PROGETTARE PER L ASSEMBLAGGIO

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1 PROGETTARE PER L ASSEMBLAGGIO L efficienza con cui un robot o un uomo eseguono il loro compito di assemblaggio è direttamente proporzionale allo sforzo fatto per progettare il prodotto in funzione, appunto, del suo assemblaggio. I prodotti sono progettati in generale seguendo 6 particolari criteri differenti: 1. Minimo costo. I singoli componenti devono essere fatti con i macchinari appropriati ed in modo che vengano minimizzati i costi di produzione. Ad esempio: disegnare ottimizzando il processo rispetto alla posizione della linea di divisione degli stampi dei pezzi; ottenere il minimo spreco dalle lastre di materiale grezzo; assicurare che sia facilitata la produzione partendo da barre o vergelle. 2. Funzionabilità. Il prodotto deve essere strutturalmente abbastanza forte per resistere indenne alle sollecitazioni alle quali sarà sottoposto in fase di uso. 3. Sicurezza. Il progetto è controllato da variabili e regole che definiscono i vincoli del pezzo. Ad esempio: max dimensione di apertura ; bisogni dei singoli componenti 4. Estetica. L aspetto della linea del prodotto normalmente riguarda solo i pezzi la cui estetica è importante. Sulle superfici in vista è richiesta bassa rugosità e assenza di danni, ma a volte le richieste non sono pienamente compatibili con i criteri di produzione scelti per minimizzare i costi. 5. Assemblaggio. Tradizionalmente i processi di assemblaggio sono sempre stati valutati poco e per ultimi principalmente perché la manodopera costava poco ed era abbondante, quindi i costi di assemblaggio non incidevano molto sul costo totale di produzione. Oggigiorno la situazione è cambiata, e la necessità di progettare in funzione dell assemblaggio automatico è essenziale per la sopravvivenza sul mercato. Questo cambiamento è avvenuto perché la vendibilità di un prodotto è basata sulla qualità e sul prezzo, e tutti e due i fattori possono essere ottimizzati tramite l uso dei robot. 6. Smontaggio. Si può progettare un elemento meccanico anche in funzione del suo smontaggio successivo. In passato si considerava questo fattore esclusivamente per facilitare la manutenzione, ma le recenti esigenze di recupero della materia prima hanno spostato in tal senso l approccio. Si inizia scegliendo i materiali usati non solo per le loro caretteristiche meccaniche e per i costi, ma anche in funzione della loro recuperabilità e del loro basso impatto ambientale. Si fa quindi attenzione nel cercare di unire dei pezzi in materiale recuperabile in modo da poterli staccare con facilità. In questo senso i sistemi di assemblaggio tramite vite anche se piu costosi e impegnativi facilitano il lavoro di disassemblaggio. Sono sconsigliati gli adesivi in quanto un terzo materiale estraneo al riciclaggio aderisce con forza sul pezzo e bisogna eliminarlo con dei solventi che complicano il processo di riciclo e inquinano il materiale di recupero. E necessario scegliere anche i processi di produzione in funzione del disassemblaggio. Un tipico esempio lo si trova nella formatura della plastica, che per ottenere alcune interessanti caratteristiche viene prodotta a strati di materiale differente. Questo processo ha notevoli vantaggi ai fini dell utilizzo dell oggetto che acquisisce proprietà particolari, ma provoca grandi problemi al riciclaggio. Nella formatura di un contenitore di plastica di può fare

2 uno strato in Polietilene per impedire il passaggio dell acqua, e uno strato di alcool vinilico per proteggere dall ossigeno. In ogni caso il processo di assemblaggio è estremamente migliorato con l uso dei Robot. L uso dei Robot porta con se tanti vantaggi; vengono elencati qui di seguito i principali: aumento della produzione miglioramento qualità abbattimento costi manodopera possibilità di lavorare in ambienti ostili all uomo Chiaramente bisogna far prima fronte ad un notevole costo di acquisto iniziale, ma se le analisi previsionali determinano una domanda sufficiente la spesa è giustificata. I prodotti progettati per l assemblaggio manuale non possono essere però assemblati roboticamente senza una riprogettazione. Bisogna scegliere il robot piu adatto al caso specifico, e poi adattare il processo produttivo nel limite del possibile in modo che il prodotto sia compatibile alle caratteristiche del Robot. A volte è indispensabile passare dall assemblaggio manuale a quello robotico per riuscire a soddisfare un incremento della domanda. Se cosi non fosse la concorrenza assorbirebbe una fetta del mercato e la sopravvivenza dell azienda sarebbe compromessa. Spesso poi le performance umane non riescono a soddisfare le sempre piu esigenze di mercato nell ambito della qualità. Il Robot riesce a garantirci, a seconda del tipo scelto, alta precisione (nell ordine del centesimo) o grande flessibilità di movimento. I principali Robot esistenti sono: Robot cartesiano Robot cartesiano a portale Robot cilindrico Robot sferico Robot articolato (o antropomorfo) Robot SCARA La caratteristica principale che distingue i robot sono le movimentazioni che corrispondono ad i gradi di libertà. Le movimentazioni possono essere traslazionali o rotazionali, in funzione di queste si classifica il robot. In generale ogni robot possiede 3 gradi di libertà, più tre aggiuntivi del polso

