Capitolo 5
SISTEMA PER IL CONTROLLO DELL’UTENSILE
COMPLETO
5.1. Creazione del collegamento utensile completo-codice di
identificazione
Nel capitolo precedente è stata evidenziata la necessità di adottare un opportuno codice d’identificazione che consentisse di individuare univocamente ciascun utensile o dispositivo accessorio presente in officina; l’impiego di tale codice risponde all’esigenza di risalire alla localizzazione del componente interessato e di metterlo in relazione con le lavorazioni eseguite, al fine di determinarne la disponibilità e la vita utile residua.
L’adozione di un codice d’identificazione comporta evidentemente la realizzazione di un collegamento fra il codice stesso e l’oggetto corrispondente; occorre quindi svolgere una panoramica degli strumenti attualmente conosciuti che permettono di creare tale legame e valutarne le caratteristiche principali, in modo da determinare la soluzione più indicata in relazione alle prestazioni desiderate.
Le tecniche d’identificazione fino ad oggi sviluppate nell’ambito manifatturiero sono basate sull’impiego dei seguenti dispositivi:
• codice a barre • transponder
Entrambi i sistemi consentono di associare ad un oggetto un insieme d’informazioni che ne identificano le caratteristiche principali; risulta quindi possibile raccogliere, trasportare e rendere disponibili dati tecnologici e logistici, permettendo di gestire in maniera efficiente il complesso di utensili e componenti accessori presenti in officina.
Al fine di determinare il sistema d’identificazione che risulti più conveniente in relazione alle caratteristiche della realtà produttiva esaminata, occorre analizzare gli aspetti principali delle due tecniche indicate.
Il codice a barre rappresenta una simbologia per la codifica d’informazioni adatta ad essere impiegata in sistemi automatici di rilevamento; tale codifica si basa su una logica binaria, simile al linguaggio dei calcolatori.
Il codice a barre è costituito da una successione di elementi scuri, definiti barre, alternati ad elementi chiari, definiti spazi; gli elementi del codice sono stampati su un apposito supporto fisico, le cui caratteristiche meccaniche variano in base all’applicazione.
Generalmente il supporto è costituito da etichette adesive; tuttavia sono disponibili supporti in stoffa, in vetro, in alluminio, adatti ad impieghi speciali.
La lettura del codice a barre avviene tramite dispositivi presenti sul mercato in varie tipologie (lettore laser, lettore a penna, lettore CCD); tali dispositivi sono in grado di tradurre la sequenza di barre e spazi in un corrispondente segnale elettrico.
I sistemi d’identificazione tramite transponder sono costituiti da tre elementi principali che svolgono rispettivamente le funzioni di trasporto dei dati, di lettura e scrittura delle informazioni e di trasmissione del contenuto raccolto ai sistemi di gestione.
Il transponder, o tag RFID (Radio Frequency IDentification), è un dispositivo dotato di una memoria e di un apparato ricetrasmittente; il tag viene eccitato da un dispositivo esterno con il quale comunica via radio, inviando il proprio codice identificativo oltre ad eventuali altre informazioni memorizzate.
Sono disponibili transponders definiti “riscrivibili” che consentono di aggiornare i dati memorizzati; tale modello di tag permette di modificare il proprio codice identificativo in modo da poter essere associato ad oggetti diversi nel corso del suo impiego.
La forma, il materiale e le dimensioni dei transponders possono variare notevolmente in base alle applicazioni ed alla tipologia di prodotto cui sono destinati.
Una distinzione fondamentale riguarda tag attivi e tag passivi; i primi sono dotati di una batteria interna che garantisce maggiore quantità di memoria ed una superiore velocità di trasmissione dati.
Nel secondo caso l’energia necessaria al funzionamento è fornita dalla sorgente RF in comunicazione con il tag; la portata, dell’ordine di qualche metro, è inferiore rispetto ai tag di tipo attivo che tuttavia sono penalizzati da dimensioni e costi più elevati.
