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Robot industriale

8 feb, 2014

Un robot industriale è definito ufficialmente dalla ISO come un manipolatore multiuso su tre o più assi, controllato automaticamente e riprogrammabile. Il campo della robotica può essere meglio definito come lo studio, la progettazione e l’utilizzo di sistemi robotizzati per la produzione. Le tipiche applicazioni comprendono saldatura, verniciatura, assemblaggio, spostamento, confezionamento e posizionamento, ispezione del prodotto e test, tutte operazioni compiute con grande resistenza, velocità e precisione.

Robotica industriale

George Devol fece domanda per i primi brevetti di robotica nel 1954 (gli furono concessi nel 1961). La prima azienda a produrre un robot fu la Unimation, fondata da Devol e Joseph F. Engelberger nel 1956 e basata sui brevetti originali di Devol. I robot della Unimation venivano chiamati anche macchine di trasferimento programmabili, in quanto la loro funzione principale, in un primo momento, era quella di trasferire oggetti da un punto a un altro, distanti al massimo qualche metro. Si usavano attuatori idraulici programmati con giunti coordinati, ossia gli angoli delle varie articolazioni venivano registrati in fase di prova e riprodotti.

La precisione era di 0.000254 centimetri (nota: la precisione non è una misura appropriata per i robot, di solito valutati in termini di ripetibilità – vedi dopo). La Unimation concesse in licenza la propria tecnologia alla Kawasaki Heavy Industries e alla Guest- Nettlefolds, che produssero Unimates rispettivamente in Giappone e Inghilterra. Per qualche tempo il solo concorrente della Unimation fu la Cincinnati Milacron Inc. dell’Ohio. La situazione cambiò radicalmente nei tardi anni ’70 quando alcuni grossi conglomerati giapponesi cominciarono a produrre robot industriali.

Nel 1969 Victor Scheinman della Stanford University inventò il braccio di Stanford, un robot su 6 assi articolato e controllato elettricamente, progettato per seguire percorsi prestabiliti e ampliare l’uso potenziale dei robot nei confronti di applicazioni più sofisticate come l’assemblaggio e la saldatura. Scheinman poi progettò un secondo braccio per il laboratorio di IA del MIT, chiamato “braccio MIT”. Dopo aver ricevuto una borsa di studio per sviluppare i suoi progetti, Scheinman li vendette alla Unimation che li sviluppò ulteriormente con il sostegno della General Motors e li commercializzò con l’acronimo PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly, macchina universale programmabile per il montaggio).

La robotica industriale è decollata abbastanza rapidamente in Europa dove, nel 1973, sia la ABB Robotics che la KUKA Robotics immisero nel mercato i primi robot. La ABB Robotics (ex ASEA) introdusse l’IRB 6, prima al mondo a mettere in commercio un robot completamente elettronico controllato da microprocessore. I primi due IRB 6 robot sono stati venduti a Magnusson in Svezia, e utilizzati a partire dal gennaio 1974 per la levigatura e la lucidatura di gomiti idraulici. Inoltre, nel 1973, la KUKA Robotics costruì il suo primo robot, noto come Famulus, uno dei primi robot antropomorfi a sei assi elettromeccanicamente guidati.

L’interesse per la robotica aumentò alla fine degli anni ‘70 e molte società statunitensi entrarono in campo, tra cui grandi aziende come la General Electric e la General Motors (che costituì una joint venture detta FANUC Robotics assieme all’azienda giapponese FANUC LTD). Le prime aziende statunitensi a entrare in questo campo furono la Automatix e la Adept Technology, Inc. Nel 1984, al culmine del boom dei robot, la Unimation venne acquisita dalla Westinghouse Electric Corporation per 107 milioni di dollari. La Westinghouse poi la vendette alla francese Stäubli Faverges SCA nel 1988, la quale continua ancora oggi a costruire robot articolati per applicazioni industriali generiche, e ha persino comprato la divisione robotica della Bosch a fine 2004. Solo poche società non giapponesi alla fine sono riuscite a sopravvivere in questo mercato.
Le più importanti sono la Adept Technology, la Stäubli-Unimation, la società svizzera-svedese ABB Asea Brown Boveri e la società tedesca KUKA Robotics.

