Robot Industriali

I robot sono ormai parte integrante e insostituibile in molte attività produttive. Nonostante siano una tecnologia piuttosto recente, la loro evoluzione è stata veloce e ha portato a molti diversi esiti.

Il primo modello di robot industriale fu sviluppato nel 1959 da Devol e Engelberger: era un’automazione del peso di oltre 2 tonnellate, lenta, ingombrante e imprecisa se paragonata ai robot odieri. A Engelberger, per i meriti e la ricerca pioneristica in ambito robotico, è stato in seguito intitolato l’omonimo premio, assegnato nel 2018 al cofondatore di Universal Robots Esben Østergaard.

La prima installazione in una linea industriale avviene nel 1961 alla GM Ternstedt a Trenton, nel New Jersey. Alla fine degli anni ’60 i robot industriali approdano anche in Europa e inizia una diffusione concreta di questo strumento. Tuttavia, si tratta di strutture di acciaio con motori idraulici lenti ed imprecisi. All’inizio degli anni ’70 la robotica sbarca in Italia, dove la FIAT li implementa nei processi di saldatura e assemblaggio delle scocche. L’automotive è stato quindi il settore trainante per la diffusione massiva della robotica in ambito industriale. E questo perché più di altri è caratterizzato da processi ripetitivi, da una richiesta di qualità e ripetibilità molto elevata e dalla necessità di assicurare volumi produttivi costanti.

In seguito i robot divennero sempre più compatti, versatili e precisi e furono applicati in un numero sempre maggiore di processi, che oggi includono l’asservimento di centri di lavorio e macchine utensili, l’assemblaggio di precisione, la manipolazione, la foratura, le attività di asportazione di materiale, la finitura, la verniciatura, eccetera.

La definizione – una delle possibili – più comunemente accettata è quella riportata nella norma ISO TR/8373-2.3 che definisce il robot industriale come: "Un manipolatore con più gradi di libertà, governato automaticamente, riprogrammabile, multiscopo, che può essere fisso sul posto o mobile per utilizzo in applicazioni di automazioni industriali".

Ma non tutti i robot sono uguali. È possibile infatti classificarli primariamente in base alle caratteristiche strutturali e ai gradi di libertà che sono in grado di assicurare nel movimento come vedremo più avanti.

A cosa serve un robot?

I robot nascono in risposta a esigenze produttive caratterizzate da maggiori volumi, più elevata attenzione alla qualità del prodotto, ottimizzazione dei processi, ergonomia degli stessi. I robot infatti possono garantire ritmi più elevati rispetto alla controparte umana, sollevare pesi maggiori, movimentarli con maggiore ripetibilità assicurando così processi più coerenti.

Possono inoltre rispondere a precisi criteri di ergonomia, mallevando gli operatori da operazioni insalubri, ripetitive, pericolose e usuranti. Ed è proprio su queste ultime che il vantaggio della robotica si fa maggiore, riuscendo a garantire coerenza e ripetibilità su attività che inevitabilmente vedrebbero un calo di performance se eseguite manualmente.

I robot possono essere integrati in contesti produttivi diversi, sia rigidi che flessibili. È questo un criterio fondante che deve guidare la scelta dell’automazione più adatta.

I sistemi di produzione rigidi (come per esempio assemblaggi continuativi in serie) sono caratterizzati da una serie di operazioni sempre uguali, ripetitive, ad alto ritmo. Un sistema rigido ha come primo obiettivo l’incremento di produttività e la ripetibilità del processo (e del prodotto).

Quelli flessibili invece, più tipici di piccole aziende o della subfornitura sottoposta ad elevata variabilità e mass customization, sono caratterizzati da operazioni che variano con frequenza – in risposta a stagionalità o pressioni di mercato – e sono contesti in cui il primo obiettivo da perseguire è la riduzione costante dei tempi di programmazione e fermo macchina. Sistemi flessibili prediligono quindi apparecchi robotici il cui processo di programmazione risulta semplificato. Ne sono un chiaro esempio i robot collaborativi.

