Appunti lezioni Sistemi integrati di produzione

Sistemi integrati di produzione

Evoluzione dei sistemi produttivi

Fino ad oggi le rivoluzioni industriali sono state tre:

1784 – Industria 1.0: L'Industria 1.0 corrisponde a una rivoluzione della manifattura rispetto all’uso dell’energia: l’invenzione della macchina a vapore, infatti, consente alle fabbriche di abbandonare mulini e introdurre una meccanizzazione della produzione all’insegna di una maggiore velocità e potenza. Il principale effetto infatti è stato la meccanizzazione del settore tessile e metallurgico.

1870 – Industria 2.0: L'Industria 2.0 rappresenta la seconda generazione energetica, legata all’utilizzo dell’elettricità prima e del petrolio poi, che permettono di incrementare ulteriormente i livelli di meccanizzazione e di produzione. Convenzionalmente inizia con l’elettricità ed il motore a scoppio. È grazie a questa rinnovata potenza che nella manifattura si afferma progressivamente quella catena di montaggio che inaugura l’era della produzione di massa.

1970 – Industria 3.0: L’industria 3.0 riassume l’ingresso in fabbrica dell’ICT di prima generazione: informatica ed elettronica incrementano ulteriormente i livelli di automazione non solo nell’ambito produttivo ma anche (e soprattutto) organizzativo. Si diversificano le infrastrutture e si avviano nuovi processi che, all’insegna della progressiva digitalizzazione, diversificano e agevolano il lavoro delle persone migliorando la qualità della produzione. Nasce l’era digitale con il conseguente sviluppo dell’automazione. Con l’espressione terza rivoluzione ci si riferisce anche a tutti quei processi avvenuti dalla seconda metà del ‘900 con un forte sviluppo digitale ed innovazione tecnologica dato dai computer, robot, navicelle spaziali e satelliti.

Sistema di produzione

L’insieme integrato di risorse umane, attrezzature, macchinari e procedure gestionali che concorrono alla realizzazione delle trasformazioni delle materie prime/prodotti grezzi in prodotti finiti vendibili sul mercato. La produzione si basa sul principio di asportare una certa quantità di materiale da un prodotto semilavorato attraverso le macchine utensili per giungere al prodotto industriale. In un sistema di produzione rientra anche l’insieme delle competenze tecniche/scientifiche ed il controllo di gestione. I sistemi produttivi, quindi, possono essere definiti come l’insieme coordinato di risorse, flussi fisici, procedure gestionali, processi tecnologici che concorrono alla trasformazione dei grezzi in prodotti finiti. Fondamentale, è la riduzione del tempo di ciclo (tciclo) quale intervallo di tempo in cui la linea di produzione deve produrre un singolo prodotto o parte:

tciclo = ttaglio effettivo + timproduttivo + (tset up/Q)

La curva blu: nuove tecnologie come additive manufacturing che inizialmente risulta più vantaggiosa. La curva rossa: tecnologie normali. L’intersezione è il BEP, cioè il punto in cui è indifferente utilizzare una o l’altra tecnologia.

Lo si può ridurre tramite:

• Specializzazione delle operazioni (timproduttivo)
• Operazioni contemporanee (ttaglio effettivo)
• Riduzione dei tempi di attrezzaggio (tset up)
• Automazione della movimentazione dei pezzi (timproduttivo)

La riduzione dei tempi ha contribuito all’evoluzione dell’automazione e delle macchine utensili infatti si è passati da una produzione Manuale in cui tutte le funzioni di controllo e quelle ausiliarie (carico, scarico, collaudo...) sono affidate all’uomo a un sistema Semi-automatico in cui la macchina semiautomatica riduce l’intervento dell’uomo nel ciclo ma, a causa della maggior produttività, richiede un maggior impegno nelle attività ausiliarie. Poi si è arrivati al sistema Automatico in cui il processo e la movimentazione del pezzo sono automatiche, il collaudo è affidato all’uomo. Infine, il sistema Automatico con controllo in linea è il più completo in quanto il collaudo è automatizzato, il risultato della misura interagisce col processo, l’intervento umano è richiesto solo in caso di guasto.

