1.1. Attuali metodologie per la movimentazione delle pelli

Capitolo 1 - INTRODUZIONE

1.1. Attuali metodologie per la movimentazione delle pelli

Attualmente il livello di automazione del processo produttivo nel settore conciario non è molto elevato, questo a causa delle peculiarità del materiale che deve essere trattato; infatti le pelli presentano le seguenti caratteristiche che ne impediscono una movimentazione con i comuni sistemi automatici utilizzati in altri settori manifatturieri:

ƒ Deformabilità: la pelle è un materiale flessibile, la cui rigidezza varia a seconda dello spessore, della parte dell’animale da cui è ricavata e dai processi a cui è stata sottoposta;

ƒ Dimensioni: le pelli anche del medesimo lotto possono assumere dimensioni variabili, non è possibile conoscere a priori le dimensioni reali di tutte le pelli che devono essere movimentate;

ƒ Bordi non regolari: le pelli possono presentare bordi sfrangiati e difetti;

ƒ Superficie delicata: la superficie della pelle è delicata e quindi può facilmente rovinarsi e/o sporcarsi.

Tali caratteristiche costituiscono le cause principali che hanno impedito uno sviluppo significativo nell’automazione dei sistemi di movimentazioni delle pelli nelle concerie, soprattutto nelle fasi di carico sulle macchine di processo in cui è necessario che la pelle sia posizionata il più possibile stesa e priva di pieghe.

Nonostante le difficoltà evidenti che si possono incontrare è comunque necessario continuare nella ricerca per lo sviluppo dell’automazione del settore conciario, per poter far fronte alla notevole concorrenza dei paesi emergenti che sono i grado di eseguire le medesime lavorazioni con un costo della manodopera inferiore.

1.1.2. Tipologie di pelli

Generalmente sono presenti all’interno delle concerie due diverse tipologie di pelle, a seconda del taglio che è stato eseguito per realizzarle:

ƒ Groppone (Taglio Quadro): parte particolarmente pregiata della pelle poiché generalmente priva di difetti, ha una fibra compatta e uniforme che la rende adatta per la realizzazione di articoli tecnici che richiedono elevate caratteristiche meccaniche; a causa della particolare sezionatura presenta dei bordi poco sfrangiati (Fig. 1.1);

ƒ Mezzine: pelle ottenuta eseguendo un taglio lungo la linea dorsale, presenta bordi molto irregolari (Fig. 1.2).

Figura 1.1 – Groppone (Taglio Quadro)

Figura 1.2 – Mezzina

1.1.3. Classificazione delle attuali metodologie di presa e movimentazione delle pelli Le metodologie di movimentazione delle pelli sono generalmente classificate a seconda di quale superficie della pelle viene utilizzata per eseguire la presa; infatti le pelli possono essere movimentate utilizzando come superficie di presa:

ƒ Il lato fiore: superficie della pelle ottenuta dai tessuti cutanei più esterni; generalmente è la parte della pelle più liscia e morbida ed è molto delicata. Il lato fiore è quello visibile nei prodotti finiti, per questo motivo non possono essere impiegati sistemi di presa che possano danneggiare la pelle o lasciare impronte su di essa;

ƒ Il lato carne: superficie della pelle ottenuta dai tessuti cutanei più profondi; si presenta ruvida e porosa. Il lato carne non è in genere visibile sul prodotto finito, per questo motivo

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non è necessario eseguire la sua verniciatura; eventuali piccoli danneggiamenti della pelle, a causa del dispositivo di presa, su questo lato della pelle possono essere accettabili;

ƒ Il bordo: parte della pelle che presenta molte irregolarità e difetti; la presenza delle frangiature rende difficile l’individuazione della superficie di presa e quindi l’utilizzo di dispositivi automatici per la movimentazione della pelle.

1.2. Presa delle pelli tramite gripper a ventose

Per eseguire la presa della pelle sul lato fiore vengono utilizzati dei sistemi a depressione, la quale può essere ottenuta creando del vuoto all’interno di ventose oppure aspirando l’aria attraverso dei fori presenti sull’organo di presa.

Nelle stazioni di verniciatura è necessario che le pelli siano posizionate sul trasportatore con il lato fiore rivolto verso gli spruzzatori (Fig. 1.3) presenti nella camera di verniciatura (Fig. 1.4).

Tramite diversi studi [1] [2], eseguiti presso la Sezione Produzione del DIMNP¹ dell’Università di Pisa, è stato possibile progettare e realizzare una ventosa in gomma siliconica che permette una corretta presa delle pelli.

