I  ROBOT INDUSTRIALI

Introduzione con la storia

A partire dalla fine della seconda rivoluzione industriale (1850 circa), il mondo conosce un forte sviluppo in tutti i settori lavorativi.

Verso l'inizio del 900, al termine della prima catastrofica guerra mondiale o di logoramento, l'Italia, in particolare, subì una forte modernizzazione in campo industriale, rifacendosi ai modelli occidentali degli Stati Uniti d'America.

Il settore più colpito fu quello automobilistico, che richiedeva come non mai una produzione di massa, ovvero una produzione di beni di consumo rivolta ad un mercato sempre più ampio di acquirenti. Per far si che queste richieste venissero soddisfatte, si cercava un metodo che racchiudesse a se una produzione maggiore di pezzi comuni fra loro in un tempo piccolo e che contemporaneamente manteneva un certo livello qualitativo, tutto questo prese il nome di produzione di serie. Nacquero così le prime catene di montaggio, nella quale l'operaio era chiamato ad eseguire un lavoro sempre uguale e a ritmo del nastro trasportatore, che ne garantiva un prezzo molto ridotto.

La grande produzione di questo periodo, con modalità che perdurano fino al 1940, è tuttavia caratterizzata da una notevole rigidità e da grande impiego di manodopera.

Nel corso del secondo conflitto mondiale lo sforzo bellico impone alle nazioni in lotta un poderoso aumento delle capacità produttive al quale non tutte sanno o possono far fronte in modo adeguato, per di più a causa della guerra la manodopera produttiva scarseggiava, sono per tanto necessarie modalità totalmente diverse da quelle fino ad ora adottate.

La distruzione della flotta americana a Pearl Harbour e l'enorme dispiego di mezzi richiesto dalla guerra in Europa e nel Pacifico, costringono a introdurre per la prima volta le macchine automatiche.

Queste macchine sono in grado di compiere operazioni o successioni di operazioni autonomamente e con grande velocità, essendo esse progettate per realizzare un unico particolare; il loro automatismo viene realizzato meccanicamente grazie all'ausilio di camme, leve e fine corsa,o elettronicamente grazie a relè e temporizzatori. Questa produzione richiede grandi investimenti e lunghi tempi di avvicendamento, che in caso di cambiamento del tipo di prodotto, si annullerebbero poiché la macchina diverrebbe inutilizzabile.

La società che esce dal conflitto mondiale però è pronta a ricevere questa mole di prodotti che, al termine degli anni 70, arriva nelle case di tutti, anche di quelli meno abbienti, con tecnologie più o meno superflue come elettrodomestici o veicoli di trasporto a motore.

Negli anni 80 l'elettronica supera le grandi limitazioni alle quali era soggetta in precedenza, dando vita alle macchine utensili programmabili o più comunemente chiamate a controllo numerico(C.N.). Queste macchine vengono in seguito affiancate nelle linee di produzione dai primi robot industriali che, anch'essi programmabili, svolgono mansioni di interfaccia mento e collegamento, sostituendo l'uomo in lavorazioni pericolose e ripetitive.

Si assiste così ad una grande novità, ovvero la flessibilità della programmazione di questi ultimi che si adegua perfettamente alle condizioni di lavoro, alle nuove linee di produzione e ai nuovi pezzi da lavorare.

Il processo produttivo che arriva fino ai giorni d'oggi va solo perfezionando queste tecniche senza alterarne il modo di produrre. Negli ultimi anni il lavoro delle macchine utensili viene coordinato con quello dei robot industriali mediante computer supervisori, che possono procedere autonomamente con pochissimi addetti lavoratori per lo più impegnati nella sorveglianza.                                

Antonelli G. - Burbassi R., Sistemi e automazione industriale, volume 3, Cappelli Editore, Bologna 2008

Definizione di robot

Il termine robot e, successivamente, il termine robotica nascono nell'ambito della finzione letteraria. Infatti questo termine fu introdotto per la prima volta in un romanzo di Karel Capek, derivante dalla parola ceca <<robota>> sta a significare "lavoro pesante" o "lavoro forzato". In seguito il termine viene utilizzato per definire vari dispositivi tecnologici che sono regolati da una disciplina, denominata robotica.

Il termine robot, per la prima volta nella storia dell'umanità, ha saldato il desiderio di costruire dei simulacri dell'essere umano al concetto di lavoro, di fatica e di rischio insito nel lavoro stesso.

