La robotica nella produzione automotive oggi

I robot industriali sono essenziali per la produzione moderna: svolgono una vasta gamma di funzioni e coordinano le attività con altre forme di automazione. In effetti, il settore automotive da un trilione di dollari è stato il primo a fare uso su larga scala della robotica... e a far progredire anche le tecnologie associate alla robotica. Non c'è da stupirsi, visto che le automobili oggi sono sofisticate, che possono giustificare investimenti in impianti che potrebbero non dare una redditività economica per anni. Oggi, la stragrande maggioranza dei centri di produzione automotive impiega la robotica. Solo negli ultimi due decenni i settori dell'imballaggio, della produzione di semiconduttori e quello relativamente nuovo dei magazzini automatizzati hanno accelerato l'adozione della robotica fino a rivaleggiare con il settore automotive.

Figura 1: Il settore automotive, più di ogni altro, ha stimolato il progresso delle tecnologie robotiche. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

All'interno dei robot stessi e delle apparecchiature di automazione industriale complementari sono presenti motori elettrici, sistemi idraulici e sistemi di alimentazione a fluido; azionamenti, controlli, hardware di rete, interfacce uomo-macchina (HMI) e sistemi software; componenti di rilevamento, retroazione e sicurezza. Questi elementi conferiscono efficienza grazie all'esecuzione di routine preprogrammate in grado di adattarsi in tempo reale a condizioni mutevoli. Si prevede che le celle di lavoro robotizzate saranno anche riconfigurabili per produrre nuove offerte di automobili... dato che le preferenze dei consumatori si sono evolute più rapidamente che mai.

Chiarimento sulla terminologia utilizzata per l'automazione e la robotica

L'Oxford English Dictionary definisce i robot come "macchine in grado di eseguire automaticamente una serie complessa di movimenti, in particolare programmabili". A confondere le cose è il fatto che questa definizione potrebbe descrivere qualsiasi cosa, dalle lavatrici alle macchine utensili CNC. Anche la definizione ISO 8373 di robot come "manipolatore multifunzionale a controllo automatico, riprogrammabile, programmabile su tre o più assi" potrebbe descrivere un trasportatore di magazzino con stazioni di sollevamento verticali. Tuttavia, tali macchine non verrebbero mai classificate come robot.

L'elemento di differenziazione pratico da ricordare è che le macchine costruite per un uso singolo (molto chiaramente definito) in un luogo fisso non sono generalmente considerate robot... almeno non negli ambienti industriali. Ad esempio, sebbene una tipica fresatrice possa eseguire un numero qualsiasi di programmi complessi per lavorare pezzi diversi, è progettata per tagliare il metallo utilizzando lame rotanti montate nel mandrino... ed è probabile che rimanga saldamente fissata in un'unica posizione per tutta la sua vita utile.

Figura 2: In alcuni casi, la distinzione tra robot e macchina si basa sull'aspetto di un progetto automatizzato. Alcuni classificano come robot i bracci articolati che assomigliano a braccia umane meccanizzate e classificano come macchine le disposizioni cartesiane automatizzate di guide lineari (come il CT4 per l'assemblaggio e l'ispezione di piccoli pezzi). (Immagine per gentile concessione di IAI America Inc.)

A volte anche queste definizioni sono contraddittorie. Ad esempio, le macchine automatizzate come le macchine utensili CNC sono sempre più flessibili, con centri di fresatura-tornitura che svolgono il ruolo sia di fresatrici che di torni - e molte di queste macchine eseguono anche attività di ispezione e misurazione sui pezzi con sonde a contatto e scanner laser. Tali macchine utensili possono anche essere attrezzate per la fabbricazione additiva. D'altro canto, i robot industriali presumibilmente flessibili sono spesso forniti come modelli specializzati progettati per un compito specifico, come la verniciatura a spruzzo o la saldatura e possono trascorrere l'intera durata in servizio parcheggiati all'interno di una cella di lavoro di una linea di produzione.

In definitiva, nel settore automotive di oggi, i sistemi automatizzati classificati come robot devono spesso presentare un'elevata flessibilità, in grado di eseguire (con la riconfigurazione) attività di trasporto, smistamento, assemblaggio, saldatura e verniciatura che possono variare di giorno in giorno. Si prevede inoltre che questi robot industriali possano essere trasferiti in nuove aree di uno stabilimento, sia per essere reimpiegati come sistemi di produzione e riconfigurati, sia per essere continuamente spostati su binari lineari a settimo asse per servire i gruppi di celle di lavoro in una linea.

Famiglie di robot per i siti di produzione automotive

I robot nei siti di produzione automotive sono ampiamente classificati in base alle loro strutture meccaniche, compresi i tipi di giunti, le disposizioni dei collegamenti e i gradi di libertà.

