Automazione e robotica applicate al manifatturiero

Una delle aree di applicazione più importanti per l’automazione robotizzata è la produzione industriale. Per molti, automazione significa automazione della produzione. 

Si possono distinguere tre tipi di automazione della produzione:

1. automazione fissa
2. automazione programmabile
3. automazione flessibile

L’automazione fissa, nota anche come “hard automation”, si riferisce a impianti dove la sequenza delle operazioni di lavorazione è fissata dalla configurazione dell’apparecchiatura. Ovvero in quelle soluzioni dove i comandi programmati sono contenuti nelle macchine sotto forma di camme, ingranaggi, cablaggi e altro hardware che non viene facilmente cambiato da un prodotto all’altro. Questa forma di automazione è caratterizzata da alti investimenti iniziali e alti tassi di produzione. È quindi adatto per prodotti realizzati in grandi volumi. Esempi di automazione fissa includono linee di trasferimento di lavorazione presenti nell’industria automobilistica, macchine di assemblaggio automatico e alcuni processi chimici.

L’automazione programmabile è una forma di automazione per la produzione di prodotti in lotti. I prodotti sono realizzati in quantità di lotti che vanno da diverse dozzine a diverse migliaia di unità alla volta. Per ogni nuovo lotto, le attrezzature di produzione devono essere riprogrammate e modificate per adattarsi al nuovo stile di prodotto. I tassi di produzione nell’automazione programmabile sono generalmente inferiori rispetto all’automazione fissa, perché l’apparecchiatura è progettata per facilitare il cambio prodotto piuttosto che per la specializzazione del prodotto. Una macchina utensile a controllo numerico è un buon esempio di automazione programmabile. Il programma è codificato nella memoria del computer per ogni diverso prodotto e la macchina utensile è controllata dal programma per computer. I robot industriali antropomorfi ne sono un altro esempio.

L’automazione flessibile è un’estensione dell’automazione programmabile. Lo svantaggio dell’automazione programmabile è il tempo necessario per riprogrammare e cambiare le attrezzature di produzione per ogni lotto di nuovo prodotto. Questo è tempo di produzione perso, il che è costoso. Nell’automazione flessibile, il cambio dell’apparecchiatura può essere effettuato molto rapidamente e automaticamente. La riprogrammazione delle apparecchiature nell’automazione flessibile viene eseguita offline; cioè, la programmazione viene eseguita in un terminale informatico senza utilizzare l’apparecchiatura di produzione stessa. Di conseguenza, non è necessario raggruppare prodotti identici in lotti; invece, prodotti diversi possono essere prodotti uno dopo l’altro.

Linee di produzione automatizzate

Una linea di produzione automatizzata consiste in una serie di postazioni di lavoro collegate da un sistema di trasferimento per spostare i prodotti in lavorazione tra le stazioni. Ogni stazione è progettata per eseguire un’operazione di lavorazione specifica, in modo che i componenti o i prodotti siano costruito gradualmente man mano che progredisce lungo la linea. I componenti grezzi entrano ad un’estremità della linea, procedono attraverso ogni postazione di lavoro e fuoriescono dall’altra estremità sotto forma di prodotto finito. Nel normale funzionamento della linea, c’è una parte di avorazione in ogni stazione, in modo che i prodotti vengano lavorati contemporaneamente e una parte finita venga prodotta con ogni ciclo della linea. Le varie operazioni, trasferimenti di parti e altre attività che si svolgono su una linea di trasferimento automatizzata devono essere tutte sequenziate e coordinate correttamente affinché la linea funzioni in modo efficiente. Le moderne linee automatizzate sono controllate da controllori logici programmabili, che sono computer speciali che facilitano i collegamenti con apparecchiature industriali e possono svolgere i tipi di funzioni di temporizzazione e sequenziamento necessarie per far funzionare tali apparecchiature.