In seguito alla descrizione dei sistemi d’identificazione analizzati occorre evidenziare le differenze di prestazioni, i punti di forza ed i limiti di entrambi, al fine di stabilire la soluzione migliore per raggiungere gli scopi prefissati.
Innanzi tutto il tag ha la capacità, impraticabile tramite il codice a barre, di acquisire informazioni, consentendo di registrare dati durante l’impiego; inoltre, adottando appositi lettori, è possibile registrare i dati di più tags contemporaneamente.
In ambienti caratterizzati da temperature elevate, presenza di solventi ed agenti chimici i codici a barre sono soggetti a deterioramento che ne può compromettere la lettura; inoltre la presenza di sporcizia (ad esempio il liquido lubrorefrigerante impiegato nelle macchine utensili) rende illeggibile il supporto.
Il tag inoltre può essere identificato indipendentemente dal proprio orientamento mentre la lettura del codice a barre è possibile solo se il lettore è affacciato all’etichetta; tale operazione risulta attendibile unicamente entro distanze notevolmente inferiori rispetto alle portate dei sistemi RFID.
Il tag è disponibile in numerose forme, dimensioni e materiali così da adattarsi ad un’ampia varietà di impieghi e condizioni ambientali.
Occorre considerare che il tag può essere riutilizzato ed associato a diversi oggetti nel corso della sua vita; inoltre, contrariamente al codice a barre, può memorizzare dati aggiuntivi nei casi in cui sia necessario aggiornare i dati relativi alla vita dell’oggetto associato.
I limiti derivanti dall’adozione di sistemi RFID sono rappresentati essenzialmente dal maggiore investimento iniziale, legato all’acquisto dei vari componenti e dall’assenza di uno standard di funzionamento diffuso su base mondiale.
In conclusione, tenendo conto delle considerazioni svolte, la soluzione maggiormente indicata per la realizzazione di un efficiente sistema di monitoraggio degli utensili risulta essere l’adozione di un sistema di identificazione basato sull’impiego di transponders di forma e dimensioni adeguati all’applicazione sul corpo dell’utensile e dei componenti impiegati in produzione.
5.2. Analisi della soluzione proposta; i sistemi RF-ID
Al fine di applicare in maniera corretta il sistema d’identificazione RF-ID scelto in base all’analisi svolta nel capitolo precedente, occorre approfondire gli aspetti legati al principio di funzionamento e agli elementi che costituiscono il sistema esaminato, analizzando le varie tipologie costruttive attualmente disponibili sul mercato.
Come anticipato nel paragrafo precedente, i componenti principali dei sistemi per l’identificazione tramite radio frequenza sono tre:
• il transponder (tag);
• i dispositivi di “Scrittura / Lettura”; • le antenne.
I transponders possono essere classificati in base ad alcune caratteristiche tecniche che ne determinano le prestazioni, il costo e gli impieghi; tali caratteristiche sono rappresentate dal tipo di memoria e dalla fonte di energia necessaria al funzionamento.
I transponder più semplici ed economici sono dotati di una memoria ROM di sola lettura, di capacità pari a poche decine di byte; in fase di fabbricazione, all’interno della memoria, viene registrato il codice d’identificazione per mezzo del quale effettuare il riconoscimento durante l’impiego del transponder.
Tale caratteristica limita il campo d’impiego e richiede la costituzione di un apposito archivio che consenta di creare un collegamento fra il codice d’identificazione del tag ed il codice interno dell’azienda.
Per tali motivi è solitamente preferibile l’adozione di transponder dotati di memoria di tipo riscrivibile, all’interno della quale possono essere registrati direttamente il codice interno dell’azienda oltre che le informazioni ritenute opportune.
I transponder riscrivibili utilizzano generalmente memorie EEPROM che permettono di mantenere i dati contenuti anche in assenza di alimentazione.