Successivamente alla nascita delle prime fabbriche automatizzate, il termine robot subisce una trasformazione, includendo a se il termine industriale. Questo permette di identificare questo apparato, il robot industriale, come strumento base delle industrie automatizzate, capace di svolgere, con il solo ausilio di un programma, tutte le operazioni a lui consentite in breve tempo e senza la supervisione di una persona fisica.

Oggigiorno il termine robot industriale è, grazie anche alle nuove tecnologie elettroniche, affiancato al termine computer, poiché ogni robot è capace di interagire, tramite PLC o simulatori virtuali, se non di essere programmato da questi ultimi. Altresì può essere interfacciato da programmi come CAD-CAM, che ne facilitano la realizzazione e la modificazione e correggono eventuali errori di svolgimento, cosa che fino ad ora causava uno spreco di materie e di tempi.

Funzionamento e struttura di un robot industriale

Sulla base di ciò precedentemente scritto, descriviamo ,in beve, la costituzione di un robot industriale, partendo dal presupposto che ogni tipo di robot svolge una determinata funzione o più di esse.

Tutti quanti questi dispostivi, però, si prefiggono l'obbiettivo di aiutare e se necessario sostituire l'uomo in alcune lavorazioni. Questo rappresenta fondamentalmente il loro funzionamento, che quindi può variare in base alla loro struttura e ad alcune loro caratteristiche di costituzione.

Riportiamo e analizziamo di seguito queste caratteristiche:

- struttura e più specificamente lo "spazio di lavoro";

- giunzioni e i collegamenti tra i "bracci";

- gradi di libertà;

- attuatori;

- parti terminanti, più comunemente chiamate "end effector";

- sistemi di controllo.

STRUTTURA E SPAZIO DI LAVORO

Un comune robot industriale, o manipolatore, è composto da una serie di corpi rigidi connessi da giunti, ovvero organi meccanici che permettono il movimento di questi ultimi, e da dispositivi che ne determinano i movimenti chiamati attuatori.

Una estremità di questa catena è costituita dalla base, di norma fissata a terra, mentre nell'altra estremità è presente l'end effector, ovvero uno strumento variabile.

Nel manipolatore si individua una struttura portante che garantisce il posizionamento ed un polso che conferisce destrezza, dando i gradi di libertà e di orientamento all'organo terminale.

Con il termine spazio di lavoro si intende il volume raggiungibile da questi in una sua qualsiasi posizione. Chiaramente questo dipende dalla posizione geometrica del manipolatore stesso, dalla dimensione dei  bracci, e dai limiti meccanici di alcuni giunti.

In alcuni casi si  e soliti riferirci allo spazio di lavoro come ad un sottoinsieme dello spazio raggiungibile, ed in particolare si fa riferimento all'insieme dei punti che il manipolatore può raggiungere.

Grazie all'ausilio di sensori il funzionamento si dice di tipo "closed-loop", ovvero anello chiuso se si ha il controllo della posizione della macchina in ogni momento in alternativa si dice " open-loop". E' ovvio che il primo tipo garantisce un grado di correzioni maggiore mediante la generazione di opportuni segnali, tendenti a minimizzare l'errore.

Nei robot più evoluti questi sensori possono essere anche esterni al robot, rappresentati da videocamere, rilevatori di ostacoli ecc..

GIUNZIONI (O GIUNTI)

Ciascuno di questi organi meccanici (giunti) consente uno (e uno solo) grado di libertà tra due bracci. Chiamiamo variabile di giunto la coordinata associata a questo grado di mobilità. Schematizziamo ora i due tipi di giunto che possiamo incontrare:

I giunti rotoidali consentono il movimento rotativo, come si vedi in figura, dei bracci collegati da esso mentre i giunti prismatici consentono solo il movimento di traslazione lungo l'asse.

Sulla base delle possibili combinazioni di giunti si definisce la configurazione cinematica di un robot e si individuano le quattro categorie fondamentali, riportate di seguito:

configurazione cartesiana (3 giunti prismatici)

configurazione cilindrica (2 giunti prismatici, 1 rotoidale)

configurazione sferica (1 giunto prismatico, 2 rotoidali)

-configurazione antropomorfa (3 giunti rotoidali)

GRADI DI LIBERTA'

Il numero degli assi di movimento ovvero la quantità di movimenti singoli, che un robot industriale è in grado di compiere, identifica i "gradi di libertà" della macchina, dai 3-4 delle macchine più semplici, fino ai 9-10 gradi di quelle più complesse, ed anche oltre per quelle applicazioni richieste dal cliente, un numero però ancora lontano dall'uomo, considerando che soltanto la mano ha 23 gradi di libertà.

