SISTEMI DI MATERIAL HANDLING E STOCCAGGIO:

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1 SECONDA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FACOLTA DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGENERIA AEROSPAZIALE E MECCANICA Cattedra di Impianti Industriali Prof. Ing. Roberto Macchiaroli SISTEMI DI MATERIAL HANDLING E STOCCAGGIO: CRITERI DI SCELTA E PROGETTAZIONE Autore: ing. Marcello Fera

2 Indice Introduzione...3 Glossario fondamentale...4 Criteri di scelta e progettazione...5 I 20 principi di material handling e gli indici caratteristici...8 Carrelli...31 Trasportatori a rulli...37 Trasportatori a nastro...40 Carriponte (gru a ponte)...41 Trasloelevatori...45 AGV...48 Criteri di progettazione di sistemi di movimentazione...51 Dimensionamento dei trasportatori a rulli e nastri...52 Dimensionamento di paranchi, argani e traslo-elevatori...55 Dimensionamento di carrelli ed AGV...57 Dimensionamento di impianti di stoccaggio serviti da carrelli industriali

3 Introduzione I sistemi di material handling, sono uno dei tanti sistemi aziendali, che contribuiscono alla struttura di costo relativa di un impianto industriale. Come tutti gli altri sistemi, anche qui i costi si compongono di una parte relativa all impianto ed un altra all esercizio. In particolare tra i costi di impianto abbiamo: struttura civile del magazzino, se presente, impianti di movimentazione materiali fissi o mobili, impianti di servizio asserviti agli impianti di movimentazione, scaffalature o altri sistemi di ricovero per le unità di magazzinaggio, computers, acquisto sistema di gestione informatico, etc. Ai costi di gestione contribuiscono: politica di gestione del magazzino e del sistema produttivo nel suo complesso, consumi di energia dei mezzi di movimentazione, manodopera per la gestione del sistema, consumi di energia degli impianti di servizio relativi ai mezzi di movimentazione, etc. I sistemi di movimentazione interna di materiale sono parte della macro famiglia relativa all ambito logistico, che, come ad oggi risulta chiaro, è tra quei sistemi per i quali una buona gestione può condurre a notevoli economie. 3

4 Infatti, non è da trascurare l impatto che i costi logistici, e quindi anche i costi relativi ai sistemi di material handling, hanno sul costo di fabbricazione e produzione più in generale. In alcuni casi manifatturieri, il peso che il solo magazzino può avere sulla determinazione del costo pieno industriale può giungere sino al 20% del prezzo in media; si capisce bene, quindi, che ottimizzazioni relative ai parametri di gestione di un magazzino, ma potremmo dire di tutta la catena logistica, risultano essere capaci di generare notevoli ripercussioni sull utile aziendale, mettendo in atto un meccanismo di leva molto forte. Glossario fondamentale Prima di procedere oltre, è opportuno definire quale sia il vocabolario fondamentale utilizzato nell ambito del material handling. unità di carico: si tratta dell unità fondamentale, in forma ed in peso, che permette, attraverso un principio di standardizzazione, di raggiungere migliori prestazioni del sistema sia in fase progettuale che di gestione, pallet: tipo di unità di carico, costituita da più elementi o un unico elemento avvolto all interno di plastiche o altri materiali avvolgenti, che ne garantiscono l unità, macchina di trasporto interno: può essere fisso o mobile, nel primo caso abbiamo rulli, nastri, etc., nel secondo caso, invece carrelli, traslo-elevatori, etc.; sono necessari per movimentare i materiali, paletta: unità di carico fondamentale, è conosciuta anche come pedana, permette di essere utilizzata in abbinamento ad un pallet o ad un altra u.d.c., permettendone la movimentazione a mezzo di carrelli, o altro mezzo di movimentazione con forche, PR: potenzialità ricettiva, indica la capacità statica di un magazzino di ricevere un certo numero di una determinata u.d.c., 4

5 PM: potenzialità di movimentazione, informazione di natura dinamica relativa al sistema di movimentazione, dà informazioni circa il numero di una stessa u.d.c. che è necessario movimentare in un lasso di tempo, magazzino: luogo o zona deputata alla gestione statica o dinamica dei beni aziendali. Tutte le altre parole o concetti necessari alla materia saranno trattati nello specifico dei rispettivi paragrafi. Criteri di scelta e progettazione Per poter realizzare la migliore scelta del sistema di material handling e quindi di poter realizzare al costo minimo le prestazioni richieste al nostro sistema, risulta di fondamentale importanza definire, in maniera univoca e precisa, cosa significhi realizzare un sistema di material handling. Def. 1: il sistema di movimentazione interna (n.d.r. material handling system) di un impianto industriale, è il sistema preposto ad assicurare la disponibilità dei materiali (materie prime, semilavorati, ricambi, etc.) presso le differenti stazioni di lavoro e di facilitare la totalità delle operazioni. Ciò significa che per poter dire che questo sistema funziona bene, se inteso come in def. 1, si deve realizzare la condizione di ottimo espressa nella definizione di seguito riportata. Def. 2: uso del giusto metodo per rendere disponibile la quantità giusta del materiale giusto, nel posto giusto, al tempo giusto, nella giusta sequenza, nella posizione giusta, nelle condizioni giuste ad al costo giusto. La sequenza di aggettivi giusto potrà sembrare una ripetizione forzata, ma, invece, tale sequenza ci permette di intuire la complessità del problema, che nasconde al proprio interno una serie di sottoproblemi, tra di loro correlati, che devono poi essere misurati al banco di prova della flessibilità, quindi dell efficienza, e dell efficacia. Prima di parlare degli obiettivi, che un sistema di material handling deve raggiungere, facciamo una prima caratterizzazione dell ambito di studio. Illustriamo quindi quali 5

6 siano state le diverse generazioni di sistemi di material handling, che negli anni si sono succeduti. I generazione (i burocrati): - carrelli a spinta manuale - scaffali e cassettiere - etichette e moduli II generazione (i fordisti): - carrelli industriali - scaffalature, caroselli - dispositivi switch e solenoidi IV generazione (robot): - integrazione di tutti i sistemi aziendali anche di gestione con il sistema di movimentazione III generazione (gli automi): - AGV - magazzini automatici - identificazione computerizzata V generazione (A.I.) - expert system per AGVS - expert system per ricezione e spedizione - robot adibiti alla pallettizzazione e depallettizazione di carichi misti - sistemi esperti per il tracciamento dei percorsi degli AGVS Figura 1: Sviluppo delle prestazioni, nel tempo, dei sistemi di material handling Come si vede lo sviluppo temporale dei sistemi di movimentazione ha avuto un andamento, che è stato profondamente influenzato dalla tecnologia di natura 6

7 informatica ed elettronica, infatti, le ultime tre generazioni illustrate nella precedente figura, si sono sviluppate solo negli ultimi 30 anni, mentre le prime due hanno dominato la scena per più di 60. L andamento dei costi di impianto e dei costi di gestione, durante tutte queste fasi di sviluppo, ha avuto due comportamenti inversi; infatti, il costo di impianto, man mano che si procedeva nel senso positivo del tempo ha subito un forte incremento, a fronte, però, di una caduta, potremmo dire quasi esponenziale, dei costi di gestione unitari relativi alla singola u.d.c.. Per poter ben scegliere un sistema di material handling si deve fare particolare attenzione a quelli che sono i fattori rilevanti nell ambito della movimentazione dei materiali: caratteristiche dei materiali da trasportare: peso specifico forma dimensioni caratteristiche dei flussi: numero di stazioni distanza fra le stazioni frequenza di movimentazione complessità dei percorsi entità dei flussi direzioni delle movimentazioni caratteristiche del lay-out: superficie disponibile 7

8 possibilità di modifiche adattabilità delle strutture possibilità di espansione integrazione del sistema di material handling: livello di automazione interfacciamento con stazioni operative interfacciamento tra differenti sistemi I 20 principi di material handling e gli indici caratteristici Durante le fasi di progettazione e di ri-progettazione o di miglioramento di sistemi esistenti, occorre verificare che siano rispettati alcuni principi: IL PRINCIPIO DELLA PIANIFICAZIONE E importante prevedere e pianificare tutti i movimenti, gli stoccaggi, e i tempi di attraversamento durante la fase di progettazione allo scopo di minimizzare i costi complessivi. Grazie a questo principio si riesce a prevedere il comportamento del sistema ancor prima che esso venga costruito, in modo da poter apportare quei cambiamenti e quegli aggiustamenti (capaci di migliorare in modo considerevole i costi di esercizio e l efficienza del sistema) che sarebbero significativi dal punto di vista economico una volta costruito l impianto. IL PRINCIPIO DEL SISTEMA Il flusso dei materiali deve essere concepito come un unico sistema integrato che deve essere esteso dai fornitori fino ai clienti e agli utilizzatori in accordo con la visione più moderna della logistica industriale. Bisogna cercare di standardizzare, ad esempio, i contenitori non solo all interno dei reparti produttivi e dei magazzini ma anche nei confronti dei propri fornitori e degli utilizzatori. 8

