processo di assemblaggio - Laboratorio di Economia e Produzione

PROGETTARE PER L’ASSEMBLAGGIO
L’efficienza con cui un robot o un uomo eseguono il loro compito di assemblaggio è direttamente
proporzionale allo sforzo fatto per progettare il prodotto in funzione, appunto, del suo
assemblaggio.
I prodotti sono progettati in generale seguendo 6 particolari criteri differenti:
1. Minimo costo. I singoli componenti devono essere fatti con i macchinari appropriati ed
in modo che vengano minimizzati i costi di produzione.
Ad esempio: disegnare ottimizzando il processo rispetto alla posizione della linea di
divisione degli stampi dei pezzi; ottenere il minimo spreco dalle lastre di materiale
grezzo; assicurare che sia facilitata la produzione partendo da barre o vergelle.
2. Funzionabilità. Il prodotto deve essere strutturalmente abbastanza forte per resistere
indenne alle sollecitazioni alle quali sarà sottoposto in fase di uso.
3. Sicurezza. Il progetto è controllato da variabili e regole che definiscono i vincoli del
pezzo.
Ad esempio: max dimensione di apertura ; bisogni dei singoli componenti
4. Estetica. L’aspetto della linea del prodotto normalmente riguarda solo i pezzi la cui
estetica è importante. Sulle superfici in vista è richiesta bassa rugosità e assenza di
danni, ma a volte le richieste non sono pienamente compatibili con i criteri di produzione
scelti per minimizzare i costi.
5. Assemblaggio. Tradizionalmente i processi di assemblaggio sono sempre stati valutati
poco e per ultimi principalmente perché la manodopera costava poco ed era abbondante,
quindi i costi di assemblaggio non incidevano molto sul costo totale di produzione.
Oggigiorno la situazione è cambiata, e la necessità di progettare in funzione
dell’assemblaggio automatico è essenziale per la sopravvivenza sul mercato.
Questo cambiamento è avvenuto perché la vendibilità di un prodotto è basata sulla
qualità e sul prezzo, e tutti e due i fattori possono essere ottimizzati tramite l’uso dei
robot.
6. Smontaggio. Si può progettare un elemento meccanico anche in funzione del suo
smontaggio successivo. In passato si considerava questo fattore esclusivamente per
facilitare la manutenzione, ma le recenti esigenze di recupero della materia prima hanno
spostato in tal senso l’approccio. Si inizia scegliendo i materiali usati non solo per le loro
caretteristiche meccaniche e per i costi, ma anche in funzione della loro recuperabilità e
del loro basso impatto ambientale. Si fa quindi attenzione nel cercare di unire dei pezzi
in materiale recuperabile in modo da poterli staccare con facilità. In questo senso i
sistemi di assemblaggio tramite vite anche se piu costosi e impegnativi facilitano il
lavoro di disassemblaggio. Sono sconsigliati gli adesivi in quanto un terzo materiale
estraneo al riciclaggio aderisce con forza sul pezzo e bisogna eliminarlo con dei solventi
che complicano il processo di riciclo e inquinano il materiale di recupero. E’ necessario
scegliere anche i processi di produzione in funzione del disassemblaggio. Un tipico
esempio lo si trova nella formatura della plastica, che per ottenere alcune interessanti
caratteristiche viene prodotta a strati di materiale differente. Questo processo ha notevoli
vantaggi ai fini dell’utilizzo dell’oggetto che acquisisce proprietà particolari, ma provoca
grandi problemi al riciclaggio. Nella formatura di un contenitore di plastica di può fare
uno strato in Polietilene per impedire il passaggio dell’acqua, e uno strato di alcool
vinilico per proteggere dall’ossigeno.
In ogni caso il processo di assemblaggio è estremamente migliorato con l’uso dei Robot.
L’uso dei Robot porta con se tanti vantaggi; vengono elencati qui di seguito i principali:
•
aumento della produzione
•
miglioramento qualità
•
abbattimento costi manodopera
•
possibilità di lavorare in ambienti ostili all’uomo
Chiaramente bisogna far prima fronte ad un notevole costo di acquisto iniziale, ma se le analisi
previsionali determinano una domanda sufficiente la spesa è giustificata.
I prodotti progettati per l’assemblaggio manuale non possono essere però assemblati roboticamente
senza una riprogettazione. Bisogna scegliere il robot piu adatto al caso specifico, e poi adattare il
processo produttivo nel limite del possibile in modo che il prodotto sia compatibile alle
caratteristiche del Robot.
A volte è indispensabile passare dall’assemblaggio manuale a quello robotico per riuscire a
soddisfare un incremento della domanda. Se cosi non fosse la concorrenza assorbirebbe una fetta
del mercato e la sopravvivenza dell’azienda sarebbe compromessa.
Spesso poi le performance umane non riescono a soddisfare le sempre piu esigenze di mercato
nell’ambito della qualità. Il Robot riesce a garantirci, a seconda del tipo scelto, alta precisione
(nell’ordine del centesimo) o grande flessibilità di movimento.