ATTUATORI

Gli attuatori presenti in un robot, servono per muovere i bracci in diverse posizioni e possono essere di varia natura, questo ne determina un funzionamento diverso e adatto a diverse mansioni. Si dividono in:

- attuatori elettrici, come ad esempio motori brushless o passo-passo che permettono un interfaccia diretta con un computer che ne calcola l'angolo di rotazione in base alla tensione fornita;

- attuatori pneumatici, tipici dei robot industriali, poiché in grado di eseguire solo posizionamenti ON/OFF dettati dall'operatore o dal controllore che ne garantiscono un funzionamento ripetitivo, come una produzione in serie;

- attuatori oleodinamici, che sono generalmente usati per lavorazioni di materiali pesanti, o nel caso delle macchine agricole. Questi sono in grado di regolare la fuoriuscita del pistone grazie al fluido che in questo caso è comprimibile, l'olio.

END EFFECTOR

Di norma definito end-effector, derivante dall'inglese "end" ovvero fine e "effector" ovvero effetto compiuto, è il dispositivo con cui il robot interagisce con l'ambiente.

Descrive quell'utensile che compie un lavoro alla fine di tutti i procedimenti precedentemente compiuti. Questo utensile può essere qualsiasi tipo di strumento, scelto in base al lavoro che devo compiere (fresa, saldatore, pinza, ventosa ecc.).

Si tratta di un dispositivo molto specializzato, e quindi, poco flessibile, cioè in grado di svolgere pochi compiti, dotato di scarsa sensorizzazione e semplice struttura cinematica.

SISTEMI DI CONTROLLO

Si definiscono tali tutti quei dispositivi dalla quale il robot preleva informazioni per attuare la sua movimentazione e lo svolgimento delle sue azioni.

Questi ultimi possono andare dai sistemi di controllo manuale, comunemente usati per gli attuatori oleodinamici ai più moderni PLC, che immagazzinano i dati in una memoria e ordinano al robot stesso di eseguirli, senza la supervisione dell'uomo e per un infinito numero di ripetizioni, usati per lo più nei sistemi pneumatici delle produzioni industriali.

Inoltre si possono avere grazie agli attuatori elettrici sistemi personalizzati di interfaccia, che consentono all'operatore di identificare i componenti con una sigla su un computer.

Con le moderne tecnologie si è arrivati a sistemi integrati come il C.I.M. che rappresenta l'integrazione automatizzata tra i settori dell'azienda al fine di minimizzare i costi e i tempi di sviluppo, la qualità e la flessibilità.

Structure of a robot

The word robot was first coined by Czech playwright Karel Capek and it comes from the Czech word "robotnic" that means slave or a serf.

A common industrial robot or manipulator, is made up of a set of links connected by joints, or mechanical parts that allow the movement of this, and devices that cause motion called actuators. The links are rigid members.
One end of this chain is the base, usually fixed to the ground, while the other end is the end effector, or a variable tool.

The manipulator has a structure that provides placement and a wrist that gives dexterity, this gives the degrees of freedom and guidance to the end-effector.

The workspace is the volume reached by robots in any position. Clearly this depends on the geometric position of the manipulator, the size of the arms, and the mechanical limits of any joints.

With the presence of sensors, the operation is called 'closed-loop ', if you control the position of the robot at any time, alternatively you say' open-loop '. It is obvious that the first type provides a greater degree of correction by generation of appropriate signals, designed to minimize the error. In advanced robot sensors can also be external, represented by video cameras, detectors barriers.

Analisi del progetto e del relativo modellino

Il mio progetto mira a realizzare un braccio robotizzato capace di eseguire una sequenza di movimenti attraverso l'ausilio di pistoni pneumatici collegati a delle elettrovalvole a loro volta comandate da un PLC, da me programmato con il circuito da eseguire (vds. allegati).

Prima di tutto sono partito dal creare uno schizzo di questo progetto su fogli di carta, per poi passare alla realizzazione virtuale di esso attraverso il computer prima in due dimensioni (2D, vds. allegati) e poi in tre dimensioni (3D,vds. allegati), con programmi CAD(solidworks). Una volta ultimate le misure e controllate tutte le parti sono passato alla realizzazione fisica dei componenti,nel laboratorio della scuola ed al loro assemblaggio.

Il materiale da me scelto per la realizzazione di questi ultimi è l'alluminio, sia per una questione di leggerezza, essendo un modellino in scala 1:5 sia per una questione di lavorabilità di questo tenero materiale.

Gli attuatori e le elettrovalvole sono dell'azienda produttrice PNEUMAX s.p.a., in possesso dall'azienda fornitrice PNEUMATEC s.r.l.

