Universita degli Studi di Brescia

Facolta di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Tesi di Laurea

Applicazione di motori lineari

a macchina transfer

a tavola girevole

Relatore:Chiar.mo Prof. Enzo Gentili

Correlatore:Mauro Verzeletti

Laureando:Andrea Zapponi

Anno Accademico 2004-2005

Oh Capitano! Mio Capitano!

il nostro duro viaggio e finito,la nave ha scapolato ogni tempesta,il premio che cercavamo ottenuto,il porto e vicino,sento le campane, la gente esulta,mentre gli occhi seguono la solida chiglia,il vascello severo e audace: ma,

o cuore,cuore,cuore!

Walth Withmann

In ricordo di mio padre,

per Marco,

grazie a Monica,

coraggiosa compagna di viaggio.

Ringraziamenti

Al termine di questo lungo cammino, qual e stata la mia carriera universitaria,

vorrei utilizzare questo scritto per esprimere alcuni sentiti ringraziamenti.

Pur sapendo quanto non gradisca questo genere di “orpelli”, desidero ringraziare

il Prof. Enzo Gentili, oltre che per l’opportunita datami con questo lavoro di tesi,

per la sua non comune disponibilita, dimostrata in questi anni nei quali abbiamo

attivamente collaborato e durante i quali non ha mai smesso di incitarmi a conclud-

ere gli studi. La sua stima e il suo appoggio morale sono stati fondamentali per il

raggiungimento di questa meta.

Doveroso e sentito e anche il ringraziamento per il correlatore, nonche datore di

lavoro, Mauro Verzeletti che, con grande sensibilita, mi ha consentito di lavorare e

studiare per diversi anni, concedendomi fiducia (e permessi!!). Il grazie va esteso a

tutto lo staff di Alpha Progetti, struttura dinamica e tecnologica, piena di persone in

gamba.

La spina dorsale del presente lavoro e stata creata mediante numerose visite ad

aziende produttrici di macchine transfer, di controlli numerici e motori elettrici e

alle aziende utilizzatrici. Risulta quindi doveroso porgere un ringraziamento a tutte

le persone che mi hanno concesso parte del loro tempo.

Infine vorrei ringraziare i numerosi “viandanti” incontrati sul sentiero, con iquali ho condiviso dolori, gioie e speranze.

1

Indice

Prefazione 5

1 Le macchine transfer e la flessibilita 71.1 Storia delle macchine transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 La percezione della flessibilita nelle piccole e medie imprese . . . . . . 10

1.2.1 Caratteri multidimensionali della flessibilita . . . . . . . . . . 221.3 Flessibilizzazione delle macchine transfer . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3.1 Flessibilita nelle unita operatrici . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.2 Flessibilita nella tavola girevole . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.3.3 Innovazioni nel controllo del processo . . . . . . . . . . . . . . 281.3.4 Innovazione nell’elettronica a bordo macchina . . . . . . . . . 29

1.4 Stato dell’arte delle macchine transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2 Evoluzione delle macchine transfer: le celle flessibili 402.1 Cambiamenti nei modelli di automazione richiesti dal mercato . . . . 40

2.1.1 Dai transfer alle celle: il caso John Deere . . . . . . . . . . . . 412.2 I transfer-cella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.3 L’indagine presso gli utilizzatori di

Transfer-cella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.3.1 Prerogative e limiti dei transfer cella . . . . . . . . . . . . . . 462.3.2 Analisi dei tempi di lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.4 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3 Definizione delle specifiche per macchina transfer flessibile

a elevata dinamica 533.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.2 Struttura e configurazione della macchina . . . . . . . . . . . . . . . . 543.3 Prestazioni della macchina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3.1 Accelerazione e velocita massime degli assi . . . . . . . . . . . 563.3.2 Precisione e ripetibilita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.4 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2

4 Utilizzo di azionamenti con motori rotativi 614.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.2 Tecniche di azionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.3 Sistemi di connessione fra sistemi e macchine . . . . . . . . . . . . . . 624.4 Sistemi di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.4.1 Trasmissione a cinghia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.4.2 Trasmissioni a catena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.4.3 Trasmissioni a ingranaggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.5 Fattori guida nella scelta del motore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.5.1 Parametri di riferimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.6 Dimensionamento della catena cinematica . . . . . . . . . . . . . . . 694.6.1 Unita di lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.6.2 Scelta della vite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.6.3 Scelta del motore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.6.4 Scelta del riduttore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.7 Sensibilita alla variazione dei parametri di dimensionamento . . . . . 794.7.1 Sensibilita del sistema alla variazione di carico . . . . . . . . . 794.7.2 Sensibilita del sistema alla presenza del riduttore . . . . . . . 804.7.3 Sensibilita del sistema alla variazione del diametro e del passo

della vite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.8 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5 I motori lineari 825.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.2 Tipologie di motori lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.2.1 Motori passo-passo - LSTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.2.2 Motori asincroni - LIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.2.3 Motori sincroni - LSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.2.4 Morfologie costruttive dei motori lineari . . . . . . . . . . . . 90

5.3 Vantaggi e limitazioni nell’utilizzo di motori lineari . . . . . . . . . . 955.4 Principali produttori di motori lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6 Progetto di macchina transfer con motori lineari 1076.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.2 Configurazione del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.3 Criteri di dimensionamento dei motori lineari . . . . . . . . . . . . . 109

6.3.1 Principi di dimensionamento del motore . . . . . . . . . . . . 1096.3.2 Dati iniziali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.3.3 Requisiti accessori per la progettazione . . . . . . . . . . . . . 121

6.4 Progettazione del centro di lavoro a 3 assi . . . . . . . . . . . . . . . 1266.4.1 Scelta dei motori del centro di lavoro . . . . . . . . . . . . . . 1266.4.2 Descrizione del motore scelto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1296.4.3 La tavola girevole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1316.4.4 I motori Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3

7 Confronto tra movimentazione diretta e indiretta 1367.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367.2 Vantaggi e svantaggi della motorizzazione diretta rispetto alla indiretta1377.3 Elementi di interesse per l’applicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 1387.4 Confronto con riferimento ai costi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

7.4.1 Confronto tra costi dei macchinari . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Conclusioni 142

Bibliografia 145

4

Prefazione

I motori lineari nel futuro delle macchine transfer

Quanto piu la domanda di mercato diventa incerta e fluttuante nel tempo, tantopiu le imprese spostano la loro attenzione verso meccanismi di adattamento di breveperiodo. L’obiettivo aziendale non e piu semplicemente quello di minimizzare i costidi produzione per una pianificata quantita dell’output produttivo, ma di ricercaresoluzioni che permettano di rispondere velocemente alla variabilita del volume e delmix della domanda, alla sua scarsa prevedibilita, alla frequenza delle innovazionisia di processo sia di prodotto, problematiche che impongono una sempre maggioreattenzione per il tema della flessibilita.

Cosı, differentemente da quando accadeva nel passato, l’aumento della produt-tivita non e piu l’obiettivo dominante nella progettazione delle macchine transfer,ma, per le macchine di ultima generazione, a questo si e affiancata la necessita diintrodurre un’ampia flessibilita operativa.

Queste nuove esigenze, se da un lato hanno trovato interlocutori attenti e prontinell’informatica e nell’elettronica, dall’altro hanno messo in evidenza i limiti del-la meccanica classica. La crescita delle velocita di produzione - e di conseguen-za dei fenomeni inerziali - finisce, infatti, per far soffrire i cinematismi di trasfor-mazione e trasmissione del moto e le strutture portanti della macchina; l’aumen-to della flessibilita dell’impianto ne ha comportato un aumento considerevole dellacomplessita e dei costi.

I progettisti sono stati percio orientati verso nuovi approcci nelle architetture deisistemi di attuazione e controllo. Dapprima si sono introdotti dispositivi di bloccag-gio controllati elettricamente, in sostituzione dei posizionamenti manuali delle unitaidrauliche; in seguito queste sono state completamente soppiantate dall’utilizzo diunita elettriche controllate da CNC.

La naturale estensione di tale filosofia progettuale dovrebbe prevedere l’elim-inazione completa dei meccanismi di trasformazione del moto, mediante l’appli-cazione di attuatori comandati da sistemi di controllo programmabili, in grado digenerare il moto lı dove serve, gia con i parametri cinematici desiderati.

I vantaggi di questa tecnologia, nota come direct drive, sono evidenti. Oltre adun’elevata flessibilita si realizza, infatti, una semplificazione del layout della macchi-na, si riducono gli effetti delle inerzie e si elimina l’usura con il conseguente aumentodella precisione di posizionamento. In quest’ottica e considerando che, nelle mac-chine transfer a elevato livello di flessibilita, si sta introducendo un elevato numero di

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movimentazioni di tipo lineare, appare chiaro come i motori lineari elettrici possanoassumere un ruolo principe nella progettazione di questa tipologia di macchine.

A dispetto, pero, delle loro performance eccezionali e di quanto avviene in altrisettori, tali attuatori non hanno ancora incontrato i favori dei progettisti di macchinetransfer. Insieme a certi intrinseci svantaggi, tra cui spicca il costo ancora elevato, ilfattore piu limitante alla loro diffusione e costituito da una mancanza di conoscenzadelle loro reali potenzialita e dalla sopravvalutazione delle difficolta legate al loroinserimento nella macchina.

In questo lavoro, dopo una breve descrizione delle macchine transfer e della loroevoluzione storica, si e provveduto a definire le specifiche per una macchina transferflessibile a elevata dinamica. Intervistando alcuni utilizzatori di una tipologia ditransfer particolarmente flessibili, detti celle, si sono trovati i limiti e le peculiaritadi queste macchine. Considerati alcuni pezzi lavorati su celle flessibili, si e definitoil target desiderabile di accelerazione e velocita, utilizzando come parametro di con-fronto la produttivita. Inoltre si e definita una configurazione di macchina che, inbase a quanto rilevato, superasse alcuni delle limitazioni piu sentite.

Si e quindi proceduto confrontando le prestazioni dei motori lineari con quelle deimotori tradizionalmente utilizzati sulle macchine transfer a tavola girevole e valu-tando l’applicabilita di questo tipo di attuatori per realizzare alcune movimentazionicruciali.

Dal confronto e emerso che, per l’applicazione considerata, le ineguagliabiliprestazioni dei motori lineari, in termini di dinamica e precisione di posizionamento,costituiscono un’ottima opportunita per realizzare macchine piu flessibili, veloci edaffidabili.

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Capitolo 1

Le macchine transfer e la

flessibilita

1.1 Storia delle macchine transfer

La macchina a trasferimento automatico del pezzo, piu comunemente chiamata“Transfer” e un sistema automatico che combina in un’unica unita produttiva le fun-zioni di una serie di macchine separate, unificando operazioni di carico e meccanismidi trasferimento.

Il principio di base di questo tipo di macchinario sta nella scomposizione delciclo di lavorazione da eseguire su un pezzo, in tante operazioni elementari e nel-la creazione di postazioni dedicate ad ognuna di queste operazioni. Un dispositivotrasferisce automaticamente il pezzo che dev’essere lavorato davanti a ogni stazionedi lavoro in modo sequenziale. Le lavorazioni vengono eseguite simultaneamente e,una volta a regime, a ogni passo del sistema di trasferimento del pezzo corrispondeil carico di un grezzo e lo scarico di un pezzo completamente lavorato. Si trattadell’esatta trasposizione di un lavoro di catena su un’unica macchina.

Nella fase di progettazione di queste macchine, la scomposizione del ciclo di la-vorazione e fatta in modo da ottenere un buon bilanciamento dei tempi nelle singolestazioni: essendo una macchina di tipo sequenziale, il tempo dell’operazione piulunga determina il tempo del intero ciclo.

Agli inizi del ’900, grazie al contributo di Ford, si arrivo alla rivoluzione deiprocessi manifatturieri che ha portato alla produzione di massa. Il processo venneripensato come un flusso, in cui l’attivita parcellizzata e specializzata dei lavoratorisi integrava con lavorazioni svolte da macchine utensili disposte in modo tale da darorigine ad una sequenza di attivita.

L’ottimizzazione del processo produttivo porto ad avvertire nuove esigenze:

• ridurre i tempi di produzione, aumentando la cadenza;

7

Figura 1.1: Operai al lavoro in fabbrica ai primi del ’900

• limitare la variabilita nei pezzi prodotti, per consentirne un’efficace intercam-biabilita;

• diminuire il costo unitario dei pezzi, ottimizzando le risorse a essi dedicate.

Proprio per rispondere a queste nuove esigenze di organizzazione industriale nac-quero e si svilupparono le macchine a trasferimento del pezzo, che, a partire da queglianni, godettero di un costante incremento del mercato.

La prima macchina di questo tipo, di cui si abbiano notizie, fu realizzata all’iniziodel 1900 dallaMorris Motor, in Inghilterra, per la realizzazione di blocchi cilindro edera dotata di soli controlli meccanici e nel 1935 l’americana Greenlee and Greenlee

Tool costrui una macchina denominata “automatic transfer machinery” che incor-porava unita idrauliche e meccanismi di bloccaggio: il vanto dell’azienda riguardavail fatto che l’operatore dovesse solo “caricare il grezzo e schiacciare un bottone”.

Durante la Seconda Guerra Mondiale ci fu il primo sviluppo di questi macchi-nari: ancora la Greenlee and Greenlee Tool progetto e mise in funzione una lineaautomatica per la produzione delle testate motore per le Fortezze Volanti B17. Suquesta linea, lunga oltre 50 metri, caricata con 130 pezzi contemporaneamente, sieseguivano le 162 lavorazioni necessarie alla realizzazione di una testa completa ogni49 secondi.

Il periodo di massima diffusione e utilizzo delle macchine transfer si ebbe neldopoguerra, quando le principali aziende meccaniche le adottarono: il fenomeno in-teresso in primis il campo automobilistico, ma in tutti i settori industriali furonoapplicate largamente. Si trovano documentazioni relative all’utilizzo di linee transfer

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per la realizzazione di compressori per frigoriferi, di motori elettrici, di rubinetteriae valvolame, di minuteria di ferramenta, di serrature.

Figura 1.2: Interno di una macchina transfer

In Italia l’adozione di queste linee ha preso piede a partire dalla fine degli annicinquanta: proprio nella zona di Brescia in quegli anni vennero installati i primimacchinari americani con tavola girevole, applicati nel settore della rubinetteria edel valvolame, per la lavorazione dell’ottone.

Nel giro di pochi anni, le intraprendenti officine meccaniche locali iniziaronodapprima a curarne la manutenzione e, in seguito, a realizzare le prime imitazioni.

Gia all’inizio degli anni ’60 erano presenti, nella sola provincia di Brescia, unadozzina di costruttori di macchine transfer. Essi si specializzarono a tal punto nellarealizzazione di queste particolari macchine da diventare, col proseguo degli anni,leader mondiali del settore.

Attualmente la crisi, che ha investito tutto il comparto delle macchine utensili, esentita in modo particolare da questa branca della meccanica dei beni strumentali.Nonostante che tutti i costruttori abbiano tentato di realizzare macchinari flessibili,la percezione del grande pubblico e rimasta quella che le macchine transfer sianorigide, mentre i centri di lavoro siano flessibili. Solo le aziende che hanno investi-to in ricerca e sviluppo hanno potuto contrastare con prodotti nuovi il calo degliordinativi, ma solo poche hanno perseguito il finanziamento dell’innovazione con ladovuta attenzione.

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1.2 La percezione della flessibilita nelle piccole e

medie imprese

La competizione molto forte a livello internazionale e la grande mobilita dellemerci, costringe le aziende a rinnovare continuamente e frequentemente i propriprodotti. La compressione della vita degli stessi richiede la rivisitazione della ges-tione dei processi produttivi, con un incremento della rapidita nel cambio dei lottidi produzione e l’aumento delle tipologie di pezzi da lavorare. Queste problematicheimpongono una sempre maggiore attenzione per il tema della flessibilita.

Il termine flessibilita richiama significati anche molto differenti tra di loro. Nes-suno di essi e completamente errato, tutti si completano ed integrano, ponen-dosi come obiettivo comune la capacita di far fronte ai cambiamenti. In meritoalle definizioni di flessibilita, il pensiero scientifico sta convergendo verso alcunedimensioni ritenute principali:

• flessibilita di macchina: facilita con cui una macchina effettua le modifichenecessarie per passare da una produzione ad un’altra;

• flessibilita di routing: abilita del sistema di approntare un prodotto seguendodiversi percorsi;

• flessibilita di processo: capacita di produrre diversi tipi di prodotto con ilmedesimo processo produttivo;

• flessibilita di prodotto: facilita con cui un nuovo prodotto puo essere aggiuntoo sostituito a quelli esistenti;

• flessibilita di volume: abilita di operare a livelli produttivi piu bassi o piu altirispetto a quelli standard;

• flessibilita di espansione: possibilita di espandere la capacita produttiva delsistema;

• flessibilita di lay-out: facilita con cui si puo modificare il lay-out interno degliimpianti di produzione.

Come riportato da un’indagine condotta alla fine degli anni ’90 da un equipe diricercatori dell’Universita di Brescia, guidati dal Prof. Zavanella, le aziende produt-trici di componenti meccanici e quelle che eseguono lavorazioni meccaniche contoterzi, attribuiscono differenti pesi a ognuna delle dimensioni di flessibilita citate.Risulta pertanto opportuno e interessante riassumere i temi affrontati e i risultatidi questa analisi, onde inquadrare meglio gli aspetti relativi alla flessibilita che an-dranno poi sviscerati nel corso del lavoro di tesi.

La ricerca e stata svolta al fine di studiare in ambito locale la percezione del temadella flessibilita e quali comportamenti vengano messi in atto per fronteggiarlo. Unavolta posta l’attenzione sui principali cambiamenti aziendali, di natura interna ed

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esterna, si e cercato di individuarne le cause e le conseguenze, quantificandole, sepossibile, rispetto ai comuni parametri produttivi aziendali. Successivamente, sonostate analizzate le dimensioni di flessibilita precedentemente definite. Per ognuna diesse e stato espresso un giudizio soggettivo di importanza e di efficacia nel rispon-dere a ciascuno dei cambiamenti individuati. Infine, sono stati analizzati alcuni datinumerici oggettivi.La raccolta dei dati e avvenuta alla fine degli anni ’90, costruendo un campionecomposto da imprese ubicate nella provincia di Brescia (prevalentemente nell’hin-terland della citta,Val Trompia e Lumezzane) e nella zona di Parma. Le impreseindividuate operano nel comparto meccanico, essendo questo un settore strategico,nelle province di Brescia e Parma ed a livello nazionale, e particolarmente sensibile aitemi della versatilita e dell’automazione dei macchinari. Le imprese contattate sono,in prevalenza, di dimensioni medio-piccole (meno di 50 addetti) e sono raggruppabili(categorie ISTAT) come:

• DJ Produzione di metallo e fabbricazione di prodotti in metallo;

• DK Fabbricazione di macchine e apparecchi meccanici;

• DL Fabbricazione di macchine elettriche e di apparecchiature elettriche eottiche.

Si sottolinea il fatto che queste tre categorie occupano in Italia il 35% degli ad-detti dell’industria manifatturiera (il 54% nella provincia di Brescia). Inoltre, essecostituiscono circa il 32% del totale delle imprese del settore (il 49% nella provin-cia di Brescia). Le imprese bresciane riconducibili a questi settori di produzionemeccanica costituiscono il 5% del totale nazionale, sia in termini di addetti che dinumero di imprese (fonte:VII censimento ISTAT, 1991). Le dimensioni delle aziende,in riferimento al numero di addetti, sono leggermente inferiori rispetto alla medianazionale. Si ritiene quindi che le conclusioni raggiunte con l’indagine si prestinoad una generalizzazione, la cui importanza e sottolineata dal fatto che, in Italia, lepiccole aziende occupano piu del 60% degli addetti e costituiscono circa il 90% delleimprese.

Si ritiene necessario fornire una immagine sintetica del campione di impreseanalizzato.

Dimensioni

Si e adottato un giudizio duplice, basato sul fatturato annuo e sul numero didipendenti (Tabella 1.1). Sulla base delle definizioni UE di aziende piccole, mediee grandi, si ottiene una divisione del campione come in tabella 1.2. Nel campione,quindi, rientrano solo tre grandi imprese, il valore medio del numero di dipendentie 70, ma il 62% del campione e costituito da imprese piccole, cioe con meno di 50dipendenti, e piu dell’80% non supera i 100 dipendenti. Infine, esiste una sensibilecorrelazione tra il fatturato e il numero di dipendenti: cio e indice del fatto che ilcontenuto di lavoro e di capitale delle imprese e piuttosto omogeneo.

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Fatturato [Mln] 0-10 10-50 50-200

Numero di casi 33 44 2

Percentuale 37% 50% 13%

N◦ di dipendenti medio 27 67 200

Tabella 1.1: Distribuzione per classi di fatturato (milioni di Euro)

N◦ dipendenti 0-19 20-50 51-100 101-250 >250

N◦ di casi 13 42 17 14 3

Percentuale 15% 47% 19% 16% 3%

Tabella 1.2: Distribuzione per numero di dipendenti

Settore merceologico.

La suddivisione del campione tra i vari settori e riportata in tabella 1.3, sebbenesi debba ricordare che alcune aziende possono presentare caratteristiche di piu grup-pi.

Settore Ml Mc Mm S E A

N◦ di casi 11 30 28 4 10 6

Percentuale 12% 34% 32% 4% 11% 7%

Tabella 1.3: Distribuzione per settori merceologici

Ml aziende meccaniche che svolgono lavorazioni: si tratta, in prevalenza, di imp-rese che eseguono lavorazioni per asportazione di truciolo in base al disegno e,talvolta, al materiale fornito dal cliente. Queste aziende sono concentrate sul-la migliore implementazione del lavoro e sull’ottimizzazione della produzione.In quanto subfornitori, hanno spesso un core-business legato ad un ristret-to numero di clienti stabili, pur essendo in genere attrezzati con macchineuniversali.

Mc aziende meccaniche che producono componenti: si tratta di imprese impeg-nate nella produzione di componenti per autoveicoli (sospensioni, cerchi, ter-gicristalli etc.), valvolame, utensili, particolari meccanici (ingranaggi e cus-cinetti) e casalinghi. In esse, la produzione e specializzata su un insieme bendefinito di prodotti, progettati all’interno dell’azienda o in co-makership conil cliente. Sono caratterizzate, percio, da un processo produttivo piu completorispetto ad Ml.

Mm aziende meccaniche che producono macchine e motori: sono imprese che lavo-rano prevalentemente su commessa, per la realizzazione di impianti e macchine,

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dal settore oleodinamico a quello siderurgico. Pertanto, risulta di estremaimportanza la fase di progettazione del prodotto e delle sue parti, talvoltarealizzate all’interno dell’impresa stessa.

S aziende metallurgiche e siderurgiche: si tratta di imprese attive nella lavorazionea caldo dei metalli (pressofusione, fusione, estrusione, ecc.).

E aziende elettrotecniche e di elettronica industriale: attive sia nella progettazionesia nella realizzazione di impianti, sistemi di regolazione e controllo; sensori,componenti elettrotecnici, ecc.

A altri: lavorazione di materiali non metallici, realizzazione di componenti e prodot-ti non raggruppabili nelle altre classi (magneti, apparecchi di illuminazione,piccoli elettrodomestici).

Tipologia di processo produttivo.

Totale aziende che svolgono produzioni N◦ di casi Percentuale

di processo 12 13%

per parti 67 75%

di assemblaggio 23 26%

Tabella 1.4: Distribuzione per tipologia di produzione (un’impresa puo presentare

piu tipologie)

Il campione e distribuito come da tabella 1.4. La tabella 1.5 mostra come leimprese classificate come Ml svolgano solo lavorazioni per parti, come nella maggiorparte dei casi di Mc, mentre le aziende che producono macchine Mm presentano siafasi di lavorazione sia fasi di assemblaggio. Le produzioni di processo sono prevalentinelle imprese S.

ProduzioneSettore

Ml Mc Mm S E A

di processo 0 3 0 4 2 3

per parti 11 29 15 2 7 3

di assemblaggio 0 2 13 1 5 2

Tabella 1.5: Tipo di produzione e settore di appartenenza

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Tipologia di vendita

La forma piu diffusa e risultata la vendita su commessa che, a fronte di unamaggiore difficolta organizzativa, offre la certezza di vendere il proprio. Per contro,la produzione per il magazzino offre vantaggi di programmazione della produzione,ma comporta sensibili investimenti in scorte di prodotti finiti. Una via di mezzo,e la vendita a catalogo, che presuppone la progettazione e l’ingegnerizzazione an-ticipata di una gamma anche molto vasta di articoli, che vengono prodotti solo almanifestarsi dell’ordine (Tabella 1.6).

Totale aziende che vendono N◦ di casi Percentuale

a magazzino 28 31%

a catalogo 39 44%

su commessa 65 73%

Tabella 1.6: Distribuzione del campione in base al tipo di vendita (una impresa puo

presentare piu tipologie).

La Tabella 1.7 evidenzia come la vendita su commessa si dimostri una scelta obbliga-

VenditaSettore

Ml Mc Mm S E A

a magazzino 0 15 9 1 1 2

a catalogo 0 12 18 1 5 3

su commessa 11 9 6 4 10 5

Tabella 1.7: Tipo di vendita e settore di appartenenza

ta nel settore delle lavorazioni meccaniche (lavorazioni per conto terzi). Tra i produt-tori di componenti meccanici risulta molto diffusa anche la produzione per il magaz-zino, mentre i produttori di macchine vendono spesso anche a catalogo, eventual-mente con piccole personalizzazioni. Emerge, inoltre, che nel settore elettrotecnicoe dell’automazione la maggior parte delle vendite avviene su commessa.

Certificazione UNI EN 9000.

Gli esiti della ricerca indicano che solo un terzo delle aziende non ha ancoraaffrontato l’aspetto della certificazione: risulta quindi recepita l’importanza dellaqualita come chiave competitiva (Tabella 1.8).

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Certificazione di qualita N◦ di casi Percentuale

Conseguita o gia avviata 59 66%

Non conseguita ne avviata 30 34%

Tabella 1.8: Certificazione di qualita

Il mercato estero.

Analizzando la percentuale di fatturato da attribuirsi ad operazioni che riguardanoil mercato estero, emerge che circa il 9% delle imprese contattate non ha ancora avu-to alcun contatto con l’estero (Tabella 1.9).Le aziende che vendono solo in Italia sono, quasi nella totalita, aziende di piccole

Fatturato estero [Mln di Euro] 0 1-10 11-20 21-30 31-40 >41

Numero di casi 8 22 13 24 16 6

Percentuale 9% 25% 15% 27% 18% 7%

Tabella 1.9: Distribuzione della percentuale di fatturato estero

dimensioni (fatturato che non supera i 5 milioni di Euro annui). All’estremo op-posto, le aziende rivolte quasi esclusivamente al mercato estero presentano fatturaticompresi tra i 5 e i 25 milioni di Euro annui e risultano orientate ad una produzioneper il magazzino o in base agli ordini ricevuti in riferimento a un catalogo.

Numero di clienti e fornitori.

Il mercato servito dalle aziende considerate e indubbiamente differenziato: unabuona percentuale dichiara di fornire piu di 200 clienti. Meno differenziato risultalo spettro dei fornitori, forse a causa della sempre crescente selezione operata dalleaziende per ottenere caratteristiche di livello di servizio, affidabilita e qualita deiprodotti migliori. E interessante notare che le aziende legate a un numero ristrettodi clienti e/o di fornitori sono molto poche. Cio a riprova del fatto che, nonostantele ridotte dimensioni delle aziende, la realta che esse affrontano e molto complessa.

La variabilita del contesto.

La variazione media annua intervenuta nel fatturato nel corso degli ultimi cinqueanni e stata valutata con classi di valori (Tabella 1.10): poche imprese hanno avutopiccole variazioni nel fatturato. Su un orizzonte mensile, una buona percentuale diaziende (piu del 60%) registra variazioni nel mix di prodotti richiesti mentre unapercentuale inferiore ritiene degne di nota le variazioni che intervengono nel volumedi vendita (Tabella 1.11).

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Variazione perc.del fatturato 0-5 5-10 10-20 > 20

Numero di casi 6 28 26 29

Percentuale 7% 31% 29% 33%

Tabella 1.10: Var. media nel fatturato - ultimi cinque anni

Variazioni mensili Nessuna Mix Volume Entrambi

Numero di casi 15 25 18 31

Percentuale 17% 28% 20% 35%

Tabella 1.11: Variazioni mensili nelle vendite

Pare utile sottolineare che, tra le 33 aziende che non ritengono significative levariazioni nella gamma dei prodotti, 7 servono un mercato molto differenziato, conpiu di 200 clienti.Quindi, se il mercato e ampio, pare maggiormente possibile bilanciare le diverse richi-este dei clienti. Naturalmente, un’influenza determinante e esercitata dalla entitadella commessa rispetto al fatturato aziendale.

I fattori che influenzano il bisogno di flessibilita.

I giudizi relativi ai quattro parametri assunti come misura della necessita diflessibilita sono stati espressi in una scala di valori compresi tra 1 e 9. In figura 1.3,questi valori sono stati distinti in bassi (1-3), medi (4-6) e alti (7-9).

Figura 1.3: Richiesta di flessibilita e fattori di influenza

La competitivita del settore in cui si opera viene considerata, con una forteuniformita di giudizio, uno dei fattori di maggiore influenza. Con minor uniformita,emergono poi la frequenza delle innovazioni di processo e di prodotto. Nel caso dellaprevedibilita della domanda, va precisato che la scala risulta invertita: le situazionimeno prevedibili richiedono maggiore flessibilita. Infine, si fa notare che il calcolo

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delle correlazioni tra i quattro parametri ha fornito valori molto bassi, indicandol’indipendenza tra i vari aspetti e, quindi, la significativita di ciascuno di essi.

Conclusione.

Il panorama emerso e costituito da aziende, per lo piu piccole, che si trovano adinteragire con un mercato internazionale, nel quale la qualita dei prodotti ha assuntonel tempo un ruolo competitivo sempre piu importante, ma nel quale la variabilitadel volume e del mix della domanda, la sua scarsa prevedibilita, la frequenza delleinnovazioni sia di processo sia di prodotto, la competitivita generale del settoreinducono nuove problematiche che impongono una sempre maggiore attenzione peril tema della flessibilita.

Le diverse dimensioni della flessibilita

Figura 1.4: Importanza attribuita alle diverse dimensioni della flessibilita

In Figura 31.4 sono riportate la media e la deviazione del valore d’importanzaattribuito, dagli interpellati, alle diverse forme di flessibilita (scala da 1 a 9 punti).E evidente che la flessibilita di prodotto viene percepita come elemento di maggioreimportanza, con un giudizio omogeneo (deviazione standard bassa). Al contrario, laflessibilita del lay-out e quella meno considerata, anche se il giudizio e poco uniforme.Si osservi come anche alla flessibilita di macchina e di volume venga attribuita inmedia pari importanza, sebbene con variabilita distinta.

Nel seguito vengono analizzate in dettaglio le tipologie di flessibilita in relazionealle leve ritenute maggiormente efficaci per la relativa implementazione.

Flessibilita di Macchina

Buona parte degli intervistati ritiene molto importante questa dimensione “in-terna”, in quanto non direttamente percepita dal cliente, della flessibilita. In baseai giudizi scorporati per settori produttivi, risulta evidente che i valori maggiorivengono attribuiti dalle imprese che svolgono lavorazioni meccaniche (Ml), che pro-ducono componenti meccanici (Mc) e nelle aziende siderurgiche (S): questi sono

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anche i settori in cui il giudizio e piu omogeneo (figura 1.5).

Figura 1.5: Importanza attribuita alla flessibilita di macchina nei diversi settori

E evidente che, in alcune realta, la flessibilita di macchina non viene nemmenopercepita, per il fatto che gli impianti non sono dotati di macchine automatiche (ades., assemblaggio prevalentemente manuale).