9 IL PRINCIPIO DEL FLUSSO DEI MATERIALI La riduzione e la razionalizzazione dei percorsi seguiti dai materiali hanno un grosso impatto tanto sui costi di movimentazione (sia di manodopera sia di impianto) quanto sugli aspetti della sicurezza, del controllo e del danneggiamento dei prodotti. IL PRINCIPIO DELLA SEMPLIFICAZIONE DELLE OPERAZIONI Tale principio si concretizza in quattro fasi successive: combinare più operazioni in un unica stazione di lavoro senza spostare i materiali; trasportare con un unico viaggio i materiali relativi a più prodotti; modificare ed adattare la configurazione impiantistica in modo da ridurre il tempo e il costo di trasferimento; semplificare le operazioni. IL PRINCIPIO DELLA GRAVITA Lo spostamento dei materiali per gravità rende il sistema di handling semplice e poco oneroso e quindi particolarmente conveniente. Tale sistema può essere utilizzato nel caso di trasferimenti non molto estesi. IL PRINCIPIO DELLA UTILIZZAZIONE VOLUMETRICA Tale principio suggerisce di utilizzare tutto lo spazio disponibile e quindi anche quello collocato a notevole altezza dal pavimento in modo da ridurre la superficie occupata e, con essa, il costo di occupazione. IL PRINCIPIO DELL UNITA DI CARICO Poiché l unità di carico è costituita da molti prodotti che vengono movimentati contemporaneamente, si ottengono notevoli vantaggi rispetto alla movimentazione dei singoli prodotti. I massimi vantaggi si ottengono se le unità di carico hanno dimensioni consistenti e se esse vengono movimentate senza frazionamenti per una lunga sequenza di fasi. 9

10 IL PRINCIPIO DELLA MECCANIZZAZIONE Tale principio consiste nel sostituire gli spostamenti manuali con attrezzature meccanizzate aventi fonti proprie di energia, ma comandate dagli operatori, al fine di ridurre gli sforzi del personale e aumentare la produttività. IL PRINCIPIO DELL AUTOMAZIONE Introdurre dei sistemi di movimentazione completamente automatizzati ottenendo cosi una riduzione di manodopera con relativi costi e soprattutto una sostituzione di mansioni poco gratificanti. Inoltre, l automazione consente di ridurre i danneggiamenti delle unità di carico in quanto i movimenti sono controllati da un software. IL PRINCIPIO DELLA SELEZIONE DELLE ATTREZZATURE Per selezionare le attrezzature più idonee al tipo di situazione, bisogna considerare alcuni aspetti: verificare se è possibile eliminare o combinare un operazione con altre, verificare cosa bisogna movimentare in particolare la forma, il peso, la quantità, il numero di movimenti richiesti, verificare il percorso, verificare la frequenza dei movimenti. Fatto ciò e possibile scegliere le attrezzature più idonee ad effettuare la movimentazione. IL PRINCIPIO DELLA STANDARDIZZAZIONE Tale principio della standardizzazione riguarda sia le attrezzature, sia le unità di carico e consente di ottenere notevoli risparmi attraverso un intervento di razionalizzazione complessiva del sistema. Infatti, mediante la standardizzazione delle attrezzature, si ottengono grossi vantaggi per la manutenzione; mentre lo sforzo di riduzione del numero di differenti unità di carico ha dei riscontri positivi sulle scorte 10

11 di imballi, sulla saturazione delle unità di carico di livello superiore e sullo spazio dedicato nelle scaffalature. IL PRINCIPIO DELL ADATTABILITA Preferire l uso di attrezzature adattabili per diversi impieghi è utile per migliorare la flessibilità e, nello stesso tempo, ridurre il rischio di obsolescenza delle attrezzature speciali (troppo costose rispetto al loro utilizzo limitato). IL PRINCIPIO DEL PESO A VUOTO Secondo tale principio occorre ridurre il rapporto tra il peso dell imballo e il peso del prodotto perché il costo per la manutenzione è proporzionale al peso complessivo, mentre, l efficacia del trasporto è relativa solo al peso del prodotto movimentato. IL PRINCIPIO DELL UTILIZZAZIONE Tale principio esplica un criterio molto semplice di razionalizzazione ed economicità complessiva ottenibile attraverso una piena utilizzazione delle persone e dei mezzi; preferendo così i cicli combinati ai cicli semplici. IL PRINCIPIO DELLA MANUTENZIONE Pianificare una manutenzione preventiva e con periodicità regolare rispetto alla manutenzione in caso di emergenza, risulta essere meno costosa ed evita le possibili interruzioni nei sistemi automatizzati. IL PRINCIPIO DELL OBSOLESCENZA Quando un sistema è già funzionante è necessario analizzare criticamente i metodi e le attrezzature presenti confrontandoli con i nuovi mezzi in commercio magari più efficienti. Se l analisi costi-benefici lo rende conveniente, è opportuno sostituire le vecchie attrezzature con le nuove migliorando l efficienza e le prestazioni del sistema. IL PRINCIPIO DEL CONTROLLO Un sistema di movimentazione e stoccaggio deve consentire di conoscere l ammontare delle giacenze di ogni articolo. Il modo più efficiente per fare ciò è quello 11

12 di utilizzare sistemi di identificazione come il codice a barre. In questo modo è possibile sia conoscere la disponibilità dei prodotti, sia intervenire se i livelli di disponibilità scendano al di sotto di valori prefissati. IL PRINCIPIO DELLA CAPACITA PRODUTTIVA Secondo tale principio, occorre utilizzare dei sistemi di movimentazione che siano in grado di far conseguire il desiderato livello di capacità produttiva. Ne consegue che in fase di progettazione è opportuno assegnare la produttività massima al sottosistema più oneroso dal punto di vista economico. IL PRINCIPIO DELLA PERFORMANCE E necessario analizzare criticamente le prestazioni e i costi sostenuti dividendoli per ogni singola attività, in questo modo è possibile effettuare dei continui miglioramenti. Inoltre, sia dalle prestazioni che dai costi, è possibile confrontare le diverse soluzioni e scegliere quelle più opportune. IL PRINCIPIO DELLA SICUREZZA La movimentazione dei materiali specialmente quella manuale è la causa di molti infortuni. Questo aspetto è tra i più importanti da considerare nella fase di progettazione e gestione dei sistemi di handling. Gli interventi possibili riguardano l utilizzo di attrezzature e dispositivi sicuri ma soprattutto effettuare una continua opera di formazione del personale. Per una buona progettazione di un sistema di material handling grande importanza è rivestita anche dalla definizione della politica di allocazione dei materiali. I criteri di allocazione dei prodotti sono tre: 1. Allocazione dedicata ad ogni singolo articolo (dedicated storage ); 2. Allocazione per classi di prodotti (class based storage); 3. Allocazione casuale (random storage o shared storage ); Nel primo criterio ad ogni codice viene assegnato un sufficiente numero di vani che risultano disponibili soltanto per quel codice. Così facendo la potenzialità ricettiva 12

13 necessaria è pari alla somma dei vani dedicati a ciascun articolo e quindi è pari alla somma delle giacenze massime previste (in pallet) di tutti gli articoli. In base all indice di accesso dei prodotti, ai criteri storici o classi merceologiche, vengono scelti i vani da dedicare ad ogni articolo. In base a quest ultimo criterio si riservano ad un prodotto o ad una classe di prodotti simili dal punto di vista merceologico i vani o una zona di vani che storicamente (nei periodi precedenti ) erano riservati ad essi, in modo da facilitare le operazioni manuali di ricerca degli articoli. Questo tipo di allocazione, inoltre, facilita più di ogni altro le operazioni di ricerca dei prodotti in quanto agevola la memorizzazione da parte degli operatori dei vani ove è presente ogni articolo; Consente di ottenere dei notevoli risparmi relativi al tempo medio di ciclo, ma necessita di periodici e onerosi cambiamenti delle posizioni di stoccaggio al fine di riallocare i prodotti nell ordine corretto, a fronte di cambiamenti dei flussi e del numero di vani occupato da ogni codice. Viceversa, il secondo criterio, consiste nell individuare classi di prodotti che siano omogenee dal punto di vista dell indice di accesso e nel dedicare ad ogni classe una zona con un numero sufficiente di vani. Poiché all interno di ciascuna zona le unità di carico dei diversi prodotti sono stoccate in modo casuale, il numero di vani necessari per ogni zona è pari alla giacenza complessiva massima prevista per tale zona. Con questo criterio di allocazione si ottiene una notevole riduzione della potenzialità ricettiva necessaria in quanto all interno di ogni singola zona è possibile una compensazione temporale tra le punte di giacenza degli articoli. La riduzione ottenibile del tempo medio di accesso, rispetto ad una allocazione completamente casuale delle unità di carico, è più consistente se il numero di classi è elevato. Il terzo criterio è l opposto rispetto all allocazione dedicata ad ogni singolo articolo; esso consente di ottenere i massimi vantaggi in termini di riduzione della potenzialità ricettiva ma è caratterizzato da un tempo medio di accesso pari alla media dei tempi di accesso a tutti i vani. L allocazione casuale non consente infatti di ottenere delle riduzioni del tempo medio di accesso mediante una corretta collocazione dei prodotti. Nel caso di allocazione sia casuale che in zone per classi di prodotti è necessario utilizzare supporti di tipo informatico al fine di individuare i vani in cui sono collocate le unità di carico relative ad ogni codice, questo perché per gli operatori è impossibile conoscere istante per istante la mutevole localizzazione dei pallet. 13