Figura 1.4 – Camera di verniciatura Figura 1.3 – Modalità di posizionamento delle

pelli sul trasportatore a fili della stazione di verniciatura

Tramite la ventosa è possibile infatti prelevare la pelle dalla catasta in cui è posizionata e caricarla sul trasportatore a fili (Fig. 1.5), senza creare improntature o danneggiare la pelle.

Per determinare la posizione con cui dovranno essere collocate le ventose nel gripper è stato necessario eseguire un’analisi su due possibili zone di presa della pelle:

ƒ Presa estesa: (Fig. 1.6) si effettua la presa in una zona più estesa possibile;

ƒ Presa centrale: (Fig. 1.8) si effettua la presa in una zona centrale della pelle.

1 DIMNP: Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione

Figura 1.5 – Possibile utilizzo del gripper con ventose per la fase di caricamento delle pelli in una stazione di verniciatura

Figura 1.6 – Presa della pelle in una zona estesa

Come mostra la figura (1.6) se si esegue la presa in una zona estesa è possibile che le ventose, che si trovano vicine al bordo della pelle, afferrino anche la pelle sottostante.

Per trovare una soluzione a questo fenomeno, definito come problema della presa multipla, sono state ideate diverse soluzioni; tra queste viene mostrato in figura (1.7) un dispositivo che esegue la stesura di un materiale poroso tra le pelli posizionate sulla catasta [3] [4]. Non appena una pelle viene depositata, un rullo, sul quale è avvolto il materiale poroso, trasla e deposita il materiale sulla pelle.

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h

Figura 1.7 – Dispositivo per la stesura del materiale poroso

Per evitare il fenomeno della presa multipla è stata considerata la possibilità di eseguire la presa solo in una zona centrale della pelle (Fig. 1.8)

Figura 1.8 – Presa della pelle in una zona centrale

Le dimensioni della zona di presa sono sufficientemente più piccole delle dimensioni delle pelli in modo da essere sicuri che la zona in cui si esegue l’afferraggio non sia vicino ai bordi irregolari della pelle (per evitare la presa della pelle sottostante).

La zona centrale, in cui si ha la certezza di avere prelevato una singola pelle, è stata definita [1]

zona di sicurezza di presa del gripper.

Dopo che le ventose hanno afferrato la pelle, questa viene sollevata dal gripper; come si nota dalla figura (1.8) si formano dei lembi cadenti che impediscono di depositare sul trasportatore a fili la pelle completamente stesa, infatti durante il rilascio della pelle da parte del gripper i lembi cadenti si ripiegherebbero su se stessi.

Deve quindi essere realizzata la stesura dei lembi cadenti prima che la pelle sia depositata sul trasportatore.

1.3. Dati di partenza

1.3.1. Principio di funzionamento del dispositivo stenditore

Per eseguire la stesura dei lembi cadenti, prima che la pelle sia posizionata su un trasportatore, è stato definito [6] un dispositivo a camere laterali espandibili (Fig. 1.9). La modalità di funzionamento del dispositivo può essere suddivisa in due distinte fasi:

Fase 1 La pelle viene posizionata sopra le camere, che sono inizialmente in configurazione chiusa; tramite l’espansione assiale delle camere si realizza la stesura della pelle in una direzione (Fig. 1.9);

Fase 2 Le ventose rilasciano la pelle sulle camere espandibili; tramite una rotazione satellitare delle camere espandibili si esegue contemporaneamente la stesura della pelle nella direzione mancante e il suo trasferimento sui fili del trasportatore (Fig. 1.10 – 1.11 – 1.12).

Figura 1.9 – FASE 1 principio di funzionamento delle camere espandibili (moto assiale)

ω₃

ω_p ω₁ v_fs θ

v_c

Figura 1.11 – (FASE 2 intermedia) principio di funzionamento delle camere

espandibili ω₃

ω_p

ω₁ vfs

v_c

Figura 1.10 – (FASE 2 iniziale) principio di funzionamento delle camere espandibili

(moto rotatorio satellitare)

ω₃ ω_p

ω₁ θ = 90°

v_fs

Figura 1.12 – (FASE 2 finale) principio di funzionamento delle camere espandibili

(moto rotatorio satellitare)

6 6

È necessario che la rotazione sia di tipo satellitare per accompagnare la pelle sul trasportatore ed evitare che avvenga la caduta dell’ultimo lembo della pelle per gravità, con la conseguente formazione di pieghe (Fig. 1.13).

