Appunti di Produzione Avanzata nella Fabbrica Digitale + Progetto completo [PAFD - ex PAC]

Autore: Gaudio Giovanni

Appunti di

Produzione avanzata nella Fabbrica Digitale

(ex Produzione Assistita da Calcolatore)

REVISIONE

25 gennaio 2019

2

4

Indice

1 Industria 4.0 7

1.1 Competitività e industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Cenni storici e onde di Kondratiev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Situazione in Italia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4 Il digital twin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.5 Vantaggi e svantaggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.6 Progettazione di prodotto e processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 Le macchine utensili 23

2.1 Le trasformazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2 Componenti Strutturali delle MU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.1 Il controllore numerico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.2 Mandrino e morsa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.3 Le guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3 Sistemi di avanzamento e accessori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4 La rigidezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.5 Il collaudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.5.1 Controlli geometrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.5.2 Le prove pratiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.6 Fixturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.6.1 Componenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.6.2 Tipologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.7 Magazzino utensili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3 Hardware di controllo e motori 51

3.1 Il controllore numerico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2 Azionamento dei servomotori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3 I servomotori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3.1 Motori a corrente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3.2 Asincrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.3 Sincrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.3.4 Sincroni Brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.3.5 Stepper motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.3.6 Il driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.3.7 Direct drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.4 I trasduttori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.5 Il PC come controllore numerico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.5.1 Controllo per stepper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.5.2 Base Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5

3.5.3 Motion controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4 PLM - Product Lyfecycle Management 85

4.1 Product LifeCycle e Concurrent Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.1.1 La fabbricabilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.2 Business Process Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.3 Il modello PLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.3.1 Ciclo di vita del prodotto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.3.2 Il software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5 Valutazione dei costi 99

5.1 Analisi dei costi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.2 Stima dei costi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Bibliografia 109

Elenco delle figure 110

6

Capitolo 1

Industria 4.0

Lo scopo di questo capitolo quello è fornire delle conoscenze relative alla fabbrica digitale,

ovvero ad un nuovo modo di pensare e realizzare la produzione, soprattutto con riferimenti

nella progettazione delle lavorazioni essenzialmente con tecniche CAD/CAM. In questi anni ci

troviamo in uno scenario di mercato complesso, caratterizzato essenzialmente da competizione

internazionale sui mercati globali, competizione che negli ultimi venti, trent’anni è diventata

feroce. Una competizione che si estende agli stessi mercati che richiedono prodotti sempre

più competitivi, per esempio in termini di minori costi, innovazione, flessibilità dei prodotti,

e che ovviamente necessitano di un settore manifatturiero che tenga il passo nel prevedere

obiettivi sempre più ambiziosi, reagendo in maniera elastica e rapida ai cambiamenti dei

mercati e alle richiesta dei cliente.

1.1 Competitività e industria

Oggi per poter sopravvivere sul mercato manifatturiero è importante definire il time-to-

(TTM), termine che viene impiegato per indicare tutte le fasi del processo manifattu-

market

riero, dalla ideazione alla progettazione del prodotto, dall’ingegnerizzazione della produzione

alla verifica dei processi e alla effettiva produzione/fabbricazione, oltre che alla spedizione

e alla presentazione del prodotto sul mercato, fino al momento in cui il cliente dispone

effettivamente del prodotto sul mercato. Se la richiesta è ridurre il TTM, è necessario che

tutte le fasi siano quantomeno semplificate, ma soprattutto siano tutte integrate tra loro: i

processi manifatturieri devono poter creare prodotti sempre più personalizzati e complessi

sulle specifiche richieste del cliente. Il sistema di produzione deve essere il più flessibile

possibile poichè tale caratteristica permette di avere una produzione che si adegua facilmente

al cambiamento, che può essere un cambiamento di prodotto, di tempi di consegna. Quindi

se vogliamo rendere il prodotto ed il sistema produttivo competitivo sul mercato, dobbiamo

trasformare continuamente, e radicalmente, i sistemi di produzione. Attualmente la richiesta

è quella di produrre sistemi che sono fra di loro interconnessi, collaborativi e più efficienti. Si

potrebbe pensare che l’automazione si presti già a risolvere tali problemi, ma ciò è del tutto

errato, l’automazione infatti assolve solo in parte tali compiti.

