Sistema robotico ABB rivoluziona la produzione componenti EV
Un nuovo sistema di automazione robotica è stato implementato con successo per rivoluzionare la produzione di componenti per connettori del serbatoio dell’acqua dei veicoli elettrici, rappresentando un significativo balzo in avanti verso una produzione più intelligente ed efficiente. Sviluppato da un team collaborativo proveniente dall’Istituto Tecnico Professionale di Xianning, dall’Università di Scienza e Tecnologia di Changsha e dalla Hubei Qingtuo Precision Machinery Co., Ltd., il sistema integra un singolo robot industriale per gestire le operazioni automatiche di carico e scarico su tre torni CNC. Questa innovazione non solo aumenta drasticamente la produttività, ma ridefinisce anche gli standard per una produzione economicamente vantaggiosa, ad alta precisione e sicura per gli operatori nella produzione di componenti ad alto volume.
Mentre l’industria automobilistica globale accelera la transizione verso l’elettrificazione, la domanda di componenti per veicoli elettrici progettati con precisione è aumentata notevolmente. Tra questi, i connettori del serbatoio dell’acqua – fondamentali per i sistemi di gestione termica dei propulsori elettrici – richiedono qualità costante, tolleranze strette e cicli produttivi ininterrotti. Tradizionalmente, questi componenti venivano lavorati manualmente, con operatori addetti al frequente caricamento dei grezzi e alla rimozione dei pezzi finiti dalle macchine CNC. Questo processo ripetitivo e ad alta intensità di manodopera non solo aumenta il rischio di infortuni sul lavoro, ma introduce anche variabilità nei tempi ciclo e nella qualità dei pezzi.
Riconoscendo queste sfide, il team di ricerca guidato da Wang Haiping, Jin Yan, Chen Xiaomin, Qiu Weiguang e Li Xiaowei ha progettato una soluzione in grado di integrarsi perfettamente nei layout di fabbrica esistenti massimizzando al contempo l’efficienza dell’automazione. La loro innovazione risiede nello sviluppo di una workstation robotica a installazione fissa in grado di servire più macchine senza richiedere spazio aggiuntivo o complessi sistemi a binario. Il risultato è una cella di automazione flessibile, affidabile e scalabile che offre miglioramenti misurabili in produttività, sicurezza ed economia operativa.
Il cuore del sistema è il robot industriale ABB IRB1410 – un manipolatore articolato a sei assi noto per la sua precisione, velocità e ingombro compatto. Con un carico utile nominale di 5 kg e una precisione di posizionamento ripetibile di ±0,02 mm, l’IRB1410 è ideale per la manipolazione di componenti di piccole e medie dimensioni come i connettori del serbatoio dell’acqua per veicoli elettrici. A differenza delle piattaforme robotiche mobili che richiedono guide lineari o sistemi a portale, questa installazione mantiene il robot stazionario, montato centralmente all’interno di una disposizione triangolare di tre torni CNC S-30. Questo posizionamento strategico minimizza la distanza di percorrenza e ottimizza il tempo ciclo, consentendo al robot di servire efficientemente tutte e tre le macchine in rapida successione.
Il layout originario della fabbrica presentava una configurazione “triangolare” o a pin dei tre torni, un design già ottimizzato per l’utilizzo dello spazio. Piuttosto che riconfigurare l’intera linea di produzione, il team di ingegneria ha preservato le posizioni esistenti delle macchine e ha riadattato la cella con l’automazione robotica. Questo approccio ha ridotto significativamente i costi di implementazione e i tempi di fermo, rendendo l’aggiornamento più accessibile per le piccole e medie imprese che intendono adottare tecnologie dell’Industria 4.0 senza grandi investimenti di capitale.