E noto che, nel settore meccanico, la flessibilita di macchina e ottenuta gra-zie all’impiego di centri di lavoro, macchine CNC ed all’automazione. Tuttavia, laflessibilita di macchina deve essere perseguita anche ricorrendo ad aspetti organiz-zativi e gestionali (organizzazione e gestione delle attrezzature, struttura ad isole dilavoro, concurrent engineering). Inoltre, la flessibilita di macchina deve conciliar-si con le esigenze di produttivita: infatti, alcuni degli intervistati le attribuisconoscarsa importanza, preferendo pianificare per lotti grandi e prodotti simili, mentrealtri fanno interagire produttivita e flessibilita di macchina impiegando macchinededicate per una famiglia di articoli, all’interno della quale risulta agevole passareda un codice ad un altro.

Flessibilita di Routing

L’importanza di questa seconda dimensione di flessibilita “interna” risulta limita-ta in media, ma caratterizzata da una forte dispersione nei giudizi espressi: circa unterzo degli intervistati le attribuisce importanza massima, mentre un altro terzo laritiene irrilevante. Alcune motivazioni possono concorrere a trascurare questo aspet-to: ad esempio, viene considerata con maggiore attenzione l’efficacia della manuten-zione, piuttosto che la predisposizione di percorsi di lavoro alternativi, al punto chesi ritiene che il contratto di assistenza preveda un intervento manutentivo in tempimolto piu rapidi di quelli richiesti per l’attrezzaggio di una macchina. Naturalmentesi tratta di una visione riduttiva, seppur legittima, della flessibilita di routing, cheviene cosı privata della propria valenza strategica.

La flessibilita di routing assume considerevole importanza in ambienti caratter-izzati da un’alta densita di macchine similari dal punto di vista tecnologico: il caricodi lavoro puo essere distribuito nel modo piu conveniente in base alle condizioni dellerisorse. Si osserva, quindi, che la flessibilita di routing e realizzabile solo a fronte

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Figura 1.6: Importanza attribuita alla flessibilita di macchina e di routing

di un efficace programma di produzione e non e sufficiente avere a disposizione unvasto parco macchine. La figura 1.6 propone un confronto tra le due dimensioni diflessibilita finora considerate: i produttori di componenti meccanici (Mc) attribuis-cono importanza elevata ad entrambe. L’asse verticale riporta il numero di casiregistrati per ogni coppia di giudizi espressi sulle due dimensioni di flessibilita.

Flessibilita di Processo

La flessibilita di processo e uno strumento competitivo e, quindi, puo esseredefinita come “esterna”. Con essa si intende la capacita di produrre, senza sostanzialimodifiche o interventi sulle risorse, un mix di diversi tipi di prodotto. Al fine di con-seguire questa capacita, e frequente affidarsi a macchine universali, predisporre uten-sili fuori macchina e progettare attrezzature versatili. Un altro aspetto strategico erappresentato dalla progettazione e dalla ingegnerizzazione del prodotto: il ricorsoad una elevata standardizzazione consente di creare famiglie di prodotti, adatte so-prattutto per produzioni per il magazzino o su catalogo, fino alla scelta di mantenereil prodotto indifferenziato il piu a lungo possibile, addirittura fino alla fase di assem-blaggio e confezionamento. Ulteriori leve per conseguire un’opportuna flessibilitadi processo provengono dalla programmazione della produzione e dall’adozione distrategie commerciali (acquisto da terzi di prodotti simili successivamente offerti acatalogo).

Flessibilita di Prodotto

Come da figura 1.4, questa e la dimensione di flessibilita ritenuta piu importante:essa rappresenta la capacita di rispondere alle richieste del mercato in termini di in-novazioni e modifiche di progetto. Le aziende che hanno attribuito importanza bassao media alla flessibilita di macchina attribuiscono, invece, importanza elevata allaflessibilita di prodotto. Si osserva che la flessibilita di prodotto e ritenuta pratica-mente il punto di forza soprattutto dai produttori di macchinari e impianti (Mm)e nel settore elettrotecnico e dell’automazione industriale (E). Per ottenere questadimensione di flessibilita, le aziende si orientano principalmente sull’abilita di pro-

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gettazione: a tale scopo vengono introdotte tecnologie anche molto sofisticate di sup-porto alla progettazione (CAD, prototipazione rapida, elementi finiti etc.). Le carat-teristiche di standardizzazione esposte precedentemente possono essere sfruttate perintrodurre rapidamente i nuovi prodotti.

Flessibilita di Volume

Una consistente percentuale di aziende attribuisce a questo aspetto estrema im-portanza, mentre in altri casi tale dimensione della flessibilita non viene percepita.Si tratta, in questo secondo caso, di aziende in continua espansione, per le quali ladomanda non subisce oscillazioni impreviste. In tali aziende esiste, piuttosto, unamarcata sensibilita per il tema della flessibilita di espansione. Le strategie adot-tate per inseguire le variazioni di capacita produttiva, anche stagionale, impostedal mercato sono diverse. Entro un certo campo di variazione, e possibile far levasull’orario di lavoro (straordinario, numero di turni), sull’introduzione di macchineautomatiche che possano operare non presidiate, facendo ricorso al lavoro interinalee/o appoggiandosi a terzi.

Flessibilita di Espansione

L’abilita di espandere la capacita produttiva del sistema, acquisendo nuove at-trezzature, anche in maniera modulare, ha evidenziato un interesse medio: in alcunicasi, ad esempio a causa delle caratteristiche strutturali degli impianti, essa nonrisulta assolutamente applicabile. Questa dimensione della flessibilita puo riferirsianche solo ad un momento della vita aziendale.

Flessibilita di Lay-out

La flessibilita di lay-out e legata alla facilita con cui e possibile modificare la dis-posizione fisica delle macchine all’interno dello stabilimento, oppure alla possibilitadella disposizione assegnata di adattarsi ai cambiamenti che possono intervenire sulmix di prodotti, sul volume della domanda e sui cicli produttivi. L’indagine hadimostrato come questa dimensione di flessibilita sia quella meno apprezzata: lospostamento di macchinari risulta spesso difficoltoso o improponibile. Sono statisegnalati casi in cui il lay-out e stato progettato attentamente. In genere, a sec-onda della tipologia di produzione, i principi basilari sono quelli di raggruppare lemacchine simili e/o di adeguare la disposizione dei macchinari alla sequenza dellelavorazioni, oppure organizzare il lavoro per isole produttive.

Clustering Analysis

La parte conclusiva della ricerca svolta e consistita nell’individuazione di “com-portamenti aziendali” tipici in tema di flessibilita, con l’obiettivo di formalizzaree semplificare l’approccio al problema. Le realta aziendali sono, innegabilmente,estremamente complesse, variegate e difficilmente descrivibili. Quindi, si e fatto

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ricorso a tecniche statistiche e, in particolare, alla cosiddetta Clustering Analysis.Mediante tale analisi, e stato possibile raggruppare le aziende in cinque famiglieomogenee (cluster). Osservando le caratteristiche comuni ed i comportamenti tipicidelle aziende appartenenti a ciascun cluster, sono state individuate cinque direzioniprincipali di comportamento, che di seguito verranno descritte in dettaglio. In figura1.7 sono stati riportati i valori medi dell’importanza attribuita alle diverse dimen-sioni di flessibilita da parte delle aziende appartenenti ai diversi cluster.

Figura 1.7: Importanza attribuita alla flessibilita nei cluster

• Cluster 1: imprese molto sensibili a tutti gli aspetti della flessibilita. Si trat-ta di una caratteristica comune a quasi tutte le aziende certificate IS09000:spesso, il processo di certificazione ha contribuito a porre maggiore attenzioneagli aspetti gestionali e, quindi, alle nuove sfide competitive qual e, appunto,la flessibilita.

• Cluster 2: imprese concentrate sulle macchine. Si tratta, per lo piu, di impresemedio-piccole che ritengono elevata la competitivita nel settore in cui operanoe che compiono alti investimenti in macchinari di tipo universale. In questeaziende si riscontra anche una scarsa attenzione per i problemi gestionali ingenere.

• Cluster 3: imprese interessate all’innovazione, che prestano particolare riguar-do alla flessibilita di prodotto. Sono imprese molto dinamiche, in forte e rapidaespansione, che producono macchine e impianti o elettronica industriale. Lamancanza di strutture produttive in senso classico costituisce elemento di ver-satilita dell’impresa che puo spostarsi facilmente da un prodotto a un altro,restando al passo con le innovazioni tecnologiche.

• Cluster 4: aziende orientate all’esterno; attribuiscono importanza elevata allaflessibilita di prodotto e di processo e medio-alta a quella di volume. L’inter-esse e quindi concentrato sugli aspetti di flessibilita direttamente percepiti dalcliente, che determinano la posizione competitiva dell’azienda nel mercato diriferimento.

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• Cluster 5: aziende interessate alle variazioni nella gamma, concordi nell’at-tribuire elevata importanza sia alla capacita di variare il mix sia alla flessibilitadi macchina e di routing. Queste ultime due vengono percepite come leve perraggiungere l’effetto competitivo espresso dalla flessibilita di processo. Gen-eralmente, questo cluster e composto da officine meccaniche dotate di piu centridi lavoro versatili e facilmente intercambiabili tra loro. Il punto di forza si tro-va proprio nella capacita di eseguire pezzi molto diversi, secondo le specificheesigenze del cliente.

1.2.1 Caratteri multidimensionali della flessibilita

E necessario definire con maggior rigore i riferimenti concettuali a cui si fa rifer-imento parlando di flessibilita, riprendendo, per quanto riguarda le variazioni diquantita della domanda, il lavoro di Stigler (1939). Si possono definire tre tipologiedi domanda di mercato:

• domanda stazionaria;

• domanda a debole turbolenza;

• domanda a forte turbolenza.

Con domanda stazionaria si vuole indicare la situazione trattata nell’economiaclassica;

domanda a debole turbolenza definisce il caso nel quale le variazioni di quantita e dimix di prodotti avvengono all’interno di estremi noti a priori e comunque possiedonola caratteristica della reversibilita. Riferendosi alle variazioni di quantita per unimpianto monoprodotto, con il termine “adattabilita” si puo indicare la capacita diun impianto di operare, in un dato intervallo di volume di produzione, in condizionidi ottimo - vincolato dalla costanza del fattore produttivo fisso - presentando quindiun livello di costi medi che non si discosta troppo dalla migliore curva degli stessi. Illivello di adattabilita e tanto maggiore quanto piu ampio e l’intervallo di variabilitasu cui lavora (a e b grandi) e, fissato questo (q-a, q+b), quanto minore e l’aggraviodei costi medi che nascono operando tra quegli estremi.

Si definisce invece “elasticita”, in un dato intervallo produttivo, la capacita diun impianto di operare con una tecnica produttiva caratterizzata da costi medi cheapprossimano quelli della tecnica produttiva ottima. Un impianto elastico non ap-partiene alla curva dei costi medi di lungo periodo (CMLP), poiche non rappresentamai la scelta ottima, ma offre una soluzione soddisfacente nell’intero intervallo. Nat-uralmente un impianto e tanto piu elastico quanto piu l’intervallo e ampio e, datoquesto, quanto minore e l’aggravio dei costi medi che nascono operando tra quegliestremi.

Esiste quindi un trade-off tra efficienza statica (e adattabilita in caso di vari-azioni) ed elasticita, che deve essere valutato dall’impresa all’atto della decisionedella soluzione produttiva da adottare in funzione della domanda di riferimento.Analogamente all’adattabilita, in un’impresa multiprodotto si definisce “versatilita”

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la capacita di un impianto, adatto alla produzione congiunta di un certo mix diprodotti, di operare in condizioni di ottimo vincolato dalla costanza del fattore pro-duttivo e di sopportare limitati aggravi di costo per variazioni del mix in un datodominio predefinito. Per contro la “flessibilita” in un’impresa multiprodotto, inanalogia all’elasticita, descrive la capacita dell’impianto, in un dato intervallo diquantita prodotte, di operare con costi medi che approssimano l’ottimo. Si riesconocosı a definire diversi indicatori di efficienza alla Stigler cogliendo il carattere mul-tidimensionale del concetto di flessibilita.

Impianto ottimo Impianto non ottimo

Impresa monoprodotto ADATTABILE ELASTICO

Impresa multiprodotto VERSATILE FLESSIBILE

Esistono comunque dei trade-off: un impianto elastico (flessibile) e una soluzionedi second-best rispetto ad uno adattabile (versatile): si ricerca quindi l’elasticita perlimiti di adattabilita ed una maggiore efficienza dinamica si paga in termini di effi-cienza statica. Un altro trade-off esiste tra elasticita e flessibilita: ad esempio conl’automazione flessibile gli impianti sono poco elastici perche, per sfruttare l’inves-timento, bisogna lavorare senza interruzioni (in genere su tre turni). Con il termine“automazione flessibile” si fa riferimento a sistemi altamente automatici dove uncerto numero di macchine utensili e collegato da dispositivi automatici di materialhandling e dove gli stadi di produzione sono controllati da un computer centrale. Sicomprendono quindi sia i sistemi FMS (Flexible Manufacturing System), sia, a unlivello inferiore, le unita di produzione caratterizzate da un limitato numero di mac-chine utensili a controllo numerico, in grado pertanto di eseguire automaticamentediversi cicli di lavorazione, quali possono essere le celle flessibili.

L’organizzazione produttiva basata sul coordinamento di piu unita discrete of-fre livelli di efficienza statica inferiori alle linee automatiche, ma consente gradi diadattabilita/elasticita e versatilita/flessibilita notevolmente piu elevati, grazie allaminore intensita di capitale fisso ed alla sua maggiore frazionabilita, ed alla pos-sibilita di eseguire produzioni diverse, con lotti di medie e piccole dimensioni, purcon adeguati tempi di riattrezzaggio e di riconfigurazione dei cicli di lavorazione.Ottimizzando il trade-off tra efficienza statica e flessibilita si ottiene purtroppo an-che il peggioramento delle prestazioni in termini di elasticita, con aggravi del costomedio di produzione a volumi di output inferiori alla capacita nominale del sistema,a causa dei maggiori investimenti sostenuti sia per la componente meccanica, sia perquella informatica. Le celle flessibili sono paragonabili a queste, ma con le dovutedifferenze: non si puo per esse parlare di frazionamento del capitale, essendo, difatto, un’unica macchina; d’altra parte offrono livelli di efficienza statica superiorialle unita discrete coordinate, pur mantenendo pari elasticita/flessibilita.

Parlando di domanda a forte turbolenza si va ad analizzare il concetto di efficien-za dinamica. In un contesto di mercato caratterizzato da variazioni irreversibili nellequantita richieste si definisce “alterabilita” di un sistema produttivo la sua capacita

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di adattarsi a mutamenti strutturali che ne adeguino il livello dell’output alle nuovecondizioni. Un impianto e dunque tanto piu alterabile quanto sono minori i costi diadattamento ed i tempi necessari per attuarlo. La “convertibilita” indica invece lapredisposizione a subire mutamenti strutturali in grado di adeguare la composizionedell’output in risposta a cambiamenti qualitativi irreversibili dal lato della domanda.Anche in questo caso sono presenti dei trade-off tra le due caratteristiche. Questoapproccio consente quindi di decomporre le prestazioni di un sistema produttivo,analizzando sia l’efficienza alla Stigler, sia l’efficienza dinamica.

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1.3 Flessibilizzazione delle macchine transfer

Per meglio descrivere il processo di flessibilizzazione introdotto nelle macchinetransfer e bene realizzare una suddivisione di quanto offerto dal mercato secondo unoschema che raggruppa le macchine a trasferimento automatico del pezzo a tavolagirevole in tre grandi famiglie:

• Transfer rigide.Sono le transfer tradizionali, le piu economiche, solitamente prive di controllonumerico, con teste ad azionamento idraulico o meccanico.

• Transfer mediamente flessibili.Tali macchine hanno unita operatrici controllate a CN con interfaccia uomo-macchina gestita tramite calcolatore; integrano mandrini con porta-utensile asgancio rapido per un veloce riattrezzaggio.

• Transfer flessibili.Alle caratteristiche dei transfer mediamente flessibili uniscono maggiori possi-bilita di movimentazione delle teste operatrici lungo due o tre assi, che possonoessere di tipo manuale o a controllo numerico, fino ad arrivare alle soluzionipiu flessibili che integrano uno o piu centri di lavoro con teste plurimandrino arevolver e con numerosi accorgimenti che riducono la rigidita della macchina.

Figura 1.8: Esempio di ciclo produttivo di un transfer

Di queste tre macrofamiglie, la prima copre ormai una quota di mercato cheoscilla tra il 15% e il 25% e non sara approfondita in queste pagine; di fatto, di questemacchine interessano l’elevata cadenza produttiva ed il basso costo d’acquisto. Ingenerale, per l’utente finale, la flessibilita e: realizzare elementi diversi appartenentialla medesima famiglia, potendo variare il lotto di produzione nel piu breve tempopossibile. Solo in casi particolari necessita di una macchina che possa produrreelevati volumi di pezzi totalmente diversi, ma con dimensioni contenute, all’incirca,in un cubo di 300 mm di lato.

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1.3.1 Flessibilita nelle unita operatrici

La tecnologia attuale prevede, per l’avanzamento, l’utilizzo di motori brushless evite a ricircolo di sfere, con precisioni e ripetibilita di posizionamento assai elevate.Le unita sono flangiate su carri che permettono la registrazione delle stesse lungodue o tre assi, ed eventualmente angolarmente. La flangiatura fatta all’esterno delbasamento ha l’ulteriore vantaggio di proteggere il motore e i componenti elettronicidai trucioli e dai liquidi di raffreddamento.

La motorizzazione del mandrino avviene con motori a corrente continua brush-less o vettoriali e le unita hanno l’attacco mandrino solitamente ISO 30 o ISO 40dotato di sgancio rapido meccanico o idraulico per ridurre i tempi di attrezzamentoe sostituzione degli utensili.

Figura 1.9: Unita sbandierabile - Buffoli Transfer

L’utilizzo del CN e ormai consolidato nel controllo dell’avanzamento lungo l’asseZ e della velocita di rotazione del mandrino. Per quanto riguarda il controllo diposizione lungo gli assi X e Y nonche dell’eventuale sbandieramento, la tendenza edi utilizzare sempre piu il CN abbandonando le registrazioni a comando manuale.Questa scelta e dettata non solo dalla maggiore velocita dei tempi di attrezzaggioma anche dalla diminuzione dei costi dell’elettronica. Anche le teste a sfacciare oper recessi ormai integrano il CN potendo eseguire profili interpolati o filettature inpassata.

Al limite dell’evoluzione troviamo l’utilizzo di veri e propri centri di lavoro che,a seconda del produttore, possono avere corse variabili e possono essere dotati diteste a revolver o magazzini con diversi utensili per l’esecuzione di piu lavorazioniin sequenza (figura 1.10).

L’utilizzo del controllo numerico permette la registrazione delle unita, che con-siste nella variazione dei parametri di lavoro e del posizionamento rispetto alla tavola

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Figura 1.10: Centro di lavoro dotato di cambio utensili a revolver - Transfer Riello

girevole, direttamente dal centro di comando, consentendo l’ottimizzazione dei ciclidei diversi prodotti.

Dato il crescente utilizzo di punte a forare con parametri di lavorazione moltospinti e lubrificate all’interno, anche le unita operatrici montate sulle macchinetransfer possono essere dotate di adduzione interna del liquido refrigerante.

Le unita operatrici possono essere affiancate da unita di collaudo che provvedonoa variare la quota di lavorazione o a compensare automaticamente l’usura utensili,qualora dovesse essere necessario, garantendo elevatissime ripetibilita al processo.

1.3.2 Flessibilita nella tavola girevole

La rotazione della tavola avviene con motori brushless e con controllo elettroni-co delle rampe di accelerazione e decelerazione in modo da ottimizzare i tempidi rotazione e da ridurre le vibrazioni. Indicativamente tali tempi si attestano,nelle migliori realizzazioni, intorno a 0,3 secondi. Rispetto al basamento la tavola ebloccata mediante corone dentate di tipo Hirth con le quali si raggiungono elevatilivelli di precisione e ripetibilita del processo.

Notevoli passi in avanti sono stati fatti anche nella pinza portapezzo: mentreun tempo i dispositivi di bloccaggio erano costituiti da semplici autocentranti a duegriffe, ormai tali morse sono diventate complesse attrezzature con corsa e pressioneregistrabili, dotate di griffe modulari rapidamente sostituibili (figura 1.11).

E cosı possibile serrare pezzi di dimensioni o caratteristiche diverse appartenentialla stessa famiglia. I nuovi sistemi di bloccaggio, controllati a CN, permettono lalavorazione di cinque o piu facce del pezzo consentendone la rotazione continua da0 a 360 gradi, mentre le superfici utilizzate per il serraggio possono essere lavorate

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Figura 1.11: Staffaggio di un pezzo relativamente complesso

conformando opportunamente le pinze in modo da permettere il passaggio degliutensili.

Nel caso della lavorazione dell’acciaio, che in genere richiede elevati tempi dilavorazione, si puo aumentare la cadenza produttiva installando tavole girevoli conpinze accoppiate che presentano due pezzi ad ogni stazione di lavoro, formata dadue unita operatrici in parallelo.

1.3.3 Innovazioni nel controllo del processo

A contorno delle diverse innovazioni di cui abbiamo gia parlato, sono oggi appli-cati dei dispositivi che facilitano i compiti dell’addetto alla macchina. Nel tentativodi ridurre il piu possibile i fermi macchina, e prassi diffusa quella di sostituire tut-ti gli utensili a intervalli programmati; non e pero possibile escludere che ci sianodegli imprevisti che portano alla rottura degli utensili. Affinche essa sia immedia-tamente riscontrabile, si predispongono dei dispositivi di controllo utensile formatisolitamente da tastatori meccanici che “sentono” la presenza dell’utensile oppureda rilevatori a raggio laser. Quest’ultima soluzione, per quanto piu avanzata del-la precedente, sul lato pratico e piu problematica perche spesso influenzata dallapresenza di nebbie causate dalla nebulizzazione del liquido refrigerante.

Un altro dispositivo che viene utilizzato e il controllo vita utensile, che puoconsistere in un sistema che misura la potenza assorbita dal motore del mandrino opiu semplicemente da un contatore che misura i secondi di lavorazione dell’utensilein questione. In tal modo si cerca di evitare o almeno di ridurre i fermi macchinadovuti alle rotture degli utensili.

Sempre per aumentare la facilita e la rapidita di messa a punto della macchina,alcuni produttori dotano i loro sistemi di una pratica pulsantiera dalle dimensioniridotte che dialoga direttamente con l’unita di controllo e che l’operatore puo portarecon se presso tutte le stazioni al fine di verificare la correttezza della programmazioneed eventualmente di implementarla o di comandare lo sganciamento del portautensilenella fase di sostituzione.

Interessante e notare l’attenzione dedicata anche al progetto del basamento: nelletransfer ad asse verticale piu evolute si e predisposto l’ancoraggio delle tavole girevoli

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Figura 1.12: Schema di transfer flessibile: unita mandrino registrabili o sbandierabili,

tavola appesa per una migliore evacuazione del truciolo

al montante superiore del basamento per facilitare l’evacuazione del truciolo dalfondo dello stesso. Data la compattezza della macchina e l’alto numero di operazionieseguite contemporaneamente, in alcune lavorazioni la quantita di materiale di scartoe assai consistente e quindi diventa essenziale evacuarlo efficacemente. I produttoriche hanno un mercato rilevante nei paesi del Nord Europa e Nord America hannodovuto prestare grande attenzione anche alla “qualita” del truciolo che deve esseresostanzialmente asciutto.

1.3.4 Innovazione nell’elettronica a bordo macchina

Le prime transfer erano puramente meccaniche; tutte le regolazioni eventual-mente presenti erano di tipo meccanico ed erano affidate ad un operatore. Con ladiminuzione dei costi l’elettronica e stata introdotta anche nelle linee a trasferimen-to automatico del pezzo, inizialmente con il compito di gestire l’avanzamento delmandrino. Poi, vista la versatilita della stessa, si e pensato di applicarla anche atutti gli altri movimenti.Attualmente sul mercato si trovano ancora macchine prive di CN sugli assi X e Ymentre di norma tutte lo integrano sull’asse Z. Talvolta i produttori offrono ai cli-enti la possibilita di acquistare una medesima macchina con e senza il CN avanzato.Questo influisce all’incirca per il 25% sul prezzo finale.

Analizziamo quali siano vantaggi e svantaggi legati all’applicazione del CN suuna transfer e quali sono i vantaggi, iniziando con l’analizzare i vari componentiche caratterizzano la parte elettronica di una macchina transfer. Sul mercato sonopresenti i sistemi PLC, sistemi utilizzati con ottimi risultati sulle altre macchine

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utensili. Sono strutturati secondo il classico schema di Von Neuman, quello utilizza-to anche nei calcolatori da ufficio o da casa: unita centrale, memoria di programma,memoria dati, bus di collegamento, schede di ingresso/uscita collegate sul bus. Sitratta di sistemi modulari che vengono composti su esigenze del cliente affiancandole schede necessarie. I componenti base sono:

• Alimentatore che comprende anche il bus di sistema;

• Modulo CPU;

• Scheda controllo asse;

• Scheda ingresso/uscita (solitamente in grado di gestire 16 canali).

Per farsi un’idea dei costi: per un alimentatore si spendono all’incirca 500 Euro, ilcosto dell’unita di calcolo e circa duemila Euro, di una scheda controllo asse circamille Euro e di una scheda ingresso/uscita, adatta ad esempio a ricevere segnali distato da microinterruttori, pulsanti o fine corsa, circa duecento Euro. Una transferraggiunge facilmente i 25/30 assi da controllare e cio significa che il costo di questosistema puo raggiungere i 40-50 mila Euro.

Si tratta di componenti assai affidabili ma a costi elevati non corrispondonoaltrettanto elevate capacita di calcolo: le potenzialita di un modulo CPU e equiv-alente a quella di un vecchio processore 80-88 mentre quella di una singola schedaasse oltrepassa di poco quella di un 80-86.

Se per quasi tutte le classiche macchine utensili queste caratteristiche sono suf-ficienti, cio non e vero per le transfer. Per poter limitare i prezzi, questi sistemi nonpermettono di effettuare il controllo degli assi in tempo reale e sono sufficienti pergestire unita indipendenti tra loro o che al piu effettuano interpolazioni lineari, adesempio per realizzare un filetto. Quando sono necessarie interpolazioni piu comp-lesse, nel caso ad esempio della realizzazione di torniture a raggio o di tipo conico,la lentezza del PLC evidenzia i suoi difetti.

Per quanto ad occhio nudo non si noti, una lavorazione di questo tipo effettuatasotto il controllo di un PLC risulta costituita da una serie di scalettature dovute alfatto che il sistema si trova costretto ad effettuare i calcoli su intervalli di discretiz-zazione di una certa ampiezza (figura 1.13). Detto in altre parole, il sistema si trovacostretto, causa la lentezza di calcolo, a seguire una serie di gradini impercettibiliad occhio nudo ma che, se sono troppo ampi, possono mandare la lavorazione fuorispecifiche. Piu la lavorazione risulta complessa e piu le capacita di calcolo sonolimitate, piu gli effetti sono evidenti.

Effettuare una lavorazione secondo una traiettoria scalettata significa anche im-primere continue accelerazioni e decelerazioni al gruppo di lavorazione che si traducein vibrazioni. In una transfer tutte le lavorazioni vengono eseguite contemporanea-mente e questo significa che le vibrazioni generate da una unita possono influire sututte le altre.

Un altro limite dei sistemi PLC e la lentezza nel gestire i cambi di velocita:prima di poter avviare un motore il sistema calcola la traiettoria ideale nel piano v-t

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Figura 1.13: Traiettoria ideale (linea continua) ed eseguita con PLC (tratteggiata)

passando necessariamente sempre dalla velocita zero. Questo significa che se si devefar rallentare un motore in movimento e necessario prima fermarlo e poi riavviarloper portarlo alla velocita desiderata (figura 1.14).

Figura 1.14: Differenti andamenti di v = v(t)

In una transfer, dove si cerca di recuperare tutti i morti, questo e da evitare. Cisi trova di fronte ad una spesa notevole senza avere in cambio un risultato sempresoddisfacente. Ecco che nasce l’esigenza di realizzare un sistema di controllo dedi-cato, che tenga conto delle reali esigenze del cliente e mirato a risolvere le pecchedel sistema PLC: il Controllo Numerico (CNC). Il gruppo CN e strutturato in modoanalogo al PLC:

• alimentatore,

• modulo CPU,

• schede ingresso/uscita,

• schede controllo assi.

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Si tratta di un prodotto realizzato in base alle esigenze del cliente, in grado disostituire a tutti gli effetti il piu antiquato PLC. I costruttori di transfer, cercandodi migliorare le prestazioni dei loro prodotti, hanno dunque imboccato la strada delCN realizzato su progetto. Si tratta poi di sistemi che, pur essendo piu avanzatidi un classico PLC, hanno costi inferiori. Mediamente per acquistare una schedacontrollo assi sono necessari 300 Euro. Questa cifra e sufficiente per un prodottodalle medie prestazioni, adatto alla maggior parte delle lavorazioni. Per andareincontro alle sempre maggiori richieste della produzione, anche in questo camposono in svolgimento studi sui processori da utilizzare per elaborare i segnali.

Classicamente le capacita di calcolo di un processore montato su una schedaassi di un CN uguagliano o superano di poco quelle di un normale processore 80-286 presente sul mercato dei calcolatori. Una possibile soluzione sarebbe quella dirivedere completamente la struttura della scheda riprogettando il tutto intorno adun tipo particolare di processore, dalla struttura completamente diversa rispetto aquella utilizzata fino ad ora. Si tratta dei processori DSP (Digital Signal Processor)che hanno una struttura di tipo Harvard. I dati e gli indirizzi viaggiano su due busdifferenti e paralleli per avere la simultaneita dell’ingresso e dell’uscita. Sono pensatiappositamente per effettuare un numero elevatissimo di calcoli: hanno prestazioniben piu elevate del noto Pentium 2 e sono con successo utilizzati da tempo in campoaudio per la rielaborazione del suono in tempo reale. Sono presenti in commercioin varie versioni e, per l’utilizzo nel campo del controllo numerico, hanno costibassissimi: ad esempio il Texas TMS 320, una unita a 16 bit che esegue calcoli invirgola fissa, costa al grossista circa 2 (DUE!) Euro. Anche salendo di prestazioni,sempre in questo campo, non si va oltre i 10 Euro. Il problema e realizzare schedeadeguate intorno a questo componente. Questo significa poter proporre sul mercatouna scheda affidabile, dalle dimensioni contenute e, come sempre, ad un prezzocontenuto: il problema e raggiungere l’elevatissima affidabilita richiesta in campoindustriale e proprio per questo, mentre scriviamo, una scheda che integri un DSPpuo costare dieci volte una scheda utilizzante un processore tradizionale.

Per contro, se i metodi di programmazione di un PLC sono pressoche unificati,le istruzioni necessarie a gestire un gruppo CN sono differenti in funzione del tipo diprocessore montato sulle schede. Anche l’assistenza tecnica diventa piu specialisticae difficilmente, se non addirittura mai, il cliente e in grado di intervenire sul gruppodi comando, rendendo sempre necessaria l’assistenza sul posto della Casa Madre.Anche per questo i costruttori tendenzialmente garantiscono un tempo di interventodi 24 ore in Europa e di 48 ore negli altri Paesi.

