Risparmio energetico con gli eiettori

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L’automazione industriale moderna presuppone sistemi pneumatici performanti e a basso consumo energetico. In operazioni pick&place con ventose è quindi fondamentale utilizzare eiettori efficienti e soluzioni circuitali che utilizzano serbatoi di accumulo del vuoto.

Nell’automazione industriale si ricorre frequentemente all’utilizzo del vuoto per via delle
sue potenzialità [1, 2]. Le due tecniche più comuni per la generazione del vuoto sono l’impiego della tradizionale pompa a vuoto oppure l’utilizzo di dispositivi che sfruttano l’effetto Venturi: gli eiettori.Questi ultimi sono stati prestazionalmente ottimizzati grazie a
simulazioni fluidodinamiche accurate e tecniche di fabbricazione evolute. In particolare, in [3] sono state condotte simulazioni CFD per ottimizzare la geometria interna di un eiettore al fine di minimizzare le perdite di carico, ridurre le turbolenze e i vortici interni. Tale eiettore con ugello ottimizzato è stato poi costruito mediante tecniche di fabbricazione additiva (stampa 3D); le prove sperimentali condotte hanno consentito di validare i risultati della simulazione fluidodinamica. In [4] un sistema di manipolazione di tipo pick&place è stato ottimizzato al fine di ridurre i consumi di aria compressa e migliorare l’efficienza energetica. In particolare, si è fatto riferimento a un sistema robotizzato di manipolazione di fogli di lamiera di un impianto presse per campo automobilistico. L’ottimizzazione è stata condotta a livello di sistema, utilizzando diversi componenti e parametri quali: tipologie di compressori, dimensioni del serbatoio dell’aria compressa, tipologie di eiettori.

Oggi sono largamente diffusi eiettori multistadio che garantiscono prestazioni incrementate in termini di portata d’aria aspirata e livello di vuoto sviluppabile. Tuttavia, la portata di aria compressa richiesta per il loro funzionamento risulta tuttora piuttosto elevata e sono state studiate a tal proposito soluzioni in grado di ridurne sensibilmente il consumo e quindi i costi di esercizio [3]. Alcuni produttori commerciali di eiettori hanno industrializzato dispositivi “intelligenti”, ovvero in grado di misurare istantaneamente il livello di vuoto nel circuito di aspirazione per intervenire, disattivando l’alimentazione dell’eiettore, quando il vuoto ha raggiunto il valore operativo prestabilito [6, 7]. Successivamente, in caso di perdita del vuoto, l’eiettore si riattiva automaticamente per ripristinarlo. Tale ottimizzazione è potenzialmente vantaggiosa in tutte le applicazioni aventi fabbisogni di vuoto intermittenti e su intervalli temporali in cui il vuoto viene sfruttato senza dispersioni [6].

Analizzando per esempio le operazioni di pick&place mediante ventose di oggetti, un eiettore con le caratteristiche appena descritte potrebbe essere potenzialmente valido, ma è necessario garantire che le perdite di vuoto causate dal trafilamento delle ventose siano contenute rispetto alla capacità del circuito. In caso contrario, l’eiettore potrebbe incorrere in frequenti on-off e perdere di affidabilità, non garantendo sufficiente prontezza nella rigenerazione del vuoto. I costruttori suggeriscono, pertanto, l’impiego di questi dispositivi a risparmio energetico qualora il materiale da movimentare sia con una superficie liscia e non porosa [6]. Tale vincolo restringe molto i campi di applicazione e rende poco flessibile l’impianto o il macchinario. Un macchinario idoneo alla manipolazione di articoli in plastica rigida potrebbe non essere riconfigurabile per materiali come il cartone, oppure con superfici rugose come il legno da pallet oppure ancora con superfici deformabili, come nel caso di molti packaging primari. Attraverso un progetto di tesi sviluppato nell’ambito dell’automazione pneumatica presso il Politecnico di Torino, è stata studiata una soluzione alternativa a quella sopra citata per conseguire un risparmio energetico nella generazione del vuoto.

