Utensili robotizzati

L’utilizzo degli utensili all’interno di una moderna cella di processo robotizzata: l’esperienza applicativa di SIR Soluzioni Industriali Robotizzate nelle operazioni di taglio e sbavatura ad elevata flessibilità.

L’utilizzo della robotica industriale ha conosciuto nell’ultimo decennio un notevole sviluppo, specialmente nei settori e nelle applicazioni di stampo non tradizionale, caratterizzati da un elevato valore aggiunto delle soluzioni implementate. La fonderia in particolare sta vivendo una nuova florida fase di automazione: se un tempo i robot erano relegati alle classiche operazioni di carico/scarico, a tutti i livelli, ora l’utilizzo degli antropomorfi si estende con un successo sempre crescente verso le applicazioni di processo vero e proprio, quali il taglio, la sbavatura, la smussatura, la smerigliatura, la lucidatura e la brillantatura. SIR Soluzioni Industriali Robotizzate, tra i maggiori Robotic System Integrator a livello internazionale, sta seguendo da anni l’evolversi del settore, vantando la realizzazione di soluzioni d’avanguardia non solo nelle fonderie di ghisa ed alluminio, ma anche nelle industrie che si dedicano alla lavorazione di ottone e leghe di altro genere. Il compito dell’integratore, in questi casi, non si limita allo studio della soluzione meccanica ed elettronica, alla realizzazione e alla programmazione dell’impianto: per una buona riuscita dell’automazione, occorre possedere competenze pratiche e conoscenze specifiche delle procedure di lavorazione e delle tecniche di utilizzo degli utensili. Questi ultimi, in particolare, risultano di fondamentale importanza per il raggiungimento della qualità richiesta: è quindi estremamente importante che l’integratore, in collaborazione con il cliente finale conoscitore della singola applicazione, operi la corretta scelta degli utensili coinvolti ed in ultimo li sappia utilizzare in modo consono all’interno del contesto automatizzato.

 

DIAMANTATO E RESINOIDE
Il notevole know how maturato in oltre vent’anni di robotica ad alto livello e le innumerevoli applicazioni realizzate nell’ambito delle lavorazioni di finitura hanno permesso a SIR di accumulare una notevole esperienza nel campo dell’utensileria: a seconda delle operazioni svolte e del materiale lavorato, le celle SIR sono oggi corredate da mole diamantate e resinoidi, dischi diamantati, seghe a disco o a nastro, frese frontali in lega dura o ricoperte in materiale ceramico, spazzole, nastri abrasivi, ruote in sisal e cotone. In particolare le mole, suddivise in resinoidi e diamantate, rivestono una notevole importanza nelle operazioni di sbavatura. Quelle caratterizzate da impasto resinoide sono generalmente utilizzate per asportazioni di notevole entità, nonché per la lavorazione di acciai speciali di elevata durezza, ad esempio quelli ad alto contenuto di cromo. Sono caratterizzate da un costo contenuto, ma presentano alcuni svantaggi di cui occorre tenere conto nella progettazione e nell’utilizzo di un’isola robotizzata: innanzitutto il diametro della mola non rimane costante durante la lavorazione, rendendo quindi necessaria una continua ravvivatura dell’utensile con conseguente modifica del profilo dello stesso. La stessa manipolazione degli oggetti a contatto con la mola deve essere svolta con particolare attenzione, poiché eventuali errori di programmazione o di approccio con conseguente urto in velocità sulla stessa possono provocare rotture ed esplosioni pericolose sia per le apparecchiature che per l’eventuale operatore. Le mole diamantate, al contrario, non soffrono di questo problema e sono caratterizzate da una durata elevata, comunque rapportata al costo, generalmente quadruplicato rispetto alle mole con impasto resinoide. Poiché il diametro e il profilo permangono costanti nel tempo, la ravvivatura non è necessaria: questa particolare caratteristica ha decretato il successo della mola diamantata nelle applicazioni di robotica, poiché l’isola non deve essere dotata di strumenti ed apparecchiature atte alla ripresa del profilo e alla continua correzione del programma di lavorazione. D’altro canto, le mole diamantate sono applicabili solamente nelle lavorazioni di materiali di durezza non eccessiva e per asportazioni di piccole e medie dimensioni. In poche parole, è possibile individuare due grandi categorie di impiego e la scelta tra utensile resinoide e diamantato viene attuata in base al materiale e all’entità della lavorazione. Così come i dischi da taglio, anche le mole, di qualsiasi tipologia esse siano, devono essere utilizzate impostando i corretti parametri di lavorazione, in particolare giri di rotazione e velocità di avanzamento del robot.