3 che non si contano nella classificazione. L eventuale settimo grado di libertà è costituito da una traslazione della base del robot. In alcuni casi si arriva a contare un ottavo grado di libertà costituito dal movimento contemporaneo del pezzo dovuto a saldature o fresature particolarmente complesse. Vediamo ora nel dettaglio i singoli robots: Cartesiano. Le movimentazioni dei robot cartesiani sono costituite da tre traslazioni lungo i tre assi x,y e z. Questi robot sono in assoluto i più precisi perché posseggono una struttura rigida e riescono a garantire precisioni nell ordine del centesimo. Lo svantaggio è che non possiede grande flessibilità di movimento e non riesce a raggiungere con facilità qualsiasi punto. Il volume di lavoro è un parallelepipedo. Robot cartesiano a portale. Le movimentazioni sono identiche a quelle del cartesiano, solo che in questo è presente una struttura che avvolge il volume di lavoro e permette di lavorare dall alto. per alcune applicazioni questa caratteristica è indispensabile. Anche le precisioni sono uguali a quelle del cartesiano.

4 Robot cilindrici. Nei robot cilindrici una traslazione viene sostituita dalla rotazione della base. Il volume di lavoro è chiaramente un cilindro. Sono ormai in disuso. Robot sferici. Nei robot sferici le movimentazioni sono costituite da due rotazioni e da una traslazione. Le rotazioni sono del basamento e della spalla. La spalla è la prima articolazione dopo il basamento. Il volume di lavoro si avvicina ad una sfera, ma non tutti i punti sono raggiungibili. In passato è stato molto usato nelle saldature delle scocche automobilistiche e nelle verniciature, ma ora è in disuso.

5 Robot articolato (o manipolatore). Le movimentazioni del robot articolato sono costituite da tre rotazioni. Grazie a queste rotazioni questo è il robot che più di tutti simula il braccio umano, quindi possiede grande flessibilità di movimento e riesce a raggiungere facilmente ogni punto. Lo svantaggio principale è che inserendo rotazioni al posto di traslazioni si perde di rigidezza, quindi di precisione. Non possiamo dunque sperare che questo robot lavori con una precisione nell ordine del centesimo come il cartesiano. Viene per questo usato molto nella manipolazione degli oggetti. Un altro svantaggio è che noi immettiamo le coordinate di programmazione in termini cartesiani, ma il computer di bordo deve convertire tutto in coordinate polari. Il problema consiste nel fatto che noi programmiamo il percorso secondo schemi lineari, ma quando i gradi di libertà sono delle rotazioni è difficile percorrere delle linee, quindi il computer sarà molto occupato a calcolare le traiettorie ed andrà lentamente. Robot SCARA. Le movimentazioni di questo robot consistono in due rotazioni e una traslazione. E un robot molto usato nell assemblaggio, soprattutto per i componenti elettronici che richiedono elevate precisioni. Le due rotazioni servono per il posizionamento e la traslazione per l assemblaggio. E estremamente comodo per asservire due linee parallele. La precisione raggiungibile è di circa 5 centesimi. Non è preciso come il cartesiano ma lo è più dell articolato, e inoltre possiede anche una buona flessibilità di movimento.

6 Regole di progetto in funzione dell assemblaggio Esistono molte regole per ottimizzare le produzione di un pezzo in funzione dell assemblaggio riducendo i tempi e facilitando la vita dell operatore manuale o del Robot asservito a tale utilizzo. Come regola generale bisogna prima riconoscere quali componenti hanno maggiori conseguenze sul processo di assemblaggio, ed in seguito ad essi si applicano una serie di principi illustrati qui di seguito: Necessità. Bisogna verificare che ogni componente presente nel complessivo sia necessario, quindi che non ci siano componenti a causa di ragioni invalide o concezioni sorpassate. La possibilità di ottenere il prodotto finito senza usare tutte le parti previste inizialmente è attuabile anche tramite la sostituzione di un set di fissaggio a vite a tre pezzi ( bullone, dado, rondella ) con un sistema monopezzo di bloccaggio ad aggancio meccanico. Il risultato è piu economico e piu pratico per il montaggio.

