Riso. 3. Un utensile monoblocco a cambio rapido, alimentato a tazza, alloggiato nell'armadietto di sinistra controlla l'orientamento e la separazione delle attrezzature (garantisce il corretto allineamento e posizionamento delle attrezzature). L'armadietto di destra ospita diverse incudini e navette.
Ron Boggs, responsabile vendite e assistenza per Haeger North America, continua a ricevere telefonate simili dai produttori durante la ripresa dalla pandemia del 2021.
"Continuavano a dirci: 'Ehi, ci mancano delle chiusure'", ha detto Boggs. "A quanto pare, era dovuto a un problema di personale". Quando le fabbriche assumevano nuovo personale, spesso mettevano persone inesperte e non qualificate davanti alle macchine per inserire le attrezzature. A volte mancavano le chiusure, a volte montavano le chiusure sbagliate. Il cliente tornava e finalizzava le impostazioni.
Ad alto livello, l'inserimento di componenti hardware sembra essere un'applicazione matura della robotica. In futuro, un impianto potrebbe essere completamente automatizzato per punzonatura e formatura, incluse torrette, rimozione dei pezzi e forse anche piegatura robotizzata. Tutte queste tecnologie servono quindi gran parte del settore dell'installazione manuale. Considerando tutto ciò, perché non posizionare un robot davanti a una macchina per l'installazione delle attrezzature?
Negli ultimi 20 anni, Boggs ha collaborato con numerose fabbriche che utilizzano attrezzature robotizzate per l'inserimento. Più recentemente, lui e il suo team, tra cui Sander van de Bor, ingegnere capo di Haeger, hanno lavorato per semplificare l'integrazione dei cobot nel processo di inserimento (vedi Figura 1).
Tuttavia, sia Boggs che VanderBose sottolineano che concentrarsi esclusivamente sulla robotica può talvolta trascurare il problema più ampio dell'inserimento dell'hardware. Operazioni di installazione affidabili, automatizzate e flessibili richiedono molti elementi costitutivi, tra cui la coerenza e la flessibilità dei processi.
Il vecchio morì in modo orribile. Molti applicano questo adagio alle punzonatrici meccaniche, ma si applica anche alle presse con alimentazione manuale, principalmente per la sua semplicità. L'operatore posiziona elementi di fissaggio e componenti sul supporto inferiore prima di inserirli manualmente nella pressa. Preme il pedale. La punzonatrice scende, entra in contatto con il pezzo e crea pressione per inserire l'attrezzatura. È piuttosto semplice, finché qualcosa non va storto, ovviamente.
"Se l'operatore non presta attenzione, l'utensile cade e tocca il pezzo senza effettivamente esercitare pressione", ha affermato van de Bor. Perché, esattamente cosa? "Le vecchie attrezzature non avevano feedback per errore e l'operatore non se ne rendeva conto". L'operatore non riusciva a tenere il piede sui pedali durante l'intero ciclo, il che, a sua volta, poteva causare l'attivazione del sistema di sicurezza della pressa. "L'utensile superiore ha sei volt, quello inferiore è collegato a terra e la pressa deve rilevare la conduttività prima di poter generare pressione".
Le presse a inserti più vecchie non hanno la cosiddetta "finestra di tonnellaggio", ovvero l'intervallo di pressione entro il quale l'attrezzatura può essere inserita correttamente. Le presse moderne potrebbero rilevare che questa pressione è troppo bassa o troppo alta. Poiché le presse più vecchie non hanno una finestra di tonnellaggio, ha spiegato Boggs, gli operatori a volte regolano la pressione regolando una valvola per risolvere il problema. "Alcuni regolano troppo alta e altri troppo bassa", ha detto Boggs. "La regolazione manuale offre molta versatilità. Se è troppo bassa, l'hardware è stato installato in modo errato". "Una pressione eccessiva può effettivamente deformare il pezzo o l'elemento di fissaggio stesso".
"Inoltre, le macchine più vecchie non avevano misuratori", aggiunge van de Boer, "e questo poteva causare la perdita di elementi di fissaggio da parte degli operatori".