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IL CONTESTO APPLICATIVO
Per meglio capire come mole ed altre utensili vengano utilizzati all’interno delle celle SIR, occorre osservare con attenzione il contesto applicativo, ovverosia il layout e il funzionamento di una classica applicazione di processo realizzata dall’azienda modenese, vera e propria summa del know-how e dell’esperienza maturata in tanti anni di integrazione ad alto livello. La soluzione più frequente prevede la manipolazione del pezzo da parte del robot antropomorfo e la lavorazione su utensili disposti all’interno dell’area di azione del robot. Tale configurazione, a differenza di quella in cui l’elemento da lavorare è collocato in parte fissa e gli utensili sono posizionati a bordo, risulta infatti più razionale e produttiva, poiché il manufatto può essere prelevato dal sistema di alimentazione e direttamente lavorato, senza necessità di operazioni di deposito e cambi pinza intermedi. La lavorazione può in genere essere applicata a tutte le giaciture dell’elemento, grazie all’ausilio di opportune unità di cambio presa, e il passaggio da un utensile all’altro avviene solitamente in modo molto veloce, con notevole riduzione dei tempi passivi di movimentazione. Poiché il pezzo è sostenuto dal robot, non si rendono necessarie attrezzature complicate di sostegno e rotazione dello stesso sul fronte di lavoro, comportando di conseguenza un minor costo dell’impianto e un ridotto tempo di attrezzamento al cambio tipo. Non essendo posizionati a bordo, gli utensili possono d’altro canto essere caratterizzati da notevoli dimensioni e da regimi di rotazione importanti, assicurando al contempo una sollecitazione meccanica non eccessiva sull’antropomorfo. E’ chiaro che una configurazione di questo tipo garantisce una maggiore flessibilità, a fronte di un minore tempo ciclo e di una migliorata qualità e ripetibilità nella lavorazione. SIR però si è spinta ancora oltre, implementando una soluzione che di fatto soppianta la tradizionale disposizione radiale degli utensili nell’area di lavoro del robot. Le celle di sbavatura, taglio e finitura Profile, di tipo modulare e generalmente impiegate nella lavorazione di ghisa ed alluminio, si caratterizzano infatti per la presenza di un protagonista d’eccezione, che affianca l’ antropomorfo nelle operazioni di lavorazione: il Modulo. Recentemente brevettato, il Modulo consiste in un’unità di lavoro universale e personalizzabile a seconda delle esigenze del cliente, costituito da una struttura in rotazione su un asse controllato dallo stesso robot. Il Modulo è in grado di alloggiare quattro o più stazioni intercambiabili dotate di utensili e alternativamente posizionabili nell’area di lavoro sul fronte del robot, e viene proposto con configurazioni standard per le applicazioni nel settore della ghisa e dell’alluminio. Nel primo caso, ad esempio, il Modulo alloggia tipicamente una molatrice e un disco da taglio compensati assialmente, a cui si aggiungono due fresatrici dotate di compensazione a crociera. Ogni stazione può inoltre essere equipaggiata con uno o due mandrini in grado di inclinarsi sino a 90° per le lavorazioni sottosquadro: nulla vieta però di costruire la propria personale configurazione grazie alle caratteristiche modulari della soluzione. Nel settore della lavorazione dell’alluminio, il Modulo alloggia invece un disco da taglio o in alternativa una sega a nastro, una o due nastratrici verticali di nuova concezione, dotate di compensazione a pendolo ad alta sensibilità di regolazione, una fresatrice oppure un pneumomandrino dotato di compensazione radiale. Alla compattezza della soluzione (da 34 a 45 mq di spazio occupato) si aggiunge una notevole facilità di accesso interno e di pulizia, accompagnata da un elevato comfort ambientale: un opportuno sistema di aspirazione impedisce l’accumulo di polveri pericolose che potrebbero innescare incendi od esplosioni, soprattutto se i manufatti lavorati sono costituiti da alluminio o magnesio. Attorno al robot, attore principale capace di ricreare il lavoro dello sbavatore e del fresatore, si sviluppano inoltre differenti sistemi di servizio: tra questi, una tavola standard di alimentazione grezzi, dotata di piani universali con giacitura degli elementi individuata dal nuovo sistema di visione brevettato VistaVision®. Lo scarico dei finiti può avvenire all’interno di cassoni posizionati su una seconda tavola rotante o tramite nastro di evacuazione. Le pinze di presa a 2/3 griffe, dotate di moduli di aggancio/sgancio automatico, sono alloggiate in un magazzino di nuova concezione, mentre stazioni di cambio presa e sistemi di visione complementari rappresentano ulteriori moduli addizionali capaci di assicurare a questa piccola fabbrica nella fabbrica una corretta logistica di produzione. La cella è infine dotata, nel caso vengano utilizzate mole in resinoide, di sistemi di ravvivatura automatica opportunamente progettati e realizzati dalla stessa SIR, in grado di ripristinare la corretta geometria della mola. E’ chiaro che questa operazione comporta un tempo di esecuzione abbastanza lungo e non sempre mascherabile, con conseguente diminuzione della produttività della cella. Il cambio di geometria deve inoltre essere accompagnato da un aggiornamento automatico delle quote robot, nei vari punti programmati.