14 Altro parametro per la progettazione di un sistema di material handling è l attenzione circa gli indici di progettazione e gestione dei sistemi di stoccaggio. La sistemazione dei materiali nei magazzini deve essere studiata tenendo conto di questi indici: Potenzialità ricettiva: Espressa in termini di unità di carico stoccabili nel magazzino. E una misura della capacità statica del magazzino. Indice di utilizzazione superficiale: I S =S u /S t S u è l area utilizzata mentre S t è l area totale. Tale indice deve tendere a 1 e può anche essere espresso in termini di unità di carico immagazzinabili per metro quadro di area operativa di stoccaggio. Indice di utilizzazione volumetrica: I V =V u / V t V u è il volume utilizzato mentre V t è il volume totale. Tale indice deve tendere a 1 e può anche essere espresso in termini di unità di carico immagazzinabili per metro cubo di volume di stoccaggio. Si comprende bene come sia importante ridurre al minimo la superficie ed il volume dei magazzini al fine di minimizzare i costi (ammortamento, manutenzione, energia). Indice di selettività: I sl =I pd /N I pd è il numero di u. d. c. che si possono prelevare o depositare direttamente senza spostare altre u. d. c.; mentre N è il numero totale di u. d. c.. Tale valore deve essere minore di 1. 14

15 Indice di manodopera: Corso di Impianti Industriali 1 I m =Q T /N add Q T è la quantità (tonnellate o altra unità di misura), che lascia o arriva all interno del sistema, in un arco temporale definito, N add è il numero di ore lavorative degli addetti al magazzino. Indice di potenza: I m =Q T /W p Q T è la quantità (tonnellate tonnellate o altra unità di misura), che lascia o arriva all interno del sistema, in un arco temporale definito, W p è la potenza elettrica consumata in un arco temporale definito. L indice di manodopera e l indice di potenza, insieme, forniscono un elemento per la misura del grado di meccanizzazione del magazzino. Generalmente si può riconoscere un andamento inverso tra i due indici, cioè ad un aumento dell indice di potenza si dovrebbe assistere ad una diminuzione dell indice di manodopera, là dove ad esempio si sia proceduto ad un investimento in automatizzazione del sistema di material handling. Per quanto riguarda i sistemi di material handling è importante anche fare attenzione agli indici di gestione del sistema. Indice di rotazione: (IR)i,quantità = flusso in uscita in T giac. media in T [1/T] (IR)i,valore = valore del flusso in uscita in T valore giac. media in T [1/T] Tale indice è un indicatore dell entità della scorta rispetto al flusso, indica quante volte girano le scorte nell arco di tempo considerato. Tale indice deve essere quanto più alto è possibile, infatti, riconoscendo nel sistema di material handling un grande apporto di costi di ammortamento, che non contribuiscono, se non in maniera 15

16 marginale, al valore aggiunto, è necessario che il sistema venga utilizzato quanto più è possibile. Potremmo dire che la staticità per un magazzino comune, non riferito, quindi, a magazzini speciali (militari, etc.), è sintomo di un cattivo stato di salute aziendale. Indice di movimentazione: (IM) i,tr = (u.d.c. movimentata) i,t =TR [mov / TM ] Tale indice è uguale al numero di u.d.c. movimentate in un periodo di riferimento TR. Indice di accesso: (IA) i = (IM)i [accessi / (T*vano)] numero di vani dedicati Tale indice rappresenta il numero di accessi medi in un arco temporale relativi ad un singolo vano. Può coincidere con l indice di rotazione solo nel caso di un sistema di stoccaggio in cui siano movimentate u.d.c. intere in cui le celle dedicate siano pari alla giacenza media di ciascun prodotto. Sistemi di stoccaggio L immagazzinamento delle unità di carico può avvenire: mediante sovrapposizione diretta delle unità stesse; mediante scaffali, di vari tipi e caratteristiche. Il primo caso è tipico di materiali raccolti in contenitori sovrapponibili gli uni sugli altri e movimentabili con le forche. Tale sistema è sicuramente più conveniente a parità di frequenza delle movimentazioni, di indici di selettività e di indici di utilizzazione. A volte, però, non è possibile adottare tale soluzione per uno dei seguenti motivi: 1. quando il numero delle unità di carico per ogni voce è molto piccolo, per cui le pile risultano basse e l indice di utilizzazione volumetrico insoddisfacente; 16

17 Corso di Impianti Industriali 1 2. quando le dimensioni o la forma delle unità di carico sono tali da non consentire la formazione di pile; 3. quando la capacità portante del pavimento è tale da sovrapporre un numero limitato di unità di carico dato il peso. Figura 2 - Immagazzinamento di un unità di carico in pile, accostate fra di loro. Il secondo caso prevede l impiego di vari tipi di scaffalature. In linea generale si hanno: scaffali fissi, smontabili, a struttura tubolare, in profilati di acciaio, in angolari forati, 17

18 in cemento armato, molto rari. Qualsiasi sia la scelta, gli scaffali devono essere incombustibili, devono sopportare carichi senza deformarsi e resistere ad eventuali urti dei mezzi di trasporto. L altezza, dipende dal sistema di movimentazione dei materiali. Se l immagazzinamento ed il prelievo di materiali viene effettuato da operatori che si muovono sul piano di campagna, l altezza da terra degli scaffali non deve superare 2-2,25m. Con l impiego di mezzi di trasporto meccanizzati, l altezza utile degli scaffali aumenta (fig.3). Figura 3- Altezza degli scaffali in funzione dei sistemi di stoccaggio Nel caso in cui gli scaffali hanno altezze di 12-13m, si possono utilizzare carroponte di impilaggio, o meglio, carrelli a forche a preselezione automatica dell altezza a cui si deve effettuare la movimentazione delle unità di carico. Valutiamo ora i vari tipi di scaffali. Gli scaffali di tipo tradizionale (fig. 4), sono costituiti da più ripiani e dal fatto che ogni fronte si affaccia su un corridoio di servizio. 18

19 Corso di Impianti Industriali 1 Figura 4 - Scaffali a più ripiani e a due fronti prospicienti i corridoi di servizio. Lo scaffale in fig. 5, noto come scaffale a gravità consente il carico dei materiali da immagazzinare da un fronte ed il successivo prelievo dall altro. Man mano che si libera un posto, un altra unità di carico avanza sopra dei rulli fino a fermarsi contro l apposito arresto terminale. In questo modo si assicura la rotazione della merce (la prima unità di carico immessa è anche la prima ad essere prelevata). E preferibile avere due corsie per ogni voce. 19

20 Figura 5- Scaffale a gravità. Lo scaffale in fig. 6, è una variante dello scaffale a gravità: anche qui, ogni voce occupa almeno una corsia e il prelievo avviene secondo la stessa successione di arrivo a magazzino. Però, invece di un avanzamento a gravità delle unità di carico vi è un carrello motorizzato che preleva ciascuna unità caricata ad una estremità dello scaffale e la porta fino all estremità opposta della corsia. Ovviamente quando il vano di estremità si rende libero, il carrello interno alla corsia provvede a far avanzare di un passo tutte le unità di carico seguenti. Figura 6 - Scaffale con avanzamento motorizzato e per corsie delle unità di carico 20

21 Lo scaffale in Fig. 7, noto come scaffale passante (drive in) è molto adatto per unità di carico molto numerose e non o limitatamente sovrapponibili: in tal caso, esso, consente elevati indici di utilizzazione del magazzino. Ovviamente, una stessa voce dovrebbe riempire un numero di unità di carico tale da occupare almeno un intero corridoio dello scaffale, in modo che le unità di carico in esso immagazzinate risultino accessibili da due fronti e si possa quindi attuare una rotazione del materiale. Figura 7 - Scaffale passante. Lo scaffale in fig. 8, noto anche come scaffale compactus, è costituito da elementi mobili trasversalmente e consente di realizzare indici di utilizzazione molto elevati. In questo tipo di scaffale, tramite un comando, si possono spostare gli elementi necessari per ricavare un corridoio di accesso nella posizione voluta. Questo sistema di immagazzinamento, richiede tempi di accostamento ai vani della scaffalatura più lunghi di altri sistemi ed il suo impiego è quindi vincolato dalla frequenza di movimentazione delle varie voci, risulta più utile per magazzini basso rotanti. 21

22 Corso di Impianti Industriali 1 Figura 8 - Scaffale ad elementi mobili trasversalmente. Gli scaffali in fig. 9, sono noti anche come altri scaffali : si tratta di scaffalature che superano le altezze raggiungibili con altri tipi di scaffali; possono infatti superare i 2030m. Ovviamente i mezzi di movimentazione sono i traslo-elevatori. Figura 9 - Scaffali serviti da traslo-elevatore con manovratore a bordo. Quei prodotti che non possono essere considerati come materiali alla rinfusa e che, d altra parte, non consentono di essere raggruppati in unità di carico presentano un problema di immagazzinamento piuttosto complesso a causa di alcuni fattori: varietà e natura dei prodotti; 22