Caratteristiche

Le configurazioni di robot più comunemente usate sono i robot articolati, i robot SCARA e i robot basati sulle coordinate cartesiane (conosciuti anche come robot a cavalletto o robot x-y-z). La maggior parte dei tipi di robot rientra nella categoria dei bracci robotici (ecco spiegato l’uso della parola manipolatore negli standard ISO menzionati sopra).
I robot hanno vari livelli di autonomia:

  • Alcuni robot sono programmati per adempiere con grande fedeltà ad azioni specifiche più e più volte (azioni ripetitive), senza variazioni e con alto grado di precisione. Queste azioni sono determinate da routine programmate che specificano direzione, accelerazione, velocità, decelerazione e la distanza di una serie di movimenti coordinati.
  • Altri robot sono molto più flessibili per quanto riguarda l’orientamento dell’oggetto su cui operano o addirittura sul compito che deve essere eseguito, che il robot può anche essere in grado di stabilire. Ad esempio, per una guida più precisa, i robot spesso contengono sottosistemi di apparati per la visione che funzionano come “occhi”, e che sono collegati a potenti computer o apparecchi di controllo.

L’intelligenza artificiale sta diventando un fattore sempre più importante nei robot industriali moderni.

Parametri

  • Numero di assi
    Due assi sono necessari per raggiungere qualsiasi punto in un piano; tre assi per raggiungere ogni punto dello spazio. Per controllare completamente l’orientamento dell’estremità del braccio (cioè il polso) sono necessari altri tre assi (per controllare oscillazione, rollio e beccheggio). Alcuni progetti (ad esempio, il robot SCARA) prevedono limitazioni alla possibilità di movimento per esigenze di costi, velocità e precisione.
  • Gradi di libertà che dipendono dal numero di assi.
  • Raggio d’azione
    La regione di spazio che un robot può raggiungere.
  • Cinematica
    La concreta organizzazione di parti rigide e articolazioni nel robot, che determina i possibili movimenti. Le classi della cinematica del robot sono: articolato, cartesiano, parallelo e SCARA.
  • Capacità di carico o carico utile
    Quanto peso può sollevare un robot.
  • Velocità
    La velocità con la quale il robot può compiere un movimento completo. Può essere definita in termini di velocità angolare o lineare per ciascun asse, oppure come velocità composta, cioè la velocità della fine del movimento, quando tutti gli assi si muovono assieme.
  • Accelerazione
    Quanto velocemente un asse può accelerare. Poiché è un fattore limitante, un robot può non essere in grado di raggiungere la propria velocità massima per movimenti eseguiti su una breve distanza o un percorso complesso che richiede frequenti cambi di direzione.
  • Precisione
    Quanto accuratamente un robot può raggiungere una posizione prestabilita.
    Quando la posizione assoluta del robot è misurata e confrontata con la posizione richiesta, l’errore è una misura della precisione. La precisione può essere migliorata tramite sensori esterni, per esempio un sistema di visione o a infrarossi”. La precisione può variare con la velocità e la posizione nell’ambito del raggio d’azione e con il carico utile (vedi conformità).
  • Ripetibilità
    La precisione con la quale il robot può tornare a una posizione programmata. Non corrisponde alla precisione. Può succedere che, quando si dà l’istruzione di andare in una certa posizione XYZ, il robot si fermi a 1 mm di distanza. Questa è la sua precisione e può essere migliorata con la taratura. Se però questa posizione viene fissata nella memoria del controller e ogni volta che il robot viene inviato in quel punto arriva a 0,1 millimetri dalla posizione voluta, la ripetibilità sarà entro 0.1 mm.
  • Alimentazione
    Alcuni robot utilizzano motori elettrici, altri attuatori idraulici. I primi sono più veloci, i secondi più vantaggiosi per applicazioni come la pittura a spruzzo, dove una scintilla potrebbe scatenare un’esplosione; una bassa pressurizzazione interna del braccio meccanico può impedire l’ingresso di vapori infiammabili e altri agenti inquinanti.
  • Guida
    Alcuni robot collegano i motori elettrici alle articolazioni con il cambio, altri collegano il motore al giunto in maniera diretta (azionamento diretto). Utilizzare il cambio permette un ‘gioco’ maggiore, il quale garantisce all’asse un movimento più libero. I bracci più piccoli del robot spesso hanno una velocità più elevata e motori a coppia bassa a corrente continua, che in genere richiedono elevati rapporti di trasmissione: questo comporta lo svantaggio del contraccolpo. In tali casi, è spesso usato il riduttore armonico.
  • Conformità
    E’ una misura dello spostamento, in gradi o distanza, che l’asse di un robot subirà quando soggetto a una forza. A causa della conformità, quando un robot si posiziona in un certo posto portando il suo carico massimo, si troverà in una posizione leggermente diversa rispetto a quando si muoverà senza carico. La conformità può essere responsabile anche del superamento dei limiti durante il trasporto di carichi elevati: per questo sarà necessario ridurre l’accelerazione.
  • Controllo del movimento
    Per alcune applicazioni, come semplice assemblaggio prendi e sposta, è sufficiente che il robot esegua un movimento con un numero limitato di posizioni prefissate. Per le applicazioni più sofisticate, come la saldatura e la finitura (verniciatura a spruzzo), il movimento deve essere continuamente controllato per seguire un percorso nello spazio, con orientamento e velocità controllata.