Per consentire un flusso di materiale senza interruzioni, due nastri trasportatori sono stati integrati nel sistema: uno dedicato alla consegna dei pezzi grezzi alla stazione di prelievo del robot, e l’altro per il trasporto dei pezzi finiti fuori dall’area di lavorazione. Entrambi i trasportatori sono azionati da un singolo motore elettrico collegato attraverso una coppia di ingranaggi identici, garantendo un funzionamento sincronizzato ed eliminando disallineamenti o ingolfamenti dovuti a differenze di velocità. Questa sincronizzazione meccanica riduce il consumo energetico e semplifica la manutenzione, poiché è necessario monitorare e servire un solo motore.
Uno degli aspetti più innovativi del sistema è l’end-effector a doppia stazione, o pinza robotica, progettata specificamente per il caricamento e lo scaricamento simultanei. La pinza presenta due mascelle di serraggio indipendenti, ciascuna in grado di trattenere un pezzo. Nello stato iniziale, la prima stazione trattiene un grezzo, mentre la seconda stazione è vuota. Quando il robot si avvicina a un tornio CNC che ha appena completato un ciclo di lavorazione, utilizza la seconda mascella per prelevare il pezzo finito. Dopo l’estrazione, il polso ruota di 180 gradi, posizionando il grezzo per l’inserimento nel mandrino della macchina. Questo movimento di “scambio e rotazione” consente al robot di completare sia lo scarico che il caricamento in un unico movimento continuo, riducendo drasticamente i tempi morti e massimizzando l’utilizzo della macchina.
La pinza è azionata da un cilindro pneumatico a due dita, alimentato da aria compressa filtrata e regolata attraverso un’unità di preparazione dell’aria standard. Il circuito dell’aria è suddiviso in tre rami attraverso un collettore: uno controlla l’accoppiamento a scambio rapido che consente la sostituzione dell’utensile, mentre gli altri due azionano indipendentemente le due stazioni di presa. Il controllo direzionale è ottenuto utilizzando valvole solenoidali 5/3 vie, che gestiscono con precisione il flusso d’aria per aprire e chiudere le mascelle della pinza. Sensori magnetici integrati nella pinza forniscono feedback in tempo reale sulla posizione delle mascelle, confermando se ogni stazione è aperta o chiusa. Questa verifica a ciclo chiuso garantisce l’affidabilità operativa e previene collisioni o alimentazioni errate.
Per adattarsi a potenziali futuri cambiamenti nella geometria del pezzo o nelle esigenze produttive, la pinza è collegata al braccio robotico attraverso un meccanismo di accoppiamento a scambio rapido. Questo design modulare consente ai tecnici di sostituire gli end-effector in pochi minuti, permettendo allo stesso robot di gestire diversi tipi di componenti senza estese riprogrammazioni o modifiche hardware. Tale flessibilità è essenziale negli ambienti manifatturieri moderni dove i cicli di vita dei prodotti sono brevi e le richieste di personalizzazione sono in aumento.
Sul lato macchina, i torni CNC sono stati aggiornati da sistemi di serraggio manuali a sistemi idraulici. Questo cambiamento consente una forza di serraggio costante e un’attuazione più rapida, entrambi fondamentali per mantenere l’accuratezza dimensionale e ridurre i tempi ciclo. Il sistema idraulico è controllato direttamente attraverso l’interfaccia di comunicazione del robot, eliminando la necessità di una programazione PLC separata per le operazioni di mandrinaggio. Inoltre, il programma di lavorazione è stato modificato per includere un ritardo dopo il posizionamento del pezzo da parte del robot, garantendo tempo sufficiente per la chiusura completa del mandrino prima che la spindle inizi a ruotare.
La comunicazione tra il robot, le macchine CNC e il sistema di controllo centrale è gestita attraverso una robusta architettura di rete industriale. Il controller principale è un PLC Siemens S7-1214C, scelto per la sua affidabilità, potenza di elaborazione e supporto nativo per Profinet, un protocollo Ethernet industriale ampiamente utilizzato nei sistemi di automazione. Il PLC coordina tutti i dispositivi periferici, inclusi trasportatori, interblocchi di sicurezza e indicatori di stato, mentre il controller del robot ABB gestisce le sequenze di movimento e le operazioni della pinza. Lo scambio di dati tra i sistemi è facilitato da una combinazione di Profinet, segnali I/O ed Ethernet industriale, creando un ambiente di controllo perfettamente integrato e reattivo.