In tutte le macchine che montano il controllo numerico e presente un calcola-tore elettronico che ha il compito di fare da interfaccia semplice ed intuitiva tra ilcomplicato sistema di controllo e l’addetto alla macchina. Viene utilizzato ancheper programmare le varie lavorazioni eseguite da ognuna delle unita operatrici econsente di immagazzinare tutti i dati riguardanti la macchina quali: statistiche diproduzione e codici di errore che possono aiutare l’assistenza in fase di interven-to. Nella maggior parte dei casi si tratta di un pc commerciale, del tutto simile aquello che si trova in un normale ufficio o in casa. Inizialmente si preferiva ricor-rere a modelli industriali che apparivano piu affidabili. Ora invece la tendenza si

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e invertita e, a meno che sia espressamente richiesto dal cliente, si ricorre al mod-ello commerciale. Questo, oltre a ridurre i costi, permette all’utilizzatore, in casodi guasto, di ricorrere ad uno dei calcolatori ormai sempre presenti negli uffici e disostituire temporaneamente quello guasto in pochi minuti, evitando costosi fermimacchina per avarie di piccola entita. Bisogna anche tenere presente che sostituireuna scheda rotta di un calcolatore classico necessita di poco tempo e non richiedeuna particolare preparazione. Gli stessi componenti sono facilmente e velocementerecuperabili sul mercato. Questo non e vero per un modello industriale con il qualeanche un banale guasto, quale ad esempio il mal funzionamento di una tastiera, puocompromettere il buon funzionamento dell’intero sistema per un tempo inaccettabile.

Contrariamente a quanto si potrebbe credere, e piu che sufficiente un calcolatoredalle potenzialita ridotte quale un 486. Il sistema operativo usato e solitamenteMS-Dos. Per quanto UNIX sia assai piu stabile ed affidabile, la scelta del Dos edettata dalla possibilita di poter intercambiare facilmente un calcolatore presentein ufficio con quello della macchina, come dicevamo prima, in caso di guasto. Si evolutamente scelto di non installare sistemi operativi ad interfaccia grafica (qualiMicrosoft Windows) perche difficilmente gestibili senza mouse, accessorio che nonviene impiegato in questi calcolatori considerato l’ambiente in cui operano. Oltre anon averne materialmente la necessita, sarebbe fonte di continui problemi a causadegli olii, della polvere e della sporcizia generalmente presenti in un ambiente pro-duttivo. Si e sperimentato il touch-screen ma con deludenti risultati, sempre a causadella sporcizia. Premendo su uno schermo impolverato oppure con dita sporche, ci sitrovava ben presto davanti ad una superficie illeggibile. La migliore soluzione restadunque la classica tastiera.La programmazione di una macchina transfer e relativamente semplice: a corre-

Figura 1.15: Schermata del CNC della BTB Transfer

do viene fornito un programma che permette di impostare tutti i vari parametri dilavorazione quali: i tratti di rapido, i tratti di lavorazione, il numero dei giri, l’avan-zamento, ecc.1.15. I valori possono essere impostati in modo semplice in intuitivefinestre di dialogo, direttamente sul calcolatore della macchina o su quello di un uf-ficio e poi essere caricati tramite un dischetto. I sistemi di anticollisione fra utensiliche lavorano simultaneamente sono gestiti tramite software al fine di ottimizzare la

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produzione e di incrementarne il piu possibile la cadenza, ma non tutti i produttorili utilizzano.

Un altro aspetto a cui guardano soprattutto i produttori di transfer che esportanoin paesi lontani e il servizio di teleassistenza, gestibile grazie all’utilizzo del calcola-tore installato e di modem per la trasmissione telefonica dei dati (anche se sono allostudio altri sistemi). E possibile in tale modo tentare di ovviare ad inconvenientirisolvibili a distanza senza intervenire in loco o, almeno, ricevere i dati operazionalidella macchina per poter fare una diagnosi a distanza inviando personale preparatoad affrontare un certo tipo di problema e con i pezzi di ricambio adatti. Cosı facendoe possibile intervenire in modo piu mirato andando incontro alle esigenze del clienteche sono anche quelle di limitare il piu possibile il tempo di fermo macchina.

1.4 Stato dell’arte delle macchine transfer

Si riportano di seguito le presentazioni delle ultime novita nel settore delle mac-chine transfer, ricavate da riviste specializzate nei primi mesi del 2005. Da come leaziende propongono i propri prodotti, e possibile intuire le modalita con cui essi sipongono nei confronti del mercato.

Buffoli

Dal 1961 Buffoli e sinonimo di soluzioni chiavi in mano, dedicate o flessibili, perla lavorazione di pezzi torniti o prismatici. In particolare per le lavorazioni da barra,le macchine della famiglia Trans-Bar cnc flex e Omni-Turn cnc flex consentono diottenere elevate precisioni di concentricita e parallelismo anche fra direzioni con-trapposte. Inoltre, esse consentono di finire in macchina, con tempi ciclo inferioria quelli di un plurimandrino, anche quei pezzi complessi normalmente lavorati sutorni CNC bimandrino o fantine mobili, mantenendone le caratteristiche di preci-sione, di rapidita di riattrezzaggio e di versatilita d’impiego. L’ultimo prodotto ela Trans-Bar Turn, macchina multimandrino CNC alimentata da barre non rotanti,atta alla lavorazione di pezzi torniti complessi di lunghezza fino a 200 mm e di di-ametro fino a 50 mm in acciaio e 75 mm in ottone/alluminio. Essa e dotata di unatavola rotante ad asse orizzontale a 12 stazioni ed e equipaggiata di uno o due torniorizzontali CNC dotati di quattro utensili ciascuno. Tali torni sono idonei al com-pletamento del pezzo, dopo che nelle stazioni antecedenti e stato forato, alesato elavorato nelle due estremita contrapposte mediante unita a utensili rotanti e tornitomediante avanteste di tornitura statica. Fino a oltre 40 operazioni sono possibili datutte le direzioni del pezzo e su tutta la superfice esterna e interna. Le avantestedi tornitura statica consentono infatti di lavorare il pezzo simultaneamente da piudirezioni, effettuando sfacciature, torniture profilate, gole esterne e interne, sbava-ture ma altresı filettature monoutensile, godronature e marcature. Caratteristicaprincipale delle avanteste di tornitura statica e che esse sostituiscono il moto di ro-tazione del pezzo con la rotazione dell’avantesta attorno al pezzo serrato in morse opinze di precisione. L’avantesta e pertanto corredata di carrelli portautensili atti ad

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avvicinare e allontanare l’utensile dal pezzo in lavorazione e cosı effettuarne la tor-nitura, impiegando utensili standard a basso costo e di lunga durata. Le avantestedi produzione Buffoli sono particolarmente rigide e non sono soggette a variazionitermiche significative, consentendo lavorazioni di precisione con una ripetibilita su-periore ai torni plurimandrino e con evidenti vantaggi in termini di costanza nelmantenimento delle quote nel tempo, elevati coefficienti di capability, precisioni su-periori nell’allineamento fra lavorazioni contrapposte e nei diametri di foratura e ditornitura, nonche nella realizzazione di profili complessi.

Dauma

Everest D10 e il transfer creato da Dauma per rispondere alla domanda odiernadi impianti caratterizzati da sempre maggior flessibilita e produttivita. Il proget-to nasce da un’attenta analisi dei bisogni attuali dell’industria manifatturiera, tesaalla ricerca di impianti in grado di produrre lotti sempre piu piccoli, adattandosirapidamente alla variabilita imposta dal mercato. Grazie alle sofisticate tecnichesviluppate dall’azienda trevigiana e all’impiego delle piu innovative tecnologie oggia disposizione, Everest D10 riesce a coniugare la flessibilita di un centro di lavorocon le alte prestazioni di un transfer. Per la movimentazione della tavola rotante estato impiegato un motore Torque, con l’eliminazione di tutti gli altri componentidella catena cinematica tradizionalmente utilizzati, abbattendo i tempi necessari allatraslazione e aumentando contemporaneamente la precisione di posizionamento delpezzo di fronte alle stazioni di lavoro; la tavola rotante, tradizionalmente indexata,diventa cosı una tavola “continua”, con tutti i vantaggi consentiti da un motore elet-trico controllato. L’impiego di un encoder di ultima generazione, con applicazionebrevettata, a controllo del motore coppia, porta la precisione angolare a 5/100 disecondo di grado. Ogni stazione di lavoro dispone di cinque assi controllati, grazieal connubio tra satellite portapezzo rotante in continuo e triasse con testa a revolverper lavorazioni radiali o verticali, con corsa utile per singolo asse variabile da 100 a350 mm. La modularita delle unita di lavoro permette di configurare l’impianto inbase alla complessita del particolare da lavorare, dando vita a una gamma di modellidisponibili da quattro a dodici stazioni indipendenti, singolarmente programmabili.I tempi di set-up sono ridotti al minimo grazie a soluzioni specifiche adottate per ilmontaggio delle attrezzature di staffaggio pezzo sul satellite.

Giuliani

La Giutiani, fondata a Bologna nel 1956, e tra i principali produttori mondia-lidi sistemi di lavorazione transfer sia circolari che lineari per la produzione di com-ponenti meccanici di medie dimensioni, in acciaio, ghisa e leghe leggere per i settoripreminenti dell’automotive, dei compressori frigoriferi e dell’industria meccanica ingenere. Uno dei prodotti di punta di Giuliani e senz’altro il Proflex, un innovati-vo transfer a tamburo ad investimento iniziale ridotto e programmabile nel tempo,facilmente riconvertibile e rapidamente riattrezzabile per nuove, numerose e comp-lesse lavorazioni. La configurazione di macchina, con un massimo di 32 mandrini

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ad alta frequenza ed un massimo di 12 utensili di tornitura, per un totale di 36utensili, viene costruita e/o progressivamente integrata dal cliente. Il Proflex e par-ticolarmente adatto per la lavorazione di pezzi ricavati da barra e, grazie alla suamodularita e adatto anche alla lavorazione di pezzi sfusi, pre-troncati o di pressofu-sione, di piccola e media dimensione L’alimentazione puo essere da barra rotante enon, o da robot integrato nella struttura. L’elevata flessibilita, la capacita produt-tiva, la precisione di esecuzione propria dei transfer, fanno de Proflex la macchinaideale per aziende che, oltre alla necessita di realizzare pezzi con un elevato numerodi operazioni complesse, in tempi di ciclo contenuti, richiedano anche la possibilitadi riconfigurare la macchina per la realizzazione di diverse famiglie di pezzi. Fra lecaratteristiche della Proflex troviamo: la capacita di effettuare troncature ad altavelocita fino a 70.000 rpm, da 25 a 32 assi a controllo CNC, rotazione della morsa 90- 180◦, tavola rotante ad alta precisione a controllo CNC, integrazione progressivautensili e mandrini basata su un rapporto ottimale investimento/produttivita, pre-cisione di lavorazione assicurata da una Procedura di Controllo Statistico, utensili eattrezzature a portata di braccio, dialogo con l’operatore semplice e di facile utilizzoe diagnostica su base Windows.

Gozio

Transfer Gozio costruisce da oltre 45 anni macchine transfer nelle piu svariate ver-sioni. Costruite secondo criteri moderni, con l’impiego di materiali di alta qualita,ben strutturate e dimensionate, le macchine Gozio sono disponibili in una vastagamma di modelli, con un’ampia variabilita nelle configurazioni, corrispondente alledifferenti applicazioni richieste dal mercato. Le soluzioni produttive offerte da Goziorappresentano il giusto compromesso tra prezzo e prestazioni, con spiccate caratter-istiche di automazione flessibile. Inoltre Transfer Gozio produce ormai da alcunianni Futura, un genere di macchina che per il suo concetto innovativo ha anticipa-to i tempi. Essa unisce infatti i vantaggi di una macchina transfer e di un centrodi lavoro con un ottimale mix di produttivita e flessibilita. Futura e un transferideato, studiato e realizzato per produzioni di lotti medi o piccoli di particolaricomplicati, richiedenti numerose operazioni. Si tratta di una tipologia di macchinache punta su flessibilita e tempi di attrezzamento ridotti al minimo e, inoltre, sullacapacita di finire qualsiasi pezzo direttamente in macchina, grazie a una particolaresoluzione tecnologica, che permette di lavorare il pezzo su sei facce, senza necessitadi ripresa. Questa possibilita deriva da una particolare morsa di bloccaggio del pez-zo che, indipendentemente dalla rotazione degli assi, resta perfettamente centrato.Tutto cio si traduce in produttivita e quindi maggior competitivita. La macchinapuo essere composta da tre, quattro o cinque stazioni, con due, tre o quattro modulidi lavorazione a tre assi. Le morse sono autocentranti a orientamento universalee permettono la rotazione su due assi ortogonali. La programmazione sequenzialepersonalizzata e di estrema semplicita e non necessita di alcun corso di istruzione.

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Gnutti

Sempre piu, i Transfer di nuova generazione sono ideati, progettati e costruitiper affrontare, con crescente flessibilita, nuove modalita multifunzionali. L’esempli-ficazione di questa regola e rappresentata nelle macchine da barra realizzate dallaGnutti Transfer di Ospitaletto; una famiglia di macchine transfer ad asse orizzontaleo verticale progettate e costruite per offrire elevata efficienza, autonomia, produt-tivita, precisione e qualita nella lavorazione di particolari torniti da barra. Questemacchine, pur essendo flessibili e dotate di tempi di attrezzamento ridotti e alta-mente competitivi (mediamente 30-60 minuti) permettono, in particolar modo, dilavorare completamente anche quei pezzi che altri tipi di macchine non possono com-pletare dal lato della ripresa o trasversalmente, su ottone, alluminio, acciai legati einox. Velocita di taglio e avanzamenti indipendenti - tutti programmabili a CNC -per ciascun utensile permettono l’ottimizzazione dei parametri di taglio, miglioran-do la finitura superficiale, il tempo ciclo nonche la durata degli utensili. Grazie a unesclusivo sistema di distribuzione idraulica sulla tavola e possibile impostare diret-tamente dalla console del CNC differenti livelli di pressione per i singoli morsetti,rilascio della pressione di bloccaggio su unita ove sono eseguite finiture di altissimaprecisione nonche il controllo della corretta chiusura morsetti/bloccaggio pezzo. Ilcaricatore delle barre, di costruzione Gnutti, e integrato nella macchina ed e in gra-do di gestire barre di diversa lunghezza direttamente da fascio con tempi di caricodi pochissimi secondi. Importante e sottolineare che, grazie al sistema di alimen-tazione che prevede la possibilita di programmare la lunghezza del pezzo, lo scartod’inizio e fine barra e sempre e comunque inferiore alla lunghezza di un pezzo finito.Tutto questo, oltre ovviamente alle molteplici altre soluzioni offerte da anni dallemacchine realizzate dalla Gnutti Transfer (es.: Power Monitor, Teleassistenza, ecc.),garantisce elevate capability di processo e autonomia tali per cui diviene assoluta-mente possibile pensare all’utilizzo di questo tipo di impianti nel caso di turni nonpresidiati.

Imas

Imas Transfer propone una gamma completa di sistemi a flessibilita totale, percubi di lavoro oltre i 500 mm. Tra questi Imasflex 150 che, dotata di 10 stazioni,puo montare moduli fino a due unita a tre assi CNC una verticale e una orizzontalein ciascuna delle nove stazioni di lavoro. Il pezzo viene bloccato su un satellite CNCindexabile e dotato di funzionalita di tornitura: in questo modo, particolari, comeper esempio il rotore serrature, possono essere lavorati completamente in macchina,grazie anche alla predisposizione per alimentazione da barra. Estrema attenzioneviene riposta nel garantire qualita e ripetibilita nelle lavorazioni: movimenti indexatia tripla corona Hirth, recupero a retroazione delle dilatazioni termiche, regolazionemodulata e indipendente, stazione per stazione, della forza di bloccaggio pezzo dapart program sono solo alcuni esempi. L’utilizzo estensivo del controllo numericonegli azionamenti (moduli di lavoro, mandrini, satelliti, tavola), a garanzia di unacompleta flessibilita e riconfigurabilita, e reso facile e intuitivo dal potente pacchet-

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to multimediale GO!, sviluppato appositamente da IMAS per gestire, tra l’altro,diagnostica avanzata, ottimizzazione della sequenza produttiva dei vari codici conlancio automatico dei corrispondenti part program, creazione assistita dei program-mi macchina. Queste caratteristiche, unite all’ampia disponibilita di utensili, 72nella configurazione completa, e alla predisposizione per la sostituzione robotizzatadegli attrezzi di bloccaggio, permettono di abbattere in modo sostanziale i tempidi setup, con reale possibilita di gestire in maniera efficace mix produttivi comp-lessi e frammentati in piccoli lotti. Con un cubo di circa 150 mm, i settori ap-plicativi spaziano dalle Serrature all’Automotive, dall’Idraulica alla Refrigerazione edovunque sia auspicabile dotarsi di un mezzo di produzione che conserva immutatala propria attualita tecnologica anche dopo molti anni.

Picchi

La grande flessibilita Picchi deriva dal lavoro di ingegnerizzazione modulare chepermette la costruzione di macchine speciali a elevata e sofisticata tecnologia, ca-paci di risolvere ogni tipo di problematica produttiva. Le macchine transfer Pic-chi sono create per eseguire lavorazioni multiple di foratura, tornitura, brocciatu-ra, maschiatura e fresatura fino a cinque assi controllati. Lavorano particolari diacciaio, ottone, ghisa, bronzo, alluminio e coprono tutti i principali settori indus-triali, dal valvolame, all’automotive, al pneumatico, alla rubinetteria ecc. Sonomacchine con tavola rotante ad asse orizzontale o verticale a funzionamento idrauli-co, semielettronico o elettronico, con unita fisse, spostabili, inclinabili o basculanti,che si distinguono per soluzioni e caratteristiche uniche. Come esempio e riportatauna macchina transfer della serie Combyax, con centri di lavoro multiutensili inte-grati, estremamente flessibile, e concepita per lavorazioni geometriche complesse. Isingoli centri di lavoro possono essere programmati in linguaggio ISO o con sem-plici pagine di interfaccia User Friendly Picchi. L’utilizzo di sistemi gestione usurautensili con utensile gemello, permette la lavorazione non presidiata. La macchinatransfer TR9-13/VSE e un esempio di macchina rivolta all’automotive con attaccoutensili HSK63A e lubrorefrigerante ad alta pressione attraverso il mandrino; e unamacchina dedicata con elevatissima produzione grazie alle elevate doti dinamiche,inoltre su questa macchina sono installati due centri di tornitura ciascuno con setteassi controllati.

Porta

Una delle ultime realizzazioni della Porta Spa e una macchina della serie Flex-icenter modello 04M-05T. Questo multicentro e composto da cinque centri X Y Zcon corse rispettivamente di 700 x 700 x 300 mm. Ogni centro e provvisto di cambioautomatico di 20 utensili ognuno dei quali puo avere un peso massimo di 6 kg. I cen-tri lavorano su di una tavola rotante avente un diametro di 1.500 mm sopra la qualesono montate delle tavole satellitari con un diametro di 530 mm. La rotazione delletavole e a controllo numerico con posizionamento finale mediante corona Hirth. Il

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mandrino ha una velocita massima di 6000 giri/min, con attacco ISO40. La macchi-na offre velocita di rapido di 30m/min. Sono disponibili i migliori controlli numericisul mercato. La macchina e dotata di un sistema di moni-toraggio sullo stato e suiguasti, che offre anche la possibilita di effettuare controlli dimensionali dei pezzilavorati in macchina, ad anello aperto o chiuso. Le macchine possono essere dotatedi sistemi automatici per il carico e lo scarico dei pezzi.

Riello

Il prodotto di punta della casa veronese e la cella flessibile Vertiflex, basata suuna combinazione di piu centri di lavoro ad asse orizzontale e verticale montati su ununico basamento. Tale struttura, autoportante e monolitica, in acciaio elettrosalda-to, garantisce un’elevata rigidita statica e dinamica e, grazie all’ottimo assorbimentodelle forze di taglio, consente di eseguire pesanti lavorazioni di sgrossatura in unastazione e operazioni estremamente precise di finitura nella stazione successiva. Letavole porta-pezzo sono a CNC, disponibili in versioni a 360 o 360.000 posizioni. Icentri di lavoro a tre assi sono montati su piastre a croce e sono equipaggiati, nelVertiflex 300 con mandrini di tipo tradizionale da 7,5 Kw e 6.000 giri/min massimi,mentre nel nuovo Vertiflex 450 vengono utilizzati elettromandrini con potenza di18,5 Kw e 10.000 giri/min massimi. Completa l’allestimento, la testa a revolver asei o otto mandrini con selezione random dell’utensile. La rotazione della testa vienefatta dallo stesso motore utilizzato per la rotazione del mandrino; teste e mandrinisono pressurizzati in modo da evitare l’entrata di refrigerante o truciolo. Nel suocomplesso la macchina e gestita da CNC GE-Fanuc dell’ultima generazione mentreil software supervisore e stato sviluppato direttamente dalla Riello. Il Vertiflex, euna macchina compatta, di facile impiego, studiata e progettata per la produzione divolumi medio-alti con tempi ciclo ridotti. Consente la lavorazione di infinite formee configurazioni di pezzi con dimensioni contenute in un cubo di 300 mm (nel casodella Vertiflex 300) o in un cubo di 450 mm (nel caso della Vertiflex 450). In un solobloccaggio, permette la lavorazione su cinque facce assicurando un’elevata qualitadei pezzi lavorati, dispone di tempi minimi di messa a punto e riattrezzaggio ed edotata di una stazione dedicata per il carico/scarico.

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Capitolo 2

Evoluzione delle macchine

transfer: le celle flessibili

2.1 Cambiamenti nei modelli di automazione

richiesti dal mercato

Le dinamiche dei principali settori produttivi sono state soggette, a cavallo delmillennio, a profondi mutamenti. I principali attori del cambiamento sono stati: laglobalizzazione, la riduzione del time to market, la considerazione dell’intera catenadel valore e la revisione dei processi di acquisto; infine l’approfondimento del concet-to di servizio globale. La forte propulsione verso la globalizzazione e stata causata,principalmente, da una certa maturita dei mercati tradizionali, e dunque dalla ricer-ca di nuovi mercati con potenziale di sviluppo elevato. Si e puntato a investire inquesti mercati decentralizzando i siti produttivi nei paesi in via di sviluppo, per ot-tenere benefici dai convenienti fattori locali, confortati dalla possibilita di introdurrepiu facilmente i prodotti. Questo allargamento del mercato e la necessita di nuoviforti investimenti nelle aree in oggetto, ha portato all’esigenza di creare fusioni econcentrazioni.

La riduzione del time to market e stata una conseguenza della rapida evoluzionedella domanda: la concorrenza impone a tutti i realizzatori di beni di consumo distuzzicare il mercato con prodotti nuovi a prezzi attraenti, di creare sempre piunicchie con prodotti tagliati maggiormente sul cliente, di osservare la concorrenzaper reagire velocemente. La riduzione del time to market si ottiene mediante lariduzione dei tempi di ingegnerizzazione e sviluppo dei nuovi prodotti e dunque,necessariamente, alla esternalizzazione sia della progettazione, sia della produzione,con la creazione di forti relazioni tra fornitore e cliente. Si rende necessaria, da partedell’industria manifatturiera, una razionalizzazione produttiva, con raggruppamentodei sempre piu numerosi modelli di prodotto, in entita omogenee dal punto di vistadel progetto e delle metodologie di produzione. Queste entita sono denominate

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piattaforme. L’organizzazione produttiva in piattaforme comporta una richiestadi macchine utensili:

• ad alta produttivita per la realizzazione dei componenti comuni a tutti imodelli della piattaforma;

• molto flessibili e adatte a operare su piccole serie per i componenti specificidi ogni singolo modello e delle sue personalizzazioni.

Anche la cosiddetta catena del valore ha subito profondi cambiamenti: perquanto visto finora, i grossi gruppi stanno delegando sempre di piu all’esternoconcentrandosi sulle seguenti tre funzioni:

• ideazione del prodotto;

• rafforzamento del marchio;

• cura degli aspetti finanziari.

I conto-terzisti si trovano quindi a ricoprire un nuovo ruolo di fornitori di sis-tema e non piu solo di prodotto. Partecipano allo sviluppo dei prodotti (co-design esimultaneous engineering), sono parte integrante del processo produttivo (rispetto-responsabilita dei tempi produttivi), sono responsabili del sistema per tutto il ciclodi vita del prodotto fornito. Diventano dunque i primi acquirenti di macchine uten-sili ma non possono permettersi la visione a lungo termine dei loro clienti. Quinditendono ad acquistare macchinari caratterizzati da elevata flessibilita e grado di ri-configurabilita. Il processo di acquisto dei gruppi manifatturieri ha assistito a unatransizione strategica tutt’altro che banale, come riportato in tabella 2.1.

Quanto visto finora fa sı che il mercato odierno sia piu orientato verso una tipolo-gia di macchina con specifiche differenti da quelle che caratterizzano le macchinetransfer. Emblematico e il caso della “John Deere”, casa statunitense produttrice ditrattori che, in un recente programma di investimenti per l’ammodernamento dellelinee produttive, ha rimpiazzato le linee transfer con celle flessibili.

2.1.1 Dai transfer alle celle: il caso John Deere

La John Deere Waterloo Works (Iowa), che produce assali di trasmissione com-pleti per le piu grosse serie dei trattori agricoli John Deere, ha stanziato piu di 100milioni di dollari in un programma di ammodernamento delle linee di produzionedegli assali.

Un aspetto del programma e la trasformazione da produzione di massa a LEANManufacturing Operation. “Siamo arrivati a un punto in cui sono necessari cambi dirotta importanti” spiega il manager Edward Griffith: “Stiamo espandendo le nostrelinee produttive a un ritmo finora mai raggiunto: solo nel 2001 la John Deere haintrodotto 24 nuovi modelli di trattore. E’ stato necessario ripensare l’economicitadi produzione.

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Tradizionale Fabbrica Snella Rete di Imprese

N◦ di fornitori per

modello o impianto

2000-3000 200-300 20-30

Area geografica di

provenienza dei

fornitori

nazionale

regionale

continentale globale

Capacita di sviluppo

dei prodotti da parte

dei fornitori

lavorazione su

disegno

collaborazione al-

lo sviluppo

problem solver

Tipologia di contratto

cliente-fornitore

breve termine medio-lungo ter-

mine

ciclo di vita del

prodotto

Struttura del settore

subfornitura

frammentata gerarchia di forni-

tori scelti

partner strategico

Integrazione verticale

dei manufacturer

alta ridotta attivita

strategiche

Tabella 2.1: La transizione strategica nel processo di acquisto

“In primo luogo abbiamo ridefinito ogni pezzo secondo l’ottica di come avremmodovuto produrlo: abbiamo identificato le parti critiche che avremmo dovuto conti-nuare a produrre in casa, quindi piu costose; basandoci sulle proiezioni di mercatoabbiamo pianificato le quantita e le tipologie di pezzi di cui avremmo avuto bisognoe dunque abbiamo pensato quali macchine ci sarebbero servite per produrle.

“Gran parte dei pezzi erano finora prodotti con linee transfer. Gli inconvenientilegati all’utilizzo di queste macchine sono: la grande estensione e dunque ingom-bro di spazi; il gran numero di pezzi lavorati, da lavorare, in lavorazione che devenecessariamente girare intorno alla macchina; la scarsa flessibilita.

“La decisione finale e stata quella di utilizzare celle flessibili dotate di centri dilavoro orizzontali multipli.

“Le celle ci permettono di costruire i pezzi in base alla domanda delle lineedi assemblaggio, piuttosto che in funzione dei lotti economici” ci dice Mr. Kurtz,project manager. Ogni cella produce ognuno dei pezzi appartenenti a una o a piufamiglie assegnate alla cella stessa senza avere sostituzioni di utensili o attrezza-menti. Se necessario e possibile produrre in modo economico anche un solo pezzo.“Attualmente vengono prodotti 15 differenti pezzi su 3 celle, con la possibilita ditrasferire la produzione di una cella sulle altre in caso di guasto. Le celle sono dotaterispettivamente di 4, 5 e 6 centri di lavorazione e occupano 7 operai su tre turni.

“la cella n◦1 permette di dare la maggiore dimostrazione dei benefici che questotipo di macchina ha introdotto: essa produce tutti i corpi assale necessari a coprirel’intera gamma, mentre prima erano necessari tre transfer; occupa 750 metri quadriinvece dei 5000 m2 dei tre transfer; ha bisogno di un minor numero di operatori;

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Figura 2.1: Assale della John Deere

ha enormemente ridotto il numero di pezzi grezzi e finiti che giravano intorno allamacchina: da una scorta di 20 giorni si e scesi a una scorta di due giorni: 1 giornodi fusioni da lavorare e 1 giorno di finiti da inviare alle linee di montaggio, checomandano la programmazione dei lavori.

“Nelle celle inoltre i pezzi vengono anche marcati e lavati, senza bisogno dipassare in altre macchine per queste operazioni.”

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2.2 I transfer-cella

Le turbolenze del mercato, descritte nel paragrafo precedente, hanno spinto i pro-duttori di transfer a realizzare particolari macchinari, dotati di grande flessibilita chesono l’ideale anello di congiunzione tra le transfer e i centri di lavoro. Sono - di fatto- delle celle flessibili di lavorazione, che hanno l’ambizione di unire l’elevata capacitaproduttiva delle macchine transfer a tavola rotante, alla elevata flessibilita d’impiegodei centri di lavoro. Con queste macchine, di seguito chiamate celle o transfer cella,e possibile realizzare qualsiasi manufatto contenuto entro un cubo di circa 300 mmdi lato.

Le celle realizzate da vari produttori nazionali, pur differenziandosi nelle sceltetecniche e in talune caratteristiche, hanno alcune linee guida comuni che andiamo adanalizzare. Sono costituite da piu centri di lavoro, ad asse verticale ed orizzontale,fissati su un unico basamento, corredati da teste a revolver che possono portarediversi mandrini (genericamente da tre a otto), anche se ultimamente si trovanoin commercio nuove realizzazioni con cambio utensili e magazzino esterno capace diospitare una dozzina di utensili. All’interno della struttura trova posto il meccanismodi trasferimento del pezzo, generalmente composto da una tavola rotante ad asseverticale. Su di essa sono posizionate delle morse porta pezzo “evolute”, dettesatelliti, veri e propri dispositivi dotati di uno o due assi di rotazione controllati. Inquesto modo e possibile lavorare il componente anche su cinque facce.

Figura 2.2: Interno di una cella flessibile in cui e possibile vedere: i centri di lavoro

con i mandrini a revolver e un satellite portapezzo (Riello)

Con questo tipo di transfer si cerca di rispondere alle esigenze dei fornitori avan-zati. E bene sottolineare che, con l’unico piazzamento consentito dalle macchinetransfer, si riescono a realizzare pezzi con tolleranze geometriche molto strette, mo-

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tivo per cui sono molto apprezzate nell’ambiente automobilistico.

Figura 2.3: La cella di un altro costruttore: i centri di lavoro con revolver sono a

montante mobile (Gnutti)

I transfer cella sono diretti concorrenti dei centri di lavoro, ma, a dispetto del-l’entusiasmo iniziale con cui sono stati accolti tra gli utilizzatori, stanno incontrandouna crescente difficolta di mercato a vantaggio dei secondi. Per comprendere i motividi questa disaffezione, sono stati intervistati i responsabili di produzione di alcuneaziende, appartenenti a differenti settori merceologici, che possiedono e utilizzanoquesti macchinari.

2.3 L’indagine presso gli utilizzatori di

Transfer-cella

Il piano di lavoro adottato parte dal presupposto che le aziende produttrici dibeni con risultati economici brillanti nel tempo, o presumibilmente tali, presentinoapprocci validi e potenzialmente vincenti al problema della fabbricazione dei prodot-ti. Quindi, questi approcci possono essere la base per compiere un’analisi con quantoavviene in altre aziende e, inoltre, per la definizione di un modello piu generale utileper l’impostazione delle specifiche di un particolare macchinario che risponda alleesigenze espresse.

