reichelt elektronik, la robotica trasforma gli impianti industriali

Tobias Wölk, Product Management Automation technology di reichelt elektronik: come l’integrazione robotica abilita la trasformazione industriale.

La produzione di prodotti sempre più complessi in lotti sempre più piccoli e con un elevato grado di efficienza economica pone enormi sfide ai produttori di macchine e impianti, nonché agli specialisti che operano nel settore dell’automazione. Gli impianti di produzione devono adattarsi automaticamente alle variazioni di prodotto e, per farlo, devono raggiungere un maggiore livello di efficienza e di flessibilità.

I robot industriali sono considerati uno dei mezzi chiamati a soddisfare questi obiettivi: inizialmente utilizzati per sollevare il dipendente umano da attività pericolose, complicate o standardizzate, oggi i robot consentono l’automazione di catene di produzione anche complesse in modo continuo e con un elevato grado di flessibilità.

La flessibilità robotica nelle machine

Se, finora, i robot hanno lavorato per lo più in celle robotizzate, vi sono alcune attività che svolgono all’interno o intorno alle macchine di produzione o di imballaggio, facendo leva sulla loro potenza, la ripetibilità e la cinematica che li contraddistinguono. I vantaggi sono evidenti: i robot sono molto più adattabili rispetto ai dispositivi usati in precedenza, solitamente costruzioni meccaniche speciali destinate ad un unico scopo.

Fattori abilitanti per l’Industria 4.0

Integrati nelle macchine, i robot possono occuparsi di fasi di lavorazione come il bloccaggio, lo sbloccaggio e il ricollocamento dei pezzi tra le singole fasi di lavorazione. Inoltre, possono anche alimentare e posizionare i pezzi nei sistemi di imballaggio o di assemblaggio, disimpilarli e pallettizzarli. I robot più flessibili non solo sono più facili da adattare ai requisiti di produzione delle diverse varianti di prodotto; possono anche essere utilizzati per funzioni che potrebbero essere realizzate solo in misura limitata o per nulla con altri mezzi. Questo include un cambio completamente automatico della configurazione della macchina, compresi gli utensili per un cambio di lotto o di pezzo, come prerequisito per la produzione secondo i principi dell’Industria 4.0.

Integrazione con ostacoli

Sebbene i robot facciano parte della vita quotidiana nelle grandi linee di produzione dell’industria automobilistica da decenni, raramente sono stati trovati come parte integrante di macchine. Le ragioni sono perfettamente comprensibili. I robot industriali sono progettati come sistemi completamente indipendenti. Pertanto, ciascuno di essi dispone di un proprio sistema di controllo, di solito addirittura in un proprio quadro elettrico.
La comunicazione tra il controllore di una macchina e il controllore del robot avviene solitamente tramite interfacce, spesso anche cablate. Questo limita le possibilità di sincronizzare le sequenze di movimento. Pertanto, non è facile raggiungere i tempi di ciclo che ci si aspetta dalle moderne macchine di produzione.

L’impegno richiesto per integrare un robot nelle macchine è notevole anche sotto altri aspetti. L’ingegneria, la diagnostica e la manutenzione vengono effettuate tramite sistemi propri, per lo più proprietari. Per la maggior parte, vengono eseguiti utilizzando linguaggi di programmazione propri e sono necessarie conoscenze specifiche per la loro programmazione, che rende difficile l’integrazione dei programmi robotici nel resto dell’automazione della macchina. Questo è uno dei motivi per cui molti costruttori di macchine evitano di affrontare il tema della robotica.

Una maggiore integrazione

In alternativa all’integrazione robotica, intesa come “macchina autonoma”, è possibile integrare direttamente la cinematica del robot nell’automazione della macchina. Tuttavia, è necessario tenere conto di alcune condizioni generali che non sono rilevanti quando si utilizza un robot industriale come macchina autonoma.

Innanzitutto è indispensabile una sincronizzazione assoluta con le sequenze di movimento, spesso molto veloci, della macchina. Solo un comportamento in tempo reale senza compromessi, sia in termini di esecuzione dei movimenti che di comunicazione dei dati, consente di combinare molte attività secondarie nel processo di creazione del prodotto, aumentando così in modo significativo il grado di automazione di una macchina.

L’integrazione totale aumenta la produttività

Il modo più efficace per integrare i robot nelle macchine è come semplici unità elettromeccaniche. Gli automi utilizzano solo la cinematica, compresi i motori e gli ingranaggi. Così essi prestano alla macchina solo un braccio robotico. In questo modo, l’interfaccia tra i mondi tradizionalmente separati dell’ingegneria meccanica e della robotica viene spostata ulteriormente.

In questo caso, i bracci del robot sono controllati tramite servoamplificatori o controllori di azionamento che corrispondono al controllo complessivo della macchina. Possono essere gli stessi controllori di azionamento utilizzati per controllare tutti gli altri assi di movimento della macchina. Questi vengono indirizzati tramite lo stesso bus di sistema – solitamente Ethernet industriale nel caso di macchine ad alte prestazioni – di tutti gli altri moduli periferici.

Anche i servoamplificatori utilizzati per controllare gli assi del robot sono solitamente disponibili con funzioni di sicurezza integrate. In molti casi, questi utilizzano le stesse reti di comunicazione interne per le reazioni legate alla sicurezza attraverso protocolli di sicurezza integrati. Poiché in questo modo la cinematica del robot può essere perfettamente integrata nella tecnologia di sicurezza dell’intera macchina, non è necessario un controllore di sicurezza separato per il robot.

Robotica, il cambio di metodo aumenta la produttività

La standardizzazione dell’hardware non comporta solo vantaggi per l’utilizzatore della macchina in termini di funzionamento e manutenzione. Inoltre, ha il vantaggio che tutti gli elementi della tecnologia di controllo – la sequenza, il movimento e il controllo di sicurezza – formano un’unità uniforme e autonoma.

Il vantaggio più evidente riguarda la programmazione. A condizione che il sistema di controllo della macchina fornisca le funzioni corrispondenti per la pianificazione del percorso, per gli sviluppatori di software per macchine non c’è praticamente alcuna differenza tra l’implementazione di un singolo asse o di un robot in una macchina.

In questo modo tutti gli aspetti, tutti i moduli del software della macchina possono essere inseriti in un’opera completa dal punto di vista tecnico-software. In questo modo è possibile simulare la macchina nel suo complesso e testare l’interazione di tutte le operazioni sul gemello digitale prima di investire nella costruzione di costosi prototipi.

Questa profonda integrazione facilita anche la sincronizzazione precisa tra i movimenti della macchina e del robot. Reagendo rapidamente ai segnali dei sensori nell’ordine dei microsecondi, il robot può, ad esempio, prelevare o depositare pezzi in movimento senza rallentare o addirittura arrestare il processo. Il conseguente cambiamento di metodo nella manipolazione dei pezzi può aumentare enormemente la produttività e la flessibilità di una macchina.