La sicurezza è stata una considerazione primaria nella progettazione del sistema. Data l’elevata velocità dei movimenti del robot e la prossimità degli operatori umani durante il carico e lo scarico del materiale, è stata implementata una recinzione di sicurezza completa. L’area di lavoro del robot è circondata da barriere di sicurezza interbloccate e porte di accesso. Se una porta viene aperta durante il funzionamento, il sistema interrompe immediatamente tutti i movimenti, prevenendo incidenti. Barriere fotoelettriche e pulsanti di arresto di emergenza sono installati anche nei punti di accesso chiave, fornendo molteplici livelli di protezione. Queste misure garantiscono la conformità agli standard di sicurezza internazionali come ISO 10218 e IEC 60204.
Il flusso operativo segue una sequenza attentamente coreografata. Quando una macchina completa il suo ciclo di lavorazione, invia un segnale al robot che indica la prontezza per lo scarico. Il robot si sposta quindi sul trasportatore, preleva un pezzo grezzo e procede verso la macchina. Recupera il pezzo finito, esegue la rotazione di 180 gradi, carica il nuovo grezzo ed esce dall’area della macchina. Il pezzo lavorato viene quindi posizionato sul trasportatore in uscita per la raccolta manuale. Una volta completato questo ciclo, il robot si sposta sulla macchina successiva, ripetendo il processo. Questa logica sequenziale ma parallelizzabile consente al robot di mantenere tutti e tre i torni in funzione continuativamente, con tempi morti minimi tra i cicli.
Per convalidare le prestazioni del sistema, sono state condotte una serie di prove in loco presso lo stabilimento produttivo del partner. Prima dell’automazione, la linea di produzione faceva affidamento sul lavoro manuale, con operatori che lavoravano turni di 12 ore in una rotazione a due turni. Il tempo di attività effettivo della macchina era limitato a circa 9 ore per turno a causa di pause, affaticamento e ritardi logistici. Il tempo totale manuale di carico e scarico per ciclo è stato misurato in 72 secondi, contribuendo significativamente al tempo ciclo complessivo.
Dopo la messa in servizio del sistema robotico, i risultati sono stati trasformativi. Il tempo automatizzato di carico e scarico è stato ridotto a soli 50 secondi, un miglioramento del 30%. Ancora più importante, il robot opera 24 ore al giorno senza affaticamento, aumentando l’utilizzo della macchina da 18 a 24 ore giornaliere. Di conseguenza, la capacità produttiva oraria è passata da 15 pezzi all’ora a 36 pezzi all’ora, rappresentando un aumento del 140% della produttività.
Anche le esigenze di manodopera sono state significativamente ridotte. In precedenza, erano necessari sei operatori per gestire le tre macchine con il modello a due turni. Dopo l’automazione, sono richiesti solo quattro lavoratori, uno per turno per monitorare il sistema e gestire il carico e lo scarico del materiale presso le stazioni di trasporto. Ciò rappresenta una riduzione del 33% dei costi diretti del lavoro. Nel corso di un anno, l’azienda ha realizzato un risparmio stimato di 500.000 RMB, principalmente grazie a salari più bassi, tassi di errore ridotti e maggiore utilizzo delle apparecchiature.
Oltre ai benefici finanziari immediati, il sistema ha migliorato la coerenza del prodotto e l’affidabilità del processo. Gli operatori umani, anche se altamente qualificati, possono introdurre variabilità nel posizionamento dei pezzi, nella forza di serraggio e nei tempi. Il robot, al contrario, esegue ogni compito con la stessa precisione ogni volta, portando a tolleranze più strette e meno pezzi scartati. Questo livello di ripetibilità è particolarmente prezioso nelle catene di fornitura automobilistiche, dove le verifiche qualitative e la tracciabilità sono sempre più rigorose.