Un altro elemento di scelta riguarda, come indicato, la presenza della batteria; i transponders che ne sono privi, definiti Passivi, contengono un chip ed un’antenna che, oltre a ricevere e trasmettere dati, è in grado di convertire l’energia elettromagnetica in energia elettrica.
Tale energia viene inviata ad un condensatore che caricandosi svolge la funzione di batteria di alimentazione per il sistema di trasmissione.
I valori delle frequenze del campo elettromagnetico impiegato per il funzionamento dei transponder passivi sono solitamente pari a 125 KHz o13.56 MHz ; a causa della bassa potenza disponibile la portata dei transponder passivi raggiunge valori massimi dell’ordine del metro.
In alternativa sono disponibili sul mercato transponders definiti Attivi, dotati di una piccola batteria al litio in grado di alimentare i circuiti di ricetrasmissione; tali transponders permettono di impiegare frequenze del segnale più elevate, comprese nella banda dei 900 MHz.
I transponders attivi consentono di ottenere portate fino a 100 m e possono essere utilizzati per il riconoscimento a distanza di oggetti in movimento; tuttavia, rispetto ai tags di tipo passivo presentano alcune limitazioni legate alle maggiori dimensioni ed al costo più elevato.
Sono presenti anche tags attivi predisposti per la localizzazione degli oggetti; tramite l’impiego di appositi sistemi di triangolazione basati sulla misurazione della potenza radio è possibile individuare, all’interno dell’area coperta dal segnale, la posizione del tag con precisione dell’ordine del metro.
La scelta della tipologia di tag più indicata per l’applicazione esaminata deve tener conto della forma e degli ingombri del transponder; questi sono disponibili in un’ampia varietà di modelli e materiali, tuttavia sono due le strutture più diffuse.
Nel caso di tag di piccole dimensioni il dispositivo solitamente è inserito in un contenitore plastico di dimensioni 10 x 4 x 3 mm o in un cilindro di vetro di 3 mm di diametro e lunghezza pari a 13 mm, entrambi chiusi ermeticamente.
Altrimenti l’apparato elettrico viene annegato in opportuni materiali plastici la cui configurazione può essere variata seconde le specifiche esigenze del cliente; le strutture generalmente impiegate sono del tipo a disco, eventualmente dotate di un foro centrale di fissaggio, oppure assumono la forma di carta di credito.
I transponders comunicano con appositi dispositivi ricetrasmettitori denominati “Scrittori / Lettori”; tali dispositivi sono disponibili in varie configurazioni, aventi caratteristiche tecniche differenti secondo l’impiego ed il tipo di transponder utilizzato dal sistema d’identificazione.
Ad esempio l’utilizzo di transponders passivi, per motivi legati al funzionamento descritto in precedenza, richiede che il dispositivo di “Scrittura / Lettura” fornisca anche l’energia necessaria alla trasmissione dei dati contenuti nella memoria.
In base alle esigenze del cliente è possibile scegliere “Scrittori / Lettori” di tipo palmare, di tipo trasportabile, adatti ad essere installati su carrelli, o di tipo fisso per il controllo di accessi o di linee di produzione.
Gli apparecchi di “Scrittura / Lettura” sono in grado di conseguire un’elevata sicurezza nel trasferimento di dati, garantendo una percentuale di letture corrette pari al 99.5% sul totale delle trasmissioni effettuate.
I dispositivi attualmente disponibili sul mercato sono in grado di leggere circa 25 transponders in un intervallo di tempo pari a circa 2 secondi; in futuro lo sviluppo di tale tecnologia consentirà di effettuare la lettura di 50 transponders in 1 secondo, oltre che conseguire una rilevante diminuzione dei costi connessi alla realizzazione ed all’impiego del sistema d’identificazione.
Il campo magnetico necessario alla realizzazione della trasmissione di dati è generato da apposite antenne collegate ai dispositivi di “Scrittura / Lettura”; il valore del campo magnetico varia in funzione delle dimensioni dell’antenna impiegata.