La ricerca si e pertanto svolta nelle seguenti fasi:

• sono state contattate e/o visitate alcune aziende, selezionate in diversi settori,note per l’elevato contenuto tecnologico dei loro prodotti, o per i buoni risultatieconomici conseguiti; attraverso interviste dirette e guidate a responsabili diproduzione e/o manager di piu alto livello, sono state raccolte informazionidettagliate allo scopo di cogliere le motivazioni strategiche alla base delle scelteriguardanti gli investimenti per i macchinari e i pregi/difetti dei macchinariresidenti.

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• Sono state eseguite delle misurazioni di tempi ciclo per la determinazione delleprincipali necessita in termini di prestazioni.

• Infine si sono elaborati i dati e sono state definite le specifiche di un macchi-nario che soddisfacesse alle esigenze degli attuali utilizzatori di celle.

2.3.1 Prerogative e limiti dei transfer cella

In generale tutti gli utilizzatori si trovano concordi nel riconoscere ai transfer cel-la un grande passo in avanti rispetto ai transfer tradizionali. Caratteristica comunee quella di utilizzare le celle per realizzare, in modo piu rapido, pezzi che venivanoprecedentemente lavorati sui centri di lavoro. Quindi il confronto risulta vincentesia in termini di costo del singolo pezzo, sia in termini di ripetibilita nell’esecuzione,decisamente aumentata grazie all’eliminazione della cosiddetta ripresa del pezzo.

Figura 2.4: Transfer cella con centri di lavoro, morse a doppia rotazione, cambio

utensili con magazzino esterno (Gozio).

D’altro canto tutti gli utilizzatori intervistati sottolineano che, in realta, questimacchinari complessi non sono ne flessibili come un centro di lavoro classico, a causadella limitata quantita di mandrini e delle corse ridotte, ne veloci e produttivi quantoun transfer classico. In modo diffuso si dichiara la perdita di tempo nel riattrezzag-gio, sia per i limitati spazi in cui ci si trova a operare, sia per il fatto che comunque ilnumero di utensili e limitato. Chi ha acquistato i recenti macchinari con magazzinoutensili esterno, non denuncia piu questi difetti, ma mostra un crescente disappuntoper la lentezza del cambio utensile.

Si riscontra ancora un parere omogeneo riguardante la difficolta nel realizzarei programmi di lavorazione, che devono essere studiati in modo da garantire unbilanciamento delle fasi di lavoro, non solo in funzione delle sequenzialita del rag-giungimento delle stazioni di lavoro, ma anche della sequenzialita delle operazioni

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nelle singole stazioni.

Chi ha sostituito vecchi transfer con i nuovi transfer-cella, e ha dunque portatosu questi parte della produzione eseguita con i macchinari dismessi, ha immediata-mente riscontrato una perdita di efficienza produttiva, legata alla minore velocita dimovimentazione degli assi e all’aumento dei costi di gestione.

Infine, tutti denunciano un costo del macchinario elevato, ma mentre alcuneaziende sottolineano la convenienza dei nuovi centri di lavoro giapponesi, altreaziende intervistate hanno manifestato un’elevata soddisfazione nei tempi di ritornodell’investimento, tanto da aver acquistato piu di due macchinari di questo tipo.Queste aziende si dicono pronte ad acquistare altre celle flessibili qualora venisserorisolte alcune problematiche denunciate.

2.3.2 Analisi dei tempi di lavorazione

L’analisi dei tempi di lavorazione e stata eseguita presso due delle aziende inte-ressate, mentre una terza ha fornito dei dati statistici. In totale ha riguardato tredifferenti pezzi:

• lavorazione di un elemento di una scatola cambio di tipo automobilistico;

• lavorazione di un coperchio trasmissione per l’industria motociclistica;

• la lavorazione di un corpo adduttore utilizzato su un’idropulitrice.

Figura 2.5: Pezzo lavorato con una cella flessibile

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Elemento di scatola cambio

Il pezzo in oggetto viene lavorato su un transfer-cella dotato di quattro stazioni.La prima e quella di carico e scarico, le altre tre sono equipaggiate con piccoli cen-tri di lavoro, dotati di corse di 250 mm sugli assi X e Y e di 200 mm sull’asseZ. Ogni stazione ha inoltre un cambio utensili con la possibilita di ospitare finoa dodici utensili. Il meccanismo di trasferimento del pezzo e una tavola rotante,con funzionamento pendolare a 270◦. Sulla tavola sono ospitate quattro morse por-tapezzo, dotate di due assi rotanti, che permettono di eseguire tutte le lavorazioniin un solo piazzamento. Il materiale dell’elemento da lavorare e una ghisa per getti,denominata GH190. L’analisi dei tempi di lavorazione e riassunta nella tabella 2.2

Descrizione Fase Staz. T Rap [s] T Lav [s] T C. Ut [s] T Rot [s]

Fresatura piani 1 4 24 2,5 2

Foratura 4 fori d13 1 6 50 2,5 0

Foratura 2 fori lat d12 1 2 12,5 0 2

Parziali staz. 1 11 86,5 5 4

Percentuale 1 10,2% 80,1% 4,6% 3,7%

Rotazione tavola 1,5 (1,4%)

Tot. Staz. 1 108 s

Fresatura piano lat 2 2 100 0 2

Parziali staz. 2 2 100 0 2

Percentuale 2 1,9% 94,8% 0 1,9%

Rotazione tavola 1,5 (1,4%)

Tot. Staz. 2 105,5 s

Svasatura 4 fori d13 3 6 13 2,5 0

Alesat. 4 fori d13,5H7 3 6 50 2,5 0

Foratura 2 fori lat d12 3 3 22,5 0 2

Parziali staz. 3 15 85,5 5 2

Percentuale 3 13,8% 78,4% 4,6% 1,8%

Rotazione tavola 1,5 (1,4%)

Tot. Staz. 3 109 s

Tempo ciclo tot 109 s (staz.3)

Tabella 2.2: Ciclo di lavorazione di ‘elemento scatola cambio’

Si tratta di una lavorazione con tempi decisamente lunghi per il normale uti-lizzo delle macchine transfer. Si vogliono evidenziare alcuni aspetti sottolineati dalresponsabile di produzione:

• si spendono tempi ed energie per ottimizzare il bilanciamento dei tempi nelle

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singole stazioni, nel caso in oggetto c’e una differenza tra il migliore e il peggioredel 3,2% (109 s e 105,5 s)

• a parte la stazione n◦2, che compie un’unica operazione, le altre due stazionihanno i tempi ciclo fortemente influenzati dai movimenti in rapido degli assi(13,8% del totale nella stazione piu lenta). Anche il cambio utensile incide inmodo non trascurabile.

• La sostituzione del lotto produttivo non incide in modo significativo a menodell’utilizzo della macchina per campionamenti pre-produzione (durante i qualisi lavorano anche solo 10 pezzi).

Coperchio trasmissione

Il pezzo in oggetto viene lavorato su un transfer-cella dotato, come nel casoprecedente, di quattro stazioni. La prima e quella di carico e scarico, le altre tresono equipaggiate con due piccoli centri di lavoro ciascuna, dotati di corse di 250mm sugli assi X e Y e di 200 mm sull’asse Z. Ogni centro di lavoro ha un mandrinodi tipo a revolver con tre utensili. Il meccanismo di trasferimento del pezzo e unatavola rotante, sulla quale sono ospitate quattro morse portapezzo, dotate di un asserotante. Nell’ultima stazione di lavoro e predisposto un meccanismo di verifica delpezzo che, a intervalli regolari nella giornata, esegue la verifica di una lavorazionecritica e adegua automaticamente i parametri macchina o interrompe la lavorazione.Il materiale dell’elemento da lavorare e una lega leggera di alluminio al silicio pergetti, denominata AlSi9. L’analisi dei tempi di lavorazione e stata fornita dall’uti-lizzatore del macchinario ed e riportata nella figura 2.6:

Figura 2.6: tempo ciclo coperchio trasmissione

Il responsabile di produzione contattato ha espresso:

• soddisfazione per il fatto che le operazioni di cambio utensili e posizionamentofossero intorno al 25% del tempo ciclo, percentuale che abbassava di moltoquella rilevata sullo stesso pezzo eseguito su centro di lavoro

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• grande disappunto per il fatto che il riattrezzaggio macchina duri dalle 6 alle 12ore, fatto che ha imposto un’attenta valutazione della sequenza di esecuzionedei lotti produttivi. La difficolta risiede soprattutto nella sostituzione degliutensili.

Corpo adduttore

Il pezzo in oggetto viene lavorato su un transfer-cella dotato di due stazioni.Una e quella di carico e scarico, l’altra e equipaggiata con tre piccoli centri di la-voro, dotati di corse di 250 mm sugli assi X e Y e di 200 mm sull’asse Z. Ogni centroha un cambio utensili con la possibilita di ospitare fino a dodici utensili. Il meccanis-mo di trasferimento del pezzo e una tavola rotante, ad asse orizzontale. Sulla tavolasono ospitate due morse portapezzo, dotate di due assi rotanti, che permettono dieseguire tutte le lavorazioni in un solo piazzamento. Il materiale dell’elemento dalavorare e ottone. L’analisi dei tempi di lavorazione e riassunta nella tabella 2.3

Si tratta di una macchina molto particolare, realizzata su misura per l’aziendada noi contattata, ma che ha le peculiarita di eseguire le lavorazioni su tutti idodici differenti pezzi che costituiscono la famiglia e di aver sostituito i tre transfertradizionali sui quali essi venivano precedentemente realizzati. Anche in questo casosi vogliono sottolineare tre aspetti importanti:

• i tempi dei singoli centri di lavoro sono abbastanza bilanciati, con una differen-za tra il migliore e il peggiore dell 11,5% (30,5 s unita sinistra, 34,5 s unitacentrale);

• i tempi ciclo sono fortemente influenzati dai movimenti in rapido degli assi edal cambio utensile;

• i tempi di riattrezzaggio riguardano solamente le morse porta pezzo e sonostati giudicati buoni dall’utilizzatore.

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Descrizione Fase Unita T Rap [s] T Lav [s] T C. Ut [s]

Foratura d18-d8 Sx 1 3 2,5

Fresatura Scarico C 1 3,5 2,5

Prep. Filetto 1/2” Dx 1 3,5 2,5

Rotazione asse 5 180◦ 2

Filettatura 1/2” Sx 1 3 2,5

Fresatura Cerniera C 1 3,5 0

Foratura d4,4-d2,5 Dx 1 4 2,5

Prep. Filetto 3/4” Sx 1 3,5 2,5

Fresatura Cerniera C 0 3,5 0

Foratura d18 Dx 1 3 2,5

Filettatura 3/4” Sx 1 3 2,5

Fresatura cerniera C 1 4,5 2,5

Foratura d18 Dx 1 3 2,5

Foratura d12-d10 C 1 4 2,5

Filettatura M3 Dx 1 3 2,5

Rotazione asse 4 90◦ 2

Foratura Cerniera Sx 1 3 0

Fresatura a T C 1 3 0

Totale Sx 5 (16,4%) 15,5 (50,8%) 10 (32,8%)

Totale C 5 (14,6%) 22 (63,8%) 7,5 (21,7%)

Totale Dx 5 (14,7%) 16,5 (48,5%) 12,5 (36,8%)

Tempo ciclo tot 34,5 s (Unita C)

Tabella 2.3: Ciclo di lavorazione di ‘corpo adduttore’

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2.4 Conclusioni

I transfer cella presentano degli evidenti limiti, segnalati in modo piuttostoomogeneo da tutti gli utilizzatori. Essi sono legati soprattutto a tre fattori:

• il tempo di movimentazione in rapido degli assi incide in percentuali che siaggirano tra il 15 e il 25% del tempo di lavorazione del pezzo;

• i tempi di riattrezzaggio sono significativi, soprattutto nel caso di macchinedotate di numerosi centri di lavoro, o unita, con cambio utensili a revolver.Questa problematica e particolarmente sentita in conseguenza del fatto chequesto tipo di macchina viene spesso utilizzato per realizzare campionamentidi preserie;

• il tempo di cambio utensile e oltremodo significativo, soprattutto nella tipolo-gia di macchina con magazzino utensili; tuttavia in questo caso ha incidenzaminima la problematica del riattrezzaggio.

Alcune macchine speciali, realizzate come celle flessibili, ma su specifiche richiestedel cliente, riescono a superare alcuni di questi vincoli, senza peraltro raggiungerel’ottimo. Esse, inoltre, sono dei casi singoli il cui successo non va al di fuori dellacommittenza.

Superare queste tre pesanti restrizioni delle celle potrebbe dunque ridare impulsoa queste tipologie di macchine, considerate unanimemente molto interessanti.

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Capitolo 3

Definizione delle specifiche

per macchina transfer flessibile

a elevata dinamica

3.1 Introduzione

Come si e visto nel capitolo 2, il superamento dei limiti delle celle flessibili attual-mente prodotte e commercializzate, potrebbe dare un notevole impulso al mercatodella macchina transfer. In questo capitolo si andranno a delineare le caratteristichesalienti di un macchinario che segua le indicazioni raccolte presso gli utilizzatori.Il transfer che piu risponde alle esigenze dei “fornitori avanzati”, dovrebbe possedere,alla luce dell’indagine svolta, le seguenti importanti caratteristiche:

possedere un’elevata dinamica, per abbattere i tempi di movimentazione inrapido degli assi e quindi ridurre in modo significativo i tempi ciclo;

essere dotato di un cambio utensili a magazzino, per facilitare il cambioproduzione, ma questo dovrebbe essere molto piu prestante dei sistemi che vengonoattualmente utilizzati;

infine, dovrebbe garantire un riattrezzaggio agevole, che permetta l’ese-cuzione, in rapida successione, di lotti anche molto piccoli, che potrebbero, al limite,essere composti da un singolo pezzo.

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3.2 Struttura e configurazione della macchina

La tipologia di pezzi da realizzare, il materiale degli stessi la lunghezza del tempociclo, influenzano notevolmente le specifiche di realizzazione della macchina.

Innanzitutto e necessario definire un volume massimo che puo essere lavoratodalla macchina, perche questo, ovviamente, andra a incidere sulle dimensioni dellastessa. Il giudizio unanime, raccolto presso le aziende intervistate, rispetto alledimensioni massime del pezzo da lavorare, indica queste comprese in un cubo di300mm di lato.

In secondo luogo e bene fare delle valutazioni sul materiale lavorato. Per lalavorazione dell’ottone e dell’allumino, infatti, non sono necessarie grandi potenzedi asportazione e forze di spinta. Per lavorare ghisa e acciaio si devono aumentare iparametri di spinta e tutta la macchina va dimensionata proporzionalmente. Dalleinformazioni raccolte si e potuto constatare un leggero aumento di interesse verso itransfer capaci di lavorare l’acciaio, anche se i pezzi in leghe di ferro-carbonio sonosempre una piccola quantita rispetto alle leghe di alluminio o all’ottone, considerataanche la tendenza dei costruttori del settore automotive di realizzare un numerosempre maggiore di componenti in leghe leggere. Ma se vogliamo che la macchinasia flessibile, dobbiamo aspettarci che possa lavorare qualsiasi materiale, dunquedovra essere dimensionata per lavorare anche ghisa e acciaio.

Infine affrontiamo delle considerazioni riguardanti il tempo ciclo. Esso e talmenteridotto che, nelle macchine transfer piu prestanti, sono necessari dispositivi di caricoe scarico automatici. L’automazione delle operazioni di approvvigionamento dellamacchina si e diffusa anche quando il ciclo e meno esasperato. Bisognera quindiprevedere un’apertura, in corrispondenza della stazione di carico e scarico, sufficien-temente ampia da permettere che vi possa operare sia un addetto sia un dispositivoautomatico.

La macchina ideale dovrebbe dunque avere un certo numero di stazioni, dotate dicentri di lavoro a tre assi. Gli assi x e y consentono il posizionamento del mandrinoportautensile in un piano verticale, mentre l’asse z provvede alla variazione di quotadel mandrino nello spazio, rispetto al piano identificato dagli altri due assi.

Ogni centro di lavoro dovra essere dotato di un dispositivo per il cambio uten-sili prestante, con magazzino utensili esterno alla macchina. Il numero di utensiliospitato da ogni magazzino non ha grande importanza, essendo questi raggiungibilianche con la macchina in movimento.

Si puo pensare di incrementare la produttivita della macchina lavorando con-temporaneamente due pezzi in ogni stazione. E necessario fare delle valutazioni sulrapporto costi/benefici di questo accorgimento.

La tavola girevole dovra essere veloce e le morse portapezzo dovranno esseredotate di almeno un movimento. Non e da sottovalutare la possibilita di dotare lamorsa portapezzo di un movimento tale da permettere la lavorazione di tornitura del

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pezzo, tenendo, cioe, l’utensile fisso sul mandrino e facendo ruotare la morsa stessa.Questa prerogativa aggiuntiva della macchina potrebbe permettere l’eliminazionedella ripresa dei pezzi per le lavorazioni di tornitura, oggi inevitabile.

Figura 3.1: Schema di cella flessibile in configurazione “ideale”

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3.3 Prestazioni della macchina

3.3.1 Accelerazione e velocita massime degli assi

Limitiamo l’analisi delle prestazioni agli assi X, Y e Z dei centri di lavoro checostituiranno le unita di lavoro presenti nelle stazioni della cella.

Per determinare le prestazioni “ideali”, allo stato dell’arte attuale e in riferimentoalle interviste eseguite presso gli utilizzatori di questa tipologia di macchine, si con-siderano i tre cicli riportati nel Cap.2 e si tenta di ridurne i tempi passivi tabella 3.1.

Tempi [%] lavoro rapido c.ut rot. morsa rot. tavola Tot [s]

Ciclo 1 78,4% 13,8% 4,6% 1,8% 1,4% 109

Ciclo 2 46% 26% 24% - 4% 100%

Ciclo 3 50,8% 16,4% 32,8% - - 30,5

Tabella 3.1: Riassunto tempi ciclo

E importante sottolineare che per tempo di cambio utensile e prassi comuneadottare il tempo definito “da truciolo a truciolo”, con il quale si indica il tempo cheintercorre da quando l’utensile in lavoro termina l’asportazione, a quando il successi-vo ricomincia la lavorazione. Cio significa che lo spostamento in rapido dell’asse, peril posizionamento in un punto adatto alla sostituzione dell’utensile, e compreso inquesto tempo. E evidente che ai fini della nostra analisi si rende necessario scorpo-rare il tempo di spostamento dall’effettivo tempo di cambio utensile. La tabella 3.1dovra quindi essere corretta come segue tabella 3.2:

Tempi [%] lavoro rapido c.ut rot. morsa rot. tavola Tot [s]

Ciclo 1 78,5% 15,6% 2,8% 1,8% 1,4% 109

Ciclo 2 46% 35% 15% - 4% 100%

Ciclo 3 50,8% 29,5% 19,7% - - 30,5

Tabella 3.2: Riassunto tempi ciclo corretti

Si assume che il posizionamento avvenga ad accelerazione e decelerazione costantie di pari valore. In questa fase si ipotizza che non venga raggiunto il limite di velocitamassimo e che, quindi, l’andamento che essa presenta, in funzione del tempo, siatriangolare, anziche trapezoidale come avviene di norma.

Di seguito si riporta un diagramma che rappresenta tale tipo di moto.Il caso di ottimo produttivo, in un macchinario di questo tipo, coinciderebbe con

l’annullamento dei tempi passivi, che possiamo far coincidere con tempi di sposta-mento rapido e cambio utensili nullo. Assumendo accelerazione e decelerazionecostanti e di uguale valore, dalla relazione di moto uniformemente accelerato si

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ottiene:

tposiz. = 2 ·

√

2 · L2· 10−3

a

essendo:

{

L la corsa espressa in [mm],

a l’accelerazione espressa in [m/s2].

La formula e ricavata considerando che:

• lo spazio percorso in accelerazione e quello percorso in decelerazione si equiv-algono e, quindi, corrispondono a meta corsa;

• la velocita iniziale e finale siano nulle.

Considerando pari al 100% la produzione ottenuta con i tempi di posizionamentoattuali, si sono realizzati dei diagrammi in cui si vede l’andamento della produttivitain funzione del tempo di spostamento in rapido (e dell’accelerazione). Anche il tempodi spostamento rapido e stato considerato come una percentuale rispetto a quellimisurati in pratica, al fine di poter equiparare i dati. Per uniformita di calcolo si econsiderato un movimento del mandrino pari a meta della corsa dell’asse Z sommatoa uno spostamento in diagonale lungo gli assi X, Y dal centro del campo di lavorofino all’angolo in alto a sinistra.

Nel primo diagramma (figura 3.2) l’aumento di produzione che si puo ottenereannullando i tempi di spostamento in rapido (accelerazione infinita) e pari a circa il18%. Ma con un’accelerazione compresa tra i 20 e i 30 m/s2 si riesce gia ad arrivarea un rilevante 14% in piu, riducendo il tempo di spostamento di oltre il 70%.Il grafico e stato ottenuto considerando una corsa di 276 mm; il tempo di sposta-

mento rapido considerato pari al 100% ammonta al 15,6% dell’intero tempo ciclo(109 s).

Il secondo diagramma (figura 3.3) illustra una variazione di produttivita decisa-mente piu consistente. Ritengo questo diagramma poco significativo, in quanto itempi dichiarati dall’interlocutore appaiono decisamente elevati e, probabilmente,un lavoro di ottimizzazione delle lavorazioni e di bilanciamento delle fasi porterebbegia a significative diminuzioni dei tempi ciclo.E importante sottolineare, tuttavia, che questa tipologia di macchina e quella conle corse maggiori, rispetto alle altre prese in considerazione. Quindi la maggioreaccelerazione fa sentire piu pesantemente il suo contributo.In questo caso, con accelerazioni comprese tra i 20 e i 30 m/s2 si riesce a ottenereincrementi di produzione di una percentuale che oscilla tra il 29 e il 32%, arrivandofino a quasi il 50% in piu con accelerazione infinita.

Il terzo caso fornisce un’altra serie di dati molto interessanti (figura 3.4): inquesto caso l’annullamento dei tempi di spostamento rapido porterebbe a un in-cremento di oltre il 40% della produzione. Mantenendosi su valori di accelerazioneeffettivamente realizzabili, quindi compresi tra i 20 e i 30 m/s2 si ottengono deipromettenti incrementi di produttivita, oscillanti tra il 29 e il 31%.In questo caso il grafico e stato ottenuto considerando una corsa di 347 mm; il tem-

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Figura 3.2: Ciclo n◦1: Percentuale pezzi prodotti in funzione dell’accelerazione

Figura 3.3: Ciclo n◦2: Percentuale pezzi prodotti in funzione dell’accelerazione

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Figura 3.4: Ciclo n◦3: Percentuale pezzi prodotti in funzione dell’accelerazione

po di spostamento rapido considerato pari al 100% ammonta al 29,5% dell’interotempo ciclo (30,5 s).

Con l’attuale standard delle movimentazioni, fissare il target dell’accelerazionetra i 20 e i 30 m/s2 permette di contenere i costi del macchinario entro livelli accetta-bili. Assumendo questi valori di accelerazione, si ottengono tempi di spostamento evelocita di esecuzione delle corse pari a quelle indicate intabella 3.3.

Corsa Tempo [s] Velocita [m/s] ([m/min]) Accelerazione [m/s2]

276 0,210 1,31 (79) 25

418 0,259 1,61 (97) 25

347 0,236 1,47 (88) 25

Tabella 3.3: Velocita medie e tempi

3.3.2 Precisione e ripetibilita

Uno dei settori di maggior utilizzo dei transfer cella e quello automotive, nelquale si presta grande attenzione alla precisione e alla ripetibilita di esecuzionedei pezzi. Abbiamo riportato l’esempio della macchina dotata di un sistema dirilevazione automatica di alcune quote di interesse, per l’ottimizzazione della pro-duzione. Grazie anche ai colloqui intercorsi con gli utilizzatori, possiamo fissare unlimite di precisione/ripetibilita nell’esecuzione, che e compreso tra i 3 e gli 8 µm.

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3.4 Conclusioni

Sono di seguito raccolte le caratteristiche che un transfer cella flessibile ad altadinamica dovrebbe avere:

Architettura macchina: progettata per raggiungere elevate prestazioni

dinamiche: basse vibrazioni

Unita: Centro di lavoro a cnc

Volume lavorabile: cubo lato 300 mm

Velocita massima assi: 100 m/min

Accelerazione massima assi: 30 m/s2

Precisione/ripetibilita: 3 ÷ 8 µm

Materiali lavorati Acciaio, Ghisa, Alluminio, Ottone

Dry cutting: strutture predisposte al taglio a secco o

lubrificazione minimale

Cambio utensili veloce con magazzino esterno

Evacuazione trucioli ottimizzata

Tabella 3.4: Specifiche di progetto

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Capitolo 4

Utilizzo di azionamenti con motori

rotativi

4.1 Introduzione

Il progetto di una qualsiasi macchina azionata da un motore elettrico, costituisceun problema che implica la scelta:

• del motore (relativamente alla gamma di prestazioni);

• della connessione tra motore e resto dell’apparecchiatura;

• della apparecchiatura di controllo.

Tale scelta coinvolge, a sua volta, una serie di parametri quali:

• potenza da fornire al motore;

• limiti di ingombro;

• velocita e accelerazioni massime del sistema;

• costi;

• esigenza di produzione; condizioni ambientali.

Obiettivo finale del progetto e quello di effettuare una scelta che realizzi ilcompromesso ottimo fra tutti i suddetti parametri.

La scelta del tipo di motore e la scelta del tipo di trasmissione sono problemifra loro interconnessi e quindi sono da affrontare come un unico problema in cui enecessario soppesare l’influenza di tutti i parametri.

Per operare tale valutazione e necessario conoscere i vari metodi di connessionemeccanica, con i relativi pregi e difetti, nonche tutti gli altri fattori che guidano allascelta finale del motore appropriato.

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4.2 Tecniche di azionamento

Da oltre un decennio il motore Brushless ha praticamente soppiantato il motorein corrente continua: il suo successo e legato al notevole progresso compiuto dal-l’elettronica di potenza. Il nome (Brushless = senza spazzole) gli deriva dal fattoche esso puo essere paragonato ad un motore a corrente continua in cui il commuta-tore meccanico (il collettore a lamelle) sia stato sostituito da un opportuno circuitodi commutazione elettronico. Il funzionamento, come noto, si basa sul sincronis-mo tra la posizione angolare del rotore (a magneti permanenti) e quella del campomagnetico generato dall’avvolgimento trifase di statore. Grazie all’utilizzo di mod-erni invertitori a tensione impressa, che permettono di variare sia l’ampiezza chela frequenza della tensione di alimentazione del motore, e cosı possibile regolare inmaniera pressoche continua sia la coppia che la velocita dell’azionamento.

4.3 Sistemi di connessione fra sistemi e macchine

La trasmissione del moto fra il motore e il resto della macchina puo essererealizzata in vari modi:

Accoppiamento diretto fra albero motore e albero macchina: questo sistema eadottato quando la velocita dell’albero macchina e uguale a quella del motore.

Accoppiamento con rapporto di trasmissione: adottato per ottenere il desidera-to rapporto fra la velocita di rotazione del motore e quella dell’albero macchina.

esso puo essere realizzato per mezzo di cinghie, oppure per mezzo di trasmissioni acatena o ingranaggi. Il rapporto di velocita e inversamente proporzionale al numerodi denti che si hanno sui due ingranaggi, o comunque inversamente proporzionale alrapporto fra i raggi delle ruote che azionano la cinghia o la catena. In alcuni casi sipuo ottenere un rapporto di velocita variabile adottando piu pulegge o ingranaggidi vario diametro, fra i quali selezionare di volta in volta quello da accoppiare almotore.

I parametri che influenzano la scelta del tipo di trasmissione sono:

• rapporto di velocita desiderato;

• carico massimo da azionare;

• sicurezza della trasmissione;

• ingombri;

• rumore;

• costi di manutenzione;

• costo iniziale del gruppo motore-trasmissione.

62

A parita di potenza del motore, la coppia richiesta (che il motore deve fornire)diminuisce all’aumentare della velocita angolare del rotore.

Del resto realizzare coppie elevate e costoso, dal momento che e necessario siaaumentare gli avvolgimenti (aumentando cosı il flusso magnetico), sia aumentarele sezioni dei nuclei per consentire il passaggio del flusso magnetico. E per questomotivo che un motore risulta tanto meno costoso quanto piu aumenta la sua velocitadi rotazione (e quindi si riduce la coppia). Di fatto, cio e vero solo entro certi limiti,perche, superata una certa velocita angolare, i costi del dimensionamento del rotoreper metterlo in grado di sopportare le elevate forze centrifughe, superano i risparmifatti nel rame e nel ferro.

In pratica il motore piu economico e quello che ha una velocita di rotazione che siaggira intorno ai 1500 giri/min; molto spesso e conveniente impiegare un motore convelocita di rotazione di 1500 o 3000 giri/min e accoppiarlo a un opportuno gruppodi trasmissione.

In generale nelle macchine transfer si deve provvedere alla movimentazione dicarri sui quali e montato il mandrino e alla motorizzazione del mandrino stesso. Nelprimo caso le velocita di rotazione degli alberi macchina (in genere viti a ricircolodi sfere) e dell’ordine di 3000 giri/min; nel caso dei mandrini la velocita deve poteressere fatta variare in funzione delle lavorazioni che si stanno eseguendo, andandoda poche centinaia di giri al minuto a diverse migliaia.

Nei casi in cui l’albero della macchina deve ruotare a una velocita compresa trai 10 e i 500 giri/min, e conveniente adottare dispositivi che consentano di ridurre lavelocita della macchina rispetto a quella del motore, preferibilmente utilizzando deiriduttori a ingranaggi. Il costo di questi dispositivi puo essere molto alto rispettoalla trasmissione a cinghia, ma assicurano notevoli vantaggi, che vedremo in seguito.

Quando la velocita di rotazione dell’albero macchina e prossima ai 1000 giri/min,e piu conveniente adottare un motore da 1000 giri/min accoppiato direttamente alresto della macchina, piuttosto che un motore piu veloce con meccanismi di trasmis-sione.

63

4.4 Sistemi di trasmissione

4.4.1 Trasmissione a cinghia

La trasmissione a cinghia e il sistema di connessione motore-macchina piu eco-nomico. Parametri di progetto sono:

• Rapporto fra le velocita;

• dimensioni delle pulegge;

• distanza fra i centri delle pulegge;

• tipo di cinghia;

• dimensioni della cinghia;

• velocita della cinghia;

• numero di pulegge;

• impiego di pulegge di rinvio;

• slittamento.

Il massimo rapporto fra le due velocita ottenibile con una trasmissione a cinghia elimitato dalle dimensioni con cui si possono realizzare in pratica le pulegge, dall’arcodi contatto della cinghia nella puleggia piu piccola, e dalla distanza a cui devonotrovarsi le pulegge tra loro.

Il limite inferiore delle dimensioni che puo assumere una puleggia e dato dallesollecitazioni che possono sopportare i cuscinetti e l’albero del motore: esse au-mentano quando il raggio della puleggia diminuisce. Inoltre va sempre tenuto inconsiderazione l’arco minimo di ricoprimento della puleggia, che non deve scendereal di sotto di certi valori, onde evitare che non vi sia sufficiente superficie di contattotra cinghia e puleggia per un’adeguata trasmissione di potenza.

L’adozione di cinghie dentate in particolari materiali plastici, rinforzate concavi d’acciaio o altro, ha permesso il superamento dei difetti delle cinghie piatteo trapezie, le quali denunciavano evidenti limiti nella trasmissione di potenza e nellevelocita periferiche raggiungibili. Erano inoltre imprecise e quindi inaffidabili pertalune applicazioni, per via dell’inevitabile slittamento al quale erano soggette.

4.4.2 Trasmissioni a catena

La trasmissione a catena non e praticamente mai utilizzata nelle macchine trans-fer e si riporta solo per completezza.

Rispetto alle trasmissioni a cinghia e piu pesante, piu rumorosa, piu costosa; eutilizzata per velocita inferiori. D’altro canto e piu precisa e sopporta carichi moltopiu elevati.