I principali Robot esistenti sono:
•
Robot cartesiano
•
Robot cartesiano a portale
•
Robot cilindrico
•
Robot sferico
•
Robot articolato (o antropomorfo)
• Robot SCARA
La caratteristica principale che distingue i robot sono le movimentazioni che corrispondono ad i
gradi di libertà. Le movimentazioni possono essere traslazionali o rotazionali, in funzione di queste
si classifica il robot. In generale ogni robot possiede 3 gradi di libertà, più tre aggiuntivi del polso
che non si contano nella classificazione. L’eventuale settimo grado di libertà è costituito da una
traslazione della base del robot. In alcuni casi si arriva a contare un ottavo grado di libertà costituito
dal movimento contemporaneo del pezzo dovuto a saldature o fresature particolarmente complesse.
Vediamo ora nel dettaglio i singoli robots:
Cartesiano. Le movimentazioni dei robot cartesiani sono costituite da tre traslazioni
lungo i tre assi x,y e z. Questi robot sono in assoluto i più precisi perché posseggono una
struttura rigida e riescono a garantire precisioni nell’ordine del centesimo. Lo svantaggio è
che non possiede grande flessibilità di movimento e non riesce a raggiungere con facilità
qualsiasi punto. Il volume di lavoro è un parallelepipedo.
Robot cartesiano a portale. Le movimentazioni sono identiche a quelle del cartesiano,
solo che in questo è presente una struttura che avvolge il volume di lavoro e permette di
lavorare dall’alto. per alcune applicazioni questa caratteristica è indispensabile. Anche le
precisioni sono uguali a quelle del cartesiano.
Robot cilindrici. Nei robot cilindrici una traslazione viene sostituita dalla rotazione della
base. Il volume di lavoro è chiaramente un cilindro. Sono ormai in disuso.
Robot sferici. Nei robot sferici le movimentazioni sono costituite da due rotazioni e da
una traslazione. Le rotazioni sono del basamento e della spalla. La spalla è la prima
articolazione dopo il basamento. Il volume di lavoro si avvicina ad una sfera, ma non tutti i
punti sono raggiungibili. In passato è stato molto usato nelle saldature delle scocche
automobilistiche e nelle verniciature, ma ora è in disuso.
Robot articolato (o manipolatore). Le movimentazioni del robot articolato sono
costituite da tre rotazioni. Grazie a queste rotazioni questo è il robot che più di tutti simula il
braccio umano, quindi possiede grande flessibilità di movimento e riesce a raggiungere
facilmente ogni punto. Lo svantaggio principale è che inserendo rotazioni al posto di
traslazioni si perde di rigidezza, quindi di precisione. Non possiamo dunque sperare che
questo robot lavori con una precisione nell’ordine del centesimo come il cartesiano. Viene
per questo usato molto nella manipolazione degli oggetti.
Un altro svantaggio è che noi immettiamo le coordinate di programmazione in termini
cartesiani, ma il computer di bordo deve convertire tutto in coordinate polari. Il problema
consiste nel fatto che noi programmiamo il percorso secondo schemi lineari, ma quando i
gradi di libertà sono delle rotazioni è difficile percorrere delle linee, quindi il computer sarà
molto occupato a calcolare le traiettorie ed andrà lentamente.
Robot SCARA. Le movimentazioni di questo robot consistono in due rotazioni e una
traslazione. E’ un robot molto usato nell’assemblaggio, soprattutto per i componenti
elettronici che richiedono elevate precisioni. Le due rotazioni servono per il posizionamento
e la traslazione per l’assemblaggio. E’ estremamente comodo per asservire due linee
parallele. La precisione raggiungibile è di circa 5 centesimi. Non è preciso come il
cartesiano ma lo è più dell’articolato, e inoltre possiede anche una buona flessibilità di
movimento.
Regole di progetto in funzione dell’assemblaggio
Esistono molte regole per ottimizzare le produzione di un pezzo in funzione dell’assemblaggio
riducendo i tempi e facilitando la vita dell’operatore manuale o del Robot asservito a tale utilizzo.
Come regola generale bisogna prima riconoscere quali componenti hanno maggiori conseguenze sul
processo di assemblaggio, ed in seguito ad essi si applicano una serie di principi illustrati qui di
seguito:
Necessità.
Bisogna verificare che ogni componente presente nel complessivo sia necessario, quindi che
non ci siano componenti a causa di ragioni invalide o concezioni sorpassate.
La possibilità di ottenere il prodotto finito senza usare tutte le parti previste inizialmente è
attuabile anche tramite la sostituzione di un set di fissaggio a vite a tre pezzi ( bullone, dado,
rondella ) con un sistema monopezzo di bloccaggio ad aggancio meccanico. Il risultato è piu
economico e piu pratico per il montaggio.