La prima automazione nasce più o meno con la creazione della linea di montaggio della

Model T ad opera di Henry Ford in America verso la fine del ’900. Tale automazione è però

un’automazione nella quale una volta definito il tipo di prodotto e la

rigida e meccanica

cadenza produttiva, il relativo sistema di produzione ne risulta di conseguenza rigidamente

definito: l’impianto produttivo risulta pertanto specifico per quel tipo di prodotto e per quei

volumi di prodotto. In contrapposizione all’automazione meccanica, vi è un altro tipo di

7

automazione, l’automazione informatica. Essa fa largo uso di sistemi computerizzati, che

proprio per loro natura ne caratterizzano la flessibilità: per questo motivo si parla in questo

caso di Essa infatti permette di risolvere compiti automatici (senza

automazione flessibile.

l’obbligatoria presenza di un operatore), ma soprattutto permette di riprogrammare compiti

e procedure in maniera estremamente semplice.

Anche se flessibili, oggi tali automazioni non sono più sufficienti a stare al passo della

richiesta del mercato. Per poter raggiungere obiettivi di prestazioni ed efficienza ancora

maggiori rispetto a quelli tradizionali, si passa quindi ad una flessibilità che si estende

dall’interno all’esterno della fabbrica: da qui termine che nasce in Germania

l’industria 4.0,

con il Piano Industria 4.0 del 2013.

1.2 Cenni storici e onde di Kondratiev

Con il termine Industria 4.0 s’intende una vera e propria quarta rivoluzione industriale,

che caratterizza un profondo e radicale cambiamento delle strutture organizzative e sociali di

un’azienda manifatturiera, che deve essere per forza accompagnata da una trasformazioni di

tipo culturale di vastissima portata.

Figura 1.1: Cicli di Kondratiev, rendimento decennale S&P 500

Se seguiamo quello che è avvenuto nell’ultimo secolo nel campo delle scoperte scientifiche

che hanno prodotto grandi cambiamenti nei sistemi di produzione possiamo pensare ad una

specie di flusso che si muove con un moto ondoso quasi sinusoidale dando forma alle cosiddette

onde di Kondratiev. Tali onde rappresentano cicli temporali, che nel mondo capitalistico

moderno, si ripetono più o meno ogni 50 60 anni: sono caratterizzate da una fase iniziale di

÷

crescente prosperità economica, strettamente legata alle scoperte scientifiche ed allo sviluppo

tecnologico, un picco ed una fase di decadenza economica. Analizzando i cicli più recenti,

1

a partire dal 1700 e basandoci sull’indice Standard&Poor’s-500 possiamo riconoscere la

prima onda nel periodo che va dal 1780 fino al 1830, che combacia con la prima rivoluzione

industriale, una rivoluzione sostanzialmente di tipo meccanico nella quale si riescono a far

muovere le macchine attraverso il vapore, in cui si osservano le prime grandi realizzazioni

di impianti produttivi a carattere però essenzialmente artigianale. Alla prima segue una

1 Cioè l’indice delle 500 società più influenti ed importanti società dell’epoca.

8

Figura 1.2: Rivoluzioni industriali

seconda onda di Kondratiev che parte con la diffusione dell’acciaio e delle grandi costruzioni

ferroviarie, e che si estende fino dopo la grande depressione del 1879. La ripresa economica

avviene con la terza onda di Kondratiev intorno agli anni 1880-1930 coincidente con l’avvento

dell’energia elettrica e con l’elettrificazione mondiale non solo dei sistemi produzione, ma

anche delle città, che diede l’input alla nascita della produzione di massa nelle catene di

montaggio grazie anche alla messa a punto del motore elettrico creato da Tesla (in effetti la

disponibilità di energia facile da trasportare e disponibile per creare non solo illuminazione