23 Corso di Impianti Industriali 1 forma, dimensione e pesi degli stessi; quantità di materiale da immagazzinare; modalità e frequenza delle movimentazioni. Premesso che anche in questo caso si deve anzitutto ricercare la quantità ottimale da immagazzinare per ogni voce, il problema consiste nel trovare il sistema più conveniente di immagazzinamento delle varie voci. Di solito, tale immagazzinamento è realizzato disponendo i colli in scaffali serviti dall uomo o, quando possibile, da mezzi di trasporto meccanizzati. In certi casi, si ricorre anche qui alla sovrapposizione diretta di contenitori. Ovviamente, i contenitori restano di norma fermi al loro posto e si effettua il travaso dei soli materiali. Per quanto riguarda gli scaffali, i tipi più noti sono illustrati di seguito. Scaffali di tipo tradizionale sono illustrati in fig. 10. Figura 10 -Scaffali di tipo tradizionale. Scaffali sovrapposti in fig.11, sono in genere a doppia facciata, come i precedenti; la sovrapposizione ha lo scopo di aumentare la quantità di materiali immagazzinati per metro quadro di magazzino. Figura 11 - Scaffali di tipo tradizionale disposti su due piani. 23

24 Corso di Impianti Industriali 1 Inoltre, esistono scaffali ed elementi mobili longitudinalmente, come in fig. 12. Grazie ad appositi comandi, gli scaffali possono scorrere singolarmente (in direzione longitudinale) su apposite rotaie e presentarsi di volta in volta di fronte all operatore. Così facendo un solo corridoio serve più scaffali ma il sistema richiede maggiori tempi di movimentazione e per questo poco adottato. Figura 12 - Scaffali ad elementi mobili longitudinalmente. Scaffali ed elementi mobili trasversalmente, in fig.13, anche in questo caso, gli scaffali scorrono (in direzione trasversale) su apposite rotaie. Grazie ad un comando gli scaffali possono scorrere singolarmente così un corridoio serve più scaffali. Come detto precedentemente, il sistema, richiede maggiori tempi di movimentazione e per questo è poco adottato. Figura 13- Scaffali ad elementi mobili trasversalmente. 24

25 Scaffali rotanti, in Fig. 14, sono costituiti da più ripiani girevoli attorno ad un asse verticale; ogni ripiano è suddiviso in una serie di caselle disposte a cerchio attorno all asse; si tratta però di scaffali utilizzabili per materiali poco ingombranti. Figura 14 - Scaffali rotanti. I materiali che per la loro forma, le loro dimensioni, od il loro peso determinano particolari problemi di immagazzinamento, come: profilati, tubi e barre, lamiere, rotoli di filo, bobine. Quando possibile per immagazzinare questi prodotti si ricorre ai depositi all aperto o semplicemente protetti contro le intemperie, nei quali si impiegano mezzi di trasporto adatti. Quando si prelevano pezzi singoli, se sono corti (fino a circa 3m) conviene l immagazzinamento verticale; in questo modo l operatore può prelevare direttamente i tubi, le barre od i profilati all incirca in mezzeria ed esercitare, quindi, il minimo sforzo, durante la movimentazione. Se però la frequenza delle movimentazioni è media oppure alta, si ricorre ad alcune soluzioni tra cui: una prima soluzione (fig. 1.14), in cui si costruiscono dei box nei quali i corpi lunghi da immagazzinare vengono disposti orizzontalmente, 25

26 Corso di Impianti Industriali 1 Figura 15 - Immagazzinamento di barre in box serviti da carroponte. Una seconda soluzione prevede l impiego di rastrelliere di varie forme e dimensioni (fig.16), Figura 16 -Immagazzinamento di barre su rastrelliere servite da gru di impilaggio. in alternativa alla seconda soluzione, si possono utilizzare scaffali a caselle (fig. 17), nei quali, le barre oppure i tubi sono accessibili da una o da entrambe le estremità, 26

27 infine, quando i profilati, le barre od i tubi sono movimentati in quantitativi rilevanti, la movimentazione è affidata a carriponte o gru. Figura 17 - Immagazzinamento di barre in scaffali a caselle serviti da un particolare carrello. Altro tipo di materiale è il cosiddetto materiale alla rinfusa, le più frequenti soluzioni di immagazzinamento di questi materiali sono: Immagazzinamento in mucchi: il materiale si dispone secondo un cono; può essere realizzato mediante l impiego di autocarri, carri ferroviari,automezzi con pala, escavatori, convogliatori a nastro e pala meccanica; Immagazzinamento in tramogge: può avere capacità variabile da pochi metri cubi a centinaia di metri cubi; Immagazzinamento in sili: impiegati soprattutto per immagazzinare sabbie, cemento, fosfati ed altri materiali polverulenti; Immagazzinamento in contenitori: utilizzato per materiali sciolti. Inoltre alle volte è necessario immagazzinare liquidi e/o gas, che sono immagazzinati in appositi serbatoi ricorrendo ad opportune confezioni. Si impiegano serbatoi cilindrici o sferici per accumulare acqua, nafta, gas od altri fluidi; fusti e latte metallici o in materiali plastici per contenere liquidi diversi (vernici, oli, alcoli). 27

28 Tecniche di contenimento Generalmente si pensa ai magazzini come a dei locali chiusi, in quanto la maggior parte dei prodotti ha bisogno di essere protetta dagli agenti atmosferici. Tuttavia, esiste la possibilità di conservare i materiali anche all aperto nel caso in cui il prodotto non richieda particolare protezione. L immagazzinamento al coperto viene eseguito ricorrendo ad una o più delle seguenti attrezzature e/o tecniche: Cassette - Sono particolarmente utili quando si deve immagazzinare una grande varietà di pezzi di piccole dimensioni. Sono disponibili in una vasta gamma di forme e dimensioni. Sono costituite in lamiera, plastica, legno: di solito tali cassette sono sovrapponibili e quindi utilizzabili non solo per la movimentazione ma anche per lo stoccaggio dei materiali. Fasci - Sono particolarmente utili per l immagazzinamento di pezzi lunghi e sottili, come tavole, tubi, barre. Palettizzazione - Sia i cassetti che i fasci possono essere impilati in senso verticale. Le palette, sono largamente usate nell industria per distribuire meglio i carichi. Le palette hanno consentito notevoli economie ottenute mediante un immagazzinamento più razionale. Se la forma del prodotto lo permette, la seconda paletta, con il suo carico, può essere appoggiata direttamente sopra il materiale sottostante, in quanto essa provvede a distribuire uniformemente il carico. La palettizzazione rende necessario generalmente che il prodotto sia rinchiuso in scatole, cassette o sacchi. Le palette o pallet possono essere in legno, metallo, plastica od altro materiale (fig. 18, 19, 20). Bobina utile per il magazzinaggio di pezzi che abbiano una dimensione caratteristica e siano malleabili. Contenitori I contenitori sono in genere utilizzati, oltre che per la movimentazione e l immagazzinamento dei materiali, anche per la loro protezione: essi possono essere metallici, di plastica, di alluminio, di legno o di altro materiale. Tali contenitori possono essere distinti in contenitori a parete piena o in lamiera, a struttura reticolare, in filo di acciaio e pieghevoli. 28

29 Le caratteristiche e le prestazioni richieste ai contenitori possono essere molto diverse: si ricorre a contenitori dotati di ganci o di fori per il sollevamento mediante funi o catene; in genere, però, le preferenze vanno verso i contenitori inforcabili o sovrapponibili. Figura 18 - (Paletta in legno), 19- (Paletta metallica), 20 -(Paletta in lamiera) L unità di carico costituita disponendo i materiali su palette, può risultare vantaggiosa nei reparti di lavorazione, per i trasporti interni, per l immagazzinamento e per la spedizione dei prodotti finiti; tale convenienza è legata al risparmio in termini di tempo, che si ottiene riducendo le manipolazioni. Se la palettizzazione è estesa anche alla spedizione dei prodotti all esterno dello stabilimento, il problema del ritorno dei vuoti può giocare un ruolo decisivo sulla convenienza o meno della palettizzazione stessa: dal grafico in (fig. 21), che mette a confronto il costo del trasporto su autocarri di colli singoli e degli stessi colli palettizzati, si nota come a partire da una certa percorrenza, la palettizzazione non risulti più conveniente. L 29

30 UNI, circa le palette, ha emanato diverse norme che ne definiscono le caratteristiche costruttive e le dimensioni. Figura 21 - Limiti di convenienza del trasporto su palette. Mezzi di trasporto interni Vi sono innumerevoli classificazioni dei trasporti interni. Ci si limita ad accennare alcune fra le più ricorrenti nella pratica. A seconda del tipo di materiale da trasportare: sotto forma di unità di carico Solidi sotto forma di colli (sacchi, etc.) alla rinfusa (sabbie, terre, etc.) Liquidi Gassosi acqua, olio, etc. aria compressa, azoto, etc. In base al funzionamento, che può essere continuo o discontinuo. 30

31 In base al tipo di energia motrice: Corso di Impianti Industriali 1 a movimento manuale (carrelli con traslazione a mano, convogliatori a rulli a spinta, scivoli, ); a movimento motorizzato con motore elettrico, diesel, benzina (carroponte, carrelli a motore, trasportatori a catena, a nastro, ); In base al tipo di movimento. A titolo esemplificativo si può considerare la seguente classificazione: mezzi per il sollevamento verticale; mezzi di trasporto in orizzontale; mezzi di sollevamento e trasporto; mezzi dotati di movimento vibratorio; mezzi dotati di movimento rotatorio. In base al tipo di comando: con manovratore a bordo (carroponti con comando da cabina, carrelli con manovratore a bordo, trattori, ); con manovratore a terra (convogliatori a catena o a nastro, trasportatori pneumatici, ); senza manovratore (convogliatori a catena o a nastro, ); Automatici (carrelli automotori scorrevoli su monorotaia, convogliatori aerei Carrelli birotaia, trasportatori per macchine transfer, ). L impiego dei carrelli per la movimentazione dei materiali all interno degli stabilimenti industriali, è andato sempre più diffondendosi. Si tratta di mezzi di trasporto e spesso anche di sollevamento discontinui, a traslazione manuale o 31