La robotica con manipolatori seriali comprende la maggior parte dei robot industriali. I progetti di questa famiglia presentano una catena lineare di maglie con una base a un'estremità e un dispositivo finale all'altra estremità... con un singolo giunto tra ogni maglia della catena. Tra questi vi sono i robot articolati, i robot a braccio articolato a conformità selettiva (SCARA), i robot collaborativi a sei assi, i robot cartesiani (costituiti essenzialmente da attuatori lineari) e i robot cilindrici (un po' rari).

Figura 3: I robot collaborativi sono sempre più comuni nelle strutture delle case automobilistiche Tier-2 che beneficiano della pallettizzazione automatizzata. (Immagine per gentile concessione di Dobot)

La robotica con manipolatori paralleli eccelle nelle applicazioni che richiedono elevate rigidità e velocità operativa. A differenza dei bracci articolati (sospesi nello spazio 3D tramite una singola linea di collegamenti), i manipolatori paralleli sono sostenuti o sospesi da gruppi di collegamenti. Ne sono un esempio i robot delta e Stuart.

La robotica mobile è un'unità su ruote che sposta materiali e articoli in fabbriche e magazzini. Possono funzionare come carrelli elevatori automatizzati per prelevare, spostare e posizionare i pallet sulle scaffalature o sul pavimento della fabbrica. Ne sono un esempio i veicoli a guida automatica (AGV) e i robot mobili autonomi (AMR).

Impiego dei robot classici nella produzione automotive

Le applicazioni robotiche classiche negli impianti di produzione automotive comprendono la saldatura, la verniciatura, l'assemblaggio e (per il trasporto dei circa 30.000 pezzi che compongono un'automobile media) le attività di movimentazione dei materiali. Consideriamo come alcuni sottotipi di robot vengano utilizzati in queste applicazioni.

I robot a braccio articolato a sei assi sono manipolatori seriali in cui ogni giunto è di tipo rotante. La configurazione più comune è quella di un robot a sei assi con vari gradi di libertà per posizionare gli oggetti in qualsiasi punto e orientamento all'interno del volume di lavoro. Si tratta di robot molto flessibili, adatti a una miriade di processi industriali. In effetti, i robot a braccio articolato a sei assi sono ciò che la maggior parte delle persone immagina quando pensa a un robot industriale.

Figura 4: I lettori di codici a barre ad alte prestazioni sono in grado di decodificare in modo rapido e affidabile i codici a barre 1D e 2D. Alcuni si montano sugli effettori robotici per supportare il prelievo di componenti elettronici e automotive e di elementi di sottoassemblaggio. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation and Safety)

In effetti, i robot a sei assi di grandi dimensioni sono spesso utilizzati nella saldatura dei telai delle automobili e nella saldatura a punti dei pannelli della carrozzeria. A differenza degli approcci manuali, i robot hanno la capacità di tracciare con precisione i percorsi di saldatura nello spazio 3D senza fermarsi, adattandosi contemporaneamente ai parametri mutevoli del cordone di saldatura in risposta alle condizioni ambientali.

Figura 5: Questi robot a sei assi sono ciò che la maggior parte delle persone immagina quando pensa ai robot industriali. (Immagine per gentile concessione di Kuka)

In altri contesti, i robot a braccio articolato a sei assi si muovono su sistemi a settimo asse per eseguire i processi di applicazione primer, verniciatura e altri processi di sigillatura sulle carrozzerie delle automobili. Questi sistemi offrono risultati impeccabili e costanti, in parte così affidabili perché i processi sono eseguiti in cabine di verniciatura ben isolate e non contaminate da particelle provenienti dall'ambiente esterno. I robot a sei assi seguono inoltre percorsi di spruzzatura ottimizzati programmaticamente per ottenere finiture perfette, riducendo al minimo la sovraspruzzatura e gli sprechi di vernice e sigillante. Inoltre, eliminano la necessità di esporre il personale dell'impianto ai vapori nocivi associati ad alcuni materiali applicati a spruzzo.

Figura 6: L'applicazione SIMATIC Robot Integrator semplifica l'integrazione dei robot in ambienti automatizzati, adattando i parametri dei robot di diversi fornitori e le geometrie e i requisiti di montaggio di diverse applicazioni. A completare queste installazioni sono i controller SIMATIC S7 scalabili ad alte prestazioni con I/O integrati e diverse opzioni di comunicazione per un adattamento flessibile della progettazione. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

I robot SCARA (braccio robotizzato articolato a conformità selettiva) hanno due giunti rotanti con assi di rotazione paralleli che corrono in direzione verticale per il posizionamento X-Y in un unico piano di movimento. Un terzo asse lineare consente il movimento in direzione Z (su e giù). Gli SCARA sono opzioni relativamente economiche eccellenti negli spazi ristretti, anche se garantiscono movimenti più rapidi rispetto ai robot cartesiani equivalenti. Non c'è da stupirsi che i robot SCARA siano utilizzati nella produzione di sistemi elettronici ed elettrici per autoveicoli, compresi quelli per il controllo di climatizzazione, la connettività dei dispositivi mobili, gli elementi audio/video, l'intrattenimento e la navigazione. In questo caso, gli SCARA sono i più utilizzati per eseguire le precise operazioni di movimentazione e assemblaggio dei materiali per la produzione di questi sistemi.