A titolo di riferimento ci si è basati su un impianto ad isola robotizzata della Abrigo SpA, casa specializzata nella progettazione e costruzione di macchinari per il packaging secondario (Figura 1) e fortemente orientata verso la ricerca di soluzioni green ed innovative.

Descrizione del macchinario e del circuito pneumatico esistente

L’impianto Abrigo su cui è stata studiata la soluzione innovativa, svolge molteplici attività sequenziali di movimentazione di articoli attraverso delle ventose: la formatura iniziale di cartoni, l’inserimento di confezioni di packaging primario all’interno dei cartoni formati e il posizionamento finale di un coperchio di chiusura.

In questo impianto si è deciso di generare il vuoto in maniera decentralizzata, attraverso eiettori, anziché in maniera centralizzata, attraverso una pompa a vuoto. Tra i motivi di tale scelta progettuale vi sono la difficoltà di integrazione della pompa a vuoto in contesti con elevata variabilità di fabbisogno (dipendente dalla produttività richiesta al macchinario e dalle condizioni operative), l’ingombro della stessa e l’emissione acustica impattante.

Il macchinario è costituito da diverse teste robotizzate accessoriate di pacchi ventose (con numerosità variabile, da 4 a 30 ventose per pacco) a cui sono abbinati, in prossimità, i relativi eiettori (da 1 a 5 per pacco ventose, con numerosità variabile) per lo sviluppo del vuoto qualora sia richiesto un picking.

Le ventose utilizzate sono mostrate in Figura 2; nella Tabella 1 sono riportati i principali dati tecnici [8]. Le ventose morbide in silicone sono impiegate per la manipolazione di oggetti aventi superfici irregolari, mentre quelle in poliuretano per gli altri materiali con superficie piana e non deformabile [8]. Nella Tabella 2 vengono riportate le perdite per trafilamento ricavate sperimentalmente per una singola ventosa a soffietto Piab (Figura 2, ultima a destra) operante nel range di vuoto 50-70%.

La variabilità del trafilamento tra i diversi materiali è piuttosto marcata e dipende dalla porosità del materiale e dall’eventuale formazione di grinze lungo la corona circolare di contatto ventosa-oggetto.

Gli eiettori vengono attivati per tutto il tempo necessario per la roto-traslazione degli articoli, non essendo possibile utilizzare dispositivi “intelligenti” a risparmio energetico, come avviene con le confezioni multistrato del packaging primario, a causa del trafilamento indotto dai materiali come il cartone o dai contatti con formazione di grinze. Grazie alla prossimità degli eiettori alle ventose, la reattività e affidabilità del sistema è massima; tuttavia, data la continuità di attivazione durante il picking, gli eiettori consumano elevate portate di aria compressa per lo svolgimento delle attività [2]. Ne deriva un rendimento medio di funzionamento, definito dal rapporto della portata d’aria in depressione aspirata sulla portata d’aria compressa consumata, piuttosto basso: gli eiettori sono infatti attivi unicamente per aspirare piccole portate disperse per trafilamento, a fronte del consumo nominale di aria compressa [2].

Nella Figura 3 è riportata la caratteristica tipica di un eiettore, che mostra come questo sia più efficiente quando operante a livelli di vuoto ridotti [5]. Il livello di depressione che si stabilisce a regime internamente alle ventose, dipendente dall’entità del trafilamento, è prossimo a quello limite (>70%). Questa zona di funzionamento, oltre ad essere energeticamente inefficiente [2], porta le ventose a funzionare con un vuoto molto elevato, eccessivo se raffrontato al carico dinamico che devono movimentare (inferiore a 10 N per ciascuna ventosa). Inoltre, a causa della deformabilità delle ventose, una depressione elevata provoca la riduzione della superficie efficace di contatto, portando limitati benefici in termini di carico sollevabile (come si evince anche dai dati del costruttore) e favorendo l’indesiderata formazione di grinze sul contatto.

 

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