L’evoluzione ha interessato le varie parti di un sistema di produzione, ad esempio la movimentazione può avvenire secondo un percorso fisso oppure variabile:

• Un sistema semi automatico, in cui si lavora per lotti, può operare secondo uno schema variabile
• Un sistema automatico opera secondo un percorso fisso

La movimentazione del pezzo può avvenire direttamente oppure attraverso un pallet che è un attrezzo di bloccaggio progettato per essere trasportato insieme al pezzo da lavorare.

Un altro elemento innovativo nella produzione è stato l’introduzione del calcolatore, le cui funzioni principali sono:

• Comunicazione e istruzione all’operatore.
• Download di programmi di lavoro.
• Gestione delle operazioni.
• Controllo del sistema di movimentazione.
• Schedulazione della produzione.
• Diagnostica dei guasti.
• Controllo della qualità.
• Statistica.

L’impatto più significativo è stato dato dalla possibilità di effettuare il controllo in produzione ovvero avere il controllo e coordinamento dei sistemi di movimentazione dei materiali.

Fattori importanti di un sistema produttivo sono il tipo di operazione quali la realizzazione del prodotto tramite lavorazione o montaggio. Nella lavorazione sono significativi la geometria della parte lavorata ad esempio se si tratta di un solido di rotazione o un solido prismatico. Questi infatti determinano la tipologia di macchinario da utilizzare ed il materiale. Poi vi è il numero di stazioni di lavoro, indicatore del livello di dimensione, ed il livello di automazione cioè il livello di contenuto di lavoro manuale M. Questo è espresso dalla percentuale di tempo che un operatore impiega in una stazione di lavoro con i seguenti parametri:

• Wu, numero di operai indiretti addetti alla linea
• Wi, numero di operai diretti assegnati alla stazione i
• n, numero di stazioni di lavoro

Al variare di M cambia la tipologia di stazione di lavoro.

• Tipo 0: Stazione singola con operatore (n=1, w=1, M=1)
• Tipo 1: Stazione singola in grado di operare per periodi di tempo lunghi in modalità “non sorvegliata” (n=1, wi=0, M<1)
• Tipo 2: Sistema a più stazioni tutte sorvegliate (n>1, wi=1, M>1) più operatori in una stazione
• Tipo 3: Sistema a più stazioni completamente automatico (n>1, wi=0, M<1) l’operatore può sorvegliare più stazioni con più macchine
• Tipo 4: Sistema a più stazioni ibrido (alcune stazioni sono sorvegliate, altre sono totalmente automatiche) (n>1, wi=0/wi=1, M<1)

Negli ultimi anni la produzione ha subito un notevole sviluppo, la meccanizzazione e l’automazione hanno portato ad un aumento considerevole dei volumi di produzione ed alla riduzione del tempo ciclo e la gestione di geometrie più complesse. Con le nuove tecnologie il principio di produzione è cambiato per cui stiamo vivendo la cosiddetta quarta rivoluzione industriale 2011 – Industria 4.0.

Nel 2011, il presidente della tedesca Acatech (Accademia tedesca delle Scienze e dell’Ingegneria), Henning Kagermann, sviluppa la prima idea e pubblica, nell’anno 2013, il manifesto del paradigma Industrie 4.0. In Europa, tali temi sono stati sviluppati all’interno della Public-Private Partnership Factories of the Future. L’Industria 4.0, o quarta rivoluzione industriale, fa riferimento all’integrazione di sistemi cibernetici/virtuali e fisici/reali (Cibernetics Physical Systems, CPS), impiego di Internet of Things (IoT) e tutto ciò che è Smart. È attraversata in senso verticale ed orizzontale da un flusso di informazioni digitalizzate.

