L’avvento del Robofacturing

L’abilità di realizzare operazioni di processo ad elevata qualità e precisione apre nuovi scenari nel mondo dell’automazione industriale, trasformando i robot in veri e propri operatori specializzati.

 

Le operazioni di processo svolte con antropomorfi, quali il taglio, la sbavatura e la finitura, rappresentano al giorno d’oggi una delle applicazioni più richieste della robotica: i motivi vanno ricercati nell’esigenza di ridurre costi e tempi di produzione, aumentando al contempo qualità e ripetibilità dei manufatti industriali, e nella carenza di manodopera disposta ad operare in ambienti insalubri. SIR Soluzioni Industriali Robotizzate, che opera nel campo dell’integrazione robotica da oltre venticinque anni, è il leader incontrastato delle applicazioni di processo non solo per quanto riguarda le lavorazioni sui metalli (alluminio, ghisa, acciaio, ottone, leghe speciali), ma anche per quelle dedicate ai settori meno convenzionali (plastica, compositi e ceramici). Il know how sviluppato è davvero impressionante: le celle installate in Italia e all’estero si contano ormai a decine, mentre le referenze spaziano dalla piccola industria artigiana ai grandi gruppi industriali. Sbavatura e affini rappresentano le realizzazioni più complicate in ambito robotico, sicuramente quelle più problematiche per quanto riguarda la precisione richiesta: per tale motivo sono necessarie raffinate soluzioni meccaniche e software, specialmente se le applicazioni comportano la lavorazione di manufatti complessi, quali ad esempio i componenti aerospaziali in leghe speciali. In sostanza il robot deve sostituire l’artigiano, lo sbavatore, il tornitore, il fresatore, divenendo esso stesso un operatore specializzato: di conseguenza dovrà essere dotato di strumenti ed “abilità” che gli permettano di realizzare un oggetto finito a partire da un componente grezzo derivante generalmente da una fusione. Un’abilità che può essere definita robot manufacturing o, in una sola parola, robofacturing.

 

UNA FABBRICA NELLA FABBRICA
Per realizzare una buona cella di processo, occorre studiare la soluzione nei minimi dettagli. La stessa qualità della realizzazione meccanica e dei componenti hardware/software deve essere di altissimo livello: lo si può ben osservare nelle celle SIR, costituite da soluzioni monoblocco che le fanno apparire come una vera, piccola, officina automatica indipendente, una fabbrica nella fabbrica, racchiusa e compattata in pochi metri quadri. Il robot è l’attore centrale, attorno a cui si sviluppano le unità di alimentazione, di scarico e cambio presa; possiede griffe di presa atte ad afferrare diverse tipologie di elementi, automaticamente intercambiabili ed alloggiate in un opportuno magazzino. Sul fronte di lavoro dell’antropomorfo stesso, al centro della sua area di azione, si trova il cuore dell’isola: il Modulo. Costituito da un asse controllato che viene comandato dallo stesso robot, l’unità Modulo può alloggiare diverse stazioni di lavorazione, disposte generalmente a 90° l’una rispetto all’altra, e configurabili in base alle diverse tipologie di applicazione: unità di nastratura, sbavatura, fresatura, molatura, dotate di dischi da taglio, frese, mole. Le diverse tipologie di utensile vengono richiamate dal robot a seconda della fase di lavorazione e posizionate, grazie all’asse rotante, sul fronte dell’area di lavoro, nell’angolo ottimale per effettuare il singolo percorso di sbavatura, taglio o finitura. L’utilizzo di tale unità brevettata permette di lavorare in una zona ristretta, semplificando l’operazione di aspirazione delle polveri e dei trucioli, riducendo il tempo ciclo, ottimizzando e facilitando la programmazione: in sostanza il robot si trova ad operare sempre nella posizione ottimale, eliminando i problemi di raggiungibilità dei percorsi. Questa soluzione, applicabile nell’ 80% dei casi, prevede che il robot manipoli l’elemento sostenendolo durante la lavorazione. Non mancano però realizzazioni di configurazione opposta, dove l’elemento viene posizionato su un’unità rotante e il robot si occupa di prelevare i diversi utensili atti alla lavorazione, innestandoli automaticamente al polso.