32 motorizzata. Possono essere dotati di attrezzature particolari atte a prelevare direttamente il carico (forche o altri implement) e hanno registrato la maggior diffusione in campo industriale. I criteri di scelta si basano sui seguenti parametri: Capacità portante o portata massima; Gommatura delle ruote. La portata di un carrello viene scelta in base alle esigenze dei trasporti da effettuare e dipende dalle caratteristiche costruttive del carrello stesso. Il tipo di gommatura, invece, deve essere scelto in relazione al tipo di pavimentazione su cui il carrello si muoverà. In commercio vi sono tipologie diverse di carrelli: carrelli a traslazione manuale, carrelli trasportatori-elevatori azionati manualmente; transpallet; carrelli trasportatori-elevatori motorizzati. I carrelli a traslazione manuale (fig. 22) sono di due tipi: a due ruote che è adatto al trasporto di fusti, barili, sacchi; a quattro ruote adatto a trasporti svariati. Spesso le ruote risultano pivottanti, il che, se da una parte consente di manovrare in spazi stretti, dall altra, rende più difficoltoso il controllo del carrello, specialmente lungo i tratti rettilinei. La portata massima dei carrelli a traslazione manuale dipende soprattutto dallo sforzo necessario richiesto all operatore, tenuto conto del tipo di pavimentazione su cui devono muoversi. 32

33 Figura 22 - Carrelli a traslazione manuale a due e a quattro ruote. I carrelli trasportatori-elevatori con azionamento manuale (Fig. 23) sono i tipi più noti dotati di movimenti di sollevamento e di traslazione azionati manualmente. Sono impiegati per la movimentazione di pedane, palette e colli aventi forma opportuna. Anche per questi carrelli, la portata massima dipende essenzialmente dallo sforzo richiesto per muoverli, con il carico a bordo, su una pavimentazione avente determinate caratteristiche. Il sollevamento del piano di carico può essere comandato, con manopola o mediante pedale, da un dispositivo solitamente di tipo idraulico. Tali carrelli sono caratterizzati da spazi di manovra limitati rispetto ai motorizzati e hanno modeste velocità di movimentazione. 33

34 Figura 23 - Carrelli trasportatori-elevatori con azionamento manuale. Figura 24 a- Transpallet, b- Transpallet elettrico, c- Transpallet elevatore. I transpallet (Fig. 24) come si può intuire dal nome, vengono utilizzati per la movimentazione di pallet, contenitori o altri elementi forcolabili; sono caratterizzati da modeste velocità di traslazione, modestissime altezze di sollevamento (12 cm), ma in compenso occupano poco spazio e riescono a passare in piccoli spazi ed hanno un elevata precisione di posizionamento. Possono essere potenziati con longheroni sollevabili e abbassabili tramite gruppo idraulico azionato dal timone (transpallet elettrici), oppure possono essere dotati di forche per il sollevamento (trans pallet elevatori). I carrelli trasportatori-elevatori motorizzati (Fig. 25), sono i più diffusi nell industria. 34

35 Il sistema di azionamento può essere con motore: elettrico (in corrente continua o alternata), termico, con alimentazione a gasolio, benzina o gas liquido. La scelta del sistema motore più adatto dipende da diversi fattori come i costi di acquisto, di esercizio e di manutenzione, oltre che da aspetti relativi alla sicurezza del lavoro (è vietato utilizzare carrelli a gasolio, o comunque a combustione interna, in luoghi confinati): i carrelli elettrici sono caratterizzati da tempi di avviamento più brevi, ragione per cui raggiungono rapidamente le velocità di regime; i carrelli diesel sono più robusti e quindi adatti per lavori pesanti e per terreni irregolari e quindi sono utilizzati nei depositi all aperto; i carrelli con motore a combustione interna possono essere utilizzati solo all esterno degli ambienti di lavoro per via degli scarichi gassosi; L impiego di numerosi carrelli elettrici comporta la disponibilità di un apposito locale per la ricarica degli accumulatori; in tale locale devono essere previste aspirazioni razionali e adeguate al fine di ridurre l emissione di vapori di acido solforico, che devono rientrare nei limiti imposti dalle legislazioni nazionali applicabili. Alla diffusione dei carrelli in esame ha contribuito in parte rilevante il fatto che essi sono dotati di forche (o di altri attrezzi speciali scelti in relazione ai carichi da movimentare) e che possono sollevarsi rispetto al piano pavimento. Valutiamo ora le prestazioni dei carrelli: Velocità di marcia con o senza carico: km/h; Velocità di sollevamento forche con o senza carico: 0,2-0,5 m/s; Velocità di discesa: 0,4-0,6 m/s; Massima pendenza superabile: 6-9 %; 35

36 Figura 25 - Carrelli trasportatori-elevatori motorizzati. Nella scelta dei vari carrelli, si fa riferimento al seguente grafico (Fig. 26), dove sulle ascisse sono riportate le distanze che devono essere percorse dal sistema di trasporto e sulle ordinate il costo associato. 36

37 Figura 26 - Grafico per effettuare la scelta del tipo di carrello. Trasportatori a rulli Sono costituiti da una serie di rulli montati su strutture portanti. Essi sono impiegati per il trasferimento e l accumulo di colli rigidi e dotati di un piano di appoggio regolare, tale, cioè, da evitare puntamenti con i rulli sottostanti; i materiali trasportati (generalmente colli), inoltre, devono avere lunghezza tale da poggiare almeno su due rulli. Se necessario, durante il trasporto di materiali possono essere eseguite diverse operazioni quali montaggi, lavorazioni, imballaggi, pesature. (fig.27). Figura 27 - Trasportatore a rulli. I rulli trasportatori in esame, sono costituiti da tubi di acciaio (talvolta rifiniti, zincati o ricoperti con PVC) montati su cuscinetti a sfere; questi a loro volta, sono calettati su un albero di sostegno fisso, che attraversa il rullo ed appoggia sulla struttura portante (Fig. 28). In ogni caso, i rulli devono essere scelti tenendo conto dei carichi da trasportare, delle condizioni ambientali e di funzionamento. Le strutture portanti dei trasportatori a rulli sono in genere costituite da un incastellatura in profilati metallici, assicurate al pavimento o alla struttura sottostante (fig. 29 e 30). 37

38 ff Corso di Impianti Industriali 1 Figura 28, 29, 30- Elementi modulari accoppiati tra loro. Per quanto riguarda il dimensionamento dei rulli, dell albero, del cilindro esterno e dell interasse tra rulli è unificato dalla norma UNI I trasportatori a rulli possono essere: rulli orizzontali, l avanzamento dei materiali trasportati avviene manualmente; rulli a gravità, l avanzamento avviene, appunto, per gravità; rulli motorizzati, dove l avanzamento avviene tramite motori accoppiati, catene motorizzate o nastro di gomma. Figura 31 - Dispositivi di arresto. 38

39 Inoltre è possibile distinguere alcuni accessori: dispositivi di arresto che possono essere automatici oppure manuali(fig.31); curve, costituite da rulli normali o tronco-conici; curve a rotelle montate in genere su strutture portanti estendibili; piattaforme girevoli nel caso di carichi che consentano adeguati interassi fra i rulli delle piattaforme e quelli dei trasportatori fissi; piattaforme a sfera adatte per colli a fondo liscio e piano; carrelli sui quali sono installati elementi di trasportatori a rulli; discensori e scivoli che sono utili per il trasporto di materiali non fragili da un altezza ad un altra più bassa (ad es. due piani di un edificio) (Fig.32). Figura 32 - Accessori: curve e deviatori. 39

40 Trasportatori a nastro Corso di Impianti Industriali 1 I trasportatori a nastro (Fig.33) sono impiegati per il trasporto continuo, in orizzontale o in pendenza, di materiali alla rinfusa e di carichi concentrati leggeri. I principali elementi che costituiscono un trasportatore a nastro sono: un nastro trasportatore; una serie di rulli superiori ed inferiori di supporto; un tamburo motore con relativo gruppo motore; una struttura metallica di sostegno. possiamo introdurre una prima distinzione fra: nastri trasportatori di tela di gomma; nastri trasportatori in fibre naturali e sintetiche; nastri trasportatori in acciaio; nastri trasportatori in rete metallica. Figura 33 - Trasportatori a nastro. Inoltre i trasportatori a nastro possono essere: (Fig.34) 40

41 Figura 34 - Trasportatori a nastro- varie tipologie. piani, destinati a trasportare colli singoli o materiali alla rinfusa in piccole quantità; concavi, destinati a trasportare elevate quantità di materiali alla rinfusa (con un angolo di inclinazione do 20 ). I parametri prestazionali di un nastro trasportatore a nastro sono: lunghezza del nastro, che varia a seconda delle esigenze aziendali; larghezza del nastro, che varia da meno di 30 cm fino a oltre 1 m; inclinazione del nastro, di solito intorno ai 20 ; velocità del nastro, fino a 1 m/s per nastri piani e fino a 2-3 m/s per nastri a conca; diametro puleggie, rulli e cuscinetti, che sono appositamente tabellati. Carriponte (gru a ponte) Concettualmente un carroponte è costituito da un paranco o da un argano mobile su una struttura metallica a sua volta scorrevole su vie di corsa sopraelevate ( Fig.35). 41