Il successo di questo progetto evidenzia anche il ruolo crescente della collaborazione accademico-industriale nel progresso della tecnologia manifatturiera. Il team di ricerca ha riunito competenze nella progettazione meccanica, nella robotica, nel controllo dell’automazione e nell’ingegneria industriale. Il loro lavoro è stato supportato da finanziamenti della National Natural Science Foundation of China, del Dipartimento dell’Educazione della Provincia di Hubei, del Programma Provinciale di Jiangsu per la Formazione Oltreoceano di Giovani e Docenti di Mezza Età e del Progetto Municipale di Scienza e Tecnologia di Xianning. Questo supporto multilivello sottolinea l’importanza nazionale attribuita alla produzione intelligente e all’autosufficienza tecnologica.
Inoltre, la filosofia progettuale del sistema enfatizza la scalabilità e l’adattabilità. Sebbene attualmente configurato per tre torni CNC, l’architettura potrebbe essere estesa per includere macchine aggiuntive o diversi tipi di apparecchiature, come centri di fresatura o rettificatrici. L’uso di protocolli di comunicazione standardizzati e componenti modulari garantisce che le espansioni future possano essere implementate con interruzioni minime.
Un altro vantaggio notevole è la capacità del sistema di operare in ambienti industriali difficili. A differenza dei lavoratori umani, il robot non è influenzato da rumore, calore, trucioli di metallo o nebbia di refrigerante, condizioni comuni negli officine meccaniche. Questa resilienza non solo migliora i tempi di attività, ma protegge anche i lavoratori dall’esposizione a condizioni potenzialmente pericolose.
Dal punto di vista della sostenibilità, il sistema di automazione contribuisce a un uso più efficiente delle risorse. Riducendo i tassi di scarto e lo spreco energetico associato alle macchine inattive, supporta pratiche manifatturiere più ecologiche. La riduzione della domanda di manodopera consente inoltre alle aziende di reimpiegare il personale in compiti a più alto valore aggiunto come l’ispezione qualità, l’ottimizzazione dei processi e la manutenzione preventiva, ruoli che richiedono il giudizio umano e le capacità di problem-solving.
Guardando al futuro, il team di ricerca prevede di esplorare ulteriori miglioramenti, tra cui l’integrazione di sistemi di visione per l’identificazione e l’allineamento dei pezzi, algoritmi di manutenzione predittiva basati sui dati dei sensori e monitoraggio basato su cloud per la diagnostica remota. Questi aggiornamenti spingerebbero il sistema ancora più vicino alla piena autonomia, allineandosi con gli obiettivi più ampi delle fabbriche intelligenti e dei digital twin.
In conclusione, lo sviluppo e l’implementazione di questo sistema robotico di carico e scarico segnano una pietra miliare significativa nell’evoluzione dell’automazione della lavorazione CNC. Consentendo a un singolo robot di servire più macchine con elevata affidabilità e flessibilità, il sistema offre un modello convincente per i produttori che cercano di aumentare la produttività, ridurre i costi e migliorare la sicurezza sul lavoro. Il suo successo dimostra che l’automazione intelligente non è più l’esclusivo dominio di grandi corporation con fondi illimitati: è ora accessibile, pratica ed economicamente vantaggiosa per un’ampia gamma di applicazioni industriali.
Mentre la competizione globale si intensifica e le aspettative dei clienti aumentano, la capacità di produrre componenti di alta qualità su larga scala rimarrà un differenziatore chiave. Sistemi come questo, nati da rigorose ricerche e ingegneria pratica, stanno spianando la strada a una nuova era di eccellenza manifatturiera, in cui umani e macchine collaborano per raggiungere risultati che nessuno dei due potrebbe ottenere da solo.
Wang Haiping, Jin Yan, Chen Xiaomin, Qiu Weiguang, Li Xiaowei, Xianning Vocational Technical College, Changsha University of Science and Technology, Hubei Qingtuo Precision Machinery Co., Ltd., Mechanical & Electrical Engineering Technology, DOI: 10.3969/j.issn.1009-9492.2024.06.013