64

4.4.3 Trasmissioni a ingranaggi

La trasmissione a ingranaggi e sicuramente quella che offre maggior precisionee rigidezza: richiede ingombri minori ma, di contro, e piu costosa e piu rumorosarispetto alle precedenti. I parametri di cui si deve tener conto nella scelta (o nelprogetto) di una trasmissione a ingranaggi, sono i seguenti:

• rapporto di velocita;

• dimensioni degli ingranaggi;

• velocita;

• ingombri;

• rumorosita.

Il massimo rapporto fra le velocita che si puo ottenere con una singola coppia diingranaggi e di circa 10:1, ma adottando piu stadi di riduzione e possibile ottenereuna gamma praticamente infinita di rapporti.

L’impiego di una trasmissione a ingranaggi e raccomandabile in tutti i casi in cuicondizioni di slittamento, elasticita o frenatura rendano pericolosa l’adozione dellecinghie (o delle catene) oltreche in tutti i casi in cui si voglia ottenere un elevatorapporto fra velocita del motore e velocita dell’albero macchina.

65

4.5 Fattori guida nella scelta del motore

4.5.1 Parametri di riferimento

I parametri a cui e necessario fare riferimento per scegliere il tipo di motore sonosostanzialmente suddivisibili nei quattro gruppi sottoelencati:

1. Tipo di alimentazione

a. Tipo di sistema: in c.c. o in c.a.; numero di fasi; frequenza;

b. tensione e frequenza di esercizio;

c. effetti del motore sulla rete che lo alimenta;

d. potenza da installare.

2. Requisiti della macchina azionata

a. velocita;

b. struttura meccanica;

c. potenza e coppia da trasmettere;

d. condizioni di esercizio particolari.

3. Condizioni ambientali

a. temperatura ambiente;

b. tipo di clima e atmosfere particolari;

c. eventuale funzionamento in presenza di acqua;

d. silenziosita.

4. Omologazioni standard di qualita

1 a. Sistema di alimentazione

Il sistema di alimentazione puo essere determinante per il tipo di motore daadottare. Per certe applicazioni puo essere indifferente l’impiego di un motore incorrente continua o in corrente alternata; pero nei casi in cui e necessario disporre diuna elevata gamma di velocita, oppure si deve far fronte a grosse variazioni dei regimidi rotazione, puo risultare conveniente adottare un motore in corrente continua,predisponendo le opportune apparecchiature di conversione di energia elettrica qualiraddrizzatori controllati o non controllati e chopper.

Quando le caratteristiche del servizio sono tali da rendere preferibile l’uso dimotori in corrente continua (a esempio azionamenti che richiedono velocita variabile,come gli utensili; servizi in cui si hanno frequenti avviamenti con elevate coppie dicarico; servizi che richiedono reversibilita nella rotazione come la movimentazionedegli assi) e il sistema di alimentazione e in corrente alternata, e necessario collocaredei convertitori di energia elettrica.

66

1 b. Tensione e frequenza di esercizio

I dati relativi alla tensione di esercizio e alla frequenza (nel caso di alimentazionein c.a.) devono essere conosciuti al fine di operare una scelta esatta sia per quantoriguarda il motore, sia per quanto riguarda l’apparato di controllo. Di norma siconsiderano 380 V a 50 Hz.

1 c. Effetti del motore e dei sistemi di controllo sulla rete di alimentazione

Nella scelta del motore e necessario tener conto di come esso e i relativi controllipossano influenzare, da un punto di vista elettrico, il funzionamento della rete a cuisi allacciano. La corrente assorbita da un motore raggiunge valori particolarmenteelevati durante la fase di avviamento; e necessario contenere tali picchi, perche essinon provochino eccessive variazioni di potenza assorbita dalla rete, ed eccessivecadute di tensione. Infatti, tali variazioni, se troppo elevate, possono alterare lenormali condizioni operative dell’impianto.

1 d. Limiti di potenza

Quando le esigenze di servizio impongono di scegliere azionamenti a velocita re-golabile, e necessario valutare il carico energetico in relazione alla potenza necessaria.Questo consente sia di scegliere il tipo di motore, sia di decidere se adottare motoria velocita variabili oppure motori a velocita costante, equipaggiati con trasmissionimeccaniche in grado di far variare il rapporto di velocita dell’albero macchina.

2 a. Requisiti di velocita

Un parametro molto importante nella scelta del motore riguarda il campo diregolazione della velocita che si puo applicare alla macchina azionata (adeguamentodella velocita al carico).

Infatti ciascun tipo di motore presenta le proprie peculiarita in termini di rego-lazione della velocita.

Velocita istantanea, numero di velocita ottenibili e campo di regolazione dellavelocita sono fattori determinanti che devono essere valutati al momento in cui siscelgono il tipo di motore e il tipo di trasmissione. La regolazione fine della velocitae utile nelle applicazioni quali le macchine utensili, dato che e prevedibile che visiano elevate punte di carico: i campi di regolazione della velocita permettono almotore di rallentare quando il carico aumenta, in modo da poter aumentare lacoppia trasmissibile.

2 b. Struttura meccanica della macchina pilotata

Anche la struttura della macchina ha la sua importanza nella determinazionedel motore da adottare. Posizione di funzionamento, frequenza delle inversioni dimarcia, peso della macchina (e quindi dei motori su di essa installati), sono fattoriche possono influenzare la scelta del motore.

67

2 c. Requisiti di coppia e potenza della macchina

Tali parametri sono quelli che praticamente impongono il tipo di motore, le sueprestazioni e il tipo di controllo da operare su di esso. Un compito particolarmentedelicato, data la sua importanza all’interno del progetto, e quello relativo al calcolodella potenza nonche della coppia allo spunto e a regime. Non e sufficiente avereun motore in grado di fornire la potenza e la coppia adeguate in condizioni diregime, esso deve essere in grado di fornire una coppia motrice che sia sufficientead avviare la macchina anche quando le condizioni di carico sono particolarmentegravose. La determinazione esatta di questi parametri e frutto dell’esperienza e sarariportata, per la macchina transfer in esame, nel capitolo ”Dimensionamento dellacatena cinematica”.

2 d. Condizioni d’esercizio

Qualunque condizione d’esercizio dev’essere valutata, al fine di operare la migliorescelta: ad esempio, alcune applicazioni sottopongono i cuscinetti dell’albero motorea sollecitazioni non consone, per cui e possibile prevedere motori speciali o sistemidi sostegno che li sgravino dell’eccesso di carico; per alcuni utensili di precisione enecessario che le vibrazioni del motore utilizzato abbiano ampiezza contenuta, alfine di migliorare la qualita della lavorazione.

3 Condizioni ambientali

I parametri ambientali che influenzano il funzionamento del motore sono quellicostituiti da: temperatura, tipo di atmosfera, umidita dell’aria. In certe appli-cazioni il motore si trova a essere immerso oppure investito da getti d’acqua. Ancheil grado di silenziosita del motore puo essere migliorata con l’utilizzo di sistemifonoassorbenti.

4 Omologazioni e standard di qualita

Tutti i motori devono essere conformi agli standard internazionali fissati.

68

4.6 Dimensionamento della catena cinematica

Nella progettazione delle macchine automatiche ad azionamento elettrico, la pos-sibilita di ottenere il ciclo di lavoro dipende dalla corretta scelta del gruppo motoree trasmissione destinato alla movimentazione del sistema. La scelta avviene, di nor-ma, considerando un ciclo tipico dell’utilizzatore. Dato che la scelta del rapporto diriduzione influenza sia le velocita sia le coppie motrici, la scelta del motore non puoessere svincolata dalla scelta di un corretto rapporto di trasmissione e viceversa.

Nei casi di cicli a elevata dinamica, non e significativo riferirsi alla potenza nomi-nale del motore. Per verificare se un motore e adatto ad azionare un dato carico enecessario verificare che il motore (eventualmente con il riduttore) possa soddisfaresia la coppia di picco, sia quella termica (continuativa o quadratica media).

Figura 4.1: trappresentazione schematica di una catena cinematica di tipo

convenzionale

Nel campo delle macchine transfer di un certo livello qualitativo, gli attualisistemi di automazione fanno uso di motori rotativi di tipo brushless. La catenacinematica con cui essi sono collegati al carico e, generalmente, composta da unavite a ricircolo di sfere, collegata direttamente, o mediante l’interposizione di undispositivo riduttore, che puo essere un riduttore a ingranaggi o una trasmissione acinghia dentata. La vite a ricircolo di sfere presenta una rigidezza notevole, accom-pagnata da un grado di usura poco marcato, grazie alla presenza del ricircolo dellesfere. L’attrito pone comunque dei limiti di funzionamento. In primo luogo le sferenon devono superare un valore massimo di velocita imposto dal costruttore. Talesuperamento provocherebbe, infatti, un surriscaldamento tale delle sfere da causarnel’invecchiamento precoce. Inoltre, a causa dell’usura, sono necessari interventi perio-dici di manutenzione e, al limite, la sostituzione del pezzo. Questo avviene tantopiu frequentemente quanto piu e elevato il ciclo di lavoro a cui e sottoposta la vite.Anche la trasmissione, a ingranaggi o con cinghia dentata, ha insiti fenomeni diusura e di elasticita.

Nella tabella 4.1 si riportano le principali relazioni che interessano la trasfor-mazione del moto da rotatorio a traslatorio e che verranno utilizzate nel dimensiona-mento del motore per il transfer cella.

Il significato dei simboli utilizzati e riportato nella tabella 4.2.

69

Velocita di rotazione del motore [giri/min] nm =v · 103

p · i

Velocita di rotazione criticadella vite [giri/min] nk = K1 · 106 ·

d

l2

Forza media agente sulla vite [N ] 3

√

∑

i

Fi3 ·

ni

n·qiqtot

Momento d’inerzia di massatraslatorio [kgm2] JT = mT ·

( p

2 · π

)2

· 10−6

Momento d’inerzia di massarotatorio [kgm2] JR = π·ρ·d4

·l·10−3

32

Somma dei momenti d’inerziaridotti [kgm2] J = JM + J1 + i2 · (JR + JT + J2)

Disaccoppiamento delle inerzie disacc. =J

JM

Accelerazione massima fornitadal motore [m/s2] a =

C · η · p · i · 10−3

J · 2 · π

Tabella 4.1: Formule di trasformazione moto rotatorio - moto traslatorio

Nel dimensionare il sistema si e tenuto conto delle prestazioni medie attuali dellemovimentazioni indirette. In particolare si e assunto che la velocita massima nonsuperasse i 20 m/min. Questo valore non corrisponde, evidentemente, al targetindividuato nel Cap. 3 quale obiettivo per il transfer cella a elevata dinamica. Ineffetti i motori rotativi normalmente usati a livello industriale non offrono prestazionicosı elevate. E stato quindi necessario fissare l’attenzione su un valore di velocitareale che comunque gia corrisponde a una situazione di ottimo, almeno per i sistemitradizionali.

La massa traslante e quella di un centro di lavoro realizzato e applicato da uncostruttore di macchine transfer. La movimentazione dell’asse X ha una corsa utiledi 350 mm e deve sopportare l’intera massa del centro di lavoro, pari a circa 1500

70

a Accel. max fornita dal motore [m/s2]

Cn Coppia nominale del motore [N/m]

d Diametro vite [m/s2]

Fi Forza che si scarica sulla vite nella i -esima fase[N]

i Rapporto di riduzione

J Momento d’inerzia di massa totale [kgm2]

J1 Momento d’inerzia di massa della ruota motrice del riduttore [kgm2]

J2 Momento d’inerzia di massa della ruota condotta del riduttore [kgm2]

JM Momento d’inerzia del motore [kgm2]

JR Momento d’inerzia di massa rotatorio [kgm2]

JT Momento d’inerzia di massa traslatorio [kgm2]

K1 Coeff. di vincolo della vite

l Lunghezza della vite [mm]

mT Massa di carico movimentata linearmente [kg]

ni Velocita di rotazione della vite nella i -esima fase [giri/min]

nK Velocita di rotazione critica della vite [giri/min]

n Velocita di rotazione media della vite [giri/min]

nM Velocita di rotazione del motore [giri/min]

η Rendimento del motore

p Passo della vite [mm]

qi durata della fase i -esima [s]

qtot durata del ciclo di lavoro [s]

ρ densita del materiale [kg/m3]

v velocita di traslazione del carro [m/min]

Tabella 4.2: Significato dei simboli di Tab 4.171

kg, valore cautelativo; la movimentazione dell’asse Y avra una corsa di 350 mm,sopportera un peso di circa 1100 kg. Infine l’asse Z avra una corsa di 200 mm, unpeso di 400 kg e lo si considerera sottoposto anche alla forza di taglio derivantedalle lavorazioni di asportazione truciolo. Il dimensionamento verra eseguito soloper questo asse, con degli accorgimenti che permettano di estendere la validita delragionamento anche agli altri assi.

4.6.1 Unita di lavorazione

Ipotesi sul ciclo di lavorazione

L’unita e destinata a lavorare pezzi in acciaio; in fase di dimensionamento e beneconsiderare un ciclo abbastanza spinto, a favore della sicurezza. Si ipotizza che ilciclo possa essere della durata di 8,5 secondi, in cui si abbiano tre fasi:

fase A: lavorazione durata: 5 sec.;

fase B: avanzamento e ritorno in rapido durata: 1 sec;

fase C: sostituzione dell’utensile (unita ferma) durata: 2,5 sec.

Fase A - lavorazione

Si considerino i seguenti parametri di taglio:

n = 3200 giri/min vel. rotazione mandrino,

vt = 100 m/min vel. di taglio;

a = 0, 25 mm/giro avanzamento al giro;

p = 10 mm profondita di taglio;

s = a · p = 2, 5 mm2 sez. di truciolo;

kC 1.1 = 1500 materiale C45E (UNI-EN 10025).

k = 2, 7 kN/mm2

Con i quali si va a determinare le forze di taglio e la potenza assorbita durantela lavorazione:

Le componenti della forza di taglio sono:

F1 = k · s(1−w) = 2, 7× 2, 5(1−0,19) = 5, 7kN (4.1)

F2 = 0, 40 · F1 = 0, 40× 5, 7 = 2, 3kN (4.2)

F3 = 0, 30 · F1 = 0, 30× 5, 7 = 1, 7kN (4.3)

essendo:

{

Fi le componenti lungo le tre direttrici principali,

w un parametro sperimentale, pari a 0,19 per l’acciaio.

72

A questo punto e possibile ricavare la potenza assorbita :

P =F1 · vt60

·1

η=

5, 7 · 10060

·1

0, 8= 12kW (4.4)

ove:

{

η = 0, 8 e assunto come rendimento.

4.6.2 Scelta della vite

Poiche il calcolo verra fatto sul solo asse Z, si ipotizzera che anche in questocaso la corsa valga 350 mm. Di norma la lunghezza della vite e maggiorata del 20%rispetto alla corsa utile e, per questo, la vite scelta ha lunghezza di 420 mm. Data lalunghezza ridotta della vite, la velocita critica e largamente superiore alla massimavelocita richiesta dal carico.

Figura 4.2: Sezione di una vite a ricircolo di sfere

La scelta del diametro vien fatta, dunque, in funzione della forza media agente sudi essa. Scegliendo un diametro pari a 40 mm e un passo pari a 10 mm, si raggiungeun buon compromesso tra velocita e resistenza. Dalle formule precedentemente ri-portate si ricava la velocita critica della vite, maggiore di 12.000 giri/min (figura 4.3)e la velocita massima di lavoro, che per spostamenti effettuati a 20 m/min vale 2000giri/min.

Si e supposto che la vite fosse vincolata solo a un estremo, mediante una cartucciadi cuscinetti di commercio (figura 4.4). Si veda la tabella per il coefficiente “K1”.Le forze che si scaricano sulla vite sono:

• dovute alle inerzie dell’unita e del motore in fase di accelerazione/frenatura;

• conseguenti alla forza di taglio dell’utensile in fase di lavorazione.

73

Figura 4.3: Diagramma delle velocita critiche in funzione del diametro e della

lunghezza libera

Per poter garantire la validita del dimensionamento a tutti e tre gli assi, siconsiderera l’inerzia gravante sull’asse X, dovuta a una massa di ∼ 1400 Kg.Facendo riferimento al ciclo di lavorazione poc’anzi descritto, dovremo considerarei seguenti valori:

• fase A: lavorazione

– tempo di lavoro qA = 5 s;

– forza di lavoro FA = 2, 3 × 1, 9 = 4, 5 kN (assiale); con 1,9 fattore diservizio.

– Vel. di lavoro vA = 25 mm/s.

• fase B: avanzamento e ritorno in rapido

– tempo di accelerazione qB = 0, 5 s;

– forza di accelerazione FB = 1400 kg × 5 m/s2 = 7 kN ;

– vel. di rapido vB = 335 mm/s.

• fase C: sostituzione dell’utensile (unita ferma)

– tempo di sost. utensile qC = 2, 5 s;

– forza di sost. utensile FC = 0;

74

Figura 4.4: Coefficienti di sicurezza in funzione della tipologia di montaggio della

vite

– vel. di sost. utensile vC = 0.

La velocita media della vite durante il ciclo e pari a:

v =350

8, 5' 42mm/s⇒ n = 250 giri/min (4.5)

Verifica di resistenza della vite

Le velocita di rotazione della vite durante il ciclo sono le seguenti:

nA =25 · 6010

= 150 giri/min (4.6)

nB =335 · 60

10= 2010 giri/min (4.7)

nC = 0 = 0 giri/min (4.8)

La forza media che agisce sulla vite, applicando la formula riportata in tabella 4.1,risulta essere:

F = 3

√

FA3 ·

nA

n·qAqtot

+ FB3 ·

nB

n·qBqtot

=

75

= 3

√

45003 ·150

250·

5

8, 5+ 70003 ·

2010

250·

1

8, 5= 7090 N (4.9)

Per una vite di questo diametro e passo, il coefficiente di carico dinamico am-missibile, fornito dal costruttore, e pari a: CAM = 52051 N .

La durata della vite, espressa in numero di rotazioni, e dunque pari a:

L =

(

CAM

F

)3

· 106 =

=

(

52051

7090

)3

· 106 = 3, 95 · 108 [n◦ rotazioni] (4.10)

che in ore vale:

Lh =L

n · 60=

=3, 95 · 108

250 · 60> 26.000 [ore] (4.11)

Tale valore e decisamente buono, considerato il fatto che il calcolo e stato ese-guito considerando un mix di forze che, nella realta non potra scaricarsi sulla vitecontemporaneamente, riguardando, nel complesso, assi differenti.

76

4.6.3 Scelta del motore

Si e deciso di uniformare le motorizzazioni dei tre assi di movimentazione del cen-tro di lavoro, ottimizzando la logistica produttiva e la ricambistica, anche a costo diaffrontare una spesa iniziale leggermente superiore dovuta al sovradimensionamentodell’attuatore rispetto al carico.

La scelta si e indirizzata verso un motore brushless sinusoidale con le seguenticaratteristiche:

Coppia Nominale 20, 5Nm,

Coppia di picco 61, 5Nm,

Coppia di stallo a 60K 36Nm,

Velocita Nominale 2500giri/min,

Momento d’inerzia 0, 0105kgm2,

Corrente Nominale 27, 5A,

Peso (senza freno) 29kg,

Questo tipo di motore, prodotto dalla Siemens, appartiene alla serie 1FK7, ap-positamente studiata per applicazioni di automazione industriale ad alta dinamica.

Figura 4.5: motore brushless

Come detto, per la scelta del motore non e significativo riferirsi alla coppia nomi-nale. Per verificare se un motore e adatto ad azionare un dato carico e necessarioverificare che il motore possa soddisfare sia la coppia di picco, sia quella termica(continuativa o quadratica media).

Avendo a disposizione un gran numero di motori e rapporti di riduzione, puoessere molto oneroso verificare tutte le combinazioni possibili. E utile sviluppareuna metodologia che consenta di ridurre il piu velocemente possibile il ventaglio dipossibilita.

A questo riguardo e molto comodo effettuare una prima selezione del motoresfruttando la coppia termica (detta RMS): ogni motore puo essere contraddistintoda un parametro α = C/

√J che dev’essere inferiore a un corrispondente parametro

β dipendente esclusivamente dal carico (coppia resistente, ciclo di movimentazione).

77

Infine sono da escludere tutti quei motori la cui coppia massima non sia mag-giore a quella richiesta istantaneamente. E bene sottolineare che la coppia di piccodipende da diversi fattori, a seconda della tipologia del motore; generalmente e fun-zione della massima corrente erogabile dall’azionamento, anche se il motore potrebberaggiungere livelli di coppia superiore, limitati solo dalla corrente massima di smag-netizzazione. La coppia di picco e limitata anche temporalmente dall’erogazione dicorrente di picco dell’azionamento, generalmente per tempi corrispondenti a qualchedecina di millisecondi.

Per aiutare la scelta del motore si e realizzato un foglio di calcolo in cui sonostate riassunte le principali formule sopra descritte. Per il caso in oggetto il fogliodi calcolo elaborato e quello rappresentato in figura 4.6:

Figura 4.6: Foglio di calcolo per la scelta del motore

Da questo foglio di calcolo si vede che, a fronte di una coppia a regime e RMSmolto basse e ampiamente al di sotto di quelle erogabili dal motore, la coppia dipicco richiesta in accelerazione e pari alla coppia massima erogabile dal motore. Ildisaccoppiamento delle inerzie e prossimo a 1.

Con motori di taglia superiore si hanno a disposizione coppie molto piu elevate

78

che non vengono utilizzate, mentre l’utilizzo di motori di taglia inferiore e impossibileper via della coppia di picco richiesta in fase di accelerazione.

4.6.4 Scelta del riduttore

A parita di velocita del carico e di potenza richiesta, il riduttore permette dirisparmiare sul dimensionamento in coppia del motore, inoltre riduce le inerzie aesso riportate. Si e quindi provveduto a scegliere un rapporto di riduzione che con-sentisse di filtrare le inerzie del carico, che e risultato essere pari a 1/1,25. E unrapporto di riduzione molto basso, realizzato mediante una trasmissione a cinghia.Anche la cinghia dentata dev’essere dimensionata correttamente, affinche sia in gra-do di trasmettere la potenza disponibile. Sara tralasciato, in questa sede, il calcolodi dimensionamento.

4.7 Sensibilita alla variazione dei parametri di di-

mensionamento

Per valutare piu approfonditamente l’influenza di alcuni parametri sulle prestazionidel sistema, si e provveduto a rifare i calcoli facendone variare il valore, tenendocome riferimento il disaccoppiamento e la massima accelerazione permessa dallamovimentazione. Sono stati considerati i seguenti parametri:

• massa del carico;

• presenza, o meno, del riduttore;

• diametro e passo della vite

Di seguito sono riportati i risultati ottenuti.

4.7.1 Sensibilita del sistema alla variazione di carico

Sono stati considerati diversi valori di carico, per tenere in considerazione il fattoche la stessa catena cinematica viene utilizzata su assi diversi. In particolare, si e con-siderata una diminuzione a 400 kg della massa per avere dei dati sul comportamentodell’asse Z; si e aumentata la massa del 25%, per evidenziare il comportamento incaso di malfunzionamenti. Con un carico di 1750 kg il disaccoppiamento e salito del11%, mentre l’accelerazione e scesa del 6%. Diminuendo la massa a 400 kg (-70%)si e avuta una diminuzione del 30% del disaccoppiamento e un aumento del 20%dell’accelerazione massima. In questo caso si puo pensare di ottimizzare il rapportodi trasmissione, aumentando leggermente la velocita dell’asse.

Grazie al filtraggio delle inerzie la variazione della massa del carico non producegravi incrementi del disaccoppiamento. Il sistema e quindi sufficientemente insensi-bile alle variazioni del carico, almeno nella misura in cui queste avvengono entro un

79

range di interesse.Per lo stesso motivo anche l’accelerazione massima e poco influenzata dal valore delcarico.

In figura 4.7 e riportato il grafico che rappresenta l’andamento della massimaaccelerazione in funzione della massa di carico.

Figura 4.7: Andamento del”accelerazione in funzione della massa del carico

4.7.2 Sensibilita del sistema alla presenza del riduttore

Con il riduttore si ottengono disaccoppiamenti migliori, poiche esso permette diridurre le inerzie del carico di un fattore pari al quadrato del rapporto di riduzione.Nel caso in oggetto il riduttore non interviene pesantemente nel dimensionamen-to della catena cinematica e la sua eliminazione introdurrebbe un aumento deldisaccoppiamento accettabile.

4.7.3 Sensibilita del sistema alla variazione del diametro e

del passo della vite

Il diametro della vite e stato scelto in funzione dei carichi e della vita me-dia e quindi una sua variazione comporta necessariamente una riverifica di questiparametri. In linea di principio, diminuendo il diametro della vite migliorano le

80

prestazioni in termini di accelerazione, ma diminuisce la velocita critica. Per con-tro, aumentando il diametro aumenta la velocita critica della vite, mentre scendel’accelerazione, penalizzando eccessivamente la dinamica del sistema. Il passo del-la vite influisce sul carico come un rapporto di riduzione: diminuendo il passo siaumenta la precisione del sistema, ma si diminuiscono le prestazioni dinamiche conuna riduzione delle velocita di traslazione e un aumento delle coppie; l’aumento delpasso, viceversa, favorisce i valori dinamici del sistema a scapito della risoluzione diposizionamento.

4.8 Conclusioni

Numerose prove sperimentali, riportate in letteratura, ed esperienze dirette dicostruttori, permettono di concludere che i sistemi con motori rotativi sono in gradodi fornire accelerazioni intorno ai 10 m/s2 senza particolari problemi di overshoot edi assestamento.

Per quanto riguarda la velocita massima, e invece opportuno fermarsi a dei valoriprossimi ai 30 m/min per non trovarsi di fronte a eccessivi errori di posizionamento.

E dunque evidente che con motori rotativi si e ben lontani dai target di ac-celerazione e velocita imposti come specifiche di progetto per il transfer a elevatadinamica. Per rispondere all’esigenza di una riduzione convincente dei tempi passividi posizionamento degli assi, e necessario affrontare il problema con motorizzazioniche consentano prestazioni molto piu elevate.

81

Capitolo 5

I motori lineari

5.1 Introduzione

Negli ultimi anni si e assistito ad una progressiva tendenza verso la semplifi-cazione delle strutture cinematiche delle macchine utensili e la diffusione di motoriz-zazioni dirette (sia di tipo lineare che rotante) e andata progressivamente amplian-dosi.

La richiesta di prestazioni e produttivita sempre piu elevate unita allo svilup-po di innovative tecniche di controllo, ha messo in discussione i tradizionali sistemidi trasmissione meccanici. Questi ultimi (basati, come abbiamo descritto nei capi-toli precedenti, su cinghie, ingranaggi, viti a ricircolo di sfere nonche su alberi,cremagliere e giunti di vario genere) costituiscono una sorta di “collo di bottiglia”all’interno del ciclo di lavorazione. I vincoli si possono sintetizzare in termini di:

• notevole inerzia delle parti meccaniche e quindi ridotte prestazioni dinamicheottenibili;

• scarsa rigidita, presenza di giochi variabili e non linearita che limitano l’effi-cienza dei sistemi di regolazione;

• generazione di calore prodotto dagli attriti e dai precarichi, con conseguentecaduta del rendimento della catena cinematica e insorgenza di fenomeni didilatazione termica che si ripercuotono sulla precisione e sulla ripetibilita dilavorazione;

• velocita massime limitate dalle velocita periferiche limite delle sfere, dellachiocciola e degli altri componenti della trasmissione;

• usura delle parti meccaniche soggette ad attrito con conseguente riduzione diproduttivita dovuta ai fermi macchina legati agli interventi di manutenzionestraordinaria e/o programmata.

Appare allora chiaro come la semplificazione della catena cinematica, ottenu-ta con l’impiego di “motorizzazioni dirette”, sia una premessa indispensabile per

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lo sviluppo delle future generazioni di macchine ad alte prestazioni (in termini diprecisione e produttivita).

Nello stesso tempo anche gli attuatori impiegati devono essere in grado di garan-tire elevate potenze specifiche e una notevole elasticita per quanto riguarda l’erogazionedelle stesse.

5.2 Tipologie di motori lineari

Si parla di questa tipologia di motori in termini di novita tecnologica, ma inrealta essi esistono da circa un secolo: il primo esemplare funzionante di cui siabbiano notizie fu costruito da Wheatstone nel 1945 (figura 5.1).

Figura 5.1: Il motore di Wheatstone.

Essi derivano idealmente dallo sviluppo su un piano degli analoghi motori ro-tativi, opportunamente sezionati lungo una generatrice, come e schematicamentemostrato in figura 5.2.

La classificazione dei motori lineari deve tener conto delle peculiarita fisiche diquesti oggetti (come espresso in tabella 5.1),

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Figura 5.2: Dal motore rotativo al motore lineare.

MOTORI ROTATIVI MOTORI LINEARI

Coppia [Nm] ⇔ Spinta [N ]

Velocita [giri/min] ⇔ Velocita [m/s]

Curve caratteristiche Curve caratteristiche

[Nm vs giri/min] ⇔ [N vs m/s]

Tabella 5.1: confronto delle variabili fisiche

ma peraltro puo avvenire nel classico modo con cui si suddividono i motoritradizionali e dunque in motori a riluttanza fissa, che a loro volta vengono suddivisiin sincroni e asincroni, e motori a riluttanza variabile, normalmente conosciuti come“motori passo-passo” (tabella 5.2)

Principi di funzionamento

Riluttanza variabile ⇒ motori a passo

Riluttanza fissa

{

motori asincroni

motori sincroni

Tabella 5.2: Principi di funzionamento dei motori lineari

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5.2.1 Motori passo-passo - LSTM

Il motore a passo e un trasduttore elettromeccanico che converte impulsi elettricidi comando in avanzamenti elementari programmabili detti “passi”. All’eccitazionedi ogni fase, il sistema si dispone per offrire alle linee di flusso del campo magneticola riluttanza minore, ottenendo cosı il moto incrementale.

Figura 5.3: Motore passo-passo.

t = passo della dentatura,

m = numero di fasi (3 o 4),

p = passo = t2m

.

Il principale vantaggio di questo tipo di motore e quello di poter funzionaread anello aperto, con notevole semplificazione del sistema di controllo e in assenzadei trasduttori di posizione e velocita. Prestazioni statiche e dinamiche superioripossono essere ottenute: sia inserendo un sensore di posizione per realizzare unanello di retroazione (catena chiusa), sia con tecniche di microstepping.

Figura 5.4: Schema di funzionamento di un motore passo-passo.

Questo tipo di motore presenta altresı degli svantaggi non trascurabili:

• vibrazioni e rumorosita causate dal moto incrementale;

• instabilita ad alcune frequenze degli impulsi di alimentazione per possibilifenomeni di risonanza meccanica col carico;

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• difficolta nella realizzazione meccanica di corse lunghe perche il rapporto tratraferro e passo deve essere ridotto (⇒ per avere alta risoluzione il traferrodev’essere di pochi decimi di mm);

• Basse prestazioni sia in velocita sia in spinta

• Forza normale d’attrazione circa 7-10 volte la spinta massima

I principali campi di applicazione di questo tipo di motori sono:

orologeria,

fotocopiatrici,

stampanti e plotter,

sistemi di controllo ottico,

strumenti elettromedicali.

Esistono anche motori passo capaci di muoversi all’interno di un piano, detti perquesto motori X-Y (figura 5.5): l’applicazione tipica di questi motori riguarda lacostruzione di plotter.

Figura 5.5: Motore piano (o motore X-Y)

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5.2.2 Motori asincroni - LIM

I motori asincroni (detti anche a induzione) sono costituiti da un primariocon una serie di avvolgimenti (bifase o trifase) e da un secondario di materialeconduttore.

Figura 5.6: Schema di un motore asincrono

Eccitando opportunamente le fasi del primario con delle correnti sinusoidali, siproduce un campo magnetico traslante con velocita

vs = 2 · f · t

ove:

{

f = Frequenza di alimentazione [Hz],

t = Semipasso polare [m].