Qui di seguito invece affrontiamo le tipologie di robot in base ai gradi libertà e ai movimenti che sono in grado di eseguire.

La classificazione dei robot

I robot, in base alle possibilità di movimento su più assi, possono essere così classificati:

1. Robot cartesiani (robot a portale, robot xyz o ICS = Integrated Combination System): sono una combinazione di due o più assi elettrici lineari o rotanti. Per questo, sono il tipo di robot con la cinematica più semplice e facile da comandare. Ogni asse ha un solo grado di libertà. Il robot cartesiano risponde a esigenze di contenimento del consumo di suolo a bordo macchina per, a esempio, una movimentazione o una pallettizzazione su una linea esistente. In questo caso la capacità di corsa movimentazione più ampia sui tre assi X,Y e la relativa escursione possibile in verticale, rende questa soluzione migliore rispetto a quella antropomorfa. Scelta analoga quando il carico da trasportare è molto elevato. A parità di peso, infatti, la robotica cartesiana mantiene tipicamente il carico centrato sotto l’asse Z, generando minori momenti e garantendo maggior stabilità e dinamiche più elevate rispetto all’articolazione del robot antropomorfo, chiamato a movimenti più complessi, spesso più lenti, per raggiungere lo stesso punto nello spazio.
2. Robot antropomorfi (o articolati) a 6 assi: è il robot più flessibile. Con 6 gradi di libertà, è in grado di riprodurre pressoché tutti i movimenti di un braccio umano, compresi quelli della mano. È particolarmente adatto a svolgere movimenti su coordinate x,y,z complesse e ad alta variabilità, proprio per la sua capacità di raggiungere punti intermedi nello spazio. È indicato nelle operazioni di movimentazione e/o montaggio in punti. È molto diffuso nel settore automobilistico per il montaggio e la saldatura dei pezzi, ma trova impiego in qualsiasi campo industriale.
3. Robot SCARA (acronimo di Selective Compliant Assembly Robot Arm): è un robot concepito per operazioni veloci e precise. È nato all’inizio degli anni ’70 da un’analisi condotta sui movimenti maggiormente ricorrenti in ambito produttivo: questi si riducono essenzialmente a 4, che sono appunto gli assi (o gradi libertà, di cui gode il robot SCARA. Il vantaggio che presenta questo tipo di robot rispetto ad altri è dovuto al fatto che per sollevare un pezzo lungo l’asse z il movimento avviene su un solo asse. Il che ne semplifica la struttura rendendolo più affidabile. In un piano orizzontale si muovono 2 bracci articolati, incernierati ad una estremità con un asse verticale fisso, mentre all'altra estremità libera si trova un asse Z. Rispetto a quest’ultimo asse è possibile muoversi verticalmente e ruotare.
4. Robot Delta: questo tipo di robot consiste in tre bracci collegati da giunti universali alla base. La caratteristica chiave del design è nei bracci, che mantengono l’orientamento del dispositivo di estremità. È progettato appositamente per ottimizzare la velocità e la versatilità delle operazioni di prelievo e movimentazione a velocità elevata di piccoli componenti in svariati settori, tra cui quelli alimentare, farmaceutico ed elettronico. I robot Delta esistono con 3, 4 o 6 assi. La loro struttura unica, a cinematica parallela, e il perimetro di lavoro molto ampio li rende candidati ideali per applicazioni di automazione più complesse. Garantiscono accelerazione rapida e velocità elevata e sono caratterizzati da straordinari livelli di prestazioni che consentono di mantenere al minimo il numero di robot richiesti su una linea e di limitare il layout produttivo.
5. Robot Collaborativi: lo stadio ultimo dell’evoluzione della robotica. Pensati per interagire in sicurezza con l’essere umano (in virtù di sofisticate safety native, della velocità e del peso ridotto) rispondono anche a una spiccata esigenza di flessibilità. Sono infatti di norma molto più facilmente programmabili rispetto agli antropomorfi (con cui condividono i 6 o più gradi libertà, la forma articolare simile al braccio umano e la possibilità di integrare al polso numerosi accessori per automatizzare operazioni via via diverse. Il primo modello di cobot (collaborative robot) è stato sviluppato da Universal Robots nel 2008. Sono caratterizzati da cinematica snella e leggera, dimensioni contenute (che ne facilitano il trasporto fra una linea e l’altra a tutto vantaggio della flessibilità dell’automazione) e dalla possibilità di poter operare in contesti aperti, senza spazi segregati (ovviamente dopo l’analisi del rischio condotta sull’applicazione nel suo complesso).