7 Nel riprogettare un complessivo con tutti i suoi particolari è possibile che i pezzi eliminati o sostituiti siano parecchi, e che quindi il risparmio finale portato da questa tecnica sia elevato. Nelle figure seguenti si vede un complessivo prima e dopo la sua riprogettazione per l assemblaggio. Il numero di pezzi è sceso da 23 a 16 e il 61% dei componenti del nuovo disegno sono compatibili con l assemblaggio tramite robot, contro il 33% del vecchio disegno. Disegno prima delle modifiche

8 Disegno dopo le modifiche

9 Specifiche. Bisogna assicurarsi che ogni componente sia sufficientemente corrispondente alle specifiche richieste. Spesso il reparto di produzione estende la banda di tolleranza per poter accettare i componenti aventi delle imperfezioni in punti non importanti per la funzionabilità dell oggetto. Si evita cosi una costosa sostituzione con un pezzo buono o una rilavorazione. Alcuni robot non essendo muniti di particolari sensori possono montare solo pezzi fatti bene perché non riescono a fare della discriminazione. I Robot piu sofisticati grazie all ausilio di particolari sensori riescono a garantire performance di selettività in fase di montaggio. Per esempio se un pezzo non è adatto viene rifiutato e ne viene selezionata un'altra. Comunque anche questi sistemi hanno bisogno che i componenti siano all interno delle tolleranze di specifica. La variazione nella banda di tolleranza identifica il componente da montare. Per ogni pezzo montato ci sono alcune specifiche da rispettare: Dimensione; assicura che il componente sia all interno delle tolleranze dimensionali specificate nel disegno. Funzione; verifica che il componente sia fato in accordo con le specifiche. Materiali; specifica precisamente il materiale con il suo numero nazionale standard Forma; controllata tramite tolleranze geometriche. E molto importante nelle interfacce dei pezzi stampati. Standardizzazione. Ogni variazione dei componenti deve essere minimizzata dove possibile. In ogni assemblaggio ci sono spesso dei pezzi simili, ma se questi vengono fatti tutti uguali, con una forma che soddisfa tutte le richieste, si riesce ad ottenere un notevole risparmio in termini di costi e spazio necessario per l immagazzinamento. Inoltre si velocizza il processo di assemblaggio perché l organizzazione del lavoro è piu semplice. Un valido esempio viene de un azienda Giapponese che produce una vasta gamma di misuratori analogici. Grazie al numero di varianti realizzate si riescono a soddisfare tutte le particolari esigenze dei clienti, ma l analisi ha dimostrato che la funzionabilità di molti pezzi usati è simile, quindi si possono standardizzare. Questa operazione comporta un notevole risparmio sia per l azienda che per il cliente. Simmetria. I componenti simmetrici vanno usati ovunque sia possibile. Questo tende a ridurre la manipolazione, l orientamento, l identificazione e la presentazione di un problema. Anche se l orientamento degli oggetti può essere corretto da particolari dispositivi prima della fase di assemblaggio in modo da arrivare in una posizione comoda, il processo diventa chiaramente troppo complesso. Molte asimmetrie dei componenti possono essere convertite in simmetrie con l aggiunta di piccole modifiche che alterano di poco il processo produttivo. Ad un piccolo incremento di costo di produzione consegue un grande vantaggio in termini di semplicità di processo di assemblaggio.

10 Asimmetria. E l opposto dell esigenza precedente. Quando per motivi funzionali non è possibile effettuare una simmetria, bisogna cercare di esagerare l asimmetria in modo da rendere evidente l orientamento giusto senza possibilità di errore. A volte è utile creare dei riferimenti che rendano impossibile il montaggio nel verso sbagliato. Posizionamento. E necessario assicurare che il componente si presenti al robot di assemblaggio come un singolo pezzo nella giusta posizione. Non bisogna in pratica far si che si generino circostanze che facilitino l aggancio di due o piu pezzi.. Visto che molti dispositivi di spostamento dei pezzi sono a vibrazione, se il disegno del pezzo non tiene conto della possibilità di aggancio e lascia aperte delle possibilità, l aggancio di piu pezzi è assicurato. Tale aggancio ci porta grandi problemi sia di movimentazione che di presa. Bisogna evitare questo fenomeno modificando il disegno. Anche queste modifiche normalmente non richiedono grandi spese aggiuntive ma risolvono molti problemi. prima della modifica: rischio di aggancio dopo la modifica: aggancio impossibile

11 Bisogna anche cercare di evitare che i pezzi si sovrappongano in fase di trasporto. La loro sovrapposizione rende più difficile la presa da parte di un Robot che si aspetta di trovarlo in un'altra posizione. Anche in questo caso si fanno modifiche mirate a impedire l innesco del fenomeno.