LA ROBOTICA INDUSTRIALE

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1 LA ROBOTICA INDUSTRIALE Ricerca di: Rossana Cavallaro Amalia Ghini Dipartimento di Scienze Economiche e Aziendali Economia aziendale - Teoria del controllo a.a. 2015/2016

2 ORIGINE Il termine robot deriva dal cecoslovacco Robota, che letteralmente significa lavoratore forzato o schiavo, e possiede un origine letteraria e fantastica: fu introdotto e usato per la prima volta nel 1921 dallo scrittore e drammaturgo cecoslovacco Karel Capek nel suo dramma fantascientifico R.U.R. (I Robot Universali della Rossum). Nell opera, la società Rossum produce uomini e donne artificiali da utilizzare come lavoratori.

3 I ROBOT NELL ANTICHITÀ L idea di realizzare dei sistemi meccanici autonomi ed intelligenti è abbastanza antica e rappresenta la sintesi tra il sogno di imitare la Natura e il bisogno di costruire macchine utili alla vita e al lavoro. Gli automi sono presenti già nella mitologia: ai tempi di Omero il primo creatore di macchine fu Efesto, dio del fuoco, a cui era attribuita la costruzione di macchine semoventi, servi meccanici e tavoli che si muovevano di propria volontà. Tra il V e il IV sec. a.c. il mondo del mito lasciò progressivamente il passo alla scienza e anche gli automi divennero prodotti dell uomo, per esempio: la sfera di Eolo di Erone, uno strumento che mostra come l energia termica possa essere trasformata in energia meccanica; il cavaliere meccanico di Leonardo da Vinci del 1495 che rappresenta il primo robot umanoide dell età moderna; i Karakuri, bambole giapponesi robotiche, risalenti al 1600 che furono create per divertire sia i nobili sia la popolazione.

4 I ROBOT NELL ANTICHITÀ - IMMAGINI

5 COS È UN ROBOT? Manipolatore programmabile multiscopo per la movimentazione di materiali, di attrezzi ed altri mezzi di produzione, capace di interagire con l ambiente nel quale si svolge il ciclo tecnologico di trasformazione relativo all attività prodotta (Robot Institute of America). Qualsiasi dispositivo che sostituisca il lavoro umano (Japanese Industrial Robot Association). 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 (ISO TR/ ).

6 COS È UN ROBOT? (II) Le definizioni anche se diverse tra loro sono accomunate da alcuni concetti. Il robot industriale è allo stesso tempo: un sistema meccatronico, in cui interagiscono meccanica, elettronica e informatica; un manipolatore, ossia un insieme di corpi rigidi (bracci) interconnessi tra di loro per mezzo di articolazioni (giunti), orientato alla movimentazione di parti, materiali o utensili nelle attività produttive; un sistema programmabile capace di apprendere un ciclo di lavoro attraverso la riproduzione di una sequenza di operazioni da eseguire; un sistema automatico che, una volta programmato, può effettuare autonomamente, senza alcun intervento umano, la medesima funzione in modo ripetitivo.

7 IL PRIMO ROBOT Il primo robot industriale, denominato Unimate, fu prodotto dalla società statunitense Unimation Inc. che realizzò nel 1959 un prototipo funzionante e lo installò nel 1961 presso gli impianti della General Motors per il trattamento di parti realizzate in pressofusione al fine di sostituire l uomo in questo pericoloso e insalubre lavoro (esposizione ad elevate temperature, rischio di essere colpiti da spruzzi bollenti di metallo fuso, inalazione di fumi nocivi). Il primo esempio di impiego massiccio in Italia avviene nel 1978 in Fiat, dove vengono usati diversi robot per la saldatura sulle vetture.

8 LEGGI FONDAMENTALI (ISAAC ASIMOV) Le leggi, inizialmente tre, sono poi state completate con l aggiunta di una legge 0. Esse codificano le norme etico/comportamentali che un qualsiasi robot deve rispettare. Le leggi definiscono il ruolo che i robot possono assumere all interno della società, vincolandone l autonomia di comportamento alla sicurezza dell uomo e dell umanità: 1. un robot non deve provocare danno all umanità sia tramite la sua azione che tramite un comportamento passivo (Legge zero); 2. un robot non può far del male a un essere umano né consentire, restando inoperoso, che un essere umano si trovi in pericolo; 3. un robot deve obbedire agli ordini degli esseri umani, a meno che tali ordini non entrino in conflitto con la prima legge; 4. un robot deve proteggere la sua esistenza a meno che tale protezione non vada in conflitto con le prime due leggi.