Prendendo come riferimento il robot antropomorfo, il robot per antonomasia in un certo senso, la struttura presenta alcuni elementi fissi e ricorrenti.

Innanzitutto una base, che fornisce la stabilità e la possibilità di connettere il robot ad un basamento, così come nei pressi di una cella di lavoro. Sulla base poggia il sistema meccanico, che costituisce l’ossatura portante del robot. Il robot antropomorfo (così come il collaborativo) presenta una struttura simile a quella di un braccio umano: distinguiamo infatti parti denominate spalla, gomito e polso connesse tramite giunti che distribuiscono il movimento dal motore fino al manipolatore integrato al polso. Su quest’ultimo vengono installati tramite apposita flangia, gli end-of-arm-tooling, ovvero gli organi di presa, visori, accessori per trapanare, saldare, assemblare, che rendono questo tipo di robot così flessibile e versatile.

I robot antropomorfi operano sempre in spazi segregati rispetto all’area di attività degli operatori per garantire la loro incolumità e sicurezza. I cobot invece – studiati per condividere spazi e mansioni – possono integrare ulteriori accessori per arricchirne le funzioni e renderlo operativo in contesti ad elevata complessità. Rientrano in questa tipologia di accessori per esempio sensori e sistemi di visione (che rallentano velocità e accelerazione del cobot quando un operatore entra nella cella).

La robotica collaborativa è contraddistinta da una marcata facilità d’uso. Ciononostante il suo corretto utilizzo non è esente da incomprensioni sul miglior modo di integrarla nei processi: le più comuni riguardano un’errata interpretazione della reale natura dello strumento.

Proviamo quindi a fare chiarezza e sgombrare il campo da una serie di malintesi applicativi che rischiano di ridurre i vantaggi derivanti dalla robotica collaborativa.

Un cobot non è un robot come tutti gli altri

Un cobot - a differenza di un robot tradizionale – offre ai produttori una scelta in più. Non solo può sollevare gli operatori integralmente da una serie di attività, ma può anche eseguirle con loro, in stretta collaborazione. La collaborazione uomo-robot dà origine ad applicazioni fino all’85% più produttive rispetto a versioni totalmente automatizzate o integralmente manuali.

Il cobot è quindi uno strumento intelligente pensato per potenziare il lavoro umano e riportare nelle sue mani intere porzioni del processo produttivo.

Quantità e flessibilità non sono incompatibili

I cobot sono più piccoli, leggeri dei robot tradizionali. Questo perché sono stati pensati per essere agevolmente spostati e applicati in diversi punti del layout, rispondendo a un bisogno di flessibilità in produzione. Quindi sono assolutamente perfetti quando avvengono frequenti variazioni nella lunghezza del lotto e del mix produttivo. Questo significa che di fronte a lotti lunghi e scarso mix dovrò fare a meno dei cobot e rassegnarmi all’utilizzo di un’automazione tradizionale? Assolutamente no.
I robot collaborativi possono infatti far fronte anche a scenari produttivi in cui le variabili sono ridotte al lumicino: applicazioni come il machine tending, caratterizzate da alta ripetibilità, sono perfettamente automatizzabili con i cobot. Con il vantaggio che questi non richiedono – previa analisi del rischio – barriere perimetrali di sicurezza.