Inserire manualmente l'hardware può sembrare facile, ma il processo è difficile da risolvere. A peggiorare le cose, le operazioni di assemblaggio dell'hardware spesso avvengono più avanti nella catena del valore, dopo che il gap è stato riempito e formato. I problemi alle apparecchiature possono compromettere la verniciatura a polvere e l'assemblaggio, spesso perché un operatore coscienzioso e diligente commette piccoli errori che si trasformano in grattacapi.
Figura 1. Il cobot mostra il componente inserendo l'attrezzatura nella pressa, dotata di quattro contenitori e quattro navette indipendenti che alimentano l'attrezzatura nella pressa. Immagine: Hagrid
Nel corso degli anni, la tecnologia di inserimento hardware ha risolto questi problemi identificando ed eliminando queste fonti di variabilità. Gli installatori di apparecchiature non dovrebbero essere la fonte di così tanti problemi solo perché perdono un po' di concentrazione a fine turno.
Il primo passaggio nell'automazione dell'installazione dei raccordi, l'alimentazione a tazza (vedi fig. 2), elimina la parte più noiosa del processo: la presa e il posizionamento manuale dei raccordi sul pezzo. In una configurazione tradizionale con alimentazione dall'alto, una pressa con alimentazione a tazza invia gli elementi di fissaggio a una navetta che alimenta la minuteria all'utensile superiore. L'operatore posiziona il pezzo sull'utensile inferiore (incudine) e preme il pedale. Il punzone viene abbassato utilizzando la pressione del vuoto per sollevare la minuteria dalla navetta, avvicinandola al pezzo. La pressa applica pressione e il ciclo è completato.
Sembra semplice, ma se si scava più a fondo, si possono scoprire alcune sottili complessità. Innanzitutto, l'attrezzatura deve essere inserita nell'area di lavoro in modo controllato. È qui che entra in gioco lo strumento bootstrap. Lo strumento è costituito da due componenti. Uno dedicato al posizionamento, garantisce che l'attrezzatura in uscita dalla vasca sia posizionata correttamente. L'altro garantisce la corretta segmentazione, l'allineamento e il posizionamento dell'attrezzatura. Da lì, l'attrezzatura viaggia attraverso un tubo fino a una navetta che la alimenta fino allo strumento superiore.
Ecco la complicazione: gli utensili di alimentazione automatica (utensili di orientamento e divisione, e navette) devono essere sostituiti e mantenuti in perfette condizioni di funzionamento ogni volta che si cambia l'attrezzatura. Diverse tipologie di hardware influenzano il modo in cui alimenta l'area di lavoro, quindi gli utensili specifici per ogni hardware sono una realtà e non possono essere esclusi dalla progettazione.
Poiché l'operatore davanti alla pressa non deve più dedicare tempo al sollevamento (eventualmente all'abbassamento) e alla configurazione dell'attrezzatura, il tempo tra un inserimento e l'altro si riduce drasticamente. Tuttavia, grazie a tutti questi utensili specifici per l'hardware, la vasca di alimentazione offre anche funzionalità di conversione. Gli utensili per dadi autoserranti 832 non sono adatti per dadi 632.
Per sostituire il vecchio alimentatore a due pezzi, l'operatore deve assicurarsi che l'utensile di orientamento sia correttamente allineato con l'utensile diviso. "Hanno anche dovuto controllare la vibrazione della ciotola, la fasatura dell'aria e il posizionamento del tubo flessibile", ha affermato Boggs. "Devono controllare l'allineamento della navetta e del vuoto. In breve, l'operatore deve controllare molti allineamenti per assicurarsi che l'utensile funzioni correttamente."
Gli operatori che lavorano la lamiera hanno spesso requisiti di attrezzature particolari, che possono essere dovuti a problemi di accesso (inserimento di attrezzature in spazi ristretti), attrezzature insolite o entrambi. Questo tipo di installazione utilizza un utensile monoblocco appositamente progettato. Sulla base di ciò, afferma Boggs, è stato infine sviluppato un utensile "tutto in uno" per una pressa per tazze standard. L'utensile contiene elementi di orientamento e selezione (vedi Fig. 3).
