Appunti di Sistemi integrati di produzione

Sistemi integrati di produzione

Flexible Manufacturing System (FMS)

National Bureau of Standards: è un complesso di macchine (generalmente centri di lavoro CNC con cambiautensili) interconnesse mediante un sistema di trasporto pezzi/utensili. Un computer centrale controlla sia le macchine che i sistemi di trasporto.

Comité Européenne de Cooperation des Industries de la Machine Outil – CECIMO: è un sistema automatico di fabbricazione in grado, con un minimo di interventi manuali, di produrre un tipo qualunque di pezzo compreso in una gamma o famiglia definita. Questi sistemi vengono generalmente studiati per la produzione di piccola o media serie di una famiglia di pezzi, in lotti di dimensioni variabili e di composizione variabile. La flessibilità del sistema è generalmente limitata alla famiglia di pezzi per il quale il sistema è stato concepito. Esso comprende mezzi per la programmazione della produzione e, generalmente, anche mezzi per la stesura di protocolli di produzione e per la registrazione dei dati.

Componenti di un FMS

• Sotto-sistema di lavorazione: centri di lavoro, torni, lavaggio, controllo, assemblaggio…
• Sotto-sistema di gestione del flusso delle parti: attrezzature, pallet, trasporto parti, stazione di carico/scarico e magazzino.
• Sotto-sistema di gestione del flusso degli utensili: utensili, portautensili, trasporto utensili, tool room, magazzino, pallet e trasporto.
• Sotto-sistema di supervisione: supervisore e stazione di controllo.

Trasformazioni

• Specie: se modificano qualche caratteristica propria della parte (forma e dimensioni – macro, finitura di una superficie – micro, caratteristiche meccaniche, stato/temperatura).
• Spazio: se modificano la posizione della parte (caricamento di una parte sulla macchina, trasporto, spostamento).
• Tempo: se preservano le caratteristiche della parte durante il tempo (mantenimento di una parte in magazzino).

Tipologie di macchine utensili CNC

• Macchine monoscopo: evoluzione di macchine tradizionali alle quali è stata applicata la tecnologia del CNC.
• Macchine multiscopo: macchine versatili in grado di effettuare vari tipi di lavorazioni, si distinguono in:
  • Centri di tornitura: torni dotati di uno o più torrette e uno o più mandrini sulle quali è possibile montare utensili rotanti in modo da effettuare anche lavorazioni di fresatura e foratura fuori asse.
  • Centri di lavorazione: sono l’evoluzione di fresatrici, alesatrici, freso-alesatrici e sono solitamente dotati di sistemi automatici di cambio utensile e di movimentazione del pezzo. Noti come Machining Center.

Machining Center

Macchina utensile a controllo numerico multiscopo, capace di alesare, fresare, forare e maschiare in un solo ciclo di lavoro e dotata di un magazzino utensili e sistema automatico di cambio utensili (Automated Tool Changer – ATC) e di un sistema automatico di cambio pallet (Automated Pallet Changer – APC).