42 Figura 35 - Schema di un carriponte. Le parti principali di un carroponte sono: il paranco o carrello-argano; il ponte; le testate del ponte. Con i carriponte è possibile effettuare manovre di sollevamento e traslazione di carichi in uno spazio la cui proiezione orizzontale ha forma rettangolare, senza avere nessun intralcio sul piano di calpestio. Si tratta, pertanto, di mezzi di trasporto discontinui per la movimentazione in orizzontale e in verticale di materiali sotto forma di colli o simili. L impiego di opportuni dispositivi (implement) consente di trasportare anche materiali raggruppati in unità di carico o alla rinfusa. La movimentazione dei carichi è generalmente motorizzata. La struttura del ponte, il tipo di argano o di paranco, il numero di ruote portanti, le rotaie di scorrimento e così via vengono scelte in base: al carico da movimentare (portata del carroponte), alla lunghezza della struttura metallica costituente il ponte, alle velocità di movimentazione, alle esigenze di servizio e alle condizioni di esercizio della gru. La progettazione di un carroponte, richiede la preventiva precisazione dell area occupata dal carroponte e dei parametri geometrici del carroponte, come riportato in fig. 36 e

43 Figura 36 - Area servita da un carroponte. Figura 37 - Parametri geometrici di un carroponte. 43

44 Figura 38 - Vista prospettica di un carroponte. Per poter correttamente progettare attenzione ai seguenti aspetti: quindi scegliere un carroponte si deve far il carico massimo da movimentare o portata utile o nominale; interasse delle rotaie di scorrimento; il tipo di rotaie; le velocità di sollevamento del carico e di traslazione del carrello e del ponte; le accelerazioni del sollevamento, del carrello e del ponte; la corsa massima verticale richiesta al gancio; il tipo di comando: da cabina sospesa al ponte oppure da terra mediante pulsantiera collegata al carrello o al ponte oppure scorrevole lungo quest ultimo indipendentemente dal carrello; la tensione di alimentazione e la frequenza dell energia elettrica; il tipo di cuscinetti su cui montare le ruote, i perni ed i meccanismi; 44

45 le modalità di trasmissione del moto alle ruote motrici del ponte e del carrello; il tipo di dentatura degli ingranaggi dei riduttori; i materiali da impiegare e le lavorazioni richieste per le parti meccaniche e strutturali (ingranaggi, alberi, ruote del ponte e del carrello ecc.); il tipo dell eventuale cabina, cioè se aperta o chiusa; la freccia di inflessione elastica del ponte; la classe di appartenenza del carroponte. Trasloelevatori I traslo elevatori sono i soli mezzi di trasporto interno che possano raggiungere altezze anche superiori ai 12 metri. La struttura di un traslo-elevatore è composta da: montante/i costituenti la struttura portante, unitamente alle travi di base (con le ruote di scorrimento) e superiore; telaio mobile scorrevole lungo una colonna verticale (asse y), che a sua volta può traslare lungo il corridoio posto tra le scaffalature (asse x); contrappesi per la riduzione degli sforzi di sollevamento; dispositivo per il prelievo ed il deposito dei carichi (generalmente una piastra porta forche telescopico); la cabina per il manovratore o per le operazioni di emergenza; il sistema e di coordinamento dei cicli operativi; la linea elettrica di alimentazione. La struttura mobile, spesso denominata piattaforma, può in sostanza compiere, temporaneamente, due movimenti, uno orizzontale ed uno verticale, ai quali consegue un moto composto lungo un tragitto inclinato rispetto ai due movimenti di base. Ciò 45

46 permette di raggiungere qualunque posizione rispetto alle scaffalature, entro le quali il traslo-elevatore provvede a depositare o a prelevare le u.d.c. od il materiale, per il cui scopo ha intrapreso la missione. Tutti i movimenti possono essere gestiti da un sistema automatico centralizzato oppure affidati ad operatori a bordo macchina, ai quali vengono trasmesse in qualche modo indicazioni sulle operazioni da eseguire. I movimenti lungo gli assi x ed y possono essere contemporanei, mentre il movimento trasversale delle forche telescopiche (asse z) è consentito solo a macchina ferma e posizionata correttamente. Nei traslo elevatori automatici l indirizzamento lungo gli assi x ed y è ottenuto con dispositivi particolarmente precisi (encoder assoluto o incrementale, sistema ottico, etc.). Invece, per l indirizzamento lungo l asse z, previsto solo per posizionamenti che richiedono una particolare precisione, è sufficiente ricorrere a fotocellule. Il sistema di gestione e controllo di un traslo elevatore automatico comprende: elaboratore dedicato che spesso è collegato ad un host di livello superiore (ad esempio il gestiore del processo produttivo); eventuale apparecchiatura centralizzata di supervisione che presiede anche al controllo delle altre parti automatizzate del magazzino, quali trasportatori in ingresso ed in uscita materiali, by-pass, picking, etc.; un PLC per ogni traslatore; un PLC a bordo macchina che riceve le istruzioni relative alle operazioni che il traslo-elevatore deve effettuare. Spesso il calcolatore di gestione è collegato ad un host di livello superiore, come potrebbe essere quello che presiede all intero processo produttivo dell azienda. Il sistema di gestione provvede ad effettuare: ottimizzazione missioni dei traslo-elevatori; ricerca automatica della posizione da raggiungere nel magazzino; riconoscimento del materiale (codici a barre o magnetici); 46

47 posizionamento orizzontale e verticale; deposito e prelievo dei carichi; gestione magazzino (posizioni, codici, quantità, etc.); utilizzo ottimale degli scaffali, sia destinando il materiale in arrivo al posto più conveniente, come cammino da compiere o frequenza di movimentazione, sia svincolando l immagazzinamento dal concetto superato che vedeva preferenzialmente ogni articolo stoccato sempre nello stesso posto. L alimentazione e lo scarico dei traslo-elevatori avviene ricevendo le unità di carico, che quindi sono in attesa di essere prelevate dal o dai traslo-elevatori, sostano normalmente su trasportatori motorizzati dai quali sono prelevati. Dopo di che, per la fase di prelievo, le u.d.c. prelevate dai traslo-elevatori sono deposte sopra trasportaori motorizzati a rulli o a catene oppure stazioni fisse da cui sono prelevate da carrelli motorizzati. Il prelievo e lo scarico delle unità di carico può avvenire sullo stesso fronte delle scaffalature oppure su fronti opposti. Le unità di carico destinate all immagazzinamento devono essere dotate di un documento di identificazione, sul quale sia letta e trasmessa al sistema di gestione tutto ciò che possa servire alla sua gestione (codice articolo, peso, quantità, etc.). Inoltre prima dell immissione è sempre effettuato il controllo di sagoma, affinchè si possa verificare che le dimensioni dell unità di carico rispettano le dimensioni massime prestabilite; alle volte è possibile anche effettuare il controllo del peso delle u.d.c.. In caso di anomalie l u.d.c. è smistata su di un by-pass, sul quale si effettuano le operazioni necessarie per renderla adatta all immissione nel magazzino oppure se ne constata la non conformità e quindi si allontana dal magazzino. Il calcolo del tempo medio di ciclo di un traslo elevatore è facilitato dall uso delle norme tecniche FEM (Federation Europeenne de la Manutention). Tale tempo è influenzato dai seguenti parametri: configurazione degli scaffali (altezza e lunghezza); 47

48 prestazioni dei traslo-elevatori; posizioni di partenza e di arrivo; successione delle operazioni da eseguire; tipo del ciclo eseguito (semplice o combinato) Con ciclo semplice si intende un ciclo di prelievo completo per ogni singolo item prelevato, mentre per ciclo combinato si intende un operazione di prelievo o di immissione, che accoppia tali operazioni duali per due distinti item di magazzino. Il traslo elevatore in particolare aumenta e di molto le proprie prestazioni, quando si realizzino dei cicli combinati di prelievo. Infatti in questo modo cresce il grado di utilizzazione dei traslo-elevatori, e quindi si riesce a trovare una più facile giustificazione economica al non indifferente investimento in automazione. Le prestazioni dei traslo elevatori tipiche sono riportate nella tabella seguente: Parametri Monocolonna Bicolonna Portata kg Altezza massima m Larghezza corridoio mm Velocità massima: asse x asse y asse z AGV m/s m/s m/s Gli Automatic Guided Vehicle (AGV) sono carrelli a guida automatica che si muovono lungo una serie complessa di percorsi. Gli AGV sono composti da: veicoli a guida automatica, impianto ch eprovvede a guidare i carrelli lungo tragitti preordinati, impianto per la trasmissione di informazioni, sistema di gestione per la programmazione e ottimizzazione delle missioni e controllo del traffico. 48

49 Le parti costitutive di un AGV sono: telaio montato su ruote, Corso di Impianti Industriali 1 motori di trazione e sterzatura, microprocessori, tastatori di guida, lettori di codici, dispositivo antiurto e sicurezza, elementi di supporto e bloccaggio dei carichi trasportati, eventuali dispositivi di carico/scarico, eventuali attrezzature per la movimentazione dei materiali trasportati. In figura 1.38 sono riportate alcune immagini di AGV. Figura 39 - AGV Le tipiche prestazioni che un AGV può offrire sono: massa del carico trasportato: fino a 2000kg/carrello, velocità massima in entrambi i sensi di marcia: 1,2 m/s, accelerazione/decelerazione media: 0,5-0,7 m/s2, 49