 

BREMBO19
foto10
NORFOND12
foto4

 

COMPONENTI CHE FANNO LA DIFFERENZA
La qualità di lavorazione in una cella robotizzata di processo si ottiene grazie all’utilizzo di componenti mirati: sono questi che permettono di fare la differenza e che determinano il successo dell’applicazione. Nel mondo del robofacturing non si può prescindere dall’utilizzo di sistemi di visione, di strumenti di compensazione adattiva e di applicativi per la programmazione fuori linea. La visione artificiale viene utilizzata per il prelievo degli elementi dai sistemi di alimentazione, che possono essere costituiti da tavole rotanti dotate di piano universale, da nastri, pallet e ultimamente anche cassoni. Grazie alle nuove tecnologie 3D introdotte nel nuovo sistema di visione proprietario CubicVision, i robot SIR sono infatti in grado di prelevare gli elementi direttamente dal contenitore, con disposizione alla rinfusa: si tratta di una soluzione rivoluzionaria, in grado di aprire nuovi scenari nel mondo della manifattura industriale. Ma non è finita qui: tali sistemi sono in grado di ispezionare l’elemento, al fine di effettuare misure dimensionali e superficiali, o di controllare lo stato delle bave e la loro dimensione per adattare in tempo reale il programma di lavorazione, donando potere decisionale alla macchina, che potrà scegliere ad esempio di effettuare passate di finitura aggiuntive. Questa funzionalità di path recognition consente addirittura la programmazione ottica del robot: il percorso viene in sostanza determinato dal profilo calcolato dal sistema di visione, che si occupa della trasformazione dell’immagine in un vero e proprio programma robot costituito da centinaia di punti. E’ il caso dei coltelli usati, alimentati in modo random e a lotto unitario, che vengono affilati, sbavati e lucidati da impianti SIR realizzati allo scopo, dove il sistema di visione opera come un vero e proprio tool di autoprogrammazione in tempo reale. Ma manca ancora il pezzo forte: queste isole devono lavorare giorno e notte, 24 ore su 24, producendo manufatti di qualità elevata e costante. Per raggiungere questo scopo, il robot deve possedere qualità adattive, in parole povere deve essere dotato della sensibilità tipica dell’operatore specializzato. Come può essere ottenuta? Generalmente SIR impiega sensori di forza in grado di adattare il robot alle variazioni del manufatto rispetto alla sua matematica nominale, oppure sistemi di compensazione passiva che permettono di raggiungere lo stesso scopo con una soluzione prettamente meccanica. I mandrini progettati e realizzati da SIR, sia per quanto riguarda la parte meccanica che per quella elettrica, consentono infatti di “copiare” l’elemento con estrema precisione, essendo dotati di compensazione multidirezionale sia in senso radiale che lungo le direttrici di compressione e distensione. A questa perfetta sintesi di compattezza e funzionalità meccanica, si aggiungono la taratura automatica della pressione di compensazione, modificabile punto per punto durante l’esecuzione del percorso, la pressurizzazione interna, la lubrificazione e l’umettatura costante delle frese, nonché la possibilità di cambiare automaticamente i coni utensile durante la lavorazione, prelevandoli e depositandoli su di un apposito magazzino portautensili. Questi straordinari ausili alla lavorazione, ovviamente brevettati, sono in grado di assicurare una capacità di copiatura pressoché totale, scegliendo l’opportuno dosaggio della forza da applicare all’oggetto durante la lavorazione: la sensibilità del mandrino e la sua precisione garantiscono infatti di variare il risultato modificando di soli pochi decimi di bar la pressione di compensazione.
Abbiamo così risolto il problema fondamentale della qualità della lavorazione, ma non abbiamo ancora risposto a un quesito che ogni cliente si pone prima dell’acquisto di un impianto di questo tipo: quanto tempo occorre per realizzare un nuovo programma e soprattutto che tipo di competenze si devono possedere per effettuare questa operazione?
Le nuove tecnologie di simulazione comportamentale, procedure e sistemi su cui SIR opera da parecchio tempo, grazie ad un progetto di ricerca industriale che prevede la collaborazione di ricercatori provenienti dai più prestigiosi atenei universitari, permettono di ridurre i tempi di programmazione del 75% e di lavorare completamente fuori linea, ovverosia senza arrestare l’impianto. Grazie ad un simulatore residente su computer, che contiene una rappresentazione virtuale della cella reale in tutti i minimi particolari (mandrino, robot, dispositivi esterni), è possibile infatti programmare tutti i percorsi di lavorazione comodamente seduti nel proprio ufficio, a partire dalla matematica 3D degli elementi. Il programma generato, esente da imperfezioni e ottimizzato per la singola lavorazione, verrà successivamente inviato al robot reale mediante un collegamento in rete e sarà così pronto per essere messo in produzione.