"È progettato per cambi rapidi", afferma van de Boer. "Tutti i parametri di controllo, inclusi aria, vibrazioni, tempo e tutto il resto, sono gestiti dal computer, quindi l'operatore non deve effettuare alcuna commutazione o regolazione."
Con l'aiuto dei tasselli, tutto rimane allineato (vedi fig. 4). "L'operatore non deve preoccuparsi dell'allineamento durante la conversione. Il livellamento è sempre perfetto perché tutto si blocca in posizione", ha detto Boggs. "Gli utensili sono semplicemente avvitati."
Quando un operatore posiziona un foglio su una pressa per ferramenta, allinea i fori con un'incudine progettata per lavorare con elementi di fissaggio di un certo diametro. Il fatto che nuovi diametri richiedano nuovi utensili per incudine ha reso la produzione in serie piuttosto difficoltosa nel corso degli anni.
Immaginate una fabbrica con le più moderne tecnologie di taglio e piegatura, un rapido cambio automatico degli utensili, piccoli lotti o addirittura una produzione completa. Il pezzo viene poi inserito in un inserto per minuteria e, se il pezzo richiede un tipo di minuteria diverso, l'operatore passa alla produzione in serie. Ad esempio, può inserire un lotto di 50 pezzi, cambiare le incudini e quindi inserire la nuova minuteria nei fori corretti.
Una pressa per ferramenta con torretta cambia la scena. Gli operatori possono ora inserire un tipo di attrezzatura, ruotare la torretta e aprire un contenitore con codice colore per ospitare un altro tipo di attrezzatura, il tutto in un'unica configurazione (vedi Figura 5).
"A seconda del numero di componenti, è meno probabile che si perda una connessione hardware", ha detto van de Bor. "Si esegue l'intera sezione in un'unica passata, così non si salta un passaggio alla fine."
La combinazione di alimentazione a tazza e torretta su una pressa per inserti può rendere la gestione dei kit una realtà nel reparto ferramenta. In un'installazione tipica, il produttore si assicura che l'alimentazione della tazza sia esclusiva per le normali attrezzature di grandi dimensioni e quindi posiziona le attrezzature utilizzate meno frequentemente in contenitori colorati vicino all'area di lavoro. Quando gli operatori prelevano un componente che richiede più componenti, iniziano a collegarlo ascoltando il segnale acustico della macchina (che indica che è il momento di aggiungere nuovo componente), ruotando la tavola rotante dell'incudine, visualizzando un'immagine 3D del componente sul controller e quindi inserendo il componente successivo.
Immaginate uno scenario in cui un operatore inserisce un pezzo di equipaggiamento alla volta, utilizzando l'alimentazione automatica e ruotando la tavola rotante dell'incudine secondo necessità. L'operatore si ferma dopo che l'utensile superiore afferra l'elemento di fissaggio autoalimentato dalla navetta e lo lascia cadere sul pezzo in lavorazione sull'incudine. Il controller avvertirà l'operatore che gli elementi di fissaggio hanno la lunghezza errata.
Come spiega Boggs, "In modalità di configurazione, la pressa abbassa lentamente il cursore e ne registra la posizione. Quindi, quando funziona a piena velocità e l'attrezzatura tocca l'utensile, il sistema garantisce che la lunghezza dell'attrezzatura corrisponda alla [Tolleranza] specificata. Misure fuori intervallo, troppo lunghe o troppo corte causeranno errori nella lunghezza del fissaggio. Ciò è dovuto al rilevamento del fissaggio (assenza di vuoto nell'utensile superiore, solitamente causato da errori di alimentazione hardware) e al monitoraggio e alla manutenzione della finestra di tonnellaggio (invece della regolazione manuale di una valvola da parte dell'operatore), che creano un sistema di automazione affidabile e collaudato.
"Le presse hardware con autodiagnosi possono rappresentare un enorme vantaggio per i moduli robotici", ha affermato Boggs. "In una configurazione automatizzata, il robot sposta la carta nella posizione corretta e invia un segnale alla pressa, dicendo in sostanza: 'Sono nella posizione giusta, procedi e avvia la pressa'.