50 tempo minimo di presa o di rilascio del carico: 20s, tempo medio richiesto per organizzare le missioni ed effettuare le comunicazioni: 10s per ogni missione, tempo minimo di attesa agli incroci: 5 s/incrocio, raggio minimo di curvatura: 1500mm, precisione di avvicinamento alle postazioni di carico/scarico: 5mm. Gli AGV, quindi, sono costituiti da un sistema di guida, un gestore di impianto e da un sistema di sicurezza. Il sistema di guida permette al veicolo di seguire i percorsi interni all impianto industriale; ovviamente, i percorsi non sono fissi ma possono variare in funzione di quelli che sono gli assegnamenti di sorgente o destinazione, oltre che di percorso minimo che sono stabiliti dal calcolatore centrale, che, molte volte, risulta essere interfacciato anche con il calcolatore che gestisce i flussi produttivi. Le vie seguite dagli AGV sono generalmente indicate attraverso segnali, che sono inviati attraverso infrarossi, onde radio, vie induttive, etc. Come risulta piuttosto evidente da quanto sinora detto, la gestione del sistema AGV, quindi l assegnazione dei percorsi, è fatta attraverso un calcolatore dedicato, che svolge le seguenti attività: (i) riceve le domande di trasporto dalle diverse stazioni produttive o di stoccaggio attraverso segnali analogici o digitali, pulsanti, etc., (ii) memorizza ed assegna ai diversi carrelli i percorsi, e più in generale, le missioni da compiere e (iii) controlla che la missione si svolga nel modo migliore e vada a buon fine. Ultima parte costituente un AGV è il sistema di sicurezza dello stesso AGV; la sicurezza degli AGV è costituita da (i) pulsanti di arresto ed emergenza, che sono posizionati, ovviamente, in punti facilmente accessibili agli operatori, che quindi non sono a rischio durante tali operazioni di arresto, (ii) segnalatori ottici a bordo carrello, che entrano in funzione quando il carrello sta eseguendo una missione comandata dal gestore dell impianto, tale segnalatore rende più visibile il sistema e quindi evita rischi di investimento durante le normali operazioni di trasporto e (iii) distanziatori fotoelettrici o ad ultrasuoni per evitare urti contro parti fisse. I carrelli AGV permettono, quindi, di raggiungere, in maniera estremamente flessibile, percorsi, punti di carico/scarico, che abbiano una disposizione superficiale 50

51 anche molto complessa, garantendo un ottimizzazione dei tempi di percorso senza la presenza di personale di trasporto, inoltre gli AGV sono flessibili, potendo ampliare i percorsi e modificare le potenzialità di trasporto, oltre che renderli facilmente integrabili con altri sistemi di movimentazioni, coinvolgendo anche l automazione della produzione. Come contro i carrelli AGV richiedono notevoli investimenti, elevati costi di gestione, velocità di trasporto necessariamente limitata per motivi di sicurezza, l efficienza è molto legata all affidabilità degli AGV stessi ed inoltre, essendo il sistema tanto complesso, presenta una notevole fragilità. Criteri di progettazione di sistemi di movimentazione La progettazione dei sistemi di movimentazione risulta essere di fondamentale importanza, oltre che per la minimizzazione dei costi di impianto legati al sistema di material handling, anche per razionalizzare l operatività futura del sistema aziendale qui analizzato, che in determinate realtà assume carattere fondamentale. Si definiscono innanzitutto le seguenti operazioni fondamentali, alle quali sono associati i relativi tempi di realizzazione: fase di carico (Tc), fase di trasporto (Tt), fase di scarico (Ts), fase di ritorno (Tr). Definiamo la capacità di trasporto come il rapporto tra la quantità da trasportare (Q) e il tempo necessario a farlo, tutto ciò è ben rappresentato dalla seguente formulazione matematica: C=Q/T=Q/(Tc+Tt+Ts+Tr) Generalmente è possibile affermare che il tempo totale di trasporto è composto da diverse aliquote, tra le quali riconosciamo: 95%, movimentazione tra diversi reparti, 3%, operazioni di carico/scarico, 51

52 2%, perdite di tempo. Corso di Impianti Industriali 1 Iniziamo, quindi, ad illustrare le basi per la progettazione dei diversi sistemi di trasporto interno, che sinora sono stati illustrati. Dimensionamento dei trasportatori a rulli e nastri I trasportatori a rulli richiedono che sia progettato il percorso, che dovranno seguire, per poter collegare le varie stazioni di stoccaggio e produttive, infatti, ricordiamo che i rulli sono sistemi di trasporto interno piuttosto rigidi per quanto riguarda l indicazione del percorso. Inoltre, si dovrà determinare il tipo di trasportatore a rulli (con nastro, con catena, etc.), il numero delle curve e degli implements necessari. Inoltre si dovrà progettare: (i) la larghezza, l interasse e la pendenza per quanto riguarda i rulli, (ii) larghezza, velocità minima e carico distribuito per i nastri. Fig trasportatore a rulli Buone regole di progettazione dei trasportatori a rulli sono: B>A, I<L/2, Pendenza come da tabella. E importante notare che tutti i dimensionamenti, come ad esempio la dimensione B, devono essere sempre riferiti oltre che alla dimensione del collo da trasportare anche a quelle che sono le taglie commerciali disponibili. Il dimensionamento dell interasse, invece, trova spiegazione nel fatto che è necessario per un collo di esser trasportato su almeno due rulli. Per l individuazione della corretta pendenza si può far riferimento anche alla figura

53 Fig tabella per pendenza dei rulli Per quanto riguarda il dimensionamento dei nastri invece molta attenzione deve essere posta sul carico posto su di essi. In particolare, definiamo la portata volumetrica di materiale trasportato in colli/sec, come il rapporto tra la velocità del nastro (v) e la somma della dimensione del collo nella direzione di scorrimento del nastro (L) e la distanza tra due colli consecutivi (d). Un nastro può essere facilmente rappresentato come in figura 41. Fig. 41- trasportatori a nastro Per cui gli elementi fondamentali di progettazione nel caso dei trasportatori a nastro sono: B>A, v min = Q (L+d), q=p COLLO /(L B). Nelle precedenti P COLLO rappresenta il peso del collo trasportato e Q la portata volumetrica. Nel caso di materiale alla rinfusa i principi di dimensionamento risultano diversi, in quanto la capacità volumetrica (Q) è calcolata come prodotto tra l area media della sezione del materiale trasportato e la velocità del nastro trasportatore (vista in sezione fig. 42). 53

54 Fig vista in sezione di nastro trasportatore per materiale alla rinfusa Per il dimensionamento della capacità volumetrica risulta, fondamentale, calcolare il valore dell area media della sezione del materiale trasportato, che a seconda del tipo di trasportatore, piano o a conca, potrà essere calcolata come di seguito illustrato, cioè seguendo un metodo sperimentale per il calcolo delle aree, oppure facendo riferimento alle norme tedesche DIN per il calcolo delle capacità volumetriche. Nel caso del trasporto di materiali alla rinfusa per il calcolo della larghezza del nastro si può calcolarlo imponendo dei valori di velocità e ricavando, nota la Q, la dimensione di larghezza, inoltre tale valore dovrà poi essere riportato alle taglie commerciali disponibili sul mercato. Per la velocità si deve verificare che questa non vada oltre i limiti tecnologici esistenti, perché altrimenti si deve procedere a ri-calcolare la portata volumetrica e la larghezza del nastro. Per il carico distribuito che il nastro dovrà sopportare si può far riferimento alla seguente formula, dove ρ è la densità del materiale trasportato, Q la portata volumetrica, v la velocità del nastro e B la larghezza del nastro. 54

55 Dimensionamento di paranchi, argani e trasloelevatori Passiamo ora ad illustrare i criteri di dimensionamento e progettazione dei paranchi e degli argani. Per prima cosa è importante individuare il tipo di paranco o argano di cui si necessita in funzione dei vincoli geometrici presenti all interno del lay-out aziendale di interesse. Determinato il tipo, si passa a determinare il numero di paranchi e la così detta classe FEM, che classifica i paranchi in base alle condizioni di impiego, favorendo la costruzione degli stessi in modo da garantire la massima durata dei componenti e la massima sicurezza di utilizzo. Per il calcolo del numero dei paranchi si può far riferimento alla seguente formula: Nella precedente formula N cicli rappresenta il numero di unità di carico da movimentare del prodotto i-simo nell unità di tempo, T i è il tempo di ciclo teorico che impiega il paranco per la realizzazione del ciclo di movimentazione del prodotto i- simo, η è l efficienza del paranco (tale parametro è ricavabile dal prodotto tra disponibilità, efficienza delle prestazioni e tasso di qualità) ed N è il numero di ore durante le quali è previsto che il paranco lavori. Il calcolo del tempo di ciclo teorico avviene sommando tutte le aliquote di tempo necessarie a realizzare un ciclo completo di trasporto, quindi compreso di carico/scarico e trasporto. Un esempio di calcolo del tempo di ciclo teorico è riportato in figura