Caratteristiche del Machining Center

• Cubo di lavoro: spazio entro il quale è possibile lavorare le parti, dipende dalla corsa degli assi e dagli ingombri della macchina. Definisce la taglia della macchina ed in genere è dimensionato per accogliere pallet di dimensioni standard.
• Mandrino: nelle macchine con utensile rotante, è la parte terminale della testa motrice. È realizzato in acciaio legato ad alta resistenza montato su cuscinetti di spinta e radiali di elevatissima precisione. Deve avere prestazioni elevatissime: alte coppie e basse velocità (spianatura) e alte velocità e basse coppie (finitura). Ha una sede conica che permette di centrare l’asse dell’utensile con il proprio, il bloccaggio è automatico mentre lo sbloccaggio è idraulico/meccanico.
• Elettromandrino: sono mandrini ad accoppiamento diretto con il motore elettrico (senza organi di trasmissione), il loro impiego è conveniente per alte velocità di lavorazione (>= 10.000-15.000 giri/min). Caratteristiche: struttura compatta (no trasmissione), elevata precisione (no spinte radiali), elevata rigidezza testa-mandrino, elevata potenza specifica e semplificazione della meccanica della macchina.
• Asse mandrino verticale: è molto utilizzato nelle lavorazione degli stampi. Vantaggi: spinta scaricata sulla tavola e permette di realizzare pezzi molto pesanti e ingombranti. Svantaggi: scarsa evacuabilità del truciolo e possibile perdita di accuratezza causa elevata distanza testa-montante.
• Asse mandrino orizzontale: è la tipologia di macchina più utilizzata nei sistemi FMS. Vantaggi: lavorazioni su più superfici con un unico piazzamento (grazie e tavola rotante) e maggiore accessibilità per l’Automatic Pallet Changer. Svantaggi: spinta scaricata sulle attrezzature e possibili flessioni con utensili pesanti.
• Numero, tipo e disposizione assi: gli assi di una macchina utensile CNC indicano le direzioni ed i versi di spostamento o rotazione delle sue parti mobili e servono per individuare le posizioni e i movimenti dell’utensile rispetto al pezzo. L’asse di rotazione del mandrino si indica in tutte le macchine utensili CNC con la lettera Z (verso positivo è quello di allontanamento del mandrino dal pezzo). L’asse principale parallelo alla tavola ove è fissato il pezzo di indica con la lettera X. L’asse Y sarà perpendicolare al piano XZ (verso positivo è quello di allontanamento dal piano). L’asse di rotazione A se presente può essere posseduto dalla tavola o dalla testa (tavola/testa tiltante). L’asse di rotazione B (con mandrino orizzontale) è posseduto dalla tavola (tavola girevole). Assi continui: movimenti di rotazione possono essere interpolati con quelli di traslazione. Assi indexati: è necessario fissare la posizione dell’asse prima di eseguire una lavorazione. Gli assi continui o indexati differiscono sia per costo che per tipologia di lavorazioni effettuabili.

Sistemi di controllo

• Anello aperto: i segnali sono dati al servomotore dall’unità di controllo e l’accuratezza dei movimenti e della posizione finale della tavola porta pezzo non è verificata.
• Anello chiuso: il sistema è equipaggiato con sensori (trasduttori) al fine di misurare con accuratezza posizione e velocità della tavola e un sistema di retroazione confronta la posizione attuale della tavola con il segnale in ingresso fino al raggiungimento delle coordinate stabilite.
• Controllo punto-punto: ogni asse della macchina è comandato separatamente con velocità diverse, la macchina si muove a elevate velocità e decelera in prossimità della posizione prestabilita, il percorso realizzato non è importante (fondamentale è la riduzione dei tempi per aumentare l’efficienza), controllo usato in foratura, punzonatura e fresatura lungo l’asse.
• Controllo continuo: le operazioni di posizionamento e di taglio avvengono lungo percorsi controllati ma a velocità diverse, l’utensile lavora mentre si sposta lungo un percorso prestabilito, necessità di controllo accurato e sincronizzazione delle velocità e dei movimenti, controllo usato su torni, fresatrici, rettifiche, macchine per saldatura, centri di lavoro… Grazie all’interpolazione di più punti viene controllata la traiettoria di un punto di riferimento dell’utensile.
• Accuratezza: è legata all’errore umano medio di posizionamento della macchina utensile all’interno di un insieme di coordinate.
• Ripetibilità: è legata alla dispersione di posizionamenti successivi che avvengono nelle stesse condizioni operative della macchina.
• Risoluzione: è definita come il più piccolo incremento di spostamento dei componenti della macchina.