Nel riprogettare un complessivo con tutti i suoi particolari è possibile che i pezzi eliminati o
sostituiti siano parecchi, e che quindi il risparmio finale portato da questa tecnica sia elevato.
Nelle figure seguenti si vede un complessivo prima e dopo la sua riprogettazione per
l’assemblaggio. Il numero di pezzi è sceso da 23 a 16 e il 61% dei componenti del nuovo
disegno sono compatibili con l’assemblaggio tramite robot, contro il 33% del vecchio disegno.
Disegno prima delle modifiche
Disegno dopo le modifiche
Specifiche.
Bisogna assicurarsi che ogni componente sia sufficientemente corrispondente alle specifiche
richieste.
Spesso il reparto di produzione estende la banda di tolleranza per poter accettare i componenti
aventi delle imperfezioni in punti non importanti per la funzionabilità dell’oggetto. Si evita cosi
una costosa sostituzione con un pezzo buono o una rilavorazione.
Alcuni robot non essendo muniti di particolari sensori possono montare solo pezzi fatti bene
perché non riescono a fare della discriminazione. I Robot piu sofisticati grazie all’ausilio di
particolari sensori riescono a garantire performance di selettività in fase di montaggio. Per
esempio se un pezzo non è adatto viene rifiutato e ne viene selezionata un'altra. Comunque
anche questi sistemi hanno bisogno che i componenti siano all’interno delle tolleranze di
specifica. La variazione nella banda di tolleranza identifica il componente da montare. Per ogni
pezzo montato ci sono alcune specifiche da rispettare:
Dimensione; assicura che il componente sia all’interno delle
tolleranze dimensionali specificate nel disegno.
Funzione; verifica che il componente sia fato in accordo con le
specifiche.
Materiali; specifica precisamente il materiale con il suo numero
nazionale standard
Forma; controllata tramite tolleranze geometriche. E’ molto
importante nelle interfacce dei pezzi stampati.
Standardizzazione. Ogni variazione dei componenti deve essere minimizzata dove possibile.
In ogni assemblaggio ci sono spesso dei pezzi simili, ma se questi vengono fatti tutti uguali, con
una forma che soddisfa tutte le richieste, si riesce ad ottenere un notevole risparmio in termini di
costi e spazio necessario per l’immagazzinamento. Inoltre si velocizza il processo di
assemblaggio perché l’organizzazione del lavoro è piu semplice.
Un valido esempio viene de un azienda Giapponese che produce una vasta gamma di misuratori
analogici . Grazie al numero di varianti realizzate si riescono a soddisfare tutte le particolari
esigenze dei clienti, ma l’analisi ha dimostrato che la funzionabilità di molti pezzi usati è simile,
quindi si possono standardizzare.
Questa operazione comporta un notevole risparmio sia per l’azienda che per il cliente.
Simmetria.
I componenti simmetrici vanno usati ovunque sia possibile. Questo tende a ridurre la
manipolazione, l’orientamento, l’identificazione e la presentazione di un problema.
Anche se l’orientamento degli oggetti può essere corretto da particolari dispositivi prima della
fase di assemblaggio in modo da arrivare in una posizione “comoda”, il processo diventa
chiaramente troppo complesso.
Molte asimmetrie dei componenti possono essere convertite in simmetrie con l’aggiunta di
piccole modifiche che alterano di poco il processo produttivo. Ad un piccolo incremento di
costo di produzione consegue un grande vantaggio in termini di semplicità di processo di
assemblaggio.
Asimmetria.
E’ l’opposto dell’esigenza precedente.
Quando per motivi funzionali non è possibile effettuare una simmetria, bisogna cercare di
esagerare l’asimmetria in modo da rendere evidente l’orientamento giusto senza possibilità di
errore.
A volte è utile creare dei riferimenti che rendano impossibile il montaggio nel verso sbagliato.
Posizionamento.
E’ necessario assicurare che il componente si presenti al robot di assemblaggio come un singolo
pezzo nella giusta posizione. Non bisogna in pratica far si che si generino circostanze che
facilitino l’aggancio di due o piu pezzi.. Visto che molti dispositivi di spostamento dei pezzi
sono a vibrazione, se il disegno del pezzo non tiene conto della possibilità di aggancio e lascia
aperte delle possibilità, l’aggancio di piu pezzi è assicurato. Tale aggancio ci porta grandi
problemi sia di movimentazione che di presa. Bisogna evitare questo fenomeno modificando il
disegno. Anche queste modifiche normalmente non richiedono grandi spese aggiuntive ma
risolvono molti problemi.
prima della modifica:
rischio di aggancio
dopo la modifica:
aggancio impossibile
Bisogna anche cercare di evitare che i pezzi si sovrappongano in fase di trasporto. La loro
sovrapposizione rende più difficile la presa da parte di un Robot che si aspetta di trovarlo in
un'altra posizione. Anche in questo caso si fanno modifiche mirate a impedire l’innesco del
fenomeno.