56 Fig. 1.42: esempio di ciclo teorico Figura 43 scomposizione delle fasi di carico/scarico Nel caso specifico illustrato in fig. 43, il tempo di ciclo teorico è dato dalla formula seguente: Nella precedente i termini ai denominatori, rappresentano le velocità di traslazione verticale a vuoto (Vvv), di traslazione verticale a pieno carico (Vvp), di traslazione orizzontale a pieno carico (Vop), di traslazione orizzontale a vuoto (Vov). Per la determinazione della classe FEM è necessario calcolare due parametri caratteristici: TMF, tempo medio di funzionamento giornaliero, k, fattore cubico medio. Per la determinazione di questi due parametri si può far riferimento alle formule successive: 56

57 Una volta che siano stati calcolati i parametri TMF e k si entra sulla tabella FEM e si ricava la classe FEM. La tabella di decisione è riportata di seguito: Fig Tabella per selezione classe FEM E importante notare che il prodotto tra TMF e k 3 è costante in ogni gruppo di classe FEM. Per il dimensionamento dei sistemi di movimentazione che facciano uso di trasloelevatori si seguirà quanto visto per i paranchi e cioè l applicazione delle norme FEM per l individuazione della classe del traslo-elevatore, mentre per l individuazione del numero di traslo-elevatori, si potrà far riferimento alla formula utilizzata per il numero di paranchi. Dimensionamento di carrelli ed AGV Passiamo ora ad illustrare i metodi di dimensionamento di movimentazione con carrelli. Innanzitutto si procede a scegliere il tipo di carrello da utilizzare, in base alla portata/unità di carico ed ingombro, oltre che ad eventuali vincoli di sicurezza, come ad esempio quelli che vietano l uso di carrelli industriali a scoppio all interno di luoghi confinati. Una volta che sia stato scelto il tipo di carrello si verifica se il tipo 57

58 soddisfa le esigenze di natura geometrica imposte dal lay-out aziendale. Tutto ciò premesso si passa al dimensionamento del numero di carrelli. Il dimensionamento del numero di carrelli si effettua in maniera uguale a quanto visto per il dimensionamento del numero di paranchi, per cui la formula da utilizzare è quella già vista in precedenza. L unica differenza sta nel calcolo del tempo medio del ciclo semplice, che nel nostro caso si calcola in funzione di movimenti diversi. In figura 45 è riportato un esempio di calcolo del tempo medio di ciclo. Fig calcolo tempo di ciclo semplice per carrelli L identificazione del ciclo che il carrello deve compiere dovrebbe avvenire attraverso il calcolo del valor medio dei tempi di ciclo relativi ai diversi prodotti, di cui sia nota la matrice di traffico. Passiamo ora ad illustrare, seppur brevemente i metodi di dimensionamento dei sistemi AGV. Per poter procedere al dimensionamento dei carrelli AGV, si deve aver preventivamente individuato il tipo di veicolo da utilizzare, il tipo di sistema di controllo, i tempi operativi delle stazioni di lavoro ed i percorsi minimi tra le stazioni. Tutto ciò premesso è quindi possibile passare al calcolo del numero di carrelli AGV necessari e la dimensione consentita delle code in ingresso ed in uscita presso le stazioni. Per la determinazione di questi due parametri si possono utilizzare due approcci, uno di tipo simulativo ed un altro di tipo non simulativo. Quello di tipo simulativo è 58

59 basato sulla costruzione di un modello di simulazione che simula, per l appunto, l operatività dei carrelli all interno di una data realtà produttiva o di stoccaggio, permettendo di agire anche su parametri di natura gestionale, quali scheduling e routing dei carrelli. Un esempio di approccio simulativo è riportato in figura 46. Fig esempio di simulazione per dimensionamento AGV L approccio non simulativo, invece, presuppone l individuazione di ipotesi semplificative, che permettano quindi di poter calcolare le soluzioni di movimentazione all interno delle superfici occupate. E da notare che tale tecnica può essere utilizzata solo nel caso si voglia procedere ad un dimensionamento di massima del numero di carrelli necessari. Per il dimensionamento dei carrelli AGV, in questo caso, si può utilizzare una relazione simile a quella utilizzata per paranchi e carrelli industriali tradizionali, facendo però attenzione al numero totale di cicli che i carrelli AGV devono compiere, che l efficienza del sistema è fortemente influenzata da interruzioni per malfunzionamenti (guasti, batterie, etc.), rallentamenti o microfermate dovute ad esempio a possibili code in ingresso o uscita o dovute semplicemente al traffico di movimentazione ed inoltre che l efficienza globale può anche scendere al di sotto del 50%. Principale problema in questo approccio è nel fatto che non si tiene in alcun conto quella che è la gestione dei carrelli, cioè dei problemi di scheduling e routing, che in ottica di automazione del trasporto interno divengono fondamentali, per poter minimizzare i tempi di trasporto ed aumentare la capacità di trasporto. 59

60 Dimensionamento di impianti di stoccaggio serviti da carrelli industriali Come è semplice intuire, il dimensionamento di un sistema di material handling e, quindi, dei sistemi di movimentazione interna, non può prescindere dal dimensionamento di un magazzino di stoccaggio. I sistemi di movimentazione interna ed i sistemi di stoccaggio, infatti sono intimamente connessi, per poter permettere delle economie in fase realizzativa del sistema di stoccaggio e soprattutto in fase di esercizio, e cioè quando una buona progettazione rivela una minimizzazione dei costi di gestione connessi alla minimizzazione dei tempi di movimentazione. I dati necessari per la progettazione di un sistema di stoccaggio riguardano: le caratteristiche delle unità di carico (peso, ingombro, etc.), la tipologia del sistema di movimentazione (carrelli elevatori di varie tipologie, traslo-elevatori, etc.) ed altezza utile del fabbricato. L out-put tipico della progettazione del sistema è il lay-out del magazzino, cioè il numero dei corridoi necessari, l altezza, la lunghezza e la disposizione delle scaffalature ed ovviamente il numero dei mezzi di movimentazione interna. Il primo passo è quello dell individuazione delle dimensioni dell unità di carico (o pallet) che deve essere allocata all interno del nostro magazzino. E molto importante che si cerchi di tendere alla maggiore standardizzazione possibile riguardo alle dimensioni dell u.d.c.. Una volta che siano state dimensionate le dimensioni dell unità di carico, si passa al dimensionamento del vano, che dovrà accogliere il pallet, facendo ben attenzione a quelli che sono i laschi da dover comunque prevedere per consentire un agevole carico/scarico del pallet. Il secondo passo consiste nella definizione del macro-layout, cioè si tratta di decidere le dimensioni longitudinali o trasversali del magazzino, ciò viene fatto, generalmente, in base a vincoli geometrici relativi al terreno su cui il magazzino insisterà e relativi a rapporti tra le dimensioni principali del magazzino, che tradizionalmente sono rispettati. Tali rapporti sono generalmente regolamentati da regole empiriche, che sono funzione della posizione e del numero di punti I/O del magazzino. 60

61 Il terzo passo è determinare il numero massimo di livelli di stoccaggio, che sono funzione oltre che dell altezza utile del fabbricato, anche del vincolo tecnologico offerto dall altezza massima che può essere raggiunta dal nostro sistema di movimentazione, tra questi due ovviamente si dovrà scegliere il valor minimo. Quarto ed ultimo passo è quello di determinare il numero, posizione e lunghezza dei corridoi. Questa scelta è fatta in base a vincoli dimensionali, che assicurano la migliore saturazione superficiale e lo sfruttamento razionale dei volumi e delle superfici. Approfondiamo ora, quanto anticipato, circa il rapporto tra i lati del magazzino, visto in pianta. E importante notare che se nessun vincolo di magazzino particolare è presente, la pianta del magazzino è rettangolare, il punto di I/O è centrale ed è unico, le scaffalature sono continue, esiste una equi-probailità di accesso ai vani ed i cicli di movimentazione sono semplici, allora si può dimostrare che il rapporto ottimo tra le dimensioni del rettangolo della pianta del magazzino è di 1/2 e che il fronte ha una lunghezza pari alla radice quadra del doppio dell area occupata. Tale risultato è valido sia per un lay-out longitudinale che trasversale delle scaffalature. Di questo tipo di relazioni ne esistono molte ed alcune sono riportate in figura 47. Fig rapporti tipici tra le dimensioni di un magazzino Una volta che sia definito il macro lay-out del magazzino, quindi, si può passare a definire il numero di carrelli. Per poter fare ciò si devono calcolare i cicli da dover realizzare all interno del magazzino, che è possibile desumere per esempio dal dato progettuale relativo al numero di unità che devono transitare all interno del 61

62 magazzino in un dato orizzonte temporale, e i tempi di ciclo di trasporto, che sono funzione del lay-out delle scaffalature, delle prestazioni dei mezzi di movimentazione, dei tipi di movimentazione realizzati (ciclo semplice/ciclo combinato) e dei criteri di gestione operativa dei pallets. Il calcolo del tempo di ciclo semplice, ad esempio potrebbe avvenire attraverso la formula seguente, nella quale, si deve far attenzione che si fa riferimento alla posizione più svantaggiata da dover raggiungere. I tempi fissi sono calcolati due volte a causa del fatto che, in questo esempio si sta calcolando un ciclo semplice, per il quale ogni ciclo di prelievo è composto da una fase di carico e scarico. 62