dell’uomo sia al limite assente o comunque ridotto, rivolto al controllo dei dispositivi che permettono l’automazione. Infatti l'automazione è nata in ambito industriale per sostituire l'uomo in compiti ripetitivi o nocivi con apparecchiature in grado di operare in modo autonomo, o con minimi interventi da parte dell'operatore umano.
E’ possibile individuare tre livelli di automazione in un processo industriale:
Automazione rigida: caratterizzata da alti volumi di singoli prodotti, lavorazioni e processi realizzati con macchinari dedicati e monoscopo con modesta o nulla possibilità di riprogrammazione per altre attività;
Automazione programmabile: si inserisce in un contesto di fabbrica orientato alla produzione di piccoli e medi lotti di manufatti con caratteristiche variabili. Consente di variare la gamma di prodotti finiti grazie ad un sistema di automazione programmabile tramite il quale è possibile alterare facilmente la sequenza di operazioni da eseguire sul manufatto;
Automazione flessibile: è l'evoluzione di quella programmabile e permette la produzione di lotti variabili di manufatti diversi.
Alcuni esempi di automazione sono: macchine a controllo numerico, macchine per l'assemblaggio di
componenti e per la movimentazione di pezzi, sistemi informatici per il monitoraggio ed il controllo della produzione, per la gestione dei magazzini, etc. Anche il robot industriale fa parte dagli strumenti utilizzati nell’automazione; anzi è uno degli attori principali ed il suo impiego è diffuso (e giustificato) soprattutto nell’automazione programmabile e flessibile. Infatti, stando alla definizione maggiormente ricorrente, il robot industriale può essere considerato “un manipolatore riprogrammabile, multifunzionale, progettato per muovere materiali, pezzi, utensili o attrezzi speciali attraverso movimenti variabili, programmati per l’esecuzione di una varietà di lavori ed operazioni tecnologiche”. Oltre ad un adeguato sistema di trasporto di pezzi e un efficiente sistema si controllo, l’automazione tramite robot può essere realizzata solo se questi vengono attrezzati con opportuni end-effector (organi di presa e utensili) e messi in comunicazione con idonei sensori per l’interazione con l’ambiente circostante. Di seguito vengono date alcune informazioni di base circa robot, end-effector e sensori, utili per comprendere poi il continuo di questa relazione [1].
Un robot può essere rappresentato come un insieme di elementi (link) uniti da giunti cinematici (joint) che consentono loro un movimento relativo. I giunti possono essere prismatici, che permettono un movimento lieneare, oppure rotoidali che realizzano un movimento rotatorio relativo tra due link. Un giunto cinematico che unisce due link dona alla struttura un grado di libertà (g.d.l.), ogni g.d.l. permette un movimento del robot nello spazio.
Fig. 1.1 giunti cinematici
La disposizione, il tipo e il numero di tali coppie cinematiche determina la tipologia del robot. La seguente tabella riassume per le principali strutture la successione di coppie cinematiche e i g.d.l. delle configurazioni base:
Tipologia robot Successione coppie
cinematiche g.d.l. Cilindrico Cartesiano A portale (gantry) Articolato SCARA R R P P P P P P P (R) R R R (R,R,R) R R P (R) 3 - 5 2 - 5 2 - 5 3 – 6 3 - 4
Tab. 1.1 tipologie di robot-giunti
Altri particolari caratteristici che differenziano i diversi robot industriali sono:
Volume utile di lavoro. È lo spazio raggiungibile dalla parte terminale del polso (link terminale del robot) e non tiene conto di un eventuale end-effector. I volumi di lavoro dipendono dai giunti a) giunto prismatico b) giunto rotoidale
e possono essere forme a parallelepipedo (cartesiano e gantry), cilindriche, semisferiche o altre forme più complesse;
Tipo di azionamento. È l’insieme dell’attuatore, del sistema di comando e di trasmissione del moto. Gli azionamenti utilizzati sono quello elettrico, pneumatico e oleodinamico;
Capacità di carico. È il massimo peso che il robot può manipolare nelle condizioni di minor rigidezza della struttura. Tale peso comprende sempre l’end-effector ed è sempre riferito al centro del polso;
Velocità di movimentazione. Indica la massima velocità di traslazione raggiungibile dall’estremità operativa del robot. Per alcune applicazioni come l’assemblaggio o la palletizzazione, si fa riferimento anche alle battute/minuto, intendendo la capacità di compiere la sequenza afferraggio-posizionamento-rilascio del pezzo. In base alla velocità del robot, e alla sua capacità di carico, si indica il numero di battute eseguite in un minuto di lavoro con uno spostamento angolare di 90 o 180°. Questo dato non sempre è fornito dalla ditta costruttrice, ma più spesso da aziende che eseguono impianti e si basano sulla loro esperienza maturata in anni di applicazioni.