Flexible Manufacturing System: Carico/Scarico

• Stazioni di carico/scarico: i pezzi vengono caricati sulle attrezzature (manuali o robotizzate). Operazioni svolte: si richiama un pallet di pezzi in primo piazzamento, si smontano e si rimontano dei nuovi pezzi grezzi; si re-invia il pallet nel sistema e si richiama un pallet di pezzi in secondo piazzamento; si smontano i pezzi che hanno ultimato il secondo piazzamento e si montano i pezzi prelevati dal pallet precedente (primo piazzamento); si procede in modo analogo fino a quando si arriva al pallet che contiene i pezzi finiti.
• Pallet: sono soggetti a normativa [ISO-8526] che determina dimensioni e caratteristiche standard e servono a riferire correttamente l’attrezzo, bloccare l’attrezzo, consentire il riferimento sulla macchina, consentire il bloccaggio su macchina e a consentire movimenti sui vari dispositivi del sistema.
• Attrezzatura (fixture): serve a riferire correttamente il pezzo rispetto al pallet, bloccare il pezzo, sopportare il pezzo durante la lavorazione e la movimentazione e consentire una facile evacuazione del truciolo. È composta da un supporto base, elementi per riferimento ed elementi per il bloccaggio (meccanici/idraulici). Considerazioni: si cerca di saturare lo spazio massimizzando il numero di pezzi montati sull’attrezzatura e le attrezzature devono essere studiate ad hoc per ogni parte da lavorare nell’FMS (in alcuni casi si possono utilizzare attrezzature modulari).
• Azionamento idraulico: basso tempo di carico/scarico (90% in meno a meccanico), forze di serraggio costanti, elevato utilizzo dello spazio per l’alloggio dei dispositivi, elevata ripetibilità e più costose dell'az. meccanico. Normalmente per lavorare un pezzo sono richiesti più piazzamenti, si può procedere in due modi:
  • Tutti i piazzamenti sono ottenuti sul medesimo pallet (quindi sul pallet sono montati pezzi differenti).
  • Ogni piazzamento viene realizzato su un pallet dedicato (su un pallet sono montati attrezzi tutti uguali).

Configurazione del pallet

• Analisi del problema produttivo (Manufacturing Requirements Evaluation):
  • Analisi delle richieste di lavorazione del pezzo (Operations Requirements).
  • Analisi delle esigenze produttive (Manufacturing Requirements). (quanti pezzi produrre al gg?)
• Definizione della configurazione del pallet (Pallet Configuration):
  • Definizione dei posizionamenti dei pezzi sull’attrezzatura.
  • Determinazione del numero di pezzi da montare sull’attrezzo.
• Valutazione della configurazione del pallet (Simulation of Machining): Simulazione del processo di lavorazione.

Operations Requirements

Partendo da un disegno 2D/3D del pezzo, si identificano e caratterizzano le Manufacturing Features. La definizione del ciclo di lavoro si articola in Manufacturing Features, Machining Operations, Part Program associato e vincoli di precedenza.

Manufacturing Features (2½D)

È un’entità geometrica del pezzo e indica i volumi di materiale da asportare per ottenere il pezzo finito. Il sistema di coordinate della feature è fissato in modo che il Profile della feature giaccia nel piano XY, mentre il materiale da rimuovere si trovi nella direzione negativa dell’asse Z. Il sistema di riferimento serve sia per descriverla dimensionalmente sia per posizionarla sul pezzo.

STEP-NC: è uno standard (ISO-14649) concepito per lo scambio di informazioni tra CAD/CAM e CNC che considera la manufacturing feature come un “componente” del pezzo. Il modello dati di STEP-NC è feature-oriented ed è inteso a facilitare la creazione e la modifica del programma CN di lavorazione.

• Planar Face: è l’estrusione di un profilo lineare lungo un percorso lineare.
• Round Hole: è generata da un profilo circolare che scorre lungo un percorso lineare, si possono anche definire la conicità e le condizioni del foro (through end, blind end, tapered end, conicla hole bottom, spherical hole bottom, flat hole bottom e flat with radius hole bottom).
• Pockets: è la combinazione di un profilo chiuso (di contorno) e di un profilo lineare (le tasche possono essere chiuse o aperte), si possono anche definire le condizioni del fondo (flat, radiused, through).
• Slots: è un profilo aperto lungo un percorso lineare, si possono definire le estremità (radius, flat, open, woodruff, loop).
• Step: è generata da un profilo a V che scorre lungo un percorso lineare.
• Outside profile: è dato da una linea che scorre lungo un percorso.
• Shaper profile: è generato da una linea che scorre lungo un percorso, lasciando una determinata condizione di fondo.
• Compound: è l’unione di più features.
• Replicate: è composta da una geometria che viene ripetuta sul pezzo circolarmente, rettangolarmente o in modo generico.

Una Manufacturing Feature può richiedere una o più Machining Operations per essere realizzata.

Machining Operations

Comprende il Tool Requirement, Machining Strategy, Technology Parameters (spindle speed, feed) e Machine Functions (coolant ON/OFF).

Machining Workingstep

Identifica una precisa azione che la macchina utensile compie sul pezzo ed è l’unione di Manufacturing Feature e Machining Operation. Un'importante informazione associata al Machining Workingstep è la direzione di lavorazione (Tool Machining Direction).

