L’applicazione dei robot in ambito industriale ha oramai raggiunto lo stato di una tecnologia matura. I primi robot industriali sono stati sviluppati negli anni ’60 e, a partire dalla loro introduzione, si sono contraddistinti rispetto ai loro precursori, come le macchine utensili a controllo numerico impiegate nella lavorazione automatica di precisione, per una serie di caratteristiche, quali:
- versatilità di impiego, grazie all’impiego di utensili di natura diversa come organo terminale del manipolatore
- adattabilità a situazioni non note a priori, grazie all’utilizzo di sensori
- precisione di posizionamento, grazie all’adozione di tecniche di controllo in retroazione
- ripetibilità di esecuzione, grazie alla programmabilità di varie operazioni
Nell’ultimo trentennio, i robot sono diventati una componente sempre più presente nei sistemi automatizzati di produzione. Questa notevole diffusione della tecnologia robotica è stata determinata da una serie di fattori, principalmente: la riduzione dei costi di produzione, l’incremento di produttività, il miglioramento degli standard di qualità del prodotto.
Che cos’è un robot?
Il robot industriale è una macchina con spiccate caratteristiche di versatilità e flessibilità.
Secondo la definizione universalmente accettata dal Robot Institute of America “un robot è una struttura meccanica multifunzionale e riprogrammabile, progettato per spostare materiali, parti, utensili o dispositivi specializzati secondo movimenti variabili programmati per l’esecuzione di una varietà di compiti diversi”.
Con riferimento a questa definizione emerge come un sistema robotico sia in realtà un insieme complesso, rappresentato funzionalmente dall’interconnessione tra sistema meccanico, attuazione, sensori e sistema di governo.
Anatomia di un robot
Il sistema meccanico, in particolare, coincide con la struttura meccanica, costituita da una serie di corpi rigidi, i link, interconnessi tra di lori per mezzo di articolazioni, i giunti.
Nel manipolatore si individuano una struttura portante, che ne assicura mobilità, un polso, che conferisce destrezza, e un organo terminale (end-effector) che esegue il compito per cui il robot è utilizzato. Un’estremità della struttura meccanica è costituita dalla base, fissata a terra. Al termine dell’ultimo link è collocato invece l’organo terminale, che può cambiare sulla base del compito che il robot deve eseguire.
Per compiti di trasporto, l’organo terminale è costituito in generale da una pinza di forme e dimensioni opportune dettate dall’oggetto da afferrare. Per compiti di lavorazione e di assemblaggio, l’organo terminale è un utensile o un dispositivo specializzato; per esempio una fresa, un trapano, o un avvitatore.
La geometria tipicamente adottata nella maggior parte dei manipolatori robotici industriali è quella antropomorfa, dotata di sei assi di moto. La struttura portante è costituita da tre giunti rotoidali. In virtù della somiglianza con il braccio umano, il secondo giunto è chiamato spalla, mentre il terzo è chiamato gomito. Al fine di permettere l’orientamento arbitrario di un oggetto nello spazio tridimensionale, la struttura portante è ulteriormente dotata di un polso, generalmente sferico, anch’esso costituito da tre giunti rotoidali.
I robot industriali di nuova generazione, robot collaborativi o cobot, sono caratterizzati invece da una struttura meccanica a 7 assi di moto. Questa scelta progettuale conferisce al robot la possibilità di poter essere riconfigurato in posture più destre per l’esecuzione di compiti assegnati. Inoltre, grazie all’adozione di materiali in lega leggera, un cobot offre prestazioni di rilievo nell’interazione con l’ambiente, garantendo una sicurezza intrinseca in caso di contatto con esseri umani.
A cosa può servire?
Per le sue caratteristiche di programmabilità, il manipolatore robotico è un componente naturalmente adatto ad essere impiegato in un sistema di automazione programmabile, ovvero in un contesto di produzione di lotti di manufatti di caratteristiche variabili, che consenta di alterare con relativa facilità la sequenza delle operazioni da eseguire per realizzare variazioni nella gamma dei prodotti. Tuttavia i robot industriali possono essere impiegati sia in sistemi di automazione rigida, sia in sistemi di automazione flessibile o FMS (Flexible Manufacturing System).
L’automazione rigida riguarda un contesto orientato alla produzione in serie di prodotti di caratteristiche costanti, con requisiti di elevata produttività e qualità del prodotto.
L’automazione flessibile riguarda invece un contesto orientato alla produzione di lotti variabili di manufatti diversi, focalizzato alla riduzione dei tempi necessari alla riprogrammazione delle sequenze di operazioni e delle macchine impiegate per passare da un lotto al successivo.
Il robot presenta tre capacità di impiego fondamentali: trasporto, manipolazione e misura.
Manipolazione e trasporto
L’abilità da parte del robot di prendere un oggetto, di muoverlo nello spazio su percorsi predefiniti e di rilascio rende il manipolatore robotico un candidato ideale per le operazioni di trasporto.
Applicazioni tipiche sono:
- la pallettizzazione (disposizione di oggetti in maniera preordinata su un opportuno supporto raccoglitore)
- il carico e lo scarico di magazzini
- il carico e lo scarico di macchine operatrici e macchine utensili
- la selezione e lo smistamento di parti
- il confezionamento di merci
In tali applicazioni, i robot tradizionali a base fissa possono essere combinati con veicoli a guida automatica AGV (Automated Guided Vehicles) che provvedono alla movimentazione dei pezzi e/o delle attrezzature all’interno di uno stabilimento industriale, da una cella di lavorazione alla successiva. Rispetto ai carrelli semoventi tradizionali vincolati ad una serie di percorsi prestabiliti, i moderni AGV utilizzano sistemi ad alta tecnologia con microprocessori e sensori di bordo che permettono la loro localizzazione nello stabilimento, ne regolano il flusso e le funzioni, consentendo una completa integrazione nei sistemi di automazione flessibile.
Operazioni di fabbricazione
La capacità del robot di manipolare sia oggetti sia utensili lo rende adatto a essere impiegato anche in operazioni di fabbricazione. In questa fase del processo produttivo la parte muta le proprie caratteristiche fisiche, a seguito di una lavorazione, o perde la propria identità, a seguito di un assemblaggio di più parti.
Esempi di questo tipo di applicazioni sono:
- la saldatura ad arco e quella a punti
- la verniciatura e il rivestimento
- l’incollaggio e la sigillatura
- il taglio laser e quello a getto d’acqua
- la fresatura e la foratura
- la pressatura e lo stampaggio
- la sbavatura e la molatura
- l’avvitatura, il cablaggio e il fissaggio
- l’assemblaggio di gruppi meccanici ed elettrici
- il montaggio di schede elettroniche
Controllo qualità
Oltre alle operazioni di trasporto e manipolazione, in un processo di fabbricazione è necessario effettuare operazioni di misura per verificare la qualità dei prodotti. La capacità del robot di poter esplorare lo spazio tridimensionale insieme alla disponibilità di misure sullo stato del manipolatore consentono l’utilizzo del robot come macchina di misura.
Alcune applicazioni sono:
- il collaudo dimensionale
- il rilevamento di profili
- l’individuazione di difetti di fabbricazione.
È importante notare che in un contesto industriale un robot è tenuto ad operare in un ambiente fortemente strutturato, le cui caratteristiche geometriche e fisiche siano cioè note a priori, pertanto le applicazioni presentate finora descrivono alcuni dei possibili impieghi, ma non esauriscono tutte le possibili utilizzazioni dei robot in applicazioni industriali.