FUNZIONAMENTO

Azionando il pulsante di START (verde), un impulso elettrico arriva all'ingresso del PLC, che automaticamente fa partire un ciclo automatico precedentemente memorizzato e chiude dei contatti in uscita da questo controllore, questi contatti formano una sequenza del tipo

B-/C+/D+/B+/C-/A+/B-/C+/D-/B+/C-/A-.

Ad ogni lettera corrisponde il movimento di un componente fisico del braccio robotico.

Essendo un ciclo automatico questa sequenza si ripete fino a quando non si preme il pulsante di STOP(arancione).

Organizzazione aziendale

Si definisce azienda un complesso organizzato di persone e mezzi il cui fine è quello di ottenere un obbiettivo, il conseguimento di un utile mediante la trasformazione di risorse in beni o servizi.

Affinché le varie funzioni all'interno dell'azienda possano esercitare la loro attività, in modo equilibrato e coordinato, risulta necessaria la loro organizzazione. Con una buona organizzazione un'azienda può aumentare il proprio successo.

L'organizzazione ha il compito di individuare le attività da svolgere, di ricercare le correlazioni necessarie tra di esse, di riunirle in gruppi e di assegnarle alle persone. Questo processo di correlazione e di coordinamento costituisce la struttura organizzativa dell'azienda.

La rappresentazione grafica degli organi e delle correlazioni esistenti si definisce organigramma. Più l'azienda è grande e più questo organigramma è complesso.

Collegamento con le aziende pneumatec s.r.l. e pneumax s.p.a.

Entrambe queste due società, pneumatec s.r.l. e pneumax s.p.a., appartengono alla categoria di società di capitali, la loro caratteristica principale è la responsabilità limitata dei soci, che per un eventuale fallimento perdono solo quanto hanno conferito inizialmente, salvo particolari società di capitali costituite con contratto unilaterale.

Questi tipi di società hanno una personalità giuridica e autonomia patrimoniale perfetta, ovvero la società risponde solamente con il suo patrimonio.

Anche se appartenenti ad un'uguale categoria, queste due società presentano alcune differenze.

Mentre le s.p.a. possono emettere azioni ed obbligazioni e le quote conferite possono essere costituite da azioni, le s.r.l. non hanno la capacità di emettere azioni ma soltanto obbligazioni e i conferimenti dei soci sono solamente quote o, come nel caso delle società di persone, prestazioni lavorative affiancate da polizze assicurative o fideiussioni bancarie.

Alcune caratteristiche dell'azienda:

Ragione sociale: Pneumax s.p.a.

Sistema di amministrazione: modello tradizionale

Amministratore unico: Roberto Bottacini

Dipendenti: 260

Programma per PLC SIEMENS S-700 progetto robot con superamento ostacolo auto AWL

Segmento 1

LD     I0.0

O      M0.0

A      I0.1

M0.0

Segmento 2

LDN    T39

A      T37

LD     M0.0

AN     T34

OLD

O      T42

Q0.0

Segmento 3

LDN    T42

A      M0.0

TON    T32, +5000

Segmento 4

LDN    T42

LDN    T40

A      T38

LD     T32

AN     T35

OLD

ALD

Q0.1

Segmento 5

LDN    T42

A      T32

TON    T33, +500

Segmento 6

LDN    T42

A      T33

LPS

AN     T39

Q0.2

LPP

TON    T34, +500

Segmento 7

LDN   T42

LD     T39

LD     T34

AN     T36

OLD

ALD

Q0.3

Segmento 8

LDN    T42

A      T34

TON    T35, +500

Segmento 9

LDN    T42

LD     T40

LD     T35

AN     T37

OLD

ALD

Q0.4

Segmento 10

LDN    T42

A      T35

TON    T36, +500

Segmento 11

LDN    T42

A      T36

LPS

AN     T41

Q0.5

LPP

TON    T37, +50

Segmento 12

LDN    T42

A      T37

TON    T38, +50

Segmento 13

LDN    T42

A      T38

TON    T39, +50

Segmento 14

LDN    T42

A      T39

TON    T40, +50

Segmento 15

LDN    T42

A      T40

TON    T41, +50

Segmento 16

LD     T41

Q0.6

TON    T42, +50

Immagini della realizzazione virtuale in 3D del modellino, create utilizzando Solidworks:

- Braccio;

- Pannello;

                        

- Gruppo valvole;

- Complessivo.

Ed alcune foto della realizzazione del braccio robotico

Infine il link per Youtube

https://www.youtube.com/watch?v=8WKudYyCko4

https://www.youtube.com/watch?v=a9QwORSYZNU