 

LE CONFIGURAZIONI ALTERNATIVE
Sebbene la cella Profile rappresenti la soluzione ottimale, esiste una configurazione alternativa in genere utilizzata meno frequentemente. Essa prevede l’impiego di utensili manipolati dal robot, mentre l’elemento da lavorare si trova in posizione fissa o su apposite attrezzature movimentate da rotobasculanti, che comportano però un aumento del costo complessivo dell’impianto, del tempo ciclo e di quello di riattrezzamento. E’ chiaro che, trovandosi a bordo, gli utensili non potranno avere dimensioni eccessive, mentre la potenza assorbita non potrà raggiungere valori troppo elevati: l’utilizzo delle mole è quindi sconsigliabile, a favore di dischi da taglio di diametro contenuto, seghe, frese, fresini, nastratrici e ruote lamellari. Le celle costruite da SIR con tale configurazione prevedono l’impiego di utensili dotati di moduli di aggancio/sgancio automatico, alloggiati in opportuni magazzini. Gli stessi elettromandrini sono dotati di cambio utensile automatizzato e sono caratterizzati da un ridotto tempo di startup al fine di minimizzare il tempo ciclo complessivo. Come è facile intuire, la soluzione con utensili a bordo robot risulta preferibile solamente nel caso di elementi di grandi dimensioni e di peso notevole, o che presentano difficoltà di afferraggio. Ma esiste una terza configurazione, in grado di unire i vantaggi di entrambe le soluzioni? La risposta è affermativa e SIR ha già provveduto a realizzarla e brevettarla: essa prevede un unità Modulo con possibilità di utilizzo di decine di utensili diversi, sostituibili in automatico e in tempo mascherato durante la stessa lavorazione del robot, sia per motivi di cambio tipo che di usura. Un’idea in grado quindi di assicurare la massima flessibilità e che proietta l’automazione dei processi di fonderia verso una nuova frontiera di sviluppo.