ma anche energia meccanica cambia letteralmente il mondo e caratterizza una fase molto

lunga): sono gli anni della seconda rivoluzione industriale (figura 1.2). L’onda termina con la

grande depressione del 1929, a cui segue una quarta onda dal 1930-1970 alla quale corrisponde

l’esplosione del settore automobilistico, della chimica e della petrolchimica, e che si estende

fino al 1970 con la prima e seconda crisi petrolifera. La quinta ed ultima onda di Kondratiev

va dal 1970 con l’avvento delle tecnologie dell’informazione e delle telecomunicazioni, fino

alla crisi finanziaria del 2010. Sono gli anni della nascita del primo calcolatore elettronico in

2

Italia con la Olivetti . L’introduzione del computer e la disponibilità di sistemi cosı̀ complessi

a basso costo, ed il successivo calo vertiginoso del costo dei processori porta negli anni 70

all’introduzione delle tecnologie informatiche anche nei sistemi di produzione: nascono cosı̀ i

3

controllori logici programmabili, i controllori numerici computerizzati, i robot industriali ,

i sistemi di monitoraggio di processo basati su sensori. Si diffonde quindi un’automazione

rigida meccanica, coadiuvata con device elettronici computerizzati e programmabili.

Dal 2010 un nuovo ciclo caratterizza nuove condizioni storiche e forse oggi siamo in

2 Il primo calcolatore elettronico venne ideato e prodotto dalla Olivetti in Italia, che per le note condizioni

politiche nazionali dell’epoca fu costretta a spacciarlo per semplice calcolatrice.

3 Ne fu un esempio la cella di saldatura computerizzata fatta dalla Fiat presso lo stabilimento di Mirafiori

che effettuava l’operazione di saldatura automatica della scocca delle auto tramite braccio antropomorfo.

9

una sesta onda di Kondratiev che vede una crescita dovuta allo sviluppo delle tecnologie

biomedicali e dell’ambiente: quella che oggi definiamo come la quarta rivoluzione industriale.

In particolare oggi presupponiamo di essere all’apice dell’iperbole con gli impianti di ultima

generazione (industry 4.0), le intelligenze artificiali e le macchine interconnesse (tra loro,

ma anche con sistemi digitali), tutte comunque fonti che generano una grandissima mole

di dati continuamente scambiati all’interno della rete. Da qui nasce la problematica legata

all’utilizzo di tali informazioni e di cosa ci si può fare con tutti questi dati e anche se spesso

si presentano come rindondanti o non apparentemente utili: il cosiddetto problema dei Big

Data. Figura 1.3: Aumento della complessità

Quindi in generale possiamo affermare che caratteristica comune a tutto il secolo è

che la complessità dei sistemi aumenta e cresce in maniera naturale con lo sviluppo dei

processi manifatturieri (figura 1.3) che ad oggi vedono scenari tecnologici diversi in cui

cooperano esseri umani e macchine, soggetti che operano in una gestione intelligente di

sistemi manifatturieri collegati tra loro in tempo reale. Quindi la presenza e l’impatto delle

nuove tecnologie informatiche nell’industria manifatturiera è enorme (più importante che

nella terza rivoluzione industriale) e induce un evoluzione nel paradigma produttivo: aumenta

la velocità di risposta, la flessibilità e l’adattabilità, che sono elementi determinanti per la

sopravvivenza e l’acquisizione di ulteriori posizioni di mercato per un’azienda soprattutto se

opera nei mercati globali.

Oltre la complessità un’altra caratteristica importante è la velocità del progresso tecnolo-

gico: dal 1400, anno dell’invenzione della stampa con Gutenberg (figura 1.4), il progresso

tecnologico avanza lentamente fino all’introduzione del motore a vapore e dell’elettricità che

catapultano l’umanità in un secolo in cui la velocità del progresso tecnologico è esponenziale,

tanto che oggi si fa spazio ad un nuovo paradigma di fabbrica, una rivoluzione culturale che

porta a cambiare il modo di pensare e di lavorare all’interno di esse:smart factory e industry

4.0.