La pressa per ferramenta mantiene puliti i perni dell'incudine (installati nei fori del pezzo in lamiera). Il vuoto nel punzone superiore è normale, il che significa che ci sono elementi di fissaggio. Sapendo tutto questo, la pressa ha inviato un segnale al robot.
Come dice Boggs, "La pressa controlla praticamente tutto e dice al robot: 'OK, tutto a posto'. Avvia il ciclo di stampaggio, verificando la presenza degli elementi di fissaggio e la loro lunghezza corretta. Se il ciclo è completo, verifica che la pressione utilizzata per inserire la ferramenta sia corretta, quindi invia un segnale al robot per segnalare che il ciclo di pressatura è completato. Il robot riceve questo segnale e sa che tutto è pulito e può spostare il pezzo al foro successivo".
Tutti questi controlli macchina, originariamente pensati per operatori manuali, forniscono effettivamente una buona base per un'ulteriore automazione. Boggs e van de Boor descrivono ulteriori miglioramenti, come alcuni design che aiutano a impedire che i fogli si attacchino all'incudine. "A volte gli elementi di fissaggio si bloccano dopo un ciclo di stampaggio", ha affermato Boggs. "È un problema intrinseco quando si comprime il materiale. Quando si incastra nell'utensile inferiore, l'operatore di solito può ruotare leggermente il pezzo per estrarlo."
Figura 4. Bullone della navetta con spina di centraggio. Una volta impostata, la navetta alimenta l'attrezzatura all'utensile superiore, che sfrutta la pressione del vuoto in modo che l'attrezzatura possa essere fissata e trasportata al pezzo in lavorazione. L'incudine (in basso a sinistra) si trova su una delle quattro torrette.
Purtroppo, i robot non hanno le competenze di un operatore umano. "Quindi ora esistono presse che aiutano a rimuovere i pezzi in lavorazione, a spingere gli elementi di fissaggio fuori dall'utensile, in modo che non si verifichino inceppamenti dopo il ciclo di pressatura."
Alcune macchine hanno diverse profondità di gola per aiutare il robot a manovrare il pezzo dentro e fuori dall'area di lavoro. Le presse possono anche includere supporti che aiutano i robot (e gli operatori manuali, peraltro) a posizionare in modo sicuro i loro pezzi.
In definitiva, l'affidabilità è fondamentale. Robot e cobot possono essere parte della risposta, rendendoli più facili da integrare. "Nel campo dei robot collaborativi, i fornitori hanno compiuto grandi progressi nel semplificare al massimo l'integrazione con le macchine", ha affermato Boggs, "e i produttori di presse hanno svolto un notevole lavoro di sviluppo per garantire l'utilizzo del corretto protocollo di comunicazione".
Ma anche le tecniche di stampaggio e le tecniche di officina, incluso il supporto del pezzo in lavorazione, istruzioni di lavoro chiare (e documentate) e una formazione adeguata giocano un ruolo importante. Boggs ha aggiunto di ricevere ancora chiamate per problemi di elementi di fissaggio mancanti e altri problemi nel reparto ferramenta, molti dei quali lavorano con macchinari affidabili ma molto vecchi.
Queste macchine possono essere affidabili, ma l'installazione non è per inesperti e non professionisti. Richiamate la macchina che ha rilevato la lunghezza sbagliata. Questo semplice controllo impedisce che un piccolo errore si trasformi in un grosso problema.
Figura 5. Questa pressa per ferramenta è dotata di un piatto girevole con arresto e quattro stazioni. Il sistema è inoltre dotato di uno speciale utensile a incudine che aiuta l'operatore a raggiungere i punti più difficili. In questo caso, i raccordi vengono inseriti appena sotto la flangia posteriore.
Tim Heston, Senior Editor di The FABRICATOR, lavora nel settore della lavorazione dei metalli dal 1998, iniziando la sua carriera con la rivista Welding Magazine dell'American Welding Society. Da allora, la rivista ha trattato tutti i processi di lavorazione dei metalli, dallo stampaggio, alla piegatura e al taglio, fino alla molatura e lucidatura. È entrato a far parte di The FABRICATOR nell'ottobre 2007.
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