9 CLASSIFICAZIONE FUNZIONALE I Robot possono essere classificati in base ai diversi aspetti della loro operatività. Secondo la classificazione Funzionale i Robot si dividono in: per manipolazione, questi robot sono addetti allo spostamento di pezzi e non eseguono alcun tipo di lavorazione. Le applicazioni più frequenti sono quelle di trasferimento di semilavorati da una stazione di lavoro all altra, sistemazione e prelevamento di imballaggi e merci in magazzino, manipolazione di materiali pericolosi (esplosivi o radioattivi); per processi (saldatura, verniciatura, molatura, taglio, incollaggio, lucidatura), si tratta di robot che eseguono lavorazioni vere e proprie, tramite utensili portatili collegati al polso;

10 CLASSIFICAZIONE FUNZIONALE per assemblaggio, si tratta di robot in grado di assemblare pezzi, parti, componenti di vario tipo (meccanico, elettronico, elettrico); trattandosi di operazioni delicate e complesse i robot devono essere estremamente precisi e possedere adeguate capacità sensoriali (per il riconoscimento del pezzo e del suo orientamento); per ispezione e controllo, questi robot vengono utilizzati per il controllo dimensionale dei pezzi, ossia per rilevare eventuali difetti dimensionali del prodotto. Sono capaci di controllare i valori dimensionali di un pezzo fabbricato, per poi confrontarli con i valori teorici al fine di verificarne il rispetto.

11 CLASSIFICAZIONE CINEMATICA Cartesiani: questi robot si muovono lungo tre assi lineari ortogonali secondo le coordinate cartesiane x, y e z e presentano elevata precisione, forte capacità di carico e facilità di programmazione, ma che comportano un costo elevato e un notevole ingombro.

12 CLASSIFICAZIONE CINEMATICA Cilindrici: si muovono all interno di un volume di lavoro cilindrico, secondo due assi di traslazione ed uno di rotazione; offrono vantaggi di un elevata velocità, forte capacità di carico e di un basso ingombro, ma sono affetti da scarsa precisione e da una programmazione complessa.

13 CLASSIFICAZIONE CINEMATICA Sferici: questi si muovono all interno di un volume di lavoro sferico, secondo due assi di rotazione ed uno di traslazione; hanno il pregio di una buona velocità di lavoro, di un basso ingombro e di una programmazione semplice, ma presentano lo svantaggio di una scarsa precisione.

14 CLASSIFICAZIONE CINEMATICA SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm): si tratta di robot di struttura semplice in quanto, per sollevare un pezzo, il movimento avviene solo su un asse e ciò rende la struttura più affidabile e adatta allo svolgimento di operazioni veloci e complesse.

15 CLASSIFICAZIONE CINEMATICA Articolati: questi si muovono secondo tre assi di rotazione; sono robot dotati di alta velocità di lavoro e di grande precisione, hanno ingombro ridotto, sono economici, ma la loro programmazione è complessa.

16 ROBOT NON INDUSTRIALI Robot per l esplorazione Robot per la medicina Robot umanoidi Robot zoomorfi

17 COMPONENTI DI UN ROBOT INDUSTRIALE La struttura di un robot industriale si compone fisicamente di due unità: un unità meccanica, il manipolatore, addetta materialmente alla lavorazione e composta da: 1. piede, braccio interconnessi tra loro per mezzo di articolazioni dette giunti e un organo terminale che esegue il compito per cui il robot è utilizzato; 2. organi sensori, che permettono al robot di entrare in contatto con l ambiente circostante e di raccogliere informazioni esterne; 3. organi attuatori, che trasmettono la forza e il movimento al manipolatore, in relazione ai dati esterni raccolti dai sensori.

18 COMPONENTI DI UN ROBOT INDUSTRIALE (II) Un unità elettronica, composta da un calcolatore che rappresenta il cervello elettronico del robot e che svolge le seguenti funzioni fondamentali: 1. memorizza le istruzioni relative al programma di lavoro da svolgere; 2. comanda e coordina i movimenti del manipolatore; 3. riceve i dati dal mondo esterno tramite i sensori, li analizza e prende le conseguenti decisioni inviando gli ordini operativi agli attuatori.

19 COMPONENTI DI UN ROBOT INDUSTRIALE (III) L unità elettronica è dotata di: 1. un unità di memoria che registra il programma di istruzioni; 2. una consolle di programmazione (tastiera alfanumerica e un video) per mezzo del quale l operatore umano può programmare il robot ed interagire con esso 3. un unità di elaborazione aritmetico-logica che traduce e codifica in linguaggio numerico i dati in entrata (le istruzioni del programma e le informazioni esterne raccolte dai sensori), trasmette i dati in uscita agli attuatori e controlla che ogni movimento trasmesso al braccio sia compiuto correttamente secondo le istruzioni del programma.

20 SISTEMA DI CONTROLLO DI UN ROBOT INDUSTRIALE

21 DIFFUSIONE DEI ROBOT INDUSTRIALI Secondo la Statistica Mondiale dei Robot del 2014 stilata dall IFR, Federazione Internazionale della Robotica, entro il 2017 la Cina supererà l UE e il Nord America come numero di robot installati in ambito industriale.