Precisione e ripetibilità. Con precisione si intende la funzione dell’errore commesso da un robot nel raggiungere un dato punto all’interno del suo volume utile di lavoro. Ripetibilità si riferisce alla caratteristica funzione dell’errore commesso da un robot nel ritornare sul punto programmato.
Tipologia robot Schema robot workspace
Gantry
Cilindrico
SCARA
Articolato
Tab. 1.2 tipologie di robot-schemi
L’end-effector è un dispositivo collegato al polso che permette al robot di eseguire i compiti per cui è stato predisposto. Gli end-effector si distinguono fondamentalmente in due categorie: gli utensili (o tool) e gli organi di presa (o gripper). Gli utensili sono
dispositivi di vario tipo, in funzione della lavorazione da eseguire: strumenti per saldare, verniciare, sbavare (piccole frese), dispenser per collanti, teste laser, water-jet ecc. I gripper sono suddivisi in varie categorie in funzione del principio impiegato per l’afferraggio del pezzo:
Gripper meccanici. Realizzano la presa tramite il movimento meccanico (articolato o parallelo) di organi prensili detti dita. le zone delle dita che vengono a contatto col pezzo sono dette polpastrelli e possono essere
piane o sagomate. Fattori importanti dei gripper meccanici sono la forza di chiusura e la corsa delle dita. Esistono anche
gripper a tre o più dita con movimento rotazionale che permette di autocentrare il pezzo durante l’afferraggio in un foro.
Gripper magnetici.
Applicabile solo per pezzi in materiali ferromagnetici
dotati di zone
sufficientemente ampie. Presentano rapidità e facilità di afferraggio ma una scarsa precisione.
Fig. 1.2 gripper meccanico parallelo
Fig. 1.3 gripper meccanico a tre dita
Fig. 1.4 gripper magnetico
Gripper a depressione. Tramite idonee ventose realizzano la presa su superfici piane e compatte. Molto utili per afferrare materiali delicati o fragili.
Gripper a espansione. Tramite la deformazione di materiale elastico e l’espnsione di aria al suo interno sono capaci di afferrare per attrito pezzi dotati di fori. Sono semplici, leggeri e consentono una presa stabile; sono però poco flessibili.
Gripper per applicazioni speciali. Esistono gripper ad aghi per l’afferraggio di tessuti oppure gripper studiati per la presa e il posizionamento di O-ring.
I sensori sono dispositivi che inviando vari tipi di segnali all’unità di governo permettono al robot di interagire con l’ambiente circostante. I sensori più impiegati, che si distinguono in base alla grandezza rilevata o della modalità di rilevazione sono:
Fig. 1.5 gripper a depressione Fig. 1.6 gripper a espansione Fig. 1.7 gripper speciale ad aghi
Sensori di contatto. Rilevano il contatto con un oggetto o una superficie. Possono essere del tipo on/off oppure in grado di misurare l’entità del contatto attraverso la misure delle pressioni esercitate;
Sensori di forza. Di solito applicati al polso del robot misurano o il superamento di una forza limite o l’andamento del suo valore;
Sensori di prossimità. Rilevano la presenza di un oggetto ed hanno un campo d’azione limitato a pochi centimetri;
Sensori di distanza. Rilevano la presenza di oggetti anche oltre diversi metri di distanza e ne forniscono il valore;
Sistemi di visione. Tramite telecamere permettono di eseguire vari controlli (riconoscimento oggetti, posizione ecc.) e permettono al robot di lavorare in ambienti non strutturati, dove cioè, non si conosce a priori la disposizione di oggetti e strumenti.