Le antenne quindi consentono di rilevare il segnale emesso dal transponder nel caso che questo si trovi all’interno della zona coperta; i dati ricevuti vengono inviati al dispositivo di “Scrittura / Lettura” collegato all’antenna.
La figura 5.1 rappresenta schematicamente i componenti di un sistema di trasmissione dati RF-ID; Dispositivo di lettura Antenna del Dispositivo di lettura Antenna del Transponder Transponder Trasmissione Wireless
5.3. Modalità di controllo delle lavorazioni eseguite
In base alle considerazioni svolte nei paragrafi precedenti è possibile individuare la tipologia di transponder maggiormente indicata per la realizzazione di un efficiente sistema di monitoraggio degli utensili presenti in officina; attualmente sono disponibili transponder “Lettura / Scrittura” che per forma, materiale e dimensioni possono essere applicati sul corpo del portautensile, senza comportare alcuna limitazione durante la lavorazione, garantendo il corretto funzionamento anche se impiegati in ambienti sporchi e ad elevate temperature.
Tabella 5.1 Caratteristiche del transponder impiegato.
Il transponder selezionato sulla base delle esigenze riscontrate è dotato di una memoria EEPROM di capacità pari a 488 caratteri suddivisibili in quattro pagine distinte, sufficienti a registrare l’insieme di informazioni tecnologiche e logistiche relative all’utensile completo al quale è applicato; in particolare è possibile inserire i dati relativi alla localizzazione ed alle lavorazioni eseguite, al fine di permettere la valutazione della vita utile residua dell’utensile stesso secondo l’apposita metodologia indicata nel capitolo precedente.
Le operazioni di “Scrittura / Lettura” sono eseguite dall’operatore tramite l’impiego di un apposito dispositivo d’interfaccia collegabile ad un PC oppure ad un terminale palmare; tale palmare è dotato di un software di comunicazione che permette di scambiare dati direttamente con il transponder.
E’ evidente che il corretto impiego di tale metodologia esige che i dati relativi alle lavorazioni eseguite siano costantemente aggiornati, in modo da garantire risultati attendibili; a tal fine risulta necessario annotare sul transponder le operazioni compiute, insieme ai corrispondenti parametri di taglio e al tempo impiegato.
Al termine della lavorazione l’operatore di macchina, tramite il dispositivo di “Scrittura / Lettura” presente a bordo macchina, registra all’interno della memoria del transponder dell’utensile le seguenti informazioni:
• tipologia di operazione effettuata; • durata della lavorazione;
• parametri di taglio adottati; • materiale lavorato.
Al momento del ritorno dell’utensile completo al magazzino di provenienza le informazioni registrate sul transponder possono essere rapidamente lette tramite un dispositivo di “Scrittura / Lettura”; successivamente tali dati sono inseriti automaticamente nell’archivio utensili, all’interno della tabella assegnata all’utensile corrispondente al transponder controllato.
Com’è stato indicato nei capitoli precedenti, nell’archivio è prevista per ciascun utensile un’area in cui raccogliere le lavorazioni eseguite, in base alle quali è possibile fare una stima della vita residua; adottando la procedura descritta è possibile mantenere aggiornato il registro delle lavorazioni, in modo da conseguire valutazioni attendibili per ciascun utensile impiegato.
I benefici derivanti dall’adozione di tale metodologia consistono nell’opportunità di individuare, fra i vari utensili disponibili per realizzare una determinata operazione, quelli che hanno una vita residua tale da portarla a termine, limitando così il numero d’interruzioni e conseguendo tempi di lavorazione ridotti ed un migliore sfruttamento delle risorse produttive.
Inoltre è possibile evitare le rilevanti perdite economiche derivanti dall’impiego di utensili usurati, quali lo scadimento della finitura superficiale del pezzo e l’insorgere di vibrazioni deleterie che avrebbero come conseguenza lo scarto del pezzo lavorato.
In base a tali considerazioni emerge chiaramente la necessità di disporre di dati ed informazioni continuamente aggiornate, ottenibili adottando il sistema d’identificazione indicato secondo la procedura definita.