All’interno della Sezione Produzione del DIMNP dell’Università di Pisa è stato progettato e realizzato [6] [7] un dispositivo prototipale per la presa e la movimentazione delle pelli.

La realizzazione del prototipo è avvenuta dopo aver rilevato le carenze funzionali dei vari brevetti e macchinari reperibili sul mercato predisposti per le medesime operazioni.

Il prototipo (Fig. 1.14) ha la funzione di verificare che la modalità di stesura ideata consenta realmente di eseguire un corretto posizionamento della pelle su un trasportatore a fili.

ω₃

v_fs v_c

Figura 1.13 – (Rotazione non satellitare) caduta ultimo lembo

Figura 1.14 – Prototipo presente in Dipartimento

Nel prototipo si possono individuare tre gruppi funzionali fondamentali:

ƒ Trasportatore a fili (10, Fig. 1.15);

ƒ Gruppo portasatellite (2, Fig. 1.15);

ƒ Gruppo camere espandibili (3, Fig. 1.15).

Il trasportatore a fili è costituito da due rulli (7 – 8, Fig. 1.15) su cui si avvolgono i fili che trascinano la pelle dopo la stesura; il rullo (7) è messo in rotazione dal motore elettrico (4, Fig.

1.15).

Il piano del trasportatore può inclinarsi ruotando intorno all’asse di rotazione (9) del rullo trasportatore (8), il moto è dato da un cilindro idraulico posizionato sotto il piano del trasportatore (6, Fig. 1.15); la massima inclinazione che può assumere il piano del trasportatore è di circa 10° .

Tutto il dispositivo è posizionato su un telaio (1, Fig. 1.15) costituito da profilati a sezione rettangolare in acciaio.

Il gruppo portasatellite (Fig. 1.16 – 1.17) ha la funzione di far eseguire alle camere espandibili la rotazione satellitare, indispensabile per poter stendere correttamente le pelli.

Figura 1.15 – Modello CAD prototipo presente in Dipartimento

Figura 1.16 – Gruppo portasatellite Figura 1.17 – Gruppo portasatellite

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L’asse di rotazione del portasatellite (14, Fig. 1.16) è fisso al telaio; il gruppo riceve il moto tramite la puleggia (11, Fig. 1.16), solidale al portasatellite (2, Fig. 1.16), dal motore (5, Fig. 1.15).

La cinghia di trasmissione trasmette il moto dalla puleggia (15, Fig. 1.17), vincolata al telaio, alla puleggia (16, Fig. 1.17) solidale all’albero delle camere espandibili (12, Fig. 1.16).

Poiché la puleggia (15, Fig. 1.17) è fissa, la rotazione del portasatellite (ωp) ha verso opposto rispetto alla rotazione della camera espandibile (ω3) (Fig. 1.18); il rotismo epicicloidale così ottenuto è un sistema ad un grado di libertà.

Il gruppo camere espandibili è costituito principalmente da due palloni realizzati in PVC con una struttura interna in tela.

L’espansione avviene immettendo aria compressa all’interno delle camere (Fig. 1.19); la deformabilità delle camere permette il loro riposizionamento all’interno delle sedi durante la fase di rientro (sgonfiaggio).

ω3

ωp ω1

vfs

θ

vc

Figura 1.18 – Rotismo epicicloidale

CAMERA IN CONFIGURAZIONE CHIUSA

CAMERA IN CONFIGURAZIONE APERTA

Figura 1.19 – Fase di gonfiaggio della camera espandibile

1.3.2. Analisi della sequenza operativa del dispositivo stenditore

Per comprendere meglio il funzionamento del dispositivo si passa all’analisi della sequenza delle operazioni con cui sono state svolte le prove sul prototipo.

Il manipolatore, che ha il compito di posizionare le pelli sulle camere espandibili, è un robot a cinematica cilindrica preesistente installato in dipartimento (JOB’OT 6 prodotto dalla JOBS S.p.A.) (Fig. 1.20); sul polso del robot è stato collegato il gripper [5] (Fig. 1.21) con le ventose per eseguire la presa centrale delle pelli.

