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Componenti principali dei sistemi robotizzati per saldatura e casi d’uso industriali
Elementi hardware chiave: manipolatore, controllore e sorgente di potenza per saldatura
Un sistema robotizzato per la saldatura è composto da tre componenti hardware fondamentali: il manipolatore, il controllore e la sorgente di alimentazione. I manipolatori possono assumere la forma di un braccio robotico; la variante a sei assi rappresenta l’implementazione più diffusa. Questi componenti integrano giunti azionati da servomotori e riduttori ad alta precisione, consentendo un controllo del movimento estremamente accurato. Tali bracci sono inoltre in grado di controllare percorsi di saldatura tridimensionali, rendendoli estremamente versatili nella risoluzione di problemi di saldatura che coinvolgono una grande varietà di giunti e dimensioni. Il controllore gestisce tutte le operazioni ed è altamente reattivo ai cambiamenti che si verificano durante l’operazione di saldatura. Esso riceve istruzioni provenienti da programmi incorporati (o da insegnatori portatili) e controlla il sistema robotico affinché esegua le operazioni di saldatura. La sorgente di alimentazione per la saldatura genera e mantiene l’arco di saldatura necessario per completare i giunti. Durante un’operazione di saldatura, essa regola la protezione gassosa, la velocità di alimentazione del filo di saldatura e la corrente e la tensione di saldatura. Tali parametri vengono determinati tenendo conto del tipo di giunto da realizzare, dello spessore e del tipo di metallo e della tecnica di saldatura più idonea all’applicazione. La combinazione di questi componenti consente di ottenere una soluzione di saldatura altamente affidabile e automatizzata. Questi sistemi robotici per la saldatura vengono impiegati nella produzione di gruppi automobilistici e di grandi macchinari, di telai e componenti strutturali, nonché nell’esecuzione di operazioni di saldatura che richiedono un’elevata costanza qualitativa.
Integrazione software e periferiche: sistemi di visione, sensori e interfacce di sicurezza
Le fabbriche moderne sono composte da una serie di componenti hardware e soluzioni software intelligenti. I sistemi a guida visiva, ad esempio, sono in grado di individuare giunti complessi e seguire linee di saldatura in continuo movimento, utilizzando telecamere calibrate e sistemi di rilevamento dei contorni. Questi sistemi possono ricalibrare autonomamente i propri percorsi, evitando all’utente la necessità di effettuare tale operazione manualmente ogni volta. I sensori di processo possono comunicare al controllore centrale variazioni dei livelli di tensione dell’arco, nonché misurazioni di calore e corrente. Questo controllore è in grado di apportare modifiche ai processi in meno di un secondo. I produttori integreranno inoltre sistemi conformi agli standard ISO 10218 e RIA 15.06, che arrestano il movimento di una macchina per proteggere l’operatore qualora quest’ultimo si trovi entro una determinata distanza dalla macchina. Tali componenti includono tende fotoelettriche, sistemi PLC specificamente certificati e circuiti per l’arresto di emergenza dotati di ridondanza. Uno studio pubblicato lo scorso anno sul Journal of Manufacturing Systems ha riferito che l’integrazione di tutti i componenti avanzati di una fabbrica ha portato a un processo produttivo capace di ridurre il numero di difetti nelle saldature da una media di 37 a zero, consentendo inoltre alla fabbrica di operare a maggiore velocità.
Considerazioni importanti nella scelta di un sistema robotizzato per la saldatura
Valutare il tipo di giunto, lo spessore del materiale e il volume di produzione previsto
La scelta del sistema più adatto richiede una comprensione approfondita delle specifiche esigenze dell'applicazione di saldatura. Per operazioni di saldatura complesse, come le saldature d'angolo a più passate o le saldature a giunto stretto, sono necessari robot in grado di eseguire movimenti articolati e saldature precise. Tuttavia, per la realizzazione di semplici saldature a sovrapposizione può essere sufficiente un impianto più basilare. Per materiali con spessore inferiore a 3 mm, al fine di evitare il bruciamento del materiale, è possibile ricorrere a metodi per ridurre il calore, come l'uso della saldatura GMAW a impulsi oppure l'impiego di un laser di saldatura in combinazione con un altro processo. Per sezioni superiori a 25 mm, risultano invece più idonei metodi di saldatura che prevedono un rapido riempimento e un movimento oscillante (weave). Anche il volume di produzione rappresenta un fattore determinante nella scelta. I produttori che realizzano oltre 10.000 unità al mese potrebbero trovare conveniente l'acquisto di robot ad alta velocità a 6 assi dotati di funzionalità avanzate, quali il tracciamento automatico della saldatura (seam tracking) e altre caratteristiche di automazione. Al contrario, i produttori con volumi di produzione inferiori ma con una maggiore varietà di prodotti potrebbero trarre maggior vantaggio da una soluzione modulare e flessibile. Secondo quanto riportato lo scorso anno dal Fabricators Journal, circa il 30% dei problemi riscontrati nella saldatura robotizzata è dovuto a una forma del giunto non compatibile con le capacità del robot. Per tale motivo, è estremamente importante definire fin dall'inizio i requisiti effettivi dell'applicazione di saldatura.