1.1 Settori applicativi e funzione dei robot
industriali
I robot industriali grazie alla loro flessibilità sono stati in grado di automatizzare e rendere più efficienti numerose operazioni destinate ad operatori umani. Ci sono però dei settori nei quali l’intervento dei robot è stato più efficace e la loro diffusione più rapida; in particolare ciò si è verificato nell’industria meccanica o di produzione di manufatti in generale, dove sono presenti vari tipi di lavorazioni (eseguite con robot o macchine
utensili), manipolazioni di oggetti e operazioni di vario genere, mentre meno radicata è la presenza di robot nell’industria di processi o alimentare dove l’automazione è realizzata principalmente con macchinari studiati ad hoc. Le applicazioni più frequenti che si riscontrano dell’industria sono:
Palletizzazione e depalletizzazione; Asservimento a macchine utensili; Asservimento in reparti di fonderia; Montaggio di elementi;
Saldatura (a punti, ad arco elettrico, laser, al plasma);
Taglio (laser, water-jet); Verniciatura;
Piccole lavorazioni meccaniche (fresature, forature, sbavature);
Applicazione di collanti.
Non tutte le operazioni sono eseguite con lo stesso successo da tutti i robot, ma alcune tipologie sono più adatte di altre per eseguire determinati compiti in funzione del tipo di azione e dell’orientazione con cui è necessario raggiungere determinati punti. In pratica dipende dal numero, dalla tipologia e dalla sequenza dei giunti di cui un robot dispone. La seguente tabella mostra le tipologie di robot più usati per le applicazioni più frequenti [2].
Tipologia robot Applicazione Cilindrico
Cartesiano
Asservimento M.U. Asservimento M.U. Montaggio
A portale (gantry)
Articolato
SCARA
Montaggio
Palletizzazione/depalletizzazione Taglio laser, water-jet
Palletizzazione/depalletizzazione Taglio laser, water-jet
Saldatura Verniciatura
Piccole lavorazioni meccaniche Montaggio
Tab. 1.3 robot e applicazioni più frequenti
La diffusione del robot nell’industria mondiale è generalmente in crescita; infatti dopo due anni di domanda decrescenti, nel 2003 si è verificata un aumento di richieste del 19% e del 17 % nel 2004 a livello mondiale. Ciò come risultato di una forte domanda in Asia e un incremento di richieste anche in Europa e America.
In Europa la vendita di robot è cresciuta del 18% nel 2000 fino a 30.600 unità mentre nel 2001 solo del 3%. Nel 2002 il mercato è crollato del 15%, per poi ricrescere del 4 e 5% rispettivamente nel 2003 e 2004 fino a raggiungere le 29.300 unità. Tuttavia, considerando che l’industria meccanica e manifatturiera comprende di gran lunga la maggior parte dei robot operativi è interessante segnalare che altri tipi di industrie hanno registrato incrementi notevoli di installazioni: le vendite nell’industria chimica sono salite del 72%, e quelle nel settore alimentare del 24%. Sono stati installati più robot nell’industria alimentare in Europa che in entrambe America e Asia, ma lo share di forniture è solo del 3 e dell’1% rispettivamente.
La tabella riassume per continenti e per i maggiori stati le vendite annue e l’ammontare dello stock operativo
per il 2003, per il 2004 e il numero di unità previsto nel 2008 [3].
Stato
Installazioni annue Stock operativo a fine anno
2003 2004 2008 2003 2004 2008 America 12.957 13.674 16.800 115.384 125.235 159.900 USA 11.286 12.127 16.500 106.385 114.531 155.700 Altri 1.671 1.547 300 8.999 10.704 4.200 Asia/Australia 40.579 52.311 70.400 422.721 443.193 532.900 Giappone(*) 31.588 37.086 45.900 348.734 356.483 390.500 Rep. di Corea 4.660 5.457 47.845 51.302 Altri 4.331 9.768 24.500 26.142 35.408 142.400 Europa 27.832 29.296 33.700 262.025 278.906 348.100 Francia 3.117 3.009 3.400 26.137 28.133 35.900 Germania 13.081 13.401 14.900 112.393 120.544 151.100 Italia 5.198 5.679 6.200 50.043 53.244 65.900 Altri 6.436 7.207 9.200 73.452 76.985 95.200 Africa 108 87 100 343 430 800 Rep. sudafricana 108 87 343 430 Totale 81.476 95.368 121.000 800.473 847.764 1.041.700
(*) Considera tutti i robot installati, anche quelli dedicati, mentre gli altri valore tengono conto solo di robot multipourpose.