 

L’IMPORTANZA DELLA COMPENSAZIONE
Come già accennato nella descrizione dell’unità Modulo, gli utensili impiegati nelle celle SIR sono equipaggiati con dispositivi di compensazione meccanica di tipo passivo: il problema legato alla variabilità nei lotti di produzione viene quindi eliminato introducendo strumenti in grado di adattarsi ai profili che si allontanano dalla definizione nominale. Le unità di lavorazione fisse o mobili sono in sostanza dotate di gradi di libertà che consentono di mantenere costante la forza di contatto tra utensile e componente al variare dello spessore del sovrametallo. La costanza della forza sulla superficie di contatto provoca un incremento della pressione specifica in corrispondenza di sporgenze non costanti quali bave o creste di giunzione degli stampi, aumentando il potere di asportazione dell’utensile sino all’eliminazione totale delle stesse. Tali strumenti permettono di ottenere un’alta qualità di finitura ed un’elevata ripetibilità a fronte di errori di fusione e stampaggio, variabilità nella dimensione delle bave ed imprecisioni nella programmazione. La compensazione è la chiave delle applicazioni di processo: non è possibile effettuare operazioni di sbavatura, smerigliatura e lucidatura di elevata qualità mantenendo l’utensile rigido. Generalmente di tipo monodirezionale, bidirezionale a croce od omnidirezionale, la compensazione passiva prevede che la forza di contatto venga gestita automaticamente dal programma robot, assicurando un adattamento costante anche a fronte di differenti modalità di lavorazione. L’ultima generazione di celle SIR prevede inoltre l’utilizzo di strumenti di compensazione attiva, costituiti da opportuni sensori montati a bordo robot in grado di misurare l’intensità e la direzione delle forze in gioco durante la lavorazione. L’utilizzo di un software in grado di retroazionare il comportamento del robot con un tempo di campionatura dei sensori di alcuni millisecondi assicura anche in questo caso un notevole miglioramento della qualità e della ripetibilità, l’ottimizzazione del tempo ciclo, la semplificazione della fase di programmazione e, non ultima, la riduzione del rischio di danneggiamento.

 

UN APPROCCIO AD ELEVATA INTEGRAZIONE
Per sfruttare al meglio le possibilità offerte dagli utensili, è assolutamente necessario che la programmazione delle celle sia effettuata con buona accuratezza. L’approccio alle mole, in particolare, deve avvenire in modo sicuro e corretto, onde evitare che l’utensile venga danneggiato o che lo scintillio ad elevatissima temperatura generato venga orientato verso il robot innescando incendi in prossimità di cavature e festoni. Nell’utilizzo dei dischi preposti al taglio, l’approccio deve invece avvenire in modo che il peso della materozza o del canale di colata tenda a fare aprire il taglio stesso. Si tratta di semplici accorgimenti che possono però fare la differenza tra una lavorazione sicura e un’applicazione pericolosa o non perfettamente funzionante: lo stesso utilizzo della compensazione prevede regole precise per sfruttarne appieno la sensibilità. Affinché il programma di lavorazione risulti accurato, occorre che l’implementazione dello stesso prenda le mosse dall’elemento ideale. A tal fine, SIR correda le proprie celle di processo con strumenti di simulazione virtuale e di programmazione Off-Line, basati sulla matematica 3D degli elementi, e con digitalizzatori a contatto opportunamente dimensionati. Tali sistemi garantiscono la possibilità di programmare il robot con precisione comodamente seduti nel proprio ufficio, senza fermare l’impianto reale, conoscendo in anticipo criticità e tempi ciclo e con un notevole guadagno sui tempi di messa in servizio. I problemi di allineamento tra mondo reale e virtuale, determinati dalle geometrie, dalla varianza degli elementi e della presa, vengono risolti mediante l’utilizzo di sensori a contatto all’interno della cella o grazie alle potenzialità di fasatura tridimensionale offerte dal nuovo sistema di visione VistaVision®, che garantisce una veloce fase di tuning finale del programma.
SIR propone in sostanza una soluzione globale in cui l’ottenimento di un risultato qualitativo elevato, costante e ripetitivo passa necessariamente attraverso l’utilizzo corretto di utensili scelti per lo scopo, coadiuvato però da differenti strumenti e strategie. L’integrazione spinta di diversi sistemi all’interno della medesima soluzione rappresenta in sostanza una condizione imprescindibile per la realizzazione di una moderna isola di processo, che si possa a pieno titolo definire intelligente.

 

Davide Passoni
R&D Department
SIR spa