22 IMPATTO DEI ROBOT INDUSTRIALI SUL MERCATO

23 LA FABBRICA DEI LEGO - - ORIGINE LEGO è un produttore di giocattoli danese, noto a livello internazionale per la sua linea di mattoncini assemblabili. L'azienda, fondata nel 1916 a Billund in Danimarca da Ole Kirk Christiansen, era inizialmente una falegnameria, mediante la quale si occupava della costruzione di abitazioni e arredi interni per le fattorie. Nel 1932 iniziò a fabbricare giocattoli: veicoli da trainare, salvadanai, automobili e camion in miniatura. Nel 1934 Christiansen coniò per i suoi giocattoli il nome LEGO, prendendo ispirazione dalla locuzione in lingua danese leg godt ("gioca bene"). A partire dal 1949, grazie alla diffusione della plastica, iniziò la produzione dei famosi mattoncini.

24 I ROBOT DELLA LEGO Quasi 80 anni dopo la nascita dei Lego, questi vengono distribuiti su larga scala grazie ai numerosi macchinari che producono 500 mattoncini al secondo, ovvero mattoncini al minuto, per 24 ore al giorno. I Robot utilizzati sono: 1200 macchinari per lo stampaggio dei mattoncini, grazie alle presse a iniezione, ma anche di pneumatici da gioco, dadi e altri accessori; robot trasportatori che spostano i mattoncini da un punto all altro della catena di montaggio e sono privi di un guidatore in quanto dotati di sensori che consentono al robot di percepire la presenza di un ostacolo; 4 gru robotizzate che si spostano tra i 70 Km di scaffali per sistemare quasi mezzo milione di contenitori (500 in un ora); stazioni di verniciatura e confezionamento; sistema di distribuzione globale.

25 FASI DELLA PRODUZIONE DI UN SET LEGO Sono 5 le fasi della produzione di un nuovo set. Design e sviluppo: ciascun pezzo viene realizzato a partire da un modellino in argilla che viene successivamente scansionato su una piattaforma 3d e perfezionato virtualmente. Il progetto finito viene introdotto in un macchinario che realizza un prototipo dello stampo in ottone, eventualmente rifinito a mano e successivamente testato in una pressa di prova. Se risulta perfetto, lo stampo viene trasportato in fabbrica.

26 FASI DELLA PRODUZIONE DI UN SET LEGO (II) Stampaggio su larga scala: Attraverso le condotte il granulato plastico grezzo, contenuto in 14 silos, arriva alle stazioni di stampaggio e viene trasformato in mattoncini dalle presse a iniezione che lo riscaldano a 250 e iniettano il materiale fuso nello stampo. Sono così precise che solo 12 pezzi su non passano il controllo qualità. La precisione è una caratteristica fondamentale, poiché ogni pezzo deve adattarsi perfettamente al proprio set. I Lego vengono successivamente prelevati dai robot e inviati ai magazzini di stoccaggio per essere pitturati e decorati. I macchinari producono mattoncini al secondo per un totale di 21 miliardi di mattoncini all anno.

27 FASI DELLA PRODUZIONE DI UN SET LEGO (III) Pittura e decorazione: i macchinari utilizzati in questa fase devono essere flessibili e sono progettati per tenere fermi i pezzi mentre vengono verniciati (fino 1 miliardo al mese). Per la sicurezza dei bambini viene utilizzata una vernice non tossica e non rimovibile. Preconfezionamento: i singoli pezzi vengono inseriti a mano nel macchinario per il confezionamento. Prima di entrare nelle scatole i set vengono divisi in pezzi più piccoli che vengono contati dai macchinari calibrati e inseriti in sacchetti di plastica (fino a al giorno) accertandone il peso al milligrammo in ben sei punti di controllo automatici. Se il sacchetto di plastica supera il limite massimo consentito, viene espulso dalla linea e sottoposto ad un controllo manuale. A pieno regime, vengono confezionati oltre sacchetti al giorno.

28 FASI DELLA PRODUZIONE DI UN SET LEGO (IV) Confezionamento Finale: i set vengono confezionati da alcuni macchinari automatizzati capaci di confezionare lavorando a pieno regime fino a 1 milione di scatole a settimana. I set di grandi dimensioni vengono confezionati a mano con una media di 650 unità all ora, per un totale di 1 milione di scatole alla settimana. Le nuove scatole vengono imballate, caricate sui tir e trasportate in città per la distribuzione su larga scala.

29 SISTEMA DI CONTROLLO DELLA FASE DESIGN E SVILUPPO

30 SISTEMA QUANTITATIVO DI RAGGIUNGIMENTO DELLA FASE PRECONFEZIONAMENTO

31 BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA Dott. Lotti Nevio, Il robot industriale caratteristiche tecniche e applicazioni operative; Piero Mella, Teoria del Controllo. Dal Systems Thinking ai Sistemi di Controllo, Franco Angeli, Milano, 2014; statistiche IFR Mega Fabbriche: Lego