Il moto relativo tra l’indotto e il campo magnetico traslante provoca nel primouna f.e.m. che genera delle “correnti indotte”. Queste, a loro volta, generano uncampo magnetico che interagisce con quello generato dal primario, inseguendolo.

Le particolarita del motore asincrono sono dunque le seguenti:

• il motore non puo funzionare in condizione di sincronismo, cioe se c’e coinci-denza tra la velocita del campo traslante e quella dell’indotto (da cui derivala definizione di “asincrono”);

• la parte indotta non deve essere alimentata, per cui il secondario puo esserecostituito dall’oggetto stesso che si vuole muovere [Costruzione aperta].

Le prestazioni dei motori asincroni per uso industriale sono riassunte nella seguente

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Figura 5.7: L’andamento sinusoidale delle correnti sull’induttore

tabella:

Spinte > 2000 N [con bassi valori del ciclo di lavoro],

Accelerazioni di 1 g,

Velocita elevate fino a 50 m/s.

L’assenza di magneti permanenti li rende estremamente convenienti per la re-alizzazione di lunghe corse. Sono molto utilizzati nei sistemi di trasporto civile edindustriale.

Di contro, in questo tipo di motori il controllo risulta complesso: per realizzareil controllo in posizione e necessario utilizzare un comando di tipo vettoriale dellecorrenti nelle fasi del primario. Inoltre:

• Durante il funzionamento puo esserci un’elevata forza normale (repulsiva oattrattiva);

• il rendimento e peggiore rispetto ai motori sincroni;

• a parita di spinta anche l’ingombro e maggiore.

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5.2.3 Motori sincroni - LSM

Per una serie di aspetti positivi, i motori sincroni a magneti permanenti, diret-tamente derivati dal brushless, sono di gran lunga i piu diffusi nel settore dell’au-tomazione industriale. Cio e testimoniato anche della massiccia presenza di prodottidisponibili in commercio.In questa tipologia di motore lineare, la parte primaria (o indotto) e costituita da un

Figura 5.8: Dal motore sincrono rotativo al motore lineare

pacchetto lamellare con avvolgimento trifase in c.a.; la parte secondaria (detta ancheinduttore) e invece composta da un nucleo portante rivestito con magneti permanentia terre rare. Uno qualsiasi dei due puo costituire la parte in movimento. Alternan-do le fasi ed i segni delle correnti all’interno delle tre bobine dell’avvolgimento delprimario, si puo ottenere una spinta costante.

Per garantire lo spostamento desiderato, e necessario che le dimensioni dell’in-dotto e dell’induttore siano differenti. Se il secondario copre la lunghezza dell’asseed e fisso, si parla di motore lineare a “secondario lungo”; nel caso in cui si rendafisso il primario, che dovra dunque coprire la lunghezza della corsa, e si renda mobileil secondario, ci si trovera di fronte a un motore a “induttore (o secondario) corto”.

Nel caso delle applicazioni industriali la soluzione maggiormente adottata e laprima, poiche permette di limitare la potenza persa e l’induttanza, grazie alle ridottedimensioni dell’avvolgimento.

Per limitare i costi dei magneti permanenti, alcune case costruttrici hanno re-centemente messo sul mercato dei motori lineari sincroni a secondario corto, conl’accorgimento di alimentare l’avvolgimento di indotto solo nella zona sottostantel’induttore. In questo modo si limitano le perdite e i valori di induttanza, ma siintroduce una maggiore complessita di gestione del controllo.

Le particolarita del motore sincrono sono dunque le seguenti:

• Per comandare la commutazione e necessario conoscere la posizione del moventerispetto al campo magnetico ed e quindi necessario un sensore di posizione;

• Le correnti nell’avvolgimento possono essere sia trapezoidali che sinusoidali(migliore in termini di inerzia, potenza e peso).

I vantaggi di questo tipo di motorizzazione sono da ricercarsi: nelle elevateprestazioni dinamiche:

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velocita fino a 830 m/min;

accelerazioni superiori a 30 g;

forze di spinta massime che arrivano a 20kN.

Inoltre nella dolcezza del moto, nella qualita del posizionamento [risoluzione,accuratezza, ripetibilita]. A questo si aggiunge il fatto che il sistema di controlloe alimentazione e simile e integrabile con quello dei brushless rotativi, che ormai eda considerarsi uno standard industriale. Rispetto al motore asincrono, poiche ilflusso prodotto dai magneti e maggiore di quello indotto tramite correnti, si ha unrapporto forza/peso piu elevato e la potenza dissipata risulta essere minore grazie al-l’eliminazione dell’avvolgimento induttore. Un altro elemento a favore del sincrono el’ampiezza del traferro: circa 1 mm contro 1/10 mm richiesto dall’asincrono. Questorende piu semplici la progettazione e la realizzazione tecnica, soprattutto nelle corselunghe, e porta a una riduzione dei costi.

D’altro canto, nel motore sincrono sono insiti alcuni svantaggi, soprattutto legatialla presenza dei magneti permanenti:

• l’elevato costo dei magneti fa sı che il costo della motorizzazione sia funzionelineare della lunghezza della corsa;

• in alcune forme costruttive e presente un’elevata forza d’attrazione (circa 10-15volte la spinta massima);

• si rende necessario provvedere alla loro protezione, da polveri e trucioli ferro-magnetici, con gusci e soffietti, spesso addirittura pressurizzati;

• il montaggio dev’essere svolto con cautela a causa dell’elevato campo magneti-co generato.

5.2.4 Morfologie costruttive dei motori lineari

Un’altra fondamentale classificazione dei motori lineari puo essere effettuataanalizzando le diverse forme costruttive: ogni struttura ha delle caratteristiche pe-culiari, generalmente si puo distinguere tra:

morfologia

a Motori MONOLATERI, a semplice traferro,

b Motori BILATERI, a doppio traferro,

c Motori TUBOLARI, a solenoide.

Motori MONOLATERI - Ironcore

I motori a singolo lato si ottengono svolgendo un tradizionale motore rotativolungo un piano definito da un raggio e l’asse del motore. Lo sviluppo lineare evi-denzia i due elementi, derivanti dal rotore (l’induttore) e dallo statore (l’indotto),sovrapposti.

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Figura 5.9: Esemplari di motori lineari monolateri (ironcore)

La struttura monolatera, essendo aperta, provoca una dispersione del campomagnetico. Per concentrare le linee di flusso del campo magnetico concatenato conle spire del movente, si aggiunge un “nucleo ferromagnetico”. Si realizzano cosı ipiu elevati valori di spinta (20 kN con raffreddamento forzato). I vantaggi di questatipologia di motore, oltre alla sopracitata elevata capacita di spinta, sono:

• Modularita della corsa;

• facilita di inserimento nella macchina;

• Buona possibilita di dissipare il calore prodotto.

Gli svantaggi di questa morfologia, sono principalmente legati all’assenza disimmetria del campo magnetico e dalla presenza del nucleo ferromagnetico:

• comparsa di una forza di attrazione perpendicolare al moto che deve esseresupportata meccanicamente dall’intera struttura;

• maggiore inerzia del movente.

Il principale campo di utilizzo riguarda le applicazioni nelle quali siano necessariealte spinte e precisione, e dunque, in particolar modo le macchine utensili.

Motori BILATERI - Ironless

I motori a doppio lato si ottengono sezionando un motore rotativo con un pianoassiale longitudinale: lo sviluppo lineare di entrambe le parti produce una strutturasimmetrica in cui il primario e compreso tra due secondari contrapposti (figura 5.10).In questo modo il flusso si concatena quasi totalmente con le spire, ma, dato il

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Figura 5.10: Schema di un motore bilatero (ironless)

limitato spazio a disposizione, non si puo inserire un nucleo ferromagnetico.

I vantaggi insiti in questa tipologia costruttiva possono essere cosı elencati:

• Simmetria del campo magnetico;

• ottimo sfruttamento del flusso magnetico;

• assenza di forze d’attrazione;

• massa ridotta del movente (resine epossidiche).

Gli svantaggi sono:

• Difficolta di smaltimento termico dovuta alla struttura chiusa;

• spinte relativamente basse (≤ 2 [kN ]);

• difficolta di centraggio.

Figura 5.11: Esemplari di motori lineari a doppio lato

Questa morfologia costruttiva trova impiego dove non sono necessarie elevate spintema movimenti rapidi e precisi, come nei pick & place e nei robot cartesiani.

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Motori TUBOLARI

i motori tubolari si ottengono immaginando di riavvolgere un motore a singololato intorno all’asse di simmetria parallelo alla direzione del moto (figura 5.12).

Figura 5.12: Principio costruttivo del motore tubolare

Hanno primario e secondario a sezione cilindrica, geometria che offre grande vantag-gio in termini di simmetria della distribuzione dei flussi. Inoltre presenta i seguentipro e contro:

• Ottimo sfruttamento del flusso magnetico;

• Eccellente comportamento termico;

• Bassi costi di costruzione dell’avvolgimento.

Figura 5.13: Principio costruttivo del motore tubolare

• Lunghezza della corsa limitata;

• effetti di bordo per cui la spinta puo calare con la fuoriuscita dello stelo;

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• spinte relativamente basse.

Anche in questo caso il campo di applicazione riguarda pick & place, spingitori,tastatori e dunque realizzazioni di corsa breve a elevata velocita.

Figura 5.14: Un’altra tipologia di motore tubolare

Figura 5.15: I motori lineari sono talvolta forniti gia assemblati su slitte, con catene

portacavi e guide lineari gia opportunamente dimensionate

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5.3 Vantaggi e limitazioni nell’utilizzo di motori

lineari

Recentemente si e assistito a un grande sviluppo dell’applicazione in campo in-dustriale dei motori direct drive. I motivi di questo impulso vanno cercati nel-l’evoluzione tecnologica di molti campi tecnologici, che da un lato hanno riguardatol’offerta commerciale di questi motori, dall’altro hanno coinvolto la domanda.

I produttori di motori elettrici hanno potuto contare sulla messa a punto di mate-riali sempre piu performanti, quali i magneti permanenti, alcuni elementi sinterizzatie isolanti adatti a sopportare temperature elevate, mentre il forte sviluppo dell’elet-tronica di potenza, l’evoluzione nella componentistica e l’affermazione di nuove areedi applicazione nell’industria elettronica, hanno permesso la riduzione dei costi e ladiffusione, quasi a livello di massa, dei controllori numerici computerizzati.

Sul fronte della richiesta, da molti anni si sta assistendo alla ricerca di prestazionie produttivita sempre piu elevate, con conseguente richiesta di motori direct drive adalta velocita e ad alta coppia/spinta. Solo di recente, pero, lo sviluppo tecnologicoha provveduto a mettere a disposizione i mezzi di contorno che devono necessaria-mente essere di supporto nell’applicazione di questi motori, non solo in termini dimeccanica, ma anche di controllo.

Dal punto di vista meccanico si puo oggi contare sull’utilizzo di metodologiedi progettazione piu raffinate, quali, a esempio, le analisi F.E.M., sull’utilizzo dimateriali compositi o di leghe leggere, sulla presenza in commercio di elementi comele guide a pattini a ricircolo di sfere, che consentono elevate prestazioni. Nel campodel controllo, a parte il forte sviluppo nei controlli numerici, di cui si e gia detto, enecessario sottolineare l’evoluzione dei sistemi di misura di posizione, quali le righeottiche, che permettono la lettura anche alle altissime velocita raggiunte dai motoridiretti.

Tenuto conto della stretta correlazione tra motore lineare, struttura meccanicae controllo, lasciando al capitolo sul dimensionamento le opportune considerazionidi dettaglio sui componenti di supporto, si possono sintetizzare i principali vantaggidi questo tipo di motore:

Alta velocita

Le massime velocita oggi raggiungibili con i motori lineari sono pari a circa830m/min. Con le viti a ricircolo di sfere il limite massimo e intorno ai 60 m/min: avelocita superiori l’attrito e tale da provocare surriscaldamenti e quindi dilatazioni(figura 5.16), con conseguente perdita di precisione; inoltre la vita dei componentisi riduce sensibilmente.

Attualmente la massima velocita di un motore lineare, raggiungibile senza pe-nalizzare la precisione di posizionamento, dipende soprattutto dal sistema di misuraper la retroazione del controllo.

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Figura 5.16: grafico termostatico di una vite a ricircolo di sfere

Alta accelerazione

In assenza di carichi, un motore sincrono a magneti permanenti monolatero puoaccelerare fino a 320 m/s2. Per ridurre i tempi ciclo occorre incrementare la velocitamedia dei singoli assi della macchina: questo si puo ottenere quasi esclusivamenteaumentando l’accelerazione. Soprattutto su tratti brevi, se l’accelerazione e troppobassa, non si raggiunge mai la massima velocita. Nei sistemi tradizionali, aumentarel’accelerazione significa:

• impiegare motori piu potenti;

• ridurre il rapporto di trasmissione;

• ridurre il passo delle viti a ricircolo.

Contemporaneamente si deve diminuire le masse in movimento e aumentare la rigid-ita della struttura, per limitare le deformazioni dovute alle forze d’inerzia. Queste ul-time sono esigenze che dovranno essere rispettate anche nell’applicazione dei motorilineari.

Alta precisione

Il comportamento dinamico di un sistema, inteso sia come prontezza di risposta,sia come precisione, dipende dalla rigidezza, stabilita e larghezza di banda. Realiz-zando una connessione diretta tra motore e carico, vengono eliminate le elasticitadella catena di trasmissione e le relative risonanze. La rigidita del sistema aumentadi circa un ordine di grandezza rispetto a una movimentazione indiretta. Questo,unitamente alla diminuzione delle masse, provoca uno spostamento verso l’alto dellafrequenza naturale del sistema (figura 5.17)La larghezza di banda dipende essenzialmente dalla minima frequenza meccani-

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Figura 5.17: rigidita dei sistemi (vite e motore lineare) rispetto alla frequenza

naturale - grafico realizzato da Kollmorgen

ca: si puo quindi concludere che un sistema piu rigido risponde piu velocementee con tempi di assestamento minori. L’aumento della frequenza naturale permettedi utilizzare guadagni maggiori nell’anello di controllo, ottenendo cosı una elevataprecisione. In un sistema tradizionale, la catena cinematica introduce dei fenomenielastici (quale, a esempio, la deformazione della vite) che causano ritardi e oscil-lazioni: insorgono fenomeni di risonanza la cui frequenza e tanto minore quanto piucedevole e la trasmissione. E possibile aumentare il valore di tali frequenze irrigiden-do la catena cinematica: questo, pero, comporta una struttura piu pesante e quindiun amento dell’inerzia vista dal motore. Un sistema tradizionale risulta peraltroscarsamente ottimizzabile oltre una certa soglia.(figura 5.18)

Alta efficienza della movimentazione

A elevate accelerazioni, quasi tutta la potenza di un motore rotativo e spesa peraccelerare se stesso e la catena cinematica. Con un motore lineare viene, invece,a mancare la trasmissione e quindi la potenza sviluppata puo essere interamenteadoperata per accelerare se stesso e il carico. In una movimentazione diretta e dinorma possibile pilotare masse di carico molto maggiori rispetto a quella del motore,senza creare problemi di accoppiamento.(figura 5.19)

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Figura 5.18: confronto tra comportamenti dinamici

Figura 5.19: confronto tra motorizzazione tradizionale e diretta di un carro traslante

Lunghe corse

La corsa, intesa come distanza utile che la slitta puo percorrere in un sistemalineare, non ha alcuna limitazione a patto che siano garantite la linearita e la pla-narita delle guide. Corse particolarmente lunghe non compromettono minimamentela rigidezza del sistema. Con le movimentazioni indirette risulta invece necessarioaumentare la rigidezza della vite, causando una diminuzione della velocita critica edella rigidezza.

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Manutenzione ridotta

Non essendoci parte soggette a usura, quali cuscinetti, viti a ricircolo di sfere,riduttori..., sono garantite nel tempo elevate precisioni e accuratezze. Non sononecessari interventi di manutenzione e questo comporta una notevole riduzione deicosti di gestione.

Nei sistemi tradizionali, nonostante regolari interventi di manutenzione, gli or-gani di trasmissione devono, infine, essere sostituiti: col passare delle ore di fun-zionamento, l’usura provoca un aumento dei giochi e delle vibrazioni e una fortediminuzione della precisione.

In particolare le movimentazioni indirette risultano stressate dalla realizzazionedi cicli di lavoro elevati, poiche questi sistemi provocano surriscaldamento e dunqueun rapido degrado delle prestazioni. Nei sistemi per cui sia necessaria una grandeaccuratezza, la tradizionale catena cinematica tende a essere sempre meno utilizzata.

Facilita di montaggio

A parte le difficolta legate al forte campo sviluppato dai magneti permanenti,per il superamento delle quali, comunque, tutti i costruttori di motori adottanodei particolari accorgimenti, le fasi di montaggio si presentano piu agevoli di quellenecessarie per il montaggio di un sistema tradizionale.

Insieme alla catena cinematica scompaiono anche i componenti meccanici a con-torno di questa, come flange di centraggio, cuscinetti di precisione, campane perl’adattamento del motore, giunti elastici, ecc. Si ha quindi un notevole risparmiosia in termini di tempi e costi di produzione dei particolari meccanici, sia in tempodi esecuzione del montaggio.

Ovviamente i motori diretti presentano anche delle limitazioni e dei difetti, al-trimenti non ci si spiegherebbe la permanenza di applicazioni con movimentazioniindirette. Essi sono:

Effetto dei bordi

Il motore lineare presenta una distribuzione irregolare del campo magnetico aibordi, a causa della sua geometria, e il campo di dispersione e piu intenso di quellogenerato in un motore rotativo. L’effetto dei bordi provoca una irregolarita delmoto non adeguatamente smorzata, data l’assenza di elementi che possono svolgerela funzione di volano. Questo richiede un’adeguata compensazione attraverso ilsistema di controllo.

Traferro maggiore

Il traferro richiesto dalle motorizzazioni dirette e maggiore rispetto a quello deimotori rotativi. Questo fatto provoca la diminuzione del rendimento e l’aumentodella riluttanza, accompagnato da una distribuzione dell’induzione meno uniforme.

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D’altra parte non si possono ridurre le dimensioni del traferro, se si vuole garantireun facile allineamento meccanico lungo tutta la corsa.

Ripple di forza

Il ripple di forza e un fenomeno che si manifesta allorquando l’avvolgimento delprimario si trova a dover transitare davanti all’intersezione tra il campo magneticopositivo e negativo del secondario. Analizzando a livello microscopico l’erogazionedella forza, si puo scorgere un andamento “seghettato”. Tale ondulazione o incres-patura (ripple) e particolarmente sentita sulle macchine utensili di precisione, qualirettificatrici, dentatrici, stozzatrici o macchine per ottica e orologeria.Nei tradizionali sistemi con vite a ricircolo di sfere, tra il motore e la catena cinemati-ca di trasmissione del moto sono usualmente interposti dei riduttori. Questo produceuna notevole uniformita di movimento, poiche il ripple di forza viene filtrato, a con-dizione che i componenti meccanici siano di qualita. Nei motori lineari, tale ripplee ridotto inclinando opportunamente i magneti e introducendo una compensazioneelettronica tramite il controllo numerico.

Moto retrogrado

Il motore lineare e accoppiato direttamente al carico e non essendoci alcun tipodi riduttore meccanico, non c’e alcun dispositivo che opponga resistenza al motoretrogrado. E quindi necessario introdurre dei freni ausiliari e, sugli assi verticali,un sistema di bilanciamento che intervenga in caso di mancanza di tensione.

Forza normale

Tra indotto e induttore, si sviluppa una forza che puo essere fino a 10 volte ilvalore della spinta nominale. Questo problema si presenta soprattutto nei motoria singolo lato, mentre per quelli a doppio lato tale forza e compensata dalla sim-metria del sistema. La spinta in direzione perpendicolare al moto dipende dal tipodi motore e dal materiale impiegato, comporta problemi aggiuntivi nel progetto edimensionamento delle guide, ma in taluni casi puo essere ridotta conformando inmodo opportuno la geometria del sistema (a esempio, installando due motori pic-coli contrapposti invece di uno solo di grandi dimensioni). Nei motori tubolari e inquelli rotativi la forza tra indotto e induttore ha risultante nulla perche il sistema esimmetrico.

Sistema di raffreddamento

L’evacuazione del calore prodotto negli avvolgimenti e cruciale. Esistono tretipologie dei sistemi di raffreddamento:

Scambiatore alettato Generalmente in alluminio, al di sopra di un certo valoredella velocita del movente lo scambio termico avviene per convezione forzata;

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Raffreddamento forzato ad aria Un flusso d’aria compressa transita nell’avvol-gimento e si disperde nell’ambiente;

Raffreddamento a fluido (acqua, olio) E la piu efficace, ma anche la piu cos-tosa. A esempio, la Siemens propone tre circuiti di raffreddamento (avvolgi-mento, magneti, precisione);

Capita che la potenza installata a bordo macchina per il raffreddamento dei mo-tori sia maggiore della potenza necessaria al funzionamento dei motori stessi, conaggravio di costi e di consumo energetico.

Alimentazione della parte mobile

Tipicamente nei motori viene alimentata elettricamente la parte mobile. L’af-fidabilita dei cavi di alimentazione e di retroazione e fondamentale, dunque aumen-tando la potenza e il voltaggio diventa necessario aumentare proporzionalmente lesezioni dei conduttori. Cavi di sezione maggiore sono d’altra parte piu soggetti astress di flessione e dunque si rende necessaria l’adozione di particolari cavi moltoflessibili a lunga durata. I dispositivi di supporto dei cavi (figura 5.20) devono essere

Figura 5.20: Schema di catena portacavi

scelti adeguatamente in funzione delle alte velocita e accelerazioni e inoltre il sis-tema formato dai cavi e dalla catena portacavi deve essere tenuto in considerazioneal momento della valutazione delle masse del carico.

Complessita delle protezioni

Nei motori sincroni a induttore lungo, i magneti permanenti disposti lungo tuttala corsa tendono ad attrarre materiale metallico anche a motore spento. Per evitarel’accumulo di sfridi e polveri e i conseguente danneggiamento del motore, occorreprogettare dei sistemi di protezione idonei, quali, a esempio, soffietti pressurizzati:queste protezioni devono essere in grado di sopportare le forti accelerazioni e velocitaimposte dal motore.

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Costo elevato

Nonostante il forte impulso ricevuto in questi anni, i motori lineari sono attual-mente ancora prodotti su scala limitata e, a parita di carico, non esiste la possibilitadi sfruttare dei riduttori per ottimizzare il dimensionamento, cosı come avviene peri motori rotativi.Inoltre non c’e uniformita di produzione e, dunque, non c’e intercambiabilita traprodotti di diversi fornitori.Il motore lineare puo comunque risultare vantaggioso se l’aumento di produttivitae tale da compensare i suoi costi inevitabilmente maggiori. Infine va tenuto in con-siderazione l’aspetto gia affrontato in precedenza riguardo alla proporzionalita tralunghezza della corsa e costi nel caso dei motori sincroni a magneti permanenti

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5.4 Principali produttori di motori lineari

La richiesta di motori lineari e in forte crescita. L’adozione di questa tipologiadi movimentazione si e estesa a tutte gli ambiti della meccanica strumentale, masoprattutto nel campo dei centri di lavoro si sono imposti sostituendo il 18% dei sis-temi tradizionali, nell’arco del quadriennio 2000-2004. Inizialmente hanno faticatoa imporsi, nonostante i loro indubbi vantaggi in termini di velocita, accelerazioni eprecisioni. Una delle cause principali e da attribuirsi alla necessita di riprogettarecompletamente la macchina, sviluppando un’adeguata tecnologia di supporto, siameccanica, sia riguardante il controllo. La mancanza di realizzazioni e dunque diesperienza, ha limitato per parecchio tempo il numero di applicazioni. A questo sidevono aggiungere i costi, che agli albori di questa tecnologia erano molto elevati,la limitatezza della componentistica a catalogo, che ha costretto i primi utilizzatoria eseguire dimensionamenti meno puntuali e reso la scelta piu complessa rispetto aquanto avveniva per i metodi tradizionali. Nell’ultimo decennio il numero di pro-duttori e l’offerta commerciale sono decisamente aumentati. Si riportano di seguitoi principali costruttori di motori direct drive con produzioni adatte alle macchineutensili; si rimanda all’appendice per un elenco piu esaustivo.

Anorad (Usa)

E l’azienda che per prima ha prodotto motorizzazioni dirette a uso industriale.Nel 1982 ha brevettato il primo motore lineare brushless. Anorad ha un panoramaproduttivo decisamente completo tra cui compaiono motori lineari sincroni, asin-croni e a passo (figura 5.21)I primi costituiscono la categoria piu estesa e sono sia ironcore sia ironless. Dif-

Figura 5.21: Produzione Anorad

feriscono anche per tipologia di materiali impiegati come sostegno degli avvolgimen-ti, nonche per le forze di spinta in gioco. I valori di queste sono compresi tra 24N e 3.600 N, con forze di picco che variano fino a 9.000 N: l’intera gamma ricoprequindi applicazioni di vario genere, ma la forza massima e troppo contenuta perchequesti motori possano essere applicati in larga scala sulle macchine utensili. I motoriasincroni hanno un range di forza nominale addirittura piu limitato.

Un prodotto molto interessante e l’Anorad Lightning MM-NS, motore sincrono asecondario corto, dunque con i magneti permanenti posizionati sulla slitta. L’avvol-

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Figura 5.22: Motori ironcore della Anorad

gimento di indotto ricopre l’intera corsa ma e alimentato solo nella parte immediata-mente sottostante i magneti. Questo permette di ottenere, a parita di dimensioni,una forza continuativa piu alta: il rendimento aumenta essendo piu facile raffreddareun avvolgimento fisso piuttosto che mobile. Inoltre il ridotto numero di magneti hail doppio vantaggio di risolvere parzialmente il problema dell’attrazione del trucioloe di ridurre notevolmente i costi, soprattutto su corse lunghe.

ETEL (Svizzera)

La Svizzera ETEL dopo essere stata a lungo la produttrice dei motori linearidi Siemens, si propone con una propria offerta commerciale. I motori ETEL sonodisponibili nelle versioni Monolatere e Bilatere. I motori a singolo lato sviluppanoforze comprese tra i 100 N e gli 11.000 N, con velocita massime di 600 m /min eaccelerazioni di 100 m/s2. Le versioni bilatere hanno un range di forza piu basso

Figura 5.23: Schema dei motori ironcore e ironless della Etel

(100 N ÷ 2.500 N), velocita identiche, ma grazie alla leggerezza della parte mobileraggiungono accelerazioni di 200 m/s2.

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GE Fanuc (Giappone)

Nata dall’unione dei colossi GE-automazione e Fanuc, quest’azienda giapponeseha iniziato a produrre motori lineari a partire dal 1994, dopo aver acquisito le licenzesui brevetti Anorad.Rispetto a questa ha orientato la produzione su taglie decisamente piu grosse,

Figura 5.24: motori ironcore della Ge-Fanuc

arrivando a valori nominali di 7.000 N e valori di picco di 15.500 N. Il limite divelocita e fissato intorno ai 4 m/s (approssimativamente 240 m/min) mentre leaccelerazioni a vuoto toccano i 300 m/s2.

Bosch-Rexroth (Germania)

Nata nel 2001 dall’unione di Bosch e Rexroth, l’azienda sfrutta le esperienzefatte da Rexroth con l’acquisizione di Indramat nel campo dei motori lineari e dellaBosch nel campo del controllo. Realizza diverse linee di prodotto.Le piu interessanti per l’applicazione alle macchine utensili riguardano la realiz-

Figura 5.25: I motori monolateri Bosch-Rexroth

zazione di motori lineari sincroni monolateri, con forze nominali fino a 6.720 N checorrispondono a forze di picco di 21.500 N. L’azienda pubblicizza velocita massime di480 m/min e il raggiungimento di accelerazioni di 80 m/s2 su assi di movimentazione(non a vuoto!!)

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Siemens (Germania)

Siemens e attualmente l’azienda con il piu elevato numero di prodotti directdrives, adatti alle macchine utensili, a catalogo. Realizza due distinte serie di motorilineari di tipo sincrono con avvolgimento di indotto sulla slitta, a magneti perma-nenti disposti sulla corsa e traferro singolo.La serie 1FN1 e caratterizzata da comportamento termico preciso, ripple di forza

Figura 5.26: Modularita dei motori Siemens

estremamente ridotto, forze continuative tra 800 N e 6.600 N (forze di picco di circa15 kN). Ha accelerazioni proprie fino a 20 g e velocita massime fino a 240 m/min.Si applicano laddove vi siano richieste di alta precisione.La serie 1FN3 ha un’elevata sovraccaricabilita, presenta forze continuative fino a8.100 N, dunque forze di picco fino a 20 kN, mentre velocita e accelerazioni pro-prie sono pari a 830 m/min e 320 m/s2. Si applicano ove vi siano necessita dielevati sovraccarichi, spinte notevoli, dinamiche elevate. La modularita del sistemadi raffreddamento consente la massima flessibilita di impiego.

106

Capitolo 6

Progetto di macchina transfer

con motori lineari

6.1 Introduzione

Facendo riferimento alla definizione delle specifiche, dettagliata nel Capitolo 3,si procede ora illustrando a grandi linee i passi compiuti per la progettazione di unamacchina transfer a elevata dinamica. Si entrera nel dettaglio per quel che riguardail dimensionamento dei motori lineari da utilizzare sugli assi X e Y dei piccoli centridi lavoro che realizzano le stazioni operative.

Nell’applicazione delle motorizzazioni dirette i progettisti devono tenere in con-siderazione una serie di fattori, che impongono l’adozione di una nuova metodologiadi approccio al problema. Risulta di fondamentale importanza, a esempio, la min-imizzazione delle masse in moto, che puo essere realizzata disegnando opportunestrutture ottimizzate con tecniche F.E.M., per ottenere massima rigidezza e minimopeso; si va diffondendo anche l’impiego di materiali innovativi (materiali compositi).Per questo motivo, e per altri che andremo via via dettagliando, l’applicazione deimotori lineari non puo essere intesa come una semplice sostituzione di una parte del-la macchina, bensı deve costituire un’attenta rivisitazione di tutto il sistema. Solocosı e possibile sfruttare appieno i vantaggi che tale tecnologia offre e non incap-pare nei grossolani errori compiuti in passato, che hanno diffuso false credenze sulladifficolta di applicazione di questi motori.

La selezione dell’attuatore migliore sia per cio che riguarda la morfologia costrut-tiva sia per quanto riguarda la taglia deve, inoltre, realizzarsi secondo dei critericapaci di introdurre nel percorso decisionale i vincoli tipici e specifici delle macchineutensili.

107

6.2 Configurazione del sistema

La macchina ideale e formata da tre centri di lavoro affacciati su un meccan-ismo di trasferimento a tavola rotante ad asse verticale, dotato di morse a doppiarotazione. Con questa configurazione la macchina si trova ad avere tre stazioni acinque assi, potenzialmente capaci di lavorare tutte le sei facce di un cubo. Ognicentro di lavoro dev’essere dotato di cambio utensile e magazzino utensili esterno al-la macchina, per permettere la rapida sostituzione degli utensili usurati e il carico diutensili per il cambio produzione senza la necessita di dover fermare la lavorazione.Il dimensionamento dei motori e della struttura sara fatto in modo da consentire lalavorazione di un cubo di 300 mm di lato in acciaio.

Un particolare requisito e quello di dotare le morse di un movimento tale dapermettere la lavorazione di tornitura del pezzo, tenendo, cioe, l’utensile fisso sulmandrino e facendo ruotare la morsa porta pezzo a velocita elevate.