Programmazione

L’installazione o programmazione dei movimenti e sequenze per un robot industriale è generalmente effettuata collegando il controller del robot a un laptop, a un computer desktop o a una rete (interna o Internet). Un robot e le macchine o le periferiche ad esso collegate vengono definiti come una cella di lavorazione, o più semplicemente una cella. Una cella tipica può contenere un alimentatore, una macchina per lo stampaggio e un robot. I vari macchinari sono ‘integrati’ e controllati da un singolo computer o PLC. Il modo in cui il robot interagisce con le altre macchine della cella deve essere programmato, sia per quanto riguarda le loro posizioni nella cella che per la sincronizzazione.

Software: l’installazione viene effettuata tramite il software d’interfaccia. L’uso di un computer semplifica notevolmente il processo di programmazione, visto che il software può essere inserito sia in quest’ultimo, sia nel controller del robot o in entrambi, a seconda del sistema. Ci sono due elementi di base che devono sempre essere inseriti (o programmati): i dati di posizione e la procedura. E’ possibile programmare le posizioni nel robot in diversi modi:

  • Comandi posizionali
    Il robot può essere indirizzato alla posizione desiderata tramite una GUI o comandi testuali, in cui la posizione richiesta XYZ può essere specificata e modificata.
  • Pulsantiera
    La posizione del robot può essere inserita attraverso una pulsantiera che fa sia da unità di controllo che da unità di programmazione. Le caratteristiche comuni di tali unità sono la possibilità di inviare manualmente il robot nella posizione desiderata o di muoverlo di poco per regolare la posizione. C’è poi anche un sistema per cambiare la velocità, visto che per un posizionamento più accurato o mentre si prova una routine nuova o modificata, è necessaria una velocità ridotta. Infine, è sempre presente un grosso pulsante di arresto in caso di emergenza. In genere, una volta che il robot è stato programmato, non c’è più bisogno della pulsantiera.
  • Portare per il naso è una tecnica proposta da molti produttori di robot. Con questo metodo, una persona controlla il robot mentre un’altra dà un comando che manda il robot in standby. L’utente sposta il robot a mano nelle posizioni richieste e/o lungo un percorso, mentre il software registra queste posizioni in memoria. Il programma può poi far eseguire al robot questi stessi movimenti o far seguire il percorso prestabilito.
    E’ una tecnica molto utilizzata per attività come la verniciatura a spruzzo.
  • La programmazione non in linea è quella dove l’intera cella, il robot e tutte le macchine o strumenti di lavoro sono mappate graficamente. Il robot può essere spostato sullo schermo e il processo viene simulato. La tecnica ha un valore limitato in quanto si basa sulla misurazione accurata della posizione dei dispositivi associati e sulla precisione della posizione del robot, che può essere o non essere conforme a quanto programmato (vedi precisione e ripetibilità, sopra).
  • Altri
    Gli operatori possono utilizzare dispositivi di interfaccia utente, in genere touchscreen, che fungono da pannello di controllo. L’operatore può passare da un programma all’altro, apportare modifiche all’interno di un programma e azionare una serie di periferiche che possono essere integrate nello stesso sistema robotico. Sono inclusi: effettori finali, serbatoi che forniscono componenti al robot, nastri trasportatori, comandi di arresto di emergenza, sistemi di visione artificiale, sistemi di blocco di sicurezza, stampanti di codici a barre e una serie quasi infinita di altri dispositivi industriali, accessibili e controllabili attraverso il pannello di controllo dell’operatore.

La pulsantiera o il PC di solito vengono scollegati dopo la programmazione e il robot esegue il programma installato nel proprio controller. Tuttavia, spesso viene usato un computer per ‘supervisionare’ l’attività del robot e delle periferiche, o per fornire memoria aggiuntiva per eseguire percorsi complessi e routine.

Effettori finali

La periferica più importante per un robot è l’effettore finale, cioè l’attrezzo alla fine del braccio. Esempi comuni di effettori finali comprendono: dispositivi di saldatura (come le saldatrici MIG, saldatrici a punti ecc), pistole a spruzzo, smerigliatrici, dispositivi per la rimozione delle sbavature (quali dischi pneumatici o nastri smerigliatori, frese ecc), pinze (dispositivi in grado di afferrare un oggetto, di solito elettromeccaniche o pneumatiche). Un altro sistema comunemente utilizzato per raccogliere un oggetto è tramite l’aspirazione. Gli effettori finali sono spesso molto complessi, diversi a seconda dell’oggetto trattato e spesso in grado di raccogliere una serie di oggetti contemporaneamente. Possono utilizzare diversi sensori per aiutare il sistema del robot a localizzare, manipolare e posizionare gli oggetti.