 

LA MICROSBAVATURA: PRECISIONE E QUALITA’ ASSOLUTE
Tra le tante applicazioni realizzate, meritano un cenno quelle dedicate alla sbavatura di componenti aeronautici, dove la qualità e la precisione richieste sono in genere estremamente elevate. Nella lavorazione delle palette per turbine, ad esempio, lo smusso deve attestarsi sul decimo di millimetro e la costanza dello stesso deve essere quasi assoluta. Il materiale è dotato di elevate caratteristiche di durezza, essendo generalmente costituito da leghe speciali con presenza preponderante di titanio. Le celle prevedono in genere un misto di procedure di handling e di processo: un primo robot è dedicato al carico dei centri di lavoro e alla manipolazione degli attrezzi di fissaggio dell’elemento sulle macchine utensili. Dopo lo scarico dalle unità di lavorazione, l’antropomorfo pone l’elemento sulla stazione di sbavatura, generalmente dotata di un attrezzo di bloccaggio con annesso rotatore, al fine di movimentare il pezzo e assicurare una raggiungibilità completa di tutti i percorsi. Un secondo robot è quindi preposto alla lavorazione vera e propria: il cuore del sistema è costituito dai pneumomandrini realizzati da SIR, capaci di ben 100.000 giri al minuto e in grado di alloggiare fresette dedicate con possibilità di cambio utensile automatico. La presenza di sistemi di compensazioni bidirezionali o multidirezionali assicura una copiatura pressoché perfetta dell’elemento durante l’esecuzione del percorso. Basti pensare che la compensazione, ottenuta con aria pressurizzata e regolata a valori minimi (anche un solo bar), permette di ottenere una sensibilità alla forza applicata quantificabile in pochi grammi, con una ripetibilità di ritorno dell’utensile in posizione centrale dell’ordine di qualche centesimo di millimetro, caratteristiche assolutamente introvabili nei mandrini commerciali. La microsbavatura ottenuta è di elevatissima qualità e il processo viene successivamente completato da un’operazione di finitura con disco abrasivo, al fine di eliminare la bava ricalcata, residuo della lavorazione precedente. Tra le altre realizzazioni, vanno poi ricordate le numerose commesse in ambito automotive: si passa dagli alberi e dalle teste dei motori a qualsiasi altro componente motoristico fondamentale, quali i carter o i corpi pompa. La partecipazione di SIR al progetto di ricerca europeo COMET, permetterà in futuro di ottenere risultati ancora più ambiziosi. Grazie all’utilizzo di sistemi di calibrazione estremamente accurati e di software off-line derivanti da quelli dedicati alle macchine utensili, il progetto si propone di realizzare celle robotizzate di finitura in grado di assicurare una ripetibilità dell’ordine dei centesimi di millimetro. Questo potrà essere realizzato con l’impiego di apparati di compensazione attiva basati sulle tecniche piezoelettriche e di sistemi di tracking laser o a LED, in grado di visualizzare e correggere il percorso del robot in tempo reale nel caso intervenga una qualsiasi deviazione dovuta ai giochi meccanici.

 

LA ROBOTICA NELLA FONDERIA
Anche su componenti caratterizzati da peso elevato e dimensioni notevoli, le realizzazioni SIR hanno fatto passi da gigante: le isole in questo caso si avvalgono dell’unità Modulo, dove vengono utilizzati opportuni tools per il taglio e la sbavatura di materiali quali la ghisa o l’acciaio. Viste le variabilità insite in tale tipologia di fusioni, i sistemi di visione per la correzione dei percorsi e i simulatori per la programmazione fuori linea divengono parte integrante della soluzione. In tale ambito, meritano una citazione la lavorazione dei martelli e dei corpi riduttori per le macchine a movimento terra o, tra le ultime in ordine cronologico, la finitura delle cornici dei tombini ad uso stradale. In questa particolare applicazione, SIR ha messo a punto una cella estremamente performante, in grado di effettuare la spianatura dei piani fondamentali, la contornatura delle cerniere e del bordo dell’elemento, l’apertura dei fori di scarico dell’acqua e la rifinitura generale. Malgrado il peso e le dimensioni del manufatto, il robot si muove preciso e veloce, rendendo l’idea di come si possa realizzare un prodotto completamente integrato, in cui tutti i protagonisti (robot e componenti aggiuntivi) concorrano a realizzare un grande centro di lavorazione compatto, autonomo, funzionale. Si tratta di un grande risultato, che mostra quanto avanti si sia spinta SIR lungo il cammino del robofacturing, grazie all’utilizzo congiunto di tecnologie innovative. Questa continua ricerca del miglioramento tecnologico è la chiara dimostrazione della filosofia che anima le attività dell’azienda emiliana: una concezione di robotica che non rappresenti una mera automazione di un processo manuale, ma che sia invece in grado di apportare un vero valore aggiunto, unendo efficienza, qualità, praticità. L’avvento di sistemi per così dire “intelligenti” non appare più così lontano.

 

Davide Passoni
R&D Department
SIR spa