Assemblaggio automatizzato

Le operazioni di assemblaggio venivano tradizionalmente eseguite manualmente, sia su postazioni di montaggio singole che su linee di montaggio con più postazioni. A causa dell’alto contenuto di manodopera e dell’alto costo della manodopera, negli ultimi anni è stata data maggiore attenzione all’uso dell’automazione per i lavori di montaggio. Le operazioni di assemblaggio possono essere automatizzate utilizzando i principi della linea di produzione se le quantità sono grandi, il prodotto è piccolo e il design è semplice (ad es. Portamine, penne e accendini). Per i prodotti che non soddisfano queste condizioni è generalmente richiesto il montaggio manuale.

Sono state sviluppate macchine di assemblaggio automatizzate che funzionano in modo simile alle linee di trasferimento di lavorazione, con la differenza che le operazioni di assemblaggio, anziché la lavorazione, vengono eseguite nelle stazioni di lavoro. Una tipica macchina di assemblaggio è costituita da diverse stazioni, ciascuna dotata di una fornitura di componenti e di un meccanismo per portare i componenti in posizione per l’assemblaggio. Una testa portapezzo in ogni stazione esegue il fissaggio effettivo del componente. Le teste di lavoro tipiche includono cacciaviti automatici, macchine per picchettamento o rivettatura, teste di saldatura e altri dispositivi di giunzione. Un nuovo componente viene aggiunto al prodotto parzialmente completato in ogni postazione di lavoro, costruendo così il prodotto gradualmente man mano che procede lungo la linea. Le macchine di assemblaggio di questo tipo sono considerate esempi di automazione fissa, perché generalmente sono configurate per un particolare prodotto realizzato in volume elevato. Le macchine di assemblaggio programmabili sono rappresentate dalle macchine di inserimento componenti impiegate nell’industria elettronica, come sopra descritte.

I robot

Oggi la maggior parte dei robot viene utilizzata nelle operazioni di produzione; le applicazioni possono essere suddivise in tre categorie:

1. movimentazione dei materiali
2. operazioni di elaborazione
3. assemblaggio e ispezione

Le applicazioni di movimentazione dei materiali includono il trasferimento di materiale e il carico e scarico della macchina. Le applicazioni di trasferimento di materiale richiedono che il robot sposti materiali o parti di lavoro da un luogo all’altro. Molte di queste attività sono relativamente semplici e richiedono ai robot di prelevare componenti da un trasportatore e posizionarle su un altro. Altre operazioni di trasferimento sono più complesse, come il posizionamento di parti su pallet in una disposizione che deve essere calcolata dal robot. Le operazioni di carico e scarico della macchina utilizzano un robot per caricare e scaricare le parti su una macchina di produzione. Ciò richiede che il robot sia dotato di una pinza in grado di afferrare le parti. Solitamente la pinza deve essere progettata specificamente per la particolare geometria del pezzo.

Nelle operazioni di elaborazione , il robot manipola uno strumento per eseguire un processo sulla parte di lavoro. Esempi di tali applicazioni possono essere la saldatura o la verniciatura. La saldatura a punti delle carrozzerie delle automobili è una delle applicazioni tra le più comuni, il robot posiziona una saldatrice a punti contro i pannelli e i telai dell’auto per completare l’assemblaggio della carrozzeria di base dell’auto. La saldatura ad arco è un processo continuo in cui il robot sposta la bacchetta di saldatura lungo il cordone da saldare. La verniciatura a spruzzo prevede la manipolazione di una pistola per verniciatura a spruzzo sulla superficie dell’oggetto da rivestire. Altre operazioni in questa categoria includono rettifica, lucidatura e fresatura, in cui un mandrino rotante funge da strumento del robot.

La terza area di applicazione dei robot industriali è l’assemblaggio e l’ispezione. Si prevede che l’uso di robot nell’assemblaggio aumenterà a causa dell’alto costo del lavoro manuale comune in queste operazioni. Poiché i robot sono programmabili, una strategia nel lavoro di assemblaggio consiste nel produrre più stili di prodotto in lotti, riprogrammando i robot tra i lotti. Una strategia alternativa consiste nel produrre una combinazione di diversi stili di prodotto nella stessa cella di assemblaggio, richiedendo a ciascun robot nella cella di identificare lo stile del prodotto non appena arriva e quindi eseguire l’attività appropriata per quell’unità.

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