Caratteristiche della macchina e dell'attrezzatura

• Architettura cinematica (assi):
• Tipi di attrezzo di supporto pezzi:
• Disposizione relativa dei pezzi sull’attrezzatura:
• Definizione della distanza minima tra i pezzi:

Pallet Configuration definizione dei piazzamenti (setup): un piazzamento rappresenta un posizionamento del pezzo sull’attrezzatura (su pallet o in macchina) per poter eseguire un insieme di lavorazioni con una sequenza definita. Da un punto di vista formale ciò equivale a determinare un raggruppamento delle lavorazioni tale che: il pezzo sia staffabile (pezzo deve poter essere posizionato correttamente e bloccato adeguatamente sull’attrezzatura considerata), le lavorazioni possano essere eseguite (accessibilità compatibile con la cinematica della macchina e con lo spazio a disposizione tra i pezzi) e il raggruppamento della lavorazioni non violi i vincoli di precedenza tra esse.

Relazioni di precedenza

• Tolleranze strette: garantite se non ci sono riposizionamenti del pezzo (perpendicolarità o parallelismi, foratura maschiatura).
• Precedenze tecnologiche e tolleranze: garantite anche se il pezzo viene riposizionato (foro allargatura foro).
• Precedenze che influenzano la qualità o l’efficienza della lavorazione, ma non sono indispensabili alla realizzazione del pezzo.

La sequenza di esecuzione dei Machining Workingstep dovrà essere ottimizzata per minimizzare il numero di cambi utensile ed il tempo di posizionamento dell’utensile (tempi passivi) garantendo però il rispetto delle precedenze tecnologiche.

Staffaggio

Comprende il riferimento ed il bloccaggio del pezzo. Definire un oggetto nello spazio significa vincolarne i gradi di libertà approccio 3, 2, 1: viene appoggiato il pezzo su 3 punti eliminando 3 gradi, viene poi appoggiato ad altri 2 punti eliminando altri 2 gradi e infine viene eliminato l’ultimo grado di libertà rimasto vincolando il pezzo ad un altro punto. Il bloccaggio avviene applicando delle forze al pezzo in modo che questo non possa staccarsi dai riferimenti.

Vincoli di configurazione

• Direzione d’accesso: bisogna valutare se la direzione di accesso è compatibile con le capacità cinematiche della macchina.
• Accessibilità: deve essere garantita pur massimizzando il numero di pezzi montanti sul pallet.
• Ingombro dell’attrezzatura: direzioni di lavoro consentite dall’attrezzatura.

Procedura di configurazione del pallet

1. Identificare l’architettura cinematica della macchina, il tipo di attrezzo, la disposizione relativa dei pezzi sull’attrezzo e la dimensione del cubo di lavoro.
2. Determinare n° minimo di set-ups del pezzo (Setup Planning).
3. Determinazione n° massimo di pezzi staffabili.

Obiettivi della configurazione

• Minimizzazione del numero di posizionamenti (set-ups) del pezzo riduzione del tempo di ciclo e diminuzione delle imprecisioni di lavorazione ma minor numero di pezzi sul pallet.
• Massimizzazione della saturazione del cubo di lavoro della macchina minor incidenza dei tempi di cambio utensile ma minore accessibilità e aumenti dei tempi di load/unload per pallet.

Combinando Manufacturing Features, tipi di attrezzo disponibili, caratteristiche delle macchine, obiettivi e vincoli di configurazione si possono definire le configurazioni ammissibili. Tra queste si sceglie la soluzione migliore.

Simulation of Machining

Inserendo come input il Pallet Part Program, le Machining Center Performances e i modelli 3D di machine, workpiece, fixture, tool restituisce informazioni utili come il Machining Time (total time, contact time, rapid time, tool change time), collision check, end of travel check, excess e gouges control. Inserendo la produttività delle macchine e il volume di produzione richiesto restituisce il numero di macchine necessarie e la configurazione di macchina economicamente migliore.

Analisi economica

Tra le soluzioni ammissibili migliori si sceglie la più economicamente conveniente Net Present Value con Vu: time period, TotCop: Overall Operating Costs, AMM: straight-line depreciation, RV: Residual Value, K: Risk Rate (7%), LINTax: Tax rate (0).

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