Figura 1.20 – Robot a cinematica cilindrica installato presso il DIMNP dell’Università di

Pisa

Figura 1.21 – Gripper con ventose realizzato dal DIMNP dell’Università di Pisa

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Sequenza delle operazioni eseguite durante le prove, svolte al DIMNP dell’Università di Pisa, sul prototipo del dispositivo stenditore:

A. La pelle con cui si esegue la prova viene posizionata manualmente sul piano del dispositivo stenditore; tale operazione preparatoria è eseguita solo prima di avviare un ciclo di prove (Fig.

1.22);

B. Dopo aver dato inizio al ciclo di prove, il robot posiziona il gripper sopra la pelle (Fig. 1.23);

nel frattempo l’unità di governo del robot attiva la depressione alle ventose;

Figura 1.22 – Posizionamento manuale

della pelle Figura 1.23 – Posizionamento del gripper sopra la pelle

C. Il robot preleva la pelle sollevandola (Fig. 1.24) e la posiziona sopra le camere espandibili, che sono nella configurazione iniziale (chiuse) (Fig. 1.25);

Figura 1.24 – Prelievo della pelle Figura 1.25 – Posizionamento della pelle sulle camere espandibili

D. Con la pelle posizionata correttamente sulle camere, viene eseguita la fase di espansione delle camere, introducendo aria compressa al loro interno (Fig. 1.26); si esegue la stesura della pelle nella direzione del moto delle camere espandibili;

E. Terminata la fase di espansione, le ventose rilasciano la pelle sopra le camere ed il robot riporta il gripper nella posizione di prelievo (Fig. 1.27); con il rilascio della pelle, si attiva la fase di discesa del piano del trasportatore a fili. Conclusa la fase di discesa viene azionato lo scorrimento dei fili;

Figura 1.26 – Fase di espansione camere

espandibili Figura 1.27 – Rilascio della pelle e riposizionamento del gripper

F. Quando il gripper si riposiziona correttamente nelle posizione di carico, inizia la rotazione del portasatellite (ωp) e quindi anche quella delle camere espandibili (ω3); si esegue contemporaneamente la stesura della pelle, nella direzione del moto lineare dei fili del trasportatore, e il suo posizionamento sul trasportatore (Fig. 1.28);

G. Le camere continuano il loro moto satellitare fino a portarsi allo stesso livello del rullo del trasportatore (Fig. 1.29);

Figura 1.28 – Rotazione satellitare della camera espandibile

Figura 1.29 – Posizione finale camere espandibili

H. La pelle viene trasportata dai fili fino a quando non interrompe il fascio luminoso del sensore di arresto; in questa fase si ha lo sgonfiaggio delle camere espandibili e il riposizionamento del portasatellite nella posizione iniziale (θ = 0); la pelle si trova di nuovo nella posizione di prelievo e quindi il ciclo di prova può essere ripetuto (Fig. 1.30).

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Figura 1.30 – Riposizionamento della pelle e del piano del trasportatore

1.4. Obiettivo e modalità di analisi del presente lavoro di tesi

Obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di progettare un dispositivo per il corretto² caricamento delle pelli su macchine presenti nel processo produttivo conciario; il dispositivo deve realizzare la stesura della pelle tramite la sequenza operativa eseguita dal prototipo ed illustrata nel paragrafo (1.3.2).

In particolare, durante le fasi della progettazione, si dovrà tener conto delle richieste funzionali provenienti dal settore conciario e delle problematiche individuate durante le prove eseguite sul prototipo, in modo da realizzare una macchina che sia realmente in grado di interfacciarsi con il sistema produttivo.

Nel lavoro svolto si possono distinguere quattro distinte fasi:

ƒ Acquisizione dei dati necessari per la definizione delle specifiche del dispositivo stenditore, realizzata tramite visite presso una conceria ed attraverso un’analisi critica della funzionalità del prototipo;

ƒ Definizione e analisi comparativa delle possibili soluzioni costruttive ipotizzate per soddisfare le prestazioni richieste e le condizioni limitanti individuate nella fase progettuale precedente;

ƒ Analisi accurata delle soluzioni selezionate, completamento della fase progettuale e verifiche strutturali dei componenti ritenuti “critici” ³;

ƒ Analisi dei risultati ottenuti e identificazione dei possibili aspetti progettuali che possono essere sviluppati in futuro.

2La pelle, sul trasportatore della macchina di processo, deve essere posizionata stesa e priva di danneggiamenti superficiali e/o macchie.

3In questa fase della progettazione si riterranno critici quei componenti la cui forma e/o dimensione è vincolante per i corretto funzionamento del dispositivo.