La struttura della macchina dovra essere in acciaio elettrosaldato scatolato, conparticolare attenzione a creare dei collegamenti strutturali validi tra basamento disupporto dei centri di lavoro e tavola rotante. Un altro aspetto da tenere in con-siderazione e quello di realizzare il disaccoppiamento tra i basamenti dei centri dilavoro di ogni singola stazione, in modo da abbattere la trasmissione delle vibrazionitra gli stessi.

La tavola rotante dovra essere “appesa” al soffitto del basamento, in modo dapermettere un’agevole evacuazione del truciolo.

Il carico e lo scarico dei pezzi avverra nella prima stazione, la quale sara dotata diun’apertura sufficientemente ampia da permettere l’eventuale passaggio di disposi-tivi di carico e scarico automatico. Questi dispositivi di carico e scarico potrebberoessere realizzati in modo tale da effettuare anche il cambio automatico delle attrez-zature di bloccaggio del pezzo, realizzando quell’automazione di cambio lotto spintache alcuni utilizzatori richiedono.

Figura 6.1: Il progetto della cella flessibile ad alta dinamica inizia a prendere forma

108

6.3 Criteri di dimensionamento dei motori lineari

Una volta verificato che non vi sia la possibilita di impiegare motorizzazioni stan-dard di tipo rotativo (velocita massima superiore a 60 m/s, accelerazione superiorea 1g) si procede con la scelta del motore piu opportuno.

I motori lineari piu frequentemente utilizzati, allo stato dell’arte attuale, sullemacchine utensili, sono quelli sincroni a magneti permanenti con secondario lungo.Essi presentano, come ampiamente descritto, un maggiore rapporto forza/peso el’utilizzo dello stesso controllo utilizzato per i motori standard, che e oggigiorno lostandard piu diffuso.

Soprattutto per corse contenute, come quelle oggetto del nostro caso, il costodei magneti permanenti in terre rare, che costituiscono la parte fissa e copronopertanto tutta la lunghezza della corsa, non incidono in modo significativo sul costocomplessivo del motore.Essi andranno dimensionati in modo che la loro lunghezza sia leggermente superiorealla corsa, per compensare l’effetto ai bordi.

Il primario, che contiene l’avvolgimento ed e la parte mobile, sara vincolato alcarico. In genere e necessario un sistema di raffreddamento forzato ad acqua, perdissipare il calore sviluppato dall’avvolgimento. Poiche non intervengono dispositividi adeguamento della forza, come invece avviene, grazie ai riduttori, nei motorirotativi, il motore dev’essere in grado di fornire tutta la forza necessaria al carico:le correnti sono piuttosto elevate, cosı come la potenza dissipata.

6.3.1 Principi di dimensionamento del motore

Il criterio di dimensionamento dei motori lineari sincroni e del tutto simile aquello dei brushless rotativi. Infatti, premesso che al posto di coppie e velocitaangolare, espressa in giri al minuto, tratteremo ora forze e velocita espressa in m/s,i vincoli da rispettare nel dimensionamento sono sempre basati su considerazioni ditipo termico e meccanico per cui, mentre nei motori rotativi aveva senso parlaredi valore di coppia massima e coppia efficace, ora saranno da considerare la forzamassima e la forza efficace.

In particolare dovranno essere verificate le seguenti condizioni:

FRMS ≤ Fcont

FRMS =

√

√

√

√

1

T

∫

t

F 2(t)dt

dove si e indicata con F la risultante delle forze esterne e con T il periodo. Ques-ta relazione e, in generale, piu stringente della seguente limitazione sui valori di picco:

109

Fpeak ≤ Fmax

Che va comunque considerata. Sebbene queste condizioni siano fondamentali, ildimensionamento dell’azionamento va affrontato in modo piu completo. Dovranno,infatti, essere verificate sia le curve caratteristiche di forza/velocita (un esempio eriportato nella figura 6.2) sia le curve che caratterizzano il ciclo di carico (diagrammivelocita/tempo e forze di lavoro/tempo).

Figura 6.2: curva caratteristica forza/velocita di un motore

Non potranno essere trascurati i componenti di supporto, ampiamente descrittinel paragrafo Requisiti accessori per la progettazione, relativi al sistema di misura,al collegamento dell’azionamento al resto dell’impianto, al raffreddamento.Infine e bene aver chiara anche la configurazione del sistema di movimentazione (unsolo motore o piu motori in parallelo).

In generale il motore si sceglie attraverso un processo di calcolo iterativo, seguen-do un percorso qual e, a esempio , quello riportato nel diagramma di flusso riportatoin fig.6.3, 6.4, 6.5

110

Figura 6.3: dimensionamento dei motori lineari (segue)

111

Figura 6.4: dimensionamento dei motori lineari(segue)

112

Figura 6.5: dimensionamento dei motori lineari

113

Inizialmente si definiscono i dati del problema, quali: la massa totale in movi-mento (che tiene conto anche del motore), la forza di gravita (di interesse soprattuttoquando lo spostamento avviene su di un piano inclinato), la lunghezza della corsa,gli attriti e le forze resistive che si sviluppano durante la lavorazione. In questo sta-dio la massa del motore non e ancora nota, essendo uno dei parametri ricavati daldimensionamento: occorre percio ipotizzarne un valore. Successivamente, attraversoi diagrammi spazio/tempo e velocita/tempo, si definisce il ciclo di lavoro e quindi lavelocita e l’accelerazione massima richieste. Essendo note le masse e le forze (attriti,gravita, ...) in gioco, e possibile tracciare il diagramma forza/tempo, individuandola forza di picco e continuativa richieste nella lavorazione. In base a questi valori,si sceglie il primario. Si verifica a questo punto che la velocita massima necessariaper l’applicazione sia inferiore a quella fornita dal motore (in corrispondenza dellaforza di picco). Se tale condizione non e soddisfatta, occorre scegliere un motore ditaglia maggiore oppure un motore con diverso avvolgimento. Nel caso contrario, sipuo procedere alla scelta del secondario. Questa e subordinata al tipo di primarioconsiderato e alla lunghezza della corsa. Infine si verifica che la massa effettiva delmotore sia prossima al valore ipotizzato. Se non dovesse corrispondere, e necessarioripetere il calcolo sostituendo il valore di partenza con quello appena determinato.

Individuato il motore, si procede al dimensionamento dell’inverter, in termini dicorrente continuativa e di picco richieste dal motore. Si calcola quindi la poten-za di alimentazione, basandosi sui dati di targa del motore e sul suo diagrammaforza/tempo.

6.3.2 Dati iniziali

Massa totale in movimento

Come sottolineato in precedenza, essa comprende sia il carico vero e proprio,sia la massa traslante del motore (generalmente il primario). Bisogna inoltre tenereconto dei cavi e degli eventuali soffietti. Non essendo presente il riduttore, questemasse determinano direttamente la forza di spinta richiesta al motore, una voltafissato il target di accelerazione.

Forza di gravita

La componente della forza di gravita, che si oppone alla forza di spinta, dipendedalla massa totale in movimento e dall’angolo di inclinazione tra il piano di traslazionee la direzione del centro di gravita, secondo la relazione:

FG = g ·M · cosα (6.1)

114

essendo:

FG la forza opposta alla spinta del motore,

g l’accelerazione dovuta alla gravita e assunta pari a 9,8 m/s2,

M la massa traslante,

α l’angolo di inclinazione.

Attriti

La forza di attrito, opposta alla direzione del moto, puo essere vista come lasomma di due valori, di cui uno costante e l’altro proporzionale alla velocita. Inparticolare le forze di attrito dipendono dalla massa totale traslante, dalla forza diattrazione magnetica perpendicolare alla superficie di spostamento e dalle caratter-istiche meccaniche delle guide. Facendo riferimento al coefficiente d’attrito staticoe dinamico dei sistemi di guida, si puo esprimere la forza d’attrito come segue:

Fattrito = µstatico · (Fpeso + Fmagnetica) + µdinamico · v (6.2)

essendo:

µstatico il coefficiente di attrito statico della guida lineare,

µdinamico il coefficiente di attrito dinamico della guida lineare,

v la velocita di traslazione del carico.

Ciclo di lavoro richiesto dall’applicazione

Per il corretto dimensionamento del motore, sono necessari:

• I diagrammi temporali relativi al moto dell’asse in esame;

• L’andamento nel tempo della forza richiesta per la lavorazione (forza resistivaesercitata sull’utensile).

In particolare, le informazioni inerenti il moto sono contenute nei diagrammispazio/tempo, velocita/tempo e accelerazione/tempo. Da quest’ultimo si ricaval’andamento temporale della forza d’inerzia, sfruttando la relazione:

F = M · a (6.3)

essendo:

{

M la massa complessiva in traslazione,

a l’accelerazione.

115

Tenuto conto che:

v =ds

dt(6.4)

a =dv

dt(6.5)

sono stati ricavati i diagrammi temporali relativi al moto di un asse, nell’appli-cazione in oggetto.

Figura 6.6: Andamento temporale della velocita

Figura 6.7: Andamento temporale delle forze

116

Andamento temporale della forza richiesta al motore

La forza di spinta che il motore deve fornire, istante per istante, e data dallasomma delle componenti lungo la direzione del moto di:

• Forza d’inerzia;

• Forza resistiva derivata dalla lavorazione;

• Forza di gravita;

• Forza di attrito.

L’andamento della forza d’attrito puo essere ricavato dal diagramma temporale dellavelocita, usando gli opportuni coefficienti moltiplicativi (µstatico e µdinamico).Con riferimento al diagramma velocita/tempo di figura, si ricava un andamento tipodella forza d’attrito.

Considerato costante il contributo della forza di attrito e tenuto conto dellarelazione:

Fmotore = Finerzia + Flavorazione + Fgravita + Fattrito (6.6)

il diagramma temporale della forza richiesta al motore risulta del tipo riportato in

fig.6.8.

Figura 6.8: Andamento temporale della forza richiesta al motore

Dal grafico si ricava immediatamente la forza di picco richiesta al motore.La massima forza continuativa viene calcolata, come premesso all’inizio del para-

grafo, in funzione del valore efficace della forza richiesta nel ciclo di lavoro, secondo

117

le equazioni:

FRMS ≤ Fcont (6.7)

FRMS =

√

√

√

√

√

1

T

T∫

0

F 2(t)dt (6.8)

essendo:

{

F il valore istantaneo delle forze di lavorazione,

T il periodo del ciclo di lavoro (o l’arco temporale di interesse).

Scelta del primario

Come precedentemente sottolineato, la scelta del primario dipende dal valorecontinuativo e di picco della forza richiesto dall’applicazione. In particolare convienescegliere un motore Con una forza di picco maggiore del 10% circa rispetto a quellacalcolata, in modo da tenere conto di eventuali overshoot del sistema di controllo.Anche per la forza continuativa occorre considerare un certo margine, tanto piuesteso quanto piu numerosi sono i parametri non noti (forza resistiva dovuta allalavorazione, forze di attrito...).

Oltre ai parametri inerenti il ciclo di lavoro, bisogna anche tenere conto dellecondizioni meccaniche di montaggio. Ad esempio, le stesse prestazioni in termini diforza di picco e continuativa possono essere ottenute impiegando un primario piucorto e piu largo o, viceversa, piu lungo e piu stretto.

Se l’asse della macchina e movimentato da piu motori, occorre dividere per ilnumero dei primari il valore di forza continuativa e di picco richiesti dall’applicazione.Se pero la forza non e omogeneamente distribuita tra i vari motori, bisogna tenereseparatamente in conto i diversi contributi.

Diagramma forza/velocita del motore

In generale il motore consente di raggiungere velocita piu elevate rispetto al valorecalcolato alla forza di picco. La massima forza che il primario e in grado di forniredecresce pero, all’incirca linearmente, all’aumentare della velocita. L’andamentodella forza massima (ampiezza della sinusoide o valore efficace) in funzione dellavelocita si ricava conoscendo i punti (Vmax 1 : Fmax) e (Vmax 2 : Fnom) e tracciandoun grafico simile a quello di figura 6.9. Questo comportamento si spiega considerandole seguenti equazioni:

e = B · l · v (6.9)

F = B · l · i (6.10)

V = R · i+ L ·di

dt+ e (6.11)

118

Figura 6.9: curva caratteristica forza/velocita di un motore

essendo:

e il valore di forza elettromotrice,

B il valore di induzione magnetica prodotta dai magneti permanenti,

l la lunghezza dell’avvolgimento,

v la velocita dell’avvolgimento,

F la forza esercitata sull’avvolgimento per effetto del campo magnetico,

i la corrente che percorre l’avvolgimento,

V la tensione fornita dall’alimentazione (valore istantaneo),

R la resistenza dell’avvolgimento,

L l’induttanza dell’avvolgimento.

L’induzione B e costante poiche dipende dai magneti permanenti. La tensione dialimentazione e fornita dall’inverter e, in genere, ha andamento sinusoidale. Poichela tensione continua, disponibile sul bus, e finita, l’ampiezza massima e fissata. Diconseguenza, data la lunghezza l dell’avvolgimento (utile in funzione della forza dispinta) e la massima corrente che questo puo portare, risultano determinate la forzaelettromotrice (anch’essa sinusoidale) e quindi la velocita.

La velocita cosı calcolata e indicata come Vmax 1. Al di sotto di questa, il motorepuo erogare la forza massima, facendo passare nell’avvolgimento il piu alto valoredi corrente ammissibile. La tensione di alimentazione e ancora sinusoidale, essendolimitato il valore della forza elettromotrice (che dipende dalla velocita, come risul-ta dalla formula che la determina (6.9)). Se pero si supera Vmax 1, il motore nonpuo piu lavorare alla forza massima. In particolare, se si mantiene la tensione dialimentazione ancora sinusoidale, con ampiezza pari a quella massima disponibile,la corrente diminuisce, poiche deve essere ancora soddisfatta la relazione (6.11). Diconseguenza decresce anche la forza, come risulta dalla relazione (6.10).

119

Una volta scelto il primario occorre verificare che i valori di forza/velocita richiestidalla lavorazione stiano sempre al di sotto della curva tracciata in figura, specificaper ogni motore. Se questo non accade, sono possibili diverse soluzioni:

• cambiare la taglia del motore, scegliendone una maggiore;

• scegliere un primario di pari taglia ma con diverso avvolgimento; dalla relazione(6.9) appare evidente che, diminuendo la lunghezza 1, a parita di forza elettro-motrice, si puo aumentare la velocita v. Per garantire la stessa forza massimae pero necessario incrementare la corrente, come emerge dalla (6.10). Occorrecomunque cercare una soluzione di compromesso affinche la relazione (6.11)sia verificata senza dover lavorare in saturazione (tensione fornita dall’inverterancora sinusoidale).

• lavorare in saturazione di tensione, accettando che questa non sia perfetta-mente sinusoidale. In tal modo si riesce ad aumentare l’ampiezza della primaarmonica di circa il 20% (rispetto al caso puramente sinusoidale). Anche lecorrenti non sono piu sinusoidali, cosı come le forze. Il funzionamento insaturazione determina la comparsa di ripple sul valore medio della forza dispinta.

Scelta del secondario

Il secondario e formato da una serie di elementi magnetici accostati tra loro inmodo da coprire la lunghezza determinata. Ciascun magnete deve avere passo polarepari a quello del primario. Per facilitare la scelta, le case costruttrici associano gia,a ciascun primario, il secondario corretto.

La lunghezza totale del secondario e calcolata come somma della corsa utile edella lunghezza del primario. Se sullo stesso secondario vengono montati piu primari,e necessario tener conto della lunghezza di questi e della distanza che necessariamentedeve intercorrere tra loro a causa dei cavi (di alimentazione, del raffreddamento...).

Potenza elettrica di alimentazione

La potenza elettrica necessaria per alimentare il motore viene calcolata mediantele seguenti equazioni:

Pelettrica = Pmeccanica + Pdissipata (6.12)

Pmeccanica = F · v (6.13)

Pdissipata = 3 ·R · Ieff 2 (6.14)

Ieff =F

kF(6.15)

120

essendo:

F la forza del motore,

v la velocita,

R la resistenza del singolo avvolgimento, alla temperatura max di funzionamento,

Ieff il valore efficace della corrente che percorre ciascun avvolgimento,

kF la costante di forza del motore, di norma fornita come dato di targa.

Per le applicazioni nelle quali sia richiesta elevata dinamica, e consigliabile dimen-sionare il sistema di alimentazione con riferimento al valore di picco della potenzaelettrica. Questo si calcola considerando come F e v rispettivamente la forza massimae la velocita corrispondente.

6.3.3 Requisiti accessori per la progettazione

Pur avvantaggiandosi dalla eliminazione della catena cinematica, con tutti gliorgani meccanici a essa necessari, la movimentazione lineare degli assi ha comunquebisogno di alcuni apparati accessori, il cui dimensionamento risulta essere fonda-mentale per la buona riuscita del progetto.

A causa delle elevate accelerazioni e dunque delle rilevanti forze d’inerzia in gioco,risulta molto importante, in fase di progetto, aver cura che si abbiano:

• masse mobili quanto piu possibile leggere;

• strutture meccaniche rigide e con frequenze proprie elevate;

• elevato smorzamento;

• integrazione precisa del sistema di misura, poiche svolge anche la funzione ditrasduttore di velocita;

• buon fissaggio alle fondamenta.

Risulta altresı importante la scelta e il dimensionamento del:

• sistema di raffreddamento;

• sistema di guida degli assi;

• sistema di bilanciamento statico;

• sistema di frenatura;

• sistema di protezione dei magneti permanenti;

• sistema di governo e guida dei cavi.

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Requisiti strutturali

Al fine di realizzare masse mobili leggere, ma al tempo stesso con elevata rigiditae dunque frequenze proprie elevate, si realizzano delle strutture in acciaio elettros-aldato che si avvicinano alle strutture a nido d’ape, contraddistinte da un elevatonumero di piastre di spessore ridotto collocate in modo da “guidare” le forze at-traverso i dispositivi di moto e, infine, al suolo.

L’ottimizzazione di queste strutture viene fatta mediante l’analisi a elementi finiti(F.E.M.) che permette di posizionare la giusta quantita di materiale in funzione dellesollecitazioni.Non e da sottovalutare, infine, il fatto che la forza di attrazione magnetica normale

Figura 6.10: analisi F.E.M. di una parte del carro a croce

al moto, dovuta ai magneti permanenti del secondario, provoca sulle strutture ilfenomeno della fatica, che va tenuto in debita considerazione durante le fasi didimensionamento.

Sistema di misura

Le elevate velocita raggiunte dai motori lineari e la peculiarita di essere respon-sabili del rilevamento sia della posizione, sia della velocita del sistema, impongonola scelta di sistemi di misura caratterizzati da elevata dinamica, risoluzione e accu-ratezza. Attualmente, il mercato permette un largo campo di scelta tra sistemi conprincipio ottico, magnetico o funzione laser.

• Encoder ottici: possono essere di tipo incrementale o assoluto (preferibili) erappresentano la tipologia predominante nelle applicazioni industriali. Per-

122

mettono un’altissima risoluzione [20µm ÷ 0.1µm] e accuratezza maggiorerispetto alle altre tipologie(figura 6.11).

Figura 6.11: schema di una riga ottica

• Encoder magnetici: (magneto-resistenze o ad effetto di Hall) sono adatte perla loro semplicita e ridotta sensibilita allo sporco e alle vibrazioni. Il costoridotto ne fa dispositivi ideali per applicazioni economiche.

• Encoder a funzione Laser: i nuovi schemi di rilevamento garantiscono prestazionimolto elevate, con sistemi a fibre ottiche per l’invio del fascio e testine inte-grate di rilevamento. La risoluzione arriva a 20 nm e la velocita massima a 2m/s.

Figura 6.12: encoder laser

Inoltre risulta di fondamentale importanza il corretto posizionamento del sistema dimisura, affinche sia eliminato qualsiasi rischio di oscillazione della testina di misura,che innescherebbe pericolosi tentativi di correzione da parte del controllo.

Guide lineari

I limitati scostamenti permessi sul traferro (e dal sensore di retroazione), im-pongono strette tolleranze dimensionali e rigidezza strutturale e di conseguenza unaparticolare cura nella progettazione:

123

Figura 6.13: Guida lineare con pattino a ricircolo di sfere

• della struttura del telaio e della slitta;

• del sistema di guide lineari.

Le guide attualmente piu utilizzate sono profilate, con pattini a circolazione di sfereo di rulli: possono costituire un limite al valore massimo dell’accelerazione.

Bilanciamento statico

Per loro natura i motori lineari non sono in grado di contrastare il moto ret-rogrado in condizione di caduta di alimentazione. Nel caso in cui il movimentonon sia orizzontale e necessario prevedere un sistema di bilanciamento statico. Talebilanciamento puo essere:

• pneumatico: mediante l’utilizzo di un attuatore pneumatico a semplice effetto+ valvola regolatrice della pressione;

• idraulico;

• a contro-massa: usato solo negli ascensori;

• meccanico (per esempio a molle): molto vantaggioso per l’elevato rapporto traforza e massa.

Nella tabella 6.1 e schematizzato un confronto tra i diversi sistemi di bilanciamento.

Sistemi di frenatura

Oltre al bilanciamento statico degli assi verticali, e necessario prevedere dei sis-temi di frenatura che contrastino l’assenza di moto retrogrado delle movimentazionidirect drive. Questi dispositivi hanno una doppia utilita:

• garantire l’arresto e il bloccaggio degli assi in caso di caduta accidentale odesiderata della tensione;

124

Principio di Economicita Riscaldam. Dinamica Facilita

funzionamento della soluz. elevata di regolazione

Contrappeso + + - +

Idraulico 0 + - 0

Pneumatico 0 + + 0

Molla elastica 0 + + 0

Tabella 6.1: Assi verticali: confronto tra sistemi di bilanciamento

• effettuare una frenatura dell’asse in caso di un qualsivoglia incidente che causila “fuga” dello stesso.

• bloccare l’asse quando questo deve stare in posizione, evitando che il motorepermanga in condizioni di stallo.

Tali sistemi sono normalmente costituiti da dei freni a comando idraulico (piu rara-mente pneumatico) che si collocano, come i pattini a ricircolo di sfere, a cavallo delleguide di precisione e su di esse agiscono. I comandi sono di tipo normalmente chiuso.A coadiuvare i freni vengono utilizzati puffer di fine corsa di dimensioni generose,spesso realizzati con deceleratori a gas o a molla.

Sistemi di protezione

I magneti permanenti attirano trucioli e polveri metalliche anche quando il mo-tore non e in funzione. Questo e uno degli svantaggi che piu preoccupa i costruttoridi macchine utensili. Ma e sufficiente porre la dovuta cautela nella progettazionedei sistemi di protezione, per ovviare a questo inconveniente. I soffietti devonoprevedere particolari labirinti di contenimento e un sistema di pressurizzazione. Lealte dinamiche del sistema impongono un attento controllo dei volumi d’aria pre-senti all’interno delle soffiettature e al loro spostamento. Nel caso delle macchinetransfer, la collocazione dei motori lontano dalla zona di lavoro, favorisce l’efficaciadi tali protezioni.

Sistemi di guida dei cavi

Si e gia detto che assume grande importanza la qualita dei cavi da utilizzare eil corretto dimensionamento del sistema di guida dei cavi stessi, realizzato, normal-mente, mediante delle catene portacavi flessibili, in materiale plastico o metalliche.Queste catene sono realizzate appositamente per sopportare le elevate accelerazioniimposte al sistema. I cavi speciali sono, di norma, forniti dal produttore stessodei motori o da questi certificati. Questo avviene perche non si creino problemi alfunzionamento del motore dovuto ai cavi.

125

6.4 Progettazione del centro di lavoro a 3 assi

Ogni stazione del transfer cella sara asservita da un piccolo centro di lavoro a 3assi. Gli assi X e Y consentiranno il posizionamento del mandrino portautensile inun piano verticale, e avranno una corsa di 350 mm mentre l’asse Z provvedera allavariazione di quota del mandrino nello spazio, rispetto al piano identificato daglialtri due assi, e sara dotato di una corsa di 200 mm.

Figura 6.14: Il carro a croce a tre assi e doppio mandrino realizzato nel progetto

La struttura dei centri di lavoro e ben visibile in figura 6.14. Di essa si voglionosottolineare due aspetti:

• La configurazione a portale dell’asse X, con conseguente utilizzo di due motorilineari agenti in coppia, data la notevole massa (e, di conseguenza, la notevoleforza d’inerzia) da muovere.

• La possibilita di inserire un doppio mandrino con movimento in X e Y coor-dinato, ma con movimento in Z autonomo.

6.4.1 Scelta dei motori del centro di lavoro

Si esegue ora il dimensionamento di uno dei motori che andranno a movimentareil centro di lavoro a 3 assi. Si affrontera il caso dell’asse Z, considerando che la massada muovere sia piu leggera di quella considerata nel dimensionamento del centro di

126

lavoro mediante tecnologia tradizionale, grazie a un intervento di ottimizzazionedelle strutture.

Facendo riferimento ai criteri descritti nel paragrafo Principi di dimensionamentodel motore, si appronta una tabella con i dati di partenza necessari (figura 6.2):

Massa del carico: 300 kg

Massa del primario (1hp) : 35 kg

Accelerazione massima assi: 30 m/s2

Velocita massima assi: 100 m/min

Forze gravitazionali: Nulle

Forze di lavorazione: 2,3 kN

Attrazione magnetica(1hp) : 10 kN

Forze di attrito: <150 N

Corsa: 250 mm (200 mm ± 20%)

Tabella 6.2: Dati di progetto

Si ipotizza un ciclo ideale, al fine di ottenere i diagrammi velocita/tempo eforza di lavoro/tempo. Il ciclo considerato prevedera una fase di lavoro, una dispostamento in rapido e una di sosta per il cambio utensile, proprio come quelloconsiderato nel Cap.4.La differenza consistera nelle tempistiche che saranno ridotte in tutte le fasi inconseguenza delle motorizzazioni piu prestanti:

• fase A: lavorazione

– tempo di lavoro qA = 2 s;

– forza di lavoro FA = 2, 3 kN (assiale);

– Vel. di lavoro vA = 25 mm/s.

• fase B: avanzamento e ritorno in rapido

– tempo di accelerazione qB = 0, 1 s;

– forza di accelerazione FB = 300 kg × 25 m/s2 = 7, 5 kN ;

– vel. di rapido massima vB = 100 m/s.

• fase C: sostituzione dell’utensile (unita ferma)

– tempo di sost. utensile qC = 1 s;

– forza di sost. utensile FC = 0;

– vel. di sost. utensile vC = 0.

127

I diagrammi della velocita e delle forze in funzione del tempo, sono riportati nelparagrafo.. Essi sono stati ricavati dai dati sopra riportati e permettono di giungerealla determinazione dei seguenti valori necessari per la scelta del motore lineare:

Forza di picco del motore :∼ 7600 N;

Forza nominale del motore :∼ 2700 N.

Il motore lineare e stato scelto tra i modelli della serie SIEMENS 1FN3; tenendoconto delle valutazioni appena condotte, e stato individuato un primario con leseguenti caratteristiche:

Siemens 1FN3450-3WC00-

Forza Nominale: [N] 2895

Forza di Picco: [N] 7760

Attrazione Magnetica: [N] 18000

Vmax a Fpicco : [m/s] 120

Vmax a Fnom : [m/s] 275

Peso de primario: [kg] 24,3

Lunghezza del primario: [mm] 543

Corrente Nominale: [A] 28,1

Forza di Picco: [A] 83

Tabella 6.3: Dati di targa del motore

Poiche la forza di attrazione magnetica e quasi doppia rispetto a quella ipotiz-zata, e necessario rivedere i diagrammi delle forze, che permettono di giungere alladeterminazione dei seguenti nuovi valori:

Forza di picco del motore :∼ 7650 N;

Forza nominale del motore :∼ 2750 N.

Il motore scelto e comunque sufficientemente dimensionato. Come ulteriore verifica,si controlla che il punto (Vmax:Fpicco) stia al di sotto del diagramma forza-velocitadel motore. Confrontando i valori si desume che anche questa condizione apparesoddisfatta.

Una volta effettuata la scelta del primario, il secondario e gia indicato a catal-ogo. Nel caso in esame ciascun magnete permanente e lungo 184 mm. Quindi, percalcolare la quantita di segmenti, e necessario sommare alla corsa utile, fissata in250 mm, la lunghezza del primario, che e di ben 543 mm. La quantita di magnetinecessari e pari a 5, dunque la lunghezza del secondario arriva a 920 mm. Questofatto ci porta a valutare la possibilita di installare un motore differente, al fine diridurre gli ingombri dell’asse. Si puo valutare il collocamento di due motori di tagliapiu piccola in parallelo, oppure di un motore di taglia piu grossa ma di ingombro,

128

in lunghezza, minore. Infatti aumentando la taglia del motore aumenta la larghez-za di primario e secondario,dunque un primario piu corto puo generare una forzamaggiore.

Le opzioni valutate sono le seguenti:

Siemens 1FN3450-2WC00-0AA1 Siemens 1FN3900-2WC00-0AA1

Forza Nominale: [N] 3860 Forza Nominale: [N] 4050

(2× 1930)

Forza di Picco: [N] 10360 Forza di Picco: [N] 10350

(2× 5180)

Attrazione Magnetica: [N] 18000 Attrazione Magnetica: [N] 28000

Vmax a Fpicco : [m/s] 120 Vmax a Fpicco : [m/s] 115

Vmax a Fnom : [m/s] 275 Vmax a Fnom : [m/s] 253

Peso del primario: [kg] 34,2 Peso del primario: [kg] 29,7

(2× 17, 1)

Lungh. del primario: [mm] 382 Lungh. del primario: [mm] 382

Corrente Nominale: [A] 25,2 Corrente Nominale: [A] 24,7

(2× 12, 6)

Forza di Picco: [A] 78,4 Forza di Picco: [A] 69,5

(2× 39, 2)

Tabella 6.4: Dati di targa dei motori 1FN3 serie 2WC00

Fra i due e senz’altro preferibile il secondo, che evita una serie di complicazionie ha sicuramente un costo minore. Per questo tipo di motori, i magneti permanentipresentano sempre una lunghezza di 184 mm. Quindi saranno necessari 4 magnetie l’asse dovra avere una lunghezza di 740 mm.

6.4.2 Descrizione del motore scelto

La serie 1FN3 della Siemens e stata sviluppata appositamente per macchine uten-sili e sistemi di automazione. Ha un elevato fattore di sovraccarico (Fpicco/Fnom '2, 5) che permette l’utilizzo di questi motori laddove vi siano esigenze di spintenotevoli e dinamiche elevate.I motori 1FN3 sono sincroni sinusoidali a magneti permanenti, il traferro tra pri-mario e secondario e pari a 1,3 mm con tolleranza di montaggio pari a ±0,3 mm.

Il motore scelto ha primario e secondario delle seguenti dimensioni (figu-ra 6.15):

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Figura 6.15: Primario e secondario Siemens 1FN3 dotati o meno di raffreddamento

di precisione

bM = 351.0 mm;

hM = 88.0 mm;

LP = 382.0 mm;

bS = 341.0 mm;

hS = 28.5 mm;

LS = 184.0 mm.

Una caratteristica molto importante di questi motori e il sistema modulare diraffreddamento, che si compone di tre diversi circuiti:

• Il sistema di raffreddamento principale e ad acqua e si occupa di raffreddarel’avvolgimento del primario. Non riesce a smaltire completamente il caricotermico, pertanto una parte di questo viene trasmesso, per conduzione e irrag-giamento, alla superficie del primario e da questa alla struttura della macchina.Laddove cio non sia ammissibile, per necessita di stabilita termica o altro, epossibile affiancare al sistema principale gli altri due.

• Il sistema di raffreddamento di precisione del primario e opzionale ed e unmodulo aggiuntivo da applicare alla parte superiore e laterale dell’indotto.Consente la dissipazione del calore residuo, limitando i flussi termici a 4◦Krispetto alla temperatura ambiente. Questo sistema puo essere ad acqua o adaria forzata nel caso dei motori di taglia piu piccola. Una piccola parte dicalore puo ancora diffondersi attraverso il traferro al secondario.