Capacità di carico, portata e ripetibilità per la saldatura di precisione
La capacità di carico utile deve tenere conto di tutti gli attrezzature, dei cavi e degli utensili collegati. A seconda del lavoro, i requisiti di carico utile possono essere di circa 5 kg per operazioni standard di saldatura ad arco. La portata determina il volume dello spazio entro il quale il sistema può operare. I progetti di costruzione navale richiedono tipicamente una portata orizzontale di 3 metri o più, mentre i progetti che prevedono l'assemblaggio di componenti, come quelli relativi a parti automobilistiche, ne richiedono soltanto da 1,4 a 1,8 metri. Il fattore più significativo è la ripetibilità, ossia la precisione con cui il robot è in grado di ritornare sempre nella stessa posizione con la medesima accuratezza; le specifiche in tal senso possono essere estremamente stringenti. Applicazioni nel settore aerospaziale e dei dispositivi medici mirano a tolleranze di produzione pari a +/− 0,05 mm. I sistemi in grado di mantenere una stabilità termica a 150 gradi Celsius eliminano inoltre il rischio di ritrattamenti dovuti alla deriva termica. Secondo il Rapporto sulla produzione IMTS 2023, quando portata e ripetibilità sono progettate in modo efficace, la necessità di sistemi complessi di fissaggio dei pezzi si riduce del 27% e il numero di difetti diminuisce del 40%.
Integrazione di un sistema robotizzato per saldatura in un flusso produttivo
Progettazione della cella, dispositivi di fissaggio e integrazione con il PLC
Prima di iniziare a integrare le stazioni di saldatura, è necessario progettare tali stazioni in base al flusso di lavoro effettivo. Assicurarsi di pianificare la disposizione dell’impianto lasciando uno spazio libero intorno all’area di saldatura pari ad almeno 1,5 volte la portata massima del robot. Ciò consente di rispettare i requisiti di sicurezza e manutenzione previsti dalla norma ANSI/RIA R15.06. Inoltre, facilita il trasporto dei materiali nell’area di lavoro e offre maggiore spazio ai tecnici. L’espansione termica delle attrezzature di fissaggio rappresenta un problema rilevante: fissare troppo rigidamente le attrezzature per la saldatura di alluminio e acciaio inossidabile causa la maggior parte dei problemi di saldatura, circa il 15%, secondo una recente ricerca presentata alla FabTech 2023. Per garantire il successo dell’integrazione, dobbiamo affrontare la comunicazione tra PLC. La maggior parte del mondo utilizza EtherCAT o Profinet, protocolli che consentono una comunicazione più rapida tra PLC, sistemi di visione e controller dei robot. Questi protocolli riducono inoltre di circa il 40% il tempo necessario per configurare un’operazione di integrazione e aumentano l’efficienza complessiva delle linee di produzione.
L'uso di sistemi di fissaggio modulari prevede l'impiego di piastre di base e di dispositivi di posizionamento per facilitare una rapida riconfigurazione per diverse famiglie di componenti
Uno dei metodi adottati per l'errore-proofing consiste nell'utilizzo di loop di retroazione che impiegano sensori. Un esempio è l'uso di sensori di prossimità, in grado di rilevare la presenza di un componente prima dell'avvio del ciclo operativo successivo
La gestione integrata dei cavi prevede il cablaggio ordinato di alimentazione, segnali e gas, con supporti schermati e dotati di protezione contro le sollecitazioni meccaniche, al fine di ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI) sui segnali di controllo
Formazione del personale e pianificazione del periodo previsto per il ritorno dell'investimento a partire dal completamento della fase di cambio prodotto
Affinché l'automazione robotica abbia successo, le competenze umane e le attrezzature adeguate sono entrambe altrettanto importanti. Grazie alla formazione che forniamo al team di manutenzione e ai saldatori, questi ultimi sono in grado di eseguire una delle attività più critiche e impattanti del nuovo processo: modificare i parametri per ottimizzare l’operazione e risolvere i problemi relativi alle attrezzature. Questa formazione riduce i tempi di cambio di configurazione fino al 30%. Nell’applicazione dell’automazione della saldatura, il ritorno sull’investimento previsto dipende da diversi fattori, tra cui la riduzione attesa dei costi di manodopera per la saldatura di 75 dollari per ora-uomo, la diminuzione degli scarti, la qualità costante di tutti i giunti saldati e la possibilità di tracciare ogni prodotto lungo l’intero ciclo produttivo. Sulla base della nostra esperienza maturata con numerose applicazioni e aziende diverse, prevediamo un ritorno sull’investimento entro 18–24 mesi dall’avvio, a condizione che sia stata realizzata l’infrastruttura adeguata e siano stati implementati processi di supporto.