Se è sicuro allora è collaborativo

Pensare che integrare sensori a un robot tradizionale sia sufficiente a farne un’automazione collaborativa è sbagliato. Un robot collaborativo non è soltanto un’automazione sicura, ma molto di più. Un cobot offre semplicità di programmazione e di integrazione, flessibilità operativa, un ritorno economico rapido. Confondere un robot cobotizzato con un cobot nativo è un errore comune e diffuso.

I robot “cobotizzati” sono derivati da robot tradizionali e resi adatti al lavoro in aree aperte grazie alla “pelle” sensorizzata e a una serie di sensori. Intorno a questo tipo di robot cobotizzato sono state sviluppate celle che non sono propriamente collaborative, ma realizzano una qualche forma di coesistenza tra operatore e robot. Queste celle si avvalgono di robot industriali dotati di una sensoristica specifica, sensori laser, volumetrici che controllano i movimenti dell’operatore e che consentono al robot di lavorare senza recinzioni con varie zone di rallentamento a seconda della vicinanza dell’addetto. Le automazioni cobotizzzate arrivano anche ad arrestarsi completamente qualora l’operatore superasse la zona di sicurezza.

Nella robotica effettivamente collaborativa, il robot è in grado di fermarsi (senza arrecare danno) quando si determina un impatto con l’operatore. I vantaggi del robot collaborativo vanno ricercati quindi non solo nella sicurezza insita nell’automazione (che è evidente e consente di fare a meno di recinzioni e barriere, e quindi a conti fatti di realizzare un consistente risparmio) ma soprattutto nella semplicità di integrazione e programmazione, nella possibilità di essere riprogrammato direttamente dagli addetti dell’azienda. Un vantaggio notevole soprattutto per quelle aziende medio piccole che non sempre dispongono, in house, delle competenze necessarie a far fronte alla programmazione di un’automazione tradizionale.

La robotica industriale è applicata in moltissimi settori e attività diversi, dall’automotive alla chimica, dal food all’elettronica, dalla meccanica al farmaceutico. Al tempo stesso, all’interno dello stesso settore è possibile automatizzare diversi task.

Le principali applicazioni delle robotica riguardano 3 classi di attività:

1. Movimentazione di materiale
2. Manipolazione di materiale
3. Controllo qualità.

Scendendo nel dettaglio quelle che seguono sono le principali applicazioni automatizzabili con i robot industriali.

Asportazione di materiale

Rientrano in questa categoria tutte quelle applicazioni che comportano la lavorazione sulla superficie del prodotto, da cui vengono asportati strati di materiali in processi di fresatura, tornitura, sabbiatura, polishing, eccetera. Possono essere svolte sia da automi che da macchine opportunamente asservite da robot.

Assemblaggio

Avvitature, giunzioni, costruzioni: sono tutti processi che si riscontrano con frequenza in alcuni settori come quello automobilistico e meccanico. Le automazioni coinvolte includono sia automi che macchine.

Manipolazione di materiale

Sono da intendersi tutte quelle applicazioni che implicano lo spostamento di prodotto da una postazione a un'altra: quindi attività di packaging, pallettizzazione, logistica di fine linea.

Saldatura

È un’applicazione che viene svolta quasi esclusivamente da robot, spesso di grandi dimensioni, ma moventi sui sei assi, proprio per far fronte alla frequente complessità dei percorsi di saldatura da realizzare.

Verniciatura/erogazione

Un'altra applicazione che può essere automatizzata con successo sia con robot che con macchinari. In caso di percorsi complessi e cordoli con pattern a geometria curva o complessa, la robotica a sei assi mostra tutti i suoi vantaggi.