5.4. Il controllo della movimentazione dell’utensile completo e
dei suoi componenti
Nel corso degli anni i tempi connessi all’attività di organizzazione degli utensili sono notevolmente cresciuti a scapito dei tempi effettivi di lavorazione, fino ad arrivare a costituire una percentuale pari a circa l’ 85% del totale dei tempi di gestione utensili.
Tale situazione è dovuta al continuo aumento del numero di utensili impiegati nelle aziende manifatturiere, con conseguenti difficoltà connesse alle attività di scelta e di localizzazione degli utensili presenti in officina; tali difficoltà hanno condotto alla duplicazione dei vari utensili, riducendo ancor di più il controllo sui vari componenti impiegati.
Infatti, l’esperienza comune a molte aziende dimostra che una percentuale eccessiva del lavoro degli operatori di macchina è dedicato alla scelta e alla ricerca degli utensili appropriati.
In base a tali considerazioni risulta evidente la necessità di perseguire un migliore sfruttamento dei componenti impiegati tramite la razionalizzazione dell’attività di gestione degli utensili; la realizzazione di un efficiente sistema di localizzazione costituisce evidentemente un passo fondamentale di tale processo di razionalizzazione.
Nei capitoli precedenti è stata evidenziata l’opportunità di accedere, tramite la consultazione dell’archivio, alle indicazioni riguardanti la localizzazione, semplificando notevolmente la ricerca degli utensili selezionati e consentendo di verificarne la disponibilità.
La conoscenza della posizione dei vari articoli permette dunque di ridurre le scorte di utensili grazie ad una minore duplicazione, oltre che limitare i tempi passivi legati alla preparazione degli utensili a bordo macchina e ad eventuali sostituzioni di utensili usurati o danneggiati, con conseguenti minori tempi di interruzione delle lavorazioni.
A tal fine, come spiegato nei capitoli precedenti, all’interno di ciascuna tabella presente nell’archivio utensili è stata predisposta un’indicazione relativa alla postazione nella quale è immagazzinato il componente corrispondente.
In base all’indicazione fornita è possibile localizzare rapidamente ciascun componente e verificarne la disponibilità; quindi, nel caso in cui sia richiesto di rintracciare un insieme di elementi necessari all’assemblaggio di un utensile completo, è sufficiente consultare l’archivio in modo da risalire alla posizione occupata dal singolo componente all’interno di uno dei magazzini.
Una volta costituiti gli utensili completi destinati all’esecuzione del ciclo di lavorazione di un determinato elemento, occorre prevedere uno strumento in grado di monitorarne gli spostamenti all’interno dell’officina, al fine di permetterne la rapida localizzazione e identificazione.
Un tale sistema può essere realizzato tramite l’opportuno impiego del transponder fissato al portautensile; l’operatore, dopo aver localizzato i componenti, provvede ad assemblarli. Successivamente i codici d’identificazione di ciascun componente vengono registrati nell’archivio e nella memoria del transponder; a questo punto l’utensile completo è pronto per essere trasferito ed impiegato.
Nel caso in cui sia necessario rintracciare l’utensile completo o uno dei componenti è sufficiente consultare l’archivio in modo da determinare la macchina CNC su cui l’utensile è momentaneamente collocato; successivamente, tramite un dispositivo di “Scrittura / Lettura” è possibile individuare l’utensile completo ricercato all’interno del magazzino a bordo macchina, grazie al codice d’identificazione memorizzato sul transponder corrispondente.
Introducendo tale metodologia risulta quindi possibile localizzare rapidamente l’utensile completo o il singolo componente, limitando notevolmente il dispendio di tempo dovuto alla ricerca svolta dagli operatori all’interno dei vari magazzini dell’officina; inoltre il maggiore controllo esercitato sui componenti impiegati consente di ridurne la duplicazione, permettendo di conseguire rilevanti benefici economici.