Tab. 1.4 robot installati e stock operativo
distribuzione robot operativi in europa a fine 2004 10% 43% 19% 28% Francia Germania Italia Altri
distribuzione robot operativi nel mondo a fine 2004 14% 42% 6% 3% 14% 6% 15% USA Giappone Rep. di Corea Francia Germania Italia Altri
Fig. 1.9 stock operativo nel mondo a fine 2004
L’Italia è il secondo paese in Europa e il quarto al mondo per uso di robot industriali in termini assoluti di unità impiegate per lo più nella lavorazione meccanica (28%), nella saldatura (17%) e nella lavorazione della plastica (12%). (Dati relativi al 2003). In termini di densità di robot ogni 10.000
persone occupate
nell’industria manifatturiera italiana alla fine del 2003 erano presenti 116 robot industriali. Questo dato pone l’Italia davanti a tutti gli altri paesi eccetto la Germania, senza contare il Giappone che include nelle statistiche tutti i tipi di robot e non solo i robot multifunzione [4].
Tab. 1.5 robot ogni 10.000 addetti nell’industria manifatturiera nel 2003
(*) tutti i tipi di robot
Stato unità Giappone (*) 322 Rep. Di Corea (*) 138 USA 63 Germania 148 Italia 116 Svezia 99 Finlandia 78 Spagna 72 Francia 71 Austria 54 Benelux 53 Danimarca 50 UK 39 Australia 36 Norvegia 24 Portogallo 15 Rep. Ceca 12
numero di robot per 10.000 addetti nell'industria manifatturiera nel 2003
0 20 40 60 80 100 120 140 160 U S A G e r m a n i a I t a l i a S v e z i a F i n l a n d i a S p a g n a F r a n c i a A u s t r i a B e n e l u x D a n i m a r c a U K A u s t r a l i a N o r v e g i a P o r t o g a l l o R e p . C e c a
Fig. 1.10 numero di robot ogni 10.000 addetti nell’industria manifatturiera (*) i dati relativi a Giappone e Rep. Di Corea, rispettivamente di 322 e 138 robot/10.000 addetti, non sono riportati nel grafico in quanto non confrontabili con i dati di altri paesi; infatti per Giappone e Rep. Di Corea le statistiche comprendono tutti i robot industriali, mentre per gli altri stati solo robot general porpouse.
1.2 Progettazione di una cella robotizzata
La progettazione di una cella robotizzata è un processo abbastanza complesso dove la scelta del particolare robot o end-effector e il calcolo delle traiettorie rappresentano solo la fase conclusiva. È infatti necessario fare prima almeno due tipi di analisi:
Valutare se esiste la necessità di automatizzare alcuni processi e attività produttive (o parti di esse);
Valutare se esistono le condizioni tecniche per attuare con successo un certo grado di automazione.
1.2.1 Perché la necessità di automatizzare
L’automazione porta indubbiamente una serie di vantaggi che possono risultare indispensabili per le aziende che vogliono restare competitive in un mercato sempre più dinamico e aggressivo. Può essere percepita la necessità di migliorare il prodotto in quanto tale, la produttività o le condizioni di lavoro degli addetti. I principali vantaggi o i motivi che fanno nascere la necessità di automatizzare delle attività industriali possono essere riassunte così:
Miglioramento della qualità del prodotto. Un robot ha lo stesso rendimento durante tutto l’arco di tempo lavorativo;
Aumento della produttività. Un robot non si stanca e può lavorare ininterrottamente;
Riduzione degli scarti.
Riduzione e/o eliminazione di lavori faticosi e ripetitivi. Lavori poco gratificanti per l’uomo Possibilità di lavorare in ambienti ostili. Ambienti (e lavori) pericolosi o dannosi per la salute di un operatore come fonderie, zone di saldature e verniciatura;
Miglioramento dell’immagine dell’azienda.