I robot cartesiani hanno come minimo tre assi lineari sovrapposti per eseguire il movimento nelle direzioni X, Y e Z. Infatti, alcuni robot cartesiani impiegati dai fornitori automotive Tier-2 assumono la forma di macchine utensili CNC, stampanti 3D e macchine di misurazione a coordinate (CMM) per verificare la qualità e la coerenza dei prodotti finali. Se si contano queste macchine, i robot cartesiani sono sicuramente la forma più comune di robot industriale del settore. Come accennato in precedenza, tuttavia, le macchine cartesiane sono spesso chiamate robot solo quando vengono utilizzate per operazioni che comportano la manipolazione di pezzi e non di utensili, ad esempio nell'assemblaggio, nel pick-and-place e nella pallettizzazione.

Un'altra variante di robot cartesiano utilizzata nel settore automotive è la gru a cavalletto automatizzata. Sono indispensabili per i processi di fissaggio e giunzione che richiedono l'accesso al sottoscocca di veicoli parzialmente completati.

Nuovi e inediti impieghi dei robot nella produzione automotive

I robot cilindrici sono robot compatti ed economici che consentono un posizionamento a tre assi con un giunto rotante alla base e due assi lineari per l'altezza e l'estensione del braccio. Sono particolarmente adatti per la gestione delle macchine, l'imballaggio e la pallettizzazione di componenti automotive.

I robot collaborativi a sei assi (cobot) menzionati in precedenza presentano la stessa struttura di collegamento di base delle varianti industriali più grandi, ma con azionamenti basati su motori estremamente compatti e integrati in ogni giunto, in genere sotto forma di motoriduttore o di opzione di comando diretto. Nel settore automotive, questi hanno il compito di saldare staffe, supporti e sottotelai geometricamente complicati. I vantaggi includono un'elevata precisione e ripetibilità.

I robot Delta hanno tre bracci azionati tramite giunti rotanti dalla base, spesso montata a soffitto per una disposizione sospesa. Ogni braccio è dotato di un parallelogramma con giunti universali montati alle sue estremità, e tutti questi parallelogrammi si collegano all'effettore terminale. In questo modo il robot delta ha tre gradi di libertà traslazionale e l'effettore terminale non ruota mai rispetto alla base. I robot Delta possono raggiungere accelerazioni estremamente elevate, che li rendono molto efficaci per le operazioni di pick-and-place dove è previsto lo smistamento e altre manipolazioni di piccoli elementi di fissaggio per auto e componenti elettrici.

Le piattaforme Stewart (chiamate anche esapodi) sono costituite da una base triangolare e da un effettore terminale triangolare collegati da sei attuatori lineari in un ottaedro. Ciò conferisce sei gradi di libertà a una struttura estremamente rigida. Tuttavia, il raggio di movimento è relativamente limitato rispetto alle dimensioni della struttura. Le piattaforme Stewart sono utilizzate per la simulazione del movimento, la lavorazione mobile di precisione, la compensazione del movimento delle gru e la compensazione delle vibrazioni ad alta velocità nelle routine di test di fisica e ottica di precisione, comprese quelle per verificare i progetti delle sospensioni dei veicoli.

I veicoli a guida automatica (AGV) seguono percorsi prestabiliti contrassegnati da linee dipinte sul pavimento, fili sul pavimento o altri segnali di guida. Gli AGV hanno in genere un certo grado di intelligenza, per cui si fermano e partono per evitare collisioni tra loro e con gli esseri umani. Sono particolarmente adatti per il trasporto di materiali negli impianti di produzione automotive.

I robot mobili autonomi (AMR) non richiedono percorsi fissi e sono in grado di prendere decisioni più sofisticate rispetto agli AGV. Particolarmente utili nei grandi magazzini delle case automobilistiche, questi dispositivi sono in genere in grado di navigare liberamente utilizzando scanner laser e algoritmi di riconoscimento degli oggetti per rilevare l'ambiente circostante. Quando viene rilevata una potenziale collisione, invece di fermarsi e aspettare come un AGV, gli AMR possono semplicemente modificare la rotta e aggirare gli ostacoli. Questa adattabilità rende gli AMR molto più produttivi e flessibili nelle banchine di carico delle fabbriche di automobili.

Conclusione

Il settore automotive ha stimolato una massiccia innovazione nel campo della robotica negli ultimi 30 anni e questa tendenza continuerà con il fiorente mercato dei veicoli elettrici (EV). Il settore ha anche iniziato a beneficiare di nuovi adattamenti dell'intelligenza artificiale e della visione artificiale per migliorare le installazioni robotiche per usi di ogni tipo.