Essa presenta un nuovo stadio dello sviluppo dell’organizzazione e del management che

non è solo nella fabbrica, e quindi nei settori della produzione e della progettazione, ma che

riguarda tutta la catena del valore nell’industria manifatturiera, nella quale si instaurano

10

Figura 1.4: Velocità del progresso tecnologico

interconnessioni molto forti fra prodotti e processi attraverso che apre ad

l’internet of things

interazioni dirette tra sistemi fisici e sistemi informatici che, dialogando tra loro, permettono di

effettuare in maniera molto semplice quei controlli, che altrimenti risulterebbe molto complessi.

In altri termini l’Industria 4.0 è associata ad una quarta rivoluzione industriale che definisce

Figura 1.5: Smart Manufacturing

questo nuovo stadio di sviluppo nell’organizzazione e management della catena del valore

11

nell’industria manifatturiera. Infatti l’IoT è la teorizzazione di un paradigma manifatturiero

basato sul concetto di ”Cyber Physical System” (CPS), che vede i sistemi informatici in grado

di interagire con i sistemi fisici in cui operano, grazie al fatto di essere dotati di capacità

computazionale, di comunicazione e di controllo. È questo il cuore di gran parte dei concetti

della dove l’espressione ”smart” sta ad indicare proprio il carattere

smart manufacturing,

”intelligente” della filiera produttiva. Con smart manufacturing si esprime infatti una visione

secondo cui le imprese industriali e manifatturiere, grazie alle tecnologie digitali, grazie alla

maggiore interconnessione delle proprie risorse (impianti, persone, informazioni) informatiche

o meno, sia interne alla fabbrica sia distribuite lungo la catena del valore, aumenteranno

la propria competitività. Tali tecnologie smart possono essere il cloud manufacturing (la

fabbricazione in cloud), l’industrial data analisys e cosı̀ via (figura 1.5), ma anche l’utilizzo

avanzato di soluzioni considerate tradizionali come quelle di CAD, CAM e FEM che vengono

integrate ed interconnesse per una migliore efficienza.

1.3 Situazione in Italia

Seppur in ritardo rispetto alla Germania, nel 2016 l’Italia lancia nel 2016 lancia il

piano nazionale impresa 4.0 che descrive la nuova visione del settore produttivo, i metodi

all’avanguardia da utilizzare per migliorare la propria competitività aziendale nel nuovo

mercato globale, nonché le nuove linee guida per le tecnologie. In particolare vengono trattare

Figura 1.6: Piano nazionale Impresa 4.0

nove tecnologie abilitanti: nove tecnologie abilitanti:

L’advance manifacturing Fissa le linee guida per l’utilizzo dei robot a carattere collabora-

tivo, normalmente utilizzati nelle operazioni scomode o comunque ripetitive per l’uomo,

prevedendo sin da principio l’interazione con l’uomo nello stesso ambiente dinamico. La

robotica infatti fino ai robot collaborativi si è sempre dovuta scontrare con i problemi

di sicurezza ed incolumità degli uomini presenti nel raggio d’azione dei robot, che per

questo venivano confinati in gabbie o zone non accessibili al fine di evitare completa-

mente il pericolo di collisioni e causare infortuni, per esempio durante operazioni molto

rapide oppure anche più generale contro altri oggetti che si interpongono improvvi-

samente nella traiettoria seguita dal robot. I robot collaborativi invece interagiscono

nello stesso ambiente di lavoro e possono operare insieme all’operatore umano, poiché

sono dotati di tutta una serie di caratteristiche particolari come per esempio quella

di poter capire, in tempo utile, se si sta per impattare con qualcosa o, soprattutto,

con un operatore umano. Non c’è più bisogno di una gabbia per separare l’uomo dal

12

Figura 1.7: Tecnologie abilitanti

robot, ma gli organi sensoriali di quest’ultimo gli consentono di fermarsi anche prima

che il contatto avvenga, o in casi estremi di provocare impatti di lieve en