Questi sono aspetti che riguardano in linea generale la maggioranza delle industrie di produzione meccanica in senso lato. Tuttavia in questo lavoro è stata analizzata la
possibilità di effettuare un’automazione tramite robot, e questo significa porre alcuni limiti. Ad esempio la qualità di un prodotto è ovviamente un aspetto importante nella produzione di manufatti, ma non è detto che la necessità di ottenere una qualità particolarmente elevata possa essere garantita con l’impiego di robot, bensì è più probabile che ci sia la necessità di utilizzare una macchina utensile a controllo numerico. I fattori sopra citati si riferiscono alla necessità di automatizzare (in senso generale) un processo ma va tenuta presente il livello che tale automazione deve raggiungere perché potrebbe non esserci la fattibilità di realizzarla tramite l’impiego di robot e sorgere quindi l’esigenza di valutare opportuni aspetti tecnici.
1.2.2 Aspetti tecnici da valutare per l’implementazione Dopo aver effettivamente verificato la necessità di implementare una cella robotizzata è necessario eseguire un’analisi dei principali vincoli tecnici per accertare l’effettiva possibilità di sviluppare una soluzione tecnica adeguata alla richieste. A tale scopo l’azienda deve cercare di rispondere ad alcune domande del tipo:
Quale operazione deve essere svolta?
L’operazione è effettivamente automatizzabile? (valutare le principali caratteristiche del prodotto o del processo)
In quale ambiente opero?
Ho lo spazio per installare un robot? Quale area di lavoro mi serve?
Quali carichi devo eventualmente movimentare? Aver chiari questi punti significa possedere un’idea del tipo di impianto di cui si necessita, delle sue potenzialità, di quanto sia complesso l’inserimento del robot nel contesto operativo e, in funzione di tutto ciò, può essere valutata la fattibilità economica prima di scendere in dettaglio con preventivi e studi più complessi.
1.3
Perché
un
software
di
supporto
alla
progettazione di una cella robotizzata: obiettivi
della tesi
Attualmente l’approccio alla progettazione di una cella robotizzata si basa da una parte sull’esperienza che il progettista ha accumulato in anni di lavoro, e dall’altra sulla capacità del committente di descrivere adeguatamente il processo che intende automatizzare e sulla capacità di far emergere le necessità e le prestazioni richieste. Nel momento in cui il progettista ritiene di avere le informazioni necessarie prende delle decisioni relativamente all’hardware che dovrà comporre la cella e passa alla progettazione in dettaglio. Da questo punto in poi esistono una serie di strumenti, quali RobCad, Workspace, ecc. o software forniti da costruttori di robot, in grado di aiutare il progettista nella elaborazione tecnica della cella analizzando e calcolando traiettorie, distanze, segnali, tempi ciclo, ecc. L’obiettivo di questo lavoro è quello di realizzare uno strumento che si ponga a monte della progettazione
particolareggiata della cella e che possa venire incontro sia al committente che al progettista (o all’azienda che installa celle robotizzate). In particolare si ritiene che uno strumento software, di cui allo stato attuale non si conoscono “esemplari” utilizzati con regolarità, possa apportare una serie di vantaggi:
Stabilisce un metodo di approccio al problema;
È un software che può essere utilizzato sia dal progettista che dal committente, aiuta il primo a comprendere il processo e le esigenze del cliente il quale è messo nelle condizioni di poter formulare la richiesta in una forma adeguata riducendo eventuali possibilità di equivoci. In pratica aiuta l’utilizzatore a rispondere alle domande relative agli aspetti tecnici da valutare per la realizzazione di una cella robotizzata;
Velocizza l’analisi del processo per prendere decisioni relativamente all’hardware utilizzabile nella realizzazione della cella;
Rende più veloce il confronto fra soluzioni diverse evidenziandone i punti di maggiore criticità/costo;
L’azienda non perde il know-How acquisito dal progettista e spesso basato sulla sola esperienza;
Facilita la penetrazione in nuovi mercati, nei quali la scarsa conoscenza può essere compensata dal software se messo in grado di riconoscere analogie con casi già risolti anche se in settori diversi.
Il presente lavoro ha quindi come obiettivo la realizzazione di un prototipo di software (il più possibile intuitivo da utilizzare) che sia in grado di fornire i principali vantaggi elencati derivanti da un suo corretto e sistematico impiego.