• Il sistema di raffreddamento di precisione del secondario puo essere appli-cato qualora si desideri limitare anche la dissipazione attraverso i magneti.E’ opzionale e si realizza con il passaggio di acqua attraverso dei profili diraffreddamento situati tra i magneti permanenti e la struttura della macchina.

130

6.4.3 La tavola girevole

Come detto in precedenza, l’unico apparato delle macchine transfer attualmentemovimentato con movimentazione diretta e la tavola girevole. Per far cio si utilizzanodei motori lineari simili concettualmente a quelli tubolari. Essi sono detti “torque”,perche, di fatto, tornano a imprimere delle coppie invece che delle forze. Rispet-to alla configurazione cinematica tradizionale utilizzata per mettere in rotazionela tavola, gli azionamenti torque hanno uno schema di funzionamento decisamentesemplificato (figura 6.16):

Figura 6.16: Configurazione di un azionamento per tavola rotante con motoriz-

zazione torque diretta

Il motore torque aziona direttamente la tavola e pertanto fra i due elementi epresente un accoppiamento meccanico estremamente rigido. A causa dell’elevatadinamica dei motori torque tuttavia, acquistano rilievo anche le seguenti elasticita:

• elasticita torsionale fra il basamento della macchina e le fondazioni;

• elasticita fra il sistema di misura e la tavola.

Al fine di poter sfruttare al massimo le prestazioni dei motori torque e quindi im-portante che la progettazione della macchina venga condotta cercando di rispettarele seguenti linee guida:

• precisione nella scelta, montaggio del sistema di misura e degli elementi difissaggio rispetto alle fondamenta;

• progettazione basata su un piccolo rapporto tra masse in movimento e massefisse;

• rigidita e smorzamento elevato di tutte le parti meccaniche.

Se queste prerogative vengono soddisfatte e lecito aspettarsi anche su tavole dimedie dimensioni bande passanti dell’anello di posizione che possono arrivare a 200Hz (contro i 40-50 Hz di una tavola azionata in modo tradizionale).

131

Per quanto riguarda il sistema di misura, la figura 6.17 mostra attraverso unesempio quali siano le condizioni di montaggio che permettono di sfruttare appieno ivantaggi introdotti dal motore torque. Con la disposizione indicata motore e sistemadi misura si trovano ad una distanza minima fra loro, venendo cosı a costituire unsistema ad elevata rigidita. Il sistema di misura inoltre non risulta influenzato dalleforze che si instaurano nel normale funzionamento del motore.

In figura 6.18, al contrario, e rappresentata una disposizione errata dove il sis-tema di misura e troppo distante dal motore che deve essere pilotato. L’encoder einoltre montato su di una piastra troppo sottile. Il sistema di misura risente cosıdell’azione di forze esterne che introducono disturbi negli anelli di regolazione divelocita e posizione.

Figura 6.17: Disposizione corretta del sistema di misura nel caso di una tavola

rotante azionata con motore Torque

Dal punto di vista energetico inoltre, in una Tavola azionata da un motoreTorque, la coppia prodotta dal motore viene applicata direttamente alla tavola (van-no considerati, se rilevanti, i soli attriti del cuscinetto di supporto e delle eventualiguarnizioni).

6.4.4 I motori Torque

Nel motore torque la parte primaria (statore) e costituita da un avvolgimentotrifase sviluppato in senso anulare e da una parte secondaria (rotore) a magnetipermanenti solidali alla tavola da azionare (figura 6.19). Si tratta in sostanza di unmotore Brushless ad elevato numero di poli (alcune decine) che puo sviluppare ve-locita massime dell’ordine di qualche centinaio di giri/min. All’interno della gamma

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Figura 6.18: Disposizione errata del sistema di misura nel caso di una tavola rotante

azionata con motore Torque

proposta, a esempio, da Siemens la coppia sviluppata puo raggiungere il considerev-ole valore di 4.100 Nm.

Figura 6.19: Parte primaria (statore) e parte secondaria (rotore) che compongono

un motore Torque.

Con questo tipo di azionamento gli elementi di trasmissione meccanici quali iriduttori non sono piu necessari, si eliminano cosı le imprecisioni introdotte dallameccanica. Il motore Torque consente inoltre un funzionamento virtualmente esenteda usura e manutenzione.

I motori Torque Siemens sono disponibili in due esecuzioni: come motore com-patto con camicia di raffreddamento esterna o come motore di precisione.

133

Il motore di precisione, grazie ad un circuito di raffreddamento di potenza in-tegrato nell’avvolgimento e ad uno di precisione opzionale, permette un esattocontrollo della temperatura secondo lo stesso principio gia collaudato nei motorilineari.

Questa separazione del calore riduce al minimo gli effetti termici sulla interfacciadi macchina, il che rappresenta un requisito essenziale nella costruzione meccanica.

Tutti i motori possono funzionare anche senza raffreddamento con una corrispon-dente riduzione della coppia continuativa.

In base alle esigenze dell’applicazione e ai costruttori i motori Torque sonodisponibili in diverse varianti costruttive che vanno dal motore integrato con ro-tore, statore e accessori di montaggio, fino al motore completo, nel quale rotore,statore e cuscinetti sono gia premontati. I collegamenti elettrici sono completa-mente standardizzati per tutte le grandezze costruttive.

Figura 6.20: Motore Torque completo (con guide a rullini, sistema di misura e di

raffreddamento integrati)

Per il motore Torque, rispetto alla soluzione tradizionale, possiamo individuarein sintesi i seguenti vantaggi:

• Il momento d’inerzia esterno al motore e legato solo all’inerzia della tavola,grazie a cio sono possibili accelerazioni angolari molto piu elevate;

• costruzione meccanica semplice, rigida e compatta; quindi:

– migliore qualita di lavorazione e precisione;

– assenza di giochi ed elasticita;

– elevato guadagno del regolatore;

– precomando dinamico preciso;

– buon fattore di regolazione alle velocita elevate.

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• risparmio sulla meccanica grazie all’eliminazione di vite, corona, giunti e ridut-tori, sistemi di bloccaggio meccanico durante la lavorazione; quindi:

– virtuale assenza di usura

– rendimento estremamente elevato;

– elevata precisione in tutto l’arco di vita della macchina;

– possibilita di conseguire qualsiasi posizione intermedia.

• rigidita di posizionamento,che viene ottenuta grazie alla notevole prontezza diregolazione;

• grazie al raffreddamento ad acqua si conseguono:

– elevate prestazioni specifiche (coppia per unita di volume)

– dilatazioni termiche trascurabili;

– elevata precisione sul pezzo in tutte le condizioni di utilizzo.

Va poi sottolineato che i componenti di regolazione e di potenza necessari alcontrollo dei motori Torque sono, generalmente, del tutto identici a quelli utilizzatiper motori di tipo tradizionale: il loro impiego non introduce quindi alcun aggraviodi costo nel sistema di convertitori.

La tavola girevole progettata per la macchina si presenta come in figura 6.21.

Figura 6.21: Tavola girevole azionata con motore Torque e dotata di morse

portapezzo a doppia rotazione o di piattelli per la tornitura

135

Capitolo 7

Confronto tra movimentazione

diretta e indiretta

7.1 Introduzione

In questa sede analizziamo la convenienza, o meno, dell’applicazione di motorilineari alle macchine transfer del tipo descritto, in conseguenza di quanto discus-so nei capitoli precedenti. Iniziamo con la descrizione riassuntiva dei vantaggi edegli svantaggi delle motorizzazioni dirette rispetto alle equivalenti indirette. Inriferimento al caso trattato, si stabilisce quali, tra quelli elencati, siano quelli chehanno maggior peso nella scelta dell’azionamento. Da questa analisi emerge che iparametri piu rilevanti sono l’accelerazione e la velocita massima che il sistema ein grado di fornire, unitamente a un elevato grado di precisione e di ripetibilita delprocesso. Si dovra quindi considerare di sfruttare la dinamica della macchina peraumentare la produttivita, ma spingendosi solo fin dove il livello di precisione fornitasia accettabile.

In particolare, dall’analisi del ciclo di lavoro emerge che il motore lineare offreindubbi vantaggi rispetto al brushless rotativo in termini di riduzione di tempi dilavorazione, e di conseguenza di costi di produzione. Per completezza si valuta infinel’incidenza sui costi dell’impianto dovuti alla movimentazione lineare, rispetto allasoluzione rotativa tradizionale.

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7.2 Vantaggi e svantaggi della motorizzazione di-

retta rispetto alla indiretta

Sono di seguito riassunti i principali vantaggi e svantaggi che l’applicazione deimotori lineari sincroni comporta rispetto all’analoga soluzione con motori brushlessrotativi e annesse catene cinematiche.

Vantaggi:

• L’eliminazione della catena cinematica riduce l’inerzia alle sole componentidovute al carico e al carro. A parita di forza di spinta esercitata sulle massetraslanti, si possono raggiungere accelerazioni piu elevate.

• Non vi sono limiti restrittivi (teorici) ne sulla velocita massima, ne sulla corsa.

• La semplicita della costruzione meccanica e l’elevata rigidezza che ne conseguepermettono di ottenere:

– un alto guadagno del regolatore;

– un’ottima capacita di inseguimento della traiettoria anche a velocita ele-vate.

• L’eliminazione dei cinematismi quali: la vite a ricircolo di sfere, le pulegge o iriduttori, i cuscinetti, i giunti, si ottiene:

– la semplificazione delle operazioni di montaggio;

– la riduzione dell’usura;

– una elevata precisione per tutta la durata di vita della macchina.

• Grazie al raffreddamento di precisione ad acqua dei motori, le dilatazioni ter-miche sono trascurabili e si ottengono quindi elevate precisioni di lavorazionein tutte le condizioni di utilizzo.

Svantaggi:

• Poiche non e applicabile nessun tipo di rapporto di riduzione (riduttore orapporto di trasmissione), la forza del motore dev’essere pari a quella di cuinecessita il carico;

• Il raffreddamento ad acqua comporta costi aggiuntivi sia per la realizzazionedell’impianto sia per la potenza applicata per il raffreddamento dell’acqua;

• Il corretto posizionamento e ottenuto mediante una pronta regolazione, nonessendo il motore lineare dotato di bloccaggi meccanici; questa peculiarita fası che si debbano prevedere dei bloccaggi sulle guide per arrestare il moto incaso di emergenza e che, quando il motore e applicato sugli assi verticali, siadotti anche un corretto bilanciamento;

137

• Costo del motore elevato e all’incirca linearmente dipendente dallo sviluppodell’asse da movimentare, a causa della presenza di magneti permanenti lungotutta la corsa

7.3 Elementi di interesse per l’applicazione

Si analizza ora punto per punto la rilevanza ai fini dell’applicazione:

Riduzione dell’inerzia e aumento delle accelerazioni

Per il transfer cella a elevata dinamica, la possibilita di ottenere elevate acceler-azioni e sicuramente uno degli aspetti piu rilevanti. Poiche il tempo di spostamentodegli assi in rapido puo incidere fino al 25% del tempo ciclo, e evidente che unaforte riduzione di questi tempi puo incrementare di molto la produttivita. In parti-colare, solo con accelerazioni al di sopra dei 20m/s2 si riesce a ridurre il tempo dispostamento in rapido del 50%, come emerge dall’analisi eseguita nel Cap.3.

Aumento della velocita

Durante il dimensionamento dei motori, riportato nel Cap. 6, si e ipotizzatodi utilizzare al massimo l’accelerazione disponibile, senza porre limiti alle velocita.Si e giunti a un picco di velocita pari a 1,58 m/s corrispondente a 94,8 m/min. Eevidente che la dinamica elevata dei motori lineari gioca un ruolo fondamentale perl’applicazione.

Elevate precisioni

Nelle macchine transfer la precisione del posizionamento e la ripetibilita sonorequisiti fondamentali. La semplicita della meccanica e la rigidita del sistema per-mettono elevate precisioni anche applicando accelerazioni e velocita molto elevate.A tal proposito si riportano i grafici del test di circolarita, uno dei test di verificadella precisione di lavorazione utilizzati dai collaudatori di macchine utensili. Lalinea rossa rappresenta l’errore realizzato nell’esecuzione della prova di circolarita,che consiste nel percorrere un cerchio di 20cm di raggio a una velocita di 0,2 m/sutilizzando gli assi X e Y interpolati (figura 7.1)

Grazie alla rigidita del sistema e all’utilizzo di un controllo in posizione, velocita,accelerazione e precomando, si ha una reazione diretta e immediata alle forze didisturbo con totale assenza di giochi. Per questo gli azionamenti con motori linearipermettono una deviazione di 0,4, contro i 5 degli azionamenti tradizionali nel test.

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Figura 7.1: a sinistra azionamento con viti a ricircolo e a destra con motori lineari

Virtuale assenza di usura

La riduzione dell’usura e la conseguente riduzione dei costi di manutenzionee poco rilevante. Nelle transfer con motorizzazione tradizionale, la sostituzionedelle viti o degli altri organi della catena cinematica, generalmente fatti una voltaall’anno, non presenta particolari difficolta, ne una particolare incidenza sui costidell’impianto.

Raffreddamento di precisione

Data la contemporanea presenza sulla macchina di un gran numero di motori,questo particolare aspetto delle motorizzazioni dirette e un ulteriore vantaggio diimportanza rilevante. Infatti sulle macchine transfer tradizionali si possono avereproblemi legati alla deriva termica, che verrebbero in questo modo scongiurati. Taleraffreddamento e, altresı, svantaggioso dal punto di vista dei costi e dell’aumento dicomplessita dell’impianto, dato che necessita di grossi scambiatori di calore per ilraffreddamento dell’acqua.

Introduzione di freni e bilanciamento degli assi verticali

A parte il bilanciamento degli assi verticali, che viene di norma realizzato anchecon motorizzazioni di tipo tradizionale, e da mettere in conto un maggior costoderivante dall’introduzione di freni lineari e fine-corsa ben dimensionati.

Maggior costo del motore

Per l’applicazione considerata, le corse sono decisamente limitate. Poiche il mag-gior costo dei motori lineari e dovuto principalmente ai magneti permanenti in terrerare, il numero limitato di magneti utilizzati nelle ridotte corse dei centri di lavorodel transfer cella fa sı che il costo del motore sia allineato con quello dei motoribrushless rotativi.

139

7.4 Confronto con riferimento ai costi

7.4.1 Confronto tra costi dei macchinari

E interessante fare un’analisi dei costi che i produttori devono sostenere nel real-izzare una macchina transfer a elevata flessibilita con tecnologia tradizionale o conmotorizzazione diretta. L’analisi e stata fatta a livello qualitativo interpellando uncostruttore di macchine utensili che realizza e vende macchinari dotati di entrambele tecnologie e che quindi ha la possibilita di esprimere un parere oggettivo e adat-tando le sue considerazioni al settore delle macchine transfer, laddove vi fosserodifferenze marcate.

Dal punto di vista elettrico/elettronico, si possono fare le seguenti valutazioni:non vi sono particolari differenze per quel che riguarda il controllo, poiche si uti-lizzano, in entrambe i casi, sistemi molto sofisticati, in grado di garantire ottimeprestazioni sia in termini di velocita di risposta, sia di qualita delle interpolazioni,cosı come spiegato nel Cap.1.

E da considerare una differenza di costo legata all’esigenza di utilizzare, peri motori lineari, azionamenti che forniscano una quantita di corrente piu elevata,rispetto ai tradizionali brushless rotativi.

Per quanto riguarda il motore, il primario del sistema diretto costa all’incircaquanto un motore rotativo; la differenza di costo riguarda il secondario, in quantoogni “piastrella” magnetica ha un certo costo che dunque varia in funzione dellalunghezza della corsa. Per corse molto brevi, come nel caso delle macchine transfer,il costo e irrilevante.

In totale, la differenza di costo, dal punto di vista elettrico, ammonta all’incircaal 10%.

Dal punto di vista meccanico si ha invece un risparmio: la struttura meccani-ca differisce in modo sostanziale solo dal punto di vista progettuale, in quanto erealizzata in acciaio elettrosaldato anche sulle macchine tradizionali.

L’eliminazione di tutta la componentistica meccanica “pregiata” (vite a ricircolodi sfere, riduttori a gioco zero, cuscinetteria di precisione e componenti meccanicidi precisione a essi connessi), comporta un buon risparmio in termini di valored’acquisto e in termini di ore uomo in fase di montaggio.

Questo ultimo aspetto, spesso sottovalutato in fase di valutazione dei costi, estato invece sottolineato a piu riprese da produttori di macchine che utilizzano imotori lineari su diverse applicazioni.

Infine va considerato l’impianto di raffreddamento. I diversi costruttori di mo-tori lineari utilizzano differenti metodologie di raffreddamento dei motori, ma, perle grandi potenze in gioco, tutti prevedono il ricircolo di acqua. Per questo motivoe necessario installare dei frigoriferi per lo scambio di calore dell’acqua di raffredda-mento, che incidono sul costo del macchinario per un 2% circa del totale.

140

Risulta, quindi, evidente come l’incremento dei costi per l’applicazione dei mo-tori lineari sia all’incirca del 10% rispetto al costo totale del macchinario, e dunqueassolutamente irrilevante se confrontato con l’aumento di produzione ottenibile. Ri-cordiamo solo che nei tre casi analizzati nel presente lavoro, tale aumento e statopari a una percentuale variabile tra il 15 e il 30%.

Nel caso in cui si optasse per un macchinario bimandrino, l’incremento produttivogiustificherebbe ancora maggiormente la realizzazione di una cella a movimentazionediretta.

141

Conclusioni

In questo lavoro di tesi si e proposto l’utilizzo di motori lineari per la movimen-tazione degli assi di lavoro delle unita installate sulle macchine transfer.

Di recente questi motori hanno suscitato grandi aspettative per le performanceeccezionali che possono garantire; in molti settori industriali sono state avviate speri-mentazioni sull’utilizzo della tecnologia direct drive in una vasta gamma di appli-cazioni. I risultati in alcuni casi sono stati inferiori alle aspettative, in quanto lamovimentazione diretta richiede una riprogettazione attenta della macchina, sia dalpunto di vista meccanico, sia dal punto di vista elettrico. E di fondamentale impor-tanza verificare accuratamente la convenienza economica che deriva dall’applicazionedi tali motorizzazioni. Un’esperienza che non comporti un concreto vantaggio eco-nomico rischia di risultare un insuccesso a livello aziendale, anche se puo essere unsuccesso dal punto di vista tecnico.

Nel settore delle macchine transfer tale tecnologia e stata, fino a oggi, utilizzatasolo per la movimentazione delle tavole girevoli, con ottimi risultati.

Ci siamo chiesti se i motivi del ritardo nell’applicazione dei motori lineari inquesto settore, potessero essere legati a una scarsa convenienza economica andandoa verificare l’effettivo grado di miglioramento di produttivita ottenibile mediantel’utilizzo della motorizzazione diretta nella movimentazione degli assi.

In primo luogo abbiamo individuato una particolare tipologia di transfer, conosci-uta sul mercato come “celle flessibili”, che potesse trarre effettivo beneficio dall’uti-lizzo dei lineari.

Tale classe di macchine e l’ideale anello di congiunzione tra le transfer classiche,rigide e altamente produttive, e i centri di lavoro, estremamente flessibili ma conlimitata efficienza statica. Ha goduto di un buon successo di mercato a meta deglianni ’90, mentre attualmente sta incontrando una crescente difficolta di mercato avantaggio dei centri di lavoro.

Per comprendere i motivi di questa disaffezione, sono stati intervistati i respon-sabili di produzione di alcune aziende, appartenenti a differenti settori merceologici,che possiedono e utilizzano celle flessibili. Il risultato di queste interviste e statoil riconoscimento di alcuni limiti delle celle flessibili, tra i quali una produttivitainferiore alle attese.

Analizzando i cicli di lavoro di alcuni pezzi prodotti su queste macchine si e

142

infatti rilevato che l’incidenza dei tempi passivi (movimento in rapido degli assi ecambio utensile), puo arrivare ad essere il 30% del totale del tempo ciclo.

Per aumentare la produttivita e necessario incrementare la velocita media degliassi. Nelle macchine transfer ci si trova in presenza di corse brevi, dunque l’incre-mento della velocita si ottiene esclusivamente aumentando l’accelerazione.

Dall’analisi dell’efficienza in funzione della riduzione dei tempi passivi, si e ar-rivati a definire un range di accelerazione ottimale per queste applicazioni, risultataessere compresa tra i 20 e i 30 m/s2 con velocita massime prossime ai 100 m/min.

In assenza di carichi, un motore lineare di commercio puo accelerare fino a circa320 m/s2 e raggiungere una velocita di 830 m/min (ca. 14m/s).

Con i sistemi tradizionali, dotati di motori rotativi (generalmente brushless) ecatena cinematica di trasformazione del moto realizzata con viti a ricircolo di sfere,si ha un limite di velocita teorico pari a circa 60 m/min (1 m/s), mentre e gia unazzardo progettuale considerare un’accelerazione superiore ai 10 m/s2.

Anche la precisione di lavorazione, che negli ambiti di utilizzo delle macchinetransfer e di fondamentale importanza, risulta essere assolutamente rispettata conla tecnologia direct drive. Grazie alla rigidita del sistema e all’utilizzo di un con-trollo in posizione, velocita, accelerazione e precomando, si ha una reazione direttae immediata alle forze di disturbo con totale assenza di giochi.

E dunque ipotizzabile che i motivi del ritardo siano legati all’opinione diffusa cheuno dei principali svantaggi, legati all’utilizzo della movimentazione diretta, sia unelevato aumento della complessita della macchina e dei costi.

Per verificare queste affermazioni e stato sufficiente ricorrere alle esperienze diproduttori che hanno gia realizzato e commercializzato macchine dotate di motorilineari, nonche ai listini di uno dei piu grossi produttori di motorizzazioni dirette eindirette del mondo.

Il risultato e stato che, una volta investito del tempo per realizzare un’accurataprogettazione del sistema, la complessita della macchina risulta essere diminuita,grazie all’eliminazione di tutta la componentistica meccanica di grande pregio chesta a contorno della catena cinematica.

Per quanto riguarda i costi, e possibile valutare in un incremento del 10÷15%il costo complessivo della macchina, estremamente ridotto in confronto al vantaggioproduttivo ottenuto.

E quindi risultato in modo evidente che, nell’applicazione consider-

ata, questa tipologia di motori puo essere la tecnologia ideale.

A questo, si deve aggiungere che i fornitori di mezzi di produzione sono chiamatia rispondere, con i propri prodotti, alle esigenze organizzative e produttive dei pro-pri clienti.

La riduzione del time to market e stata una conseguenza della rapida evoluzione

143

Figura 7.2: La sintesi di quanto trovato con il presente lavoro di tesi: una macchina

transfer flessibile a elevata dinamica, con assi movimentati da motori lineari, cambio

utensile prestante e tavola girevole con motori torque

della domanda: la concorrenza impone a tutti i realizzatori di beni di consumo distuzzicare il mercato con prodotti nuovi a prezzi attraenti, di creare sempre piu nic-chie con prodotti tagliati maggiormente sul cliente, di osservare la concorrenza perreagire velocemente, meglio ancora per essere proattivi. Questo discorso e valido siaper i produttori di macchine utensili, sia per gli utilizzatori delle stesse.

Di conseguenza, il successo di un macchinario e ottenibile grazie all’introduzionedi innovazione tecnologica, percepita e apprezzata dai clienti perche vi intravvedonomiglioramenti nelle performance offerte e, dunque, un aumento della competitivitadelle proprie aziende.

Una macchina transfer flessibile, a elevata dinamica, quindi inevitabilmente dota-ta di motori lineari, puo risultare una soluzione fortemente migliorativa, in gradodunque di soddisfare le esigenze dei committenti; atta quindi a risvegliare l’at-tenzione del mercato, dando, nel contempo, un forte segnale di rinnovamento delsettore.

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147

Elenco delle figure

1.1 Operai al lavoro in fabbrica ai primi del ’900 . . . . . . . . . . . . . . 81.2 Interno di una macchina transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3 Richiesta di flessibilita e fattori di influenza . . . . . . . . . . . . . . 161.4 Importanza attribuita alle diverse dimensioni della flessibilita . . . . . 171.5 Importanza attribuita alla flessibilita di macchina nei diversi settori . 181.6 Importanza attribuita alla flessibilita di macchina e di routing . . . . 191.7 Importanza attribuita alla flessibilita nei cluster . . . . . . . . . . . . 211.8 Esempio di ciclo produttivo di un transfer . . . . . . . . . . . . . . . 251.9 Unita sbandierabile - Buffoli Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.10 Centro di lavoro dotato di cambio utensili a revolver - Transfer Riello 271.11 Staffaggio di un pezzo relativamente complesso . . . . . . . . . . . . . 281.12 Schema di transfer flessibile: unita mandrino registrabili o sbandier-

abili, tavola appesa per una migliore evacuazione del truciolo . . . . . 291.13 Traiettoria ideale (linea continua) ed eseguita con PLC (tratteggiata) 311.14 Differenti andamenti di v = v(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.15 Schermata del CNC della BTB Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1 Assale della John Deere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.2 Interno di una cella flessibile in cui e possibile vedere: i centri di

lavoro con i mandrini a revolver e un satellite portapezzo (Riello) . . 442.3 La cella di un altro costruttore: i centri di lavoro con revolver sono a

montante mobile (Gnutti) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.4 Transfer cella con centri di lavoro, morse a doppia rotazione, cambio

utensili con magazzino esterno (Gozio). . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.5 Pezzo lavorato con una cella flessibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.6 tempo ciclo coperchio trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.1 Schema di cella flessibile in configurazione “ideale” . . . . . . . . . . 553.2 Ciclo n◦1: Percentuale pezzi prodotti in funzione dell’accelerazione . . 583.3 Ciclo n◦2: Percentuale pezzi prodotti in funzione dell’accelerazione . . 583.4 Ciclo n◦3: Percentuale pezzi prodotti in funzione dell’accelerazione . . 59

4.1 trappresentazione schematica di una catena cinematica di tipo con-venzionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2 Sezione di una vite a ricircolo di sfere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

148

4.3 Diagramma delle velocita critiche in funzione del diametro e dellalunghezza libera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.4 Coefficienti di sicurezza in funzione della tipologia di montaggio dellavite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.5 motore brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.6 Foglio di calcolo per la scelta del motore . . . . . . . . . . . . . . . . 784.7 Andamento del”accelerazione in funzione della massa del carico . . . 80

5.1 Il motore di Wheatstone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.2 Dal motore rotativo al motore lineare. . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.3 Motore passo-passo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.4 Schema di funzionamento di un motore passo-passo. . . . . . . . . . . 855.5 Motore piano (o motore X-Y) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.6 Schema di un motore asincrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.7 L’andamento sinusoidale delle correnti sull’induttore . . . . . . . . . . 885.8 Dal motore sincrono rotativo al motore lineare . . . . . . . . . . . . . 895.9 Esemplari di motori lineari monolateri (ironcore) . . . . . . . . . . . . 915.10 Schema di un motore bilatero (ironless) . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.11 Esemplari di motori lineari a doppio lato . . . . . . . . . . . . . . . . 925.12 Principio costruttivo del motore tubolare . . . . . . . . . . . . . . . . 935.13 Principio costruttivo del motore tubolare . . . . . . . . . . . . . . . . 935.14 Un’altra tipologia di motore tubolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.15 I motori lineari sono talvolta forniti gia assemblati su slitte, con catene

portacavi e guide lineari gia opportunamente dimensionate . . . . . . 945.16 grafico termostatico di una vite a ricircolo di sfere . . . . . . . . . . . 965.17 rigidita dei sistemi (vite e motore lineare) rispetto alla frequenza

naturale - grafico realizzato da Kollmorgen . . . . . . . . . . . . . . . 975.18 confronto tra comportamenti dinamici . . . . . . . . . . . . . . . . . 985.19 confronto tra motorizzazione tradizionale e diretta di un carro traslante 985.20 Schema di catena portacavi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.21 Produzione Anorad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.22 Motori ironcore della Anorad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045.23 Schema dei motori ironcore e ironless della Etel . . . . . . . . . . . . 1045.24 motori ironcore della Ge-Fanuc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.25 I motori monolateri Bosch-Rexroth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.26 Modularita dei motori Siemens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6.1 Il progetto della cella flessibile ad alta dinamica inizia a prendere forma1086.2 curva caratteristica forza/velocita di un motore . . . . . . . . . . . . 1106.3 dimensionamento dei motori lineari (segue) . . . . . . . . . . . . . . . 1116.4 dimensionamento dei motori lineari(segue) . . . . . . . . . . . . . . . 1126.5 dimensionamento dei motori lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.6 Andamento temporale della velocita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.7 Andamento temporale delle forze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.8 Andamento temporale della forza richiesta al motore . . . . . . . . . 1176.9 curva caratteristica forza/velocita di un motore . . . . . . . . . . . . 119

149

6.10 analisi F.E.M. di una parte del carro a croce . . . . . . . . . . . . . . 1226.11 schema di una riga ottica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.12 encoder laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.13 Guida lineare con pattino a ricircolo di sfere . . . . . . . . . . . . . . 1246.14 Il carro a croce a tre assi e doppio mandrino realizzato nel progetto . 1266.15 Primario e secondario Siemens 1FN3 dotati o meno di raffreddamento

di precisione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1306.16 Configurazione di un azionamento per tavola rotante con motoriz-

zazione torque diretta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1316.17 Disposizione corretta del sistema di misura nel caso di una tavola

rotante azionata con motore Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326.18 Disposizione errata del sistema di misura nel caso di una tavola rotante

azionata con motore Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1336.19 Parte primaria (statore) e parte secondaria (rotore) che compongono

un motore Torque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1336.20 Motore Torque completo (con guide a rullini, sistema di misura e di

raffreddamento integrati) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346.21 Tavola girevole azionata con motore Torque e dotata di morse por-

tapezzo a doppia rotazione o di piattelli per la tornitura . . . . . . . 135

7.1 a sinistra azionamento con viti a ricircolo e a destra con motori lineari 1397.2 La sintesi di quanto trovato con il presente lavoro di tesi: una macchi-

na transfer flessibile a elevata dinamica, con assi movimentati da mo-tori lineari, cambio utensile prestante e tavola girevole con motoritorque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

150

Elenco delle tabelle

1.1 Distribuzione per classi di fatturato (milioni di Euro) . . . . . . . . . 121.2 Distribuzione per numero di dipendenti . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3 Distribuzione per settori merceologici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.4 Distribuzione per tipologia di produzione (un’impresa puo presentare

piu tipologie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5 Tipo di produzione e settore di appartenenza . . . . . . . . . . . . . . 131.6 Distribuzione del campione in base al tipo di vendita (una impresa

puo presentare piu tipologie). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.7 Tipo di vendita e settore di appartenenza . . . . . . . . . . . . . . . . 141.8 Certificazione di qualita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.9 Distribuzione della percentuale di fatturato estero . . . . . . . . . . . 151.10 Var. media nel fatturato - ultimi cinque anni . . . . . . . . . . . . . . 161.11 Variazioni mensili nelle vendite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1 La transizione strategica nel processo di acquisto . . . . . . . . . . . 422.2 Ciclo di lavorazione di ‘elemento scatola cambio’ . . . . . . . . . . . . 482.3 Ciclo di lavorazione di ‘corpo adduttore’ . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.1 Riassunto tempi ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.2 Riassunto tempi ciclo corretti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.3 Velocita medie e tempi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.4 Specifiche di progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1 Formule di trasformazione moto rotatorio - moto traslatorio . . . . . 704.2 Significato dei simboli di Tab 4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.1 confronto delle variabili fisiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.2 Principi di funzionamento dei motori lineari . . . . . . . . . . . . . . 84

6.1 Assi verticali: confronto tra sistemi di bilanciamento . . . . . . . . . 1256.2 Dati di progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.3 Dati di targa del motore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1286.4 Dati di targa dei motori 1FN3 serie 2WC00 . . . . . . . . . . . . . . 129

151