Framework di competenze con certificazioni articolate in livelli basate sulle funzioni lavorative (ad esempio, operatore → programmatore → integratore)
Utilizzo della tecnologia del gemello digitale, che consente simulazioni digitali per pianificare offline i percorsi e programmare in modo sicuro, senza collisioni, senza fermare la linea di produzione
Implementazione di dashboard OEE per illustrare la produzione effettiva rispetto a quella pianificata, in termini di tempo di arco attivo, disponibilità, prestazioni, qualità e perdite
La manutenzione programmata e proattiva migliora il tempo medio tra i guasti del 35%. Le piattaforme di analisi saldatura, che analizzano i modelli di schizzi, le variazioni di tensione e la velocità di avanzamento, riducono il tasso di scarti del 22% nella produzione mista.
Raggiungere prestazioni ottimali e affidabilità a lungo termine per il sistema robotizzato di saldatura
Manutenzione programmata e regolazione dei parametri dell’arco
Ottenere risultati affidabili deriva dall’esecuzione della manutenzione necessaria, piuttosto che attendere che i componenti si guastino. Ciò include il rispetto delle specifiche di lubrificazione per le articolazioni degli assi e la manutenzione dei motori servo e dei cavi del circuito. Secondo una ricerca del 2023 (citazione preferita), questo approccio elimina effettivamente circa la metà di tutti gli arresti imprevisti. Un altro aspetto fondamentale è l’adeguamento dei parametri di saldatura, ove necessario.
Miglioramenti basati sui dati mediante monitoraggio dell’OEE e analisi della qualità della saldatura
Nel contesto del monitoraggio dell'OEE (Overall Equipment Effectiveness), ciò di cui stiamo trattando è la affidabilità, che va oltre la sua rappresentazione come indicatore di manutenzione e include il potenziale di crescita derivante dal miglioramento continuo. Il sistema registra i dati relativi ai periodi prolungati in cui gli archi vengono mantenuti, identifica i casi in cui l’organo terminale si discosta dal percorso previsto e registra gli incidenti di sovraccarico termico. Utilizzando questi dati, il sistema mette in relazione le prestazioni dell’operazione con quelle di altre unità che eseguono lo stesso compito e individua potenziali problemi prima che possano aggravarsi. Nel campo della saldatura, l’intelligenza artificiale estende le proprie capacità all’analisi delle variazioni nella formazione e nel comportamento dello schizzo di saldatura. Essa collega i problemi legati allo schizzo alla usura della bocchetta e all’erosione della punta di contatto, nonché al flusso del gas. Gli impianti produttivi con esperienze produttive diversificate riportano una riduzione approssimativa del 40% dei tempi medi di riparazione, mentre un tasso di accettazione superiore al 98% per la conclusione corretta della saldatura al primo tentativo è ormai la nuova norma.
Domande frequenti
1. Quali sono i componenti principali di un sistema robotizzato per la saldatura?
Un sistema robotizzato per la saldatura è composto da tre componenti principali: manipolatore, controllore e sorgente di potenza per la saldatura. Questi componenti operano in sinergia per eseguire operazioni di saldatura automatizzate con elevata precisione e ripetibilità.
2. In che modo il software supporta i sistemi robotizzati per la saldatura?
Il software, abbinato all’hardware, migliora le prestazioni dei sistemi robotizzati per la saldatura. Risultati di saldatura ottimali, tempi di configurazione ridotti e la possibilità di rispettare i requisiti di sicurezza possono essere ottenuti grazie all’impiego di sistemi di visione, sensori e interfacce di sicurezza.
3. Quali fattori sono importanti nella scelta di un sistema robotizzato per la saldatura?
I fattori da considerare nella scelta di un sistema robotizzato per la saldatura includono il tipo di giunti da saldare, lo spessore dei materiali da unire, la dimensione del lotto produttivo e il carico utile, la portata e la ripetibilità richiesti.
4. Quali sono i vantaggi dell’integrazione dei robot per la saldatura?
I vantaggi dell'integrazione dei robot per la saldatura riguardano la possibilità di progettare la disposizione della cella, le attrezzature e la comunicazione con il PLC. Una buona integrazione comporta tempi di messa a punto più brevi, una maggiore efficienza nel flusso di lavoro e il raggiungimento tempestivo degli obiettivi operativi.
5. Come si possono migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei robot per la saldatura?
Robot per la saldatura più affidabili e performanti possono essere ottenuti combinando la manutenzione programmata con la regolazione dei parametri dell'arco. Apportare miglioramenti basati sui dati, derivanti dall'analisi dell'OEE e dalla valutazione della qualità delle saldature, può portare a un miglioramento continuo.