In particolare, con la quarta rivoluzione industriale i processi produttivi si baseranno essenzialmente sulle seguenti tecnologie abilitanti:

• Internet of Things (IoT): dispositivi computerizzati connessi in rete;
• Cloud: spazio di archiviazione, elaborazione e trasmissione di dati che risulta essere accessibile on demand attraverso Internet;
• Big Data and Analytics: raccolta e analisi di un’ampia base dati per ottimizzare prodotti e processi produttivi lungo l’intera catena del valore;
• Advanced manufacturing solutions: prevalentemente robot collaborativi interconnessi e rapidamente programmabili che, grazie a sensori, saranno in grado di lavorare fianco a fianco con gli esseri umani e impareranno da loro;
• Additive manufacturing: produzione per addizione di materiale realizzata che consente la personalizzazione di massa del prodotto, la produzione di forme complesse e la flessibilità nell’uso della stessa linea produttiva per produzioni diverse;
• Augmented reality: in genere si fa riferimento a dispositivi indossabili o comunque in grado di incrementare le informazioni a disposizione dell’utente in ambienti reali;
• Simulation: simulazione tra macchine interconnesse per ottimizzare i processi con dati ottenuti in tempo reale grazie a sistemi intelligenti;
• Cybersecurity: tecnologie per proteggere collegamenti, dispositivi e dati da accessi non autorizzati, garantendone la privacy.

L’Industria 4.0 è la nuova dimensione della comunicazione e del business, che mira ad integrare le tecnologie adottate singolarmente nell’Industria 3.0. In questo contesto le macchine utensili cyberfisiche (Cyber-Physical Machine Tools, CPMT) costituiscono un elemento essenziale dei sistemi di produzione cyberfisici CPPS (Cyber-Physical Production Systems) sono comunque macchine a controllo numerico che vengono utilizzate in maniera integrata con altre parti del sistema di produzione. Un sistema CPPS comprende generalmente macchinari smart, sistemi di stoccaggio ed altri stabilimenti di produzione. Le CPMT sono così costituite dall’integrazione di una macchina utensile, dei processi di lavorazione, dei sistemi di calcolo e di collegamento in rete. I computer integrati ed i collegamenti in rete consentono di monitorare e controllare i processi di lavorazione, con circuiti di feedback grazie ai quali i processi di lavorazione possono influenzare i calcoli e viceversa.

Il controllo numerico delle macchine utensili

Nei sistemi tradizionali di produzione con le macchine utensili, il disegno del pezzo contiene tutte le informazioni necessarie. L’operatore interpreta le informazioni fornite dal disegno e le trasmette alla macchina effettuando le manovre necessarie. Viene pertanto a crearsi un rapporto uomo-macchina che può indurre degli errori a causa, ad esempio della ripetitività delle azioni. La necessità di macchine flessibili e versatili atte alla fabbricazione di piccoli lotti di pezzi diversi tra loro, di macchine ad elevata precisione che svincolassero l’operatore dalla macchina stessa, lasciandogli solo la sorveglianza, ha determinato lo sviluppo delle Macchine Utensili a Controllo Numerico.

Si definisce macchina utensile a Controllo Numerico (MU/CN) una macchina utensile nella quale tutte le azioni e tutti i movimenti sono comandati mediante dati numerici e controllati mediante informazioni numeriche. Controllo Numerico è l’inizio del Computer Aided Manufacturing (CAM), ossia l’impiego del computer nella produzione. Alcuni campi di applicazione sono:

• Fresatura
• Foratura
• Alesatura
• Tornitura
• Rettificatura
• Taglio lamiera
• Elettroerosione
• Tranciatura
• Saldatura
• Manipolazione
• Montaggio
• Misura

La decisione relativa all’acquisto e all’uso di MU a CN va inquadrata nel contesto dei programmi di lavorazione e sviluppo di un’azienda. Il CN è particolarmente indicato per:

• Produzione di particolari in piccoli lotti che si alternano frequentemente;
• Per la produzione di geometrie complesse;
• Per cicli che richiedono l’utilizzo di numerosi utensili;
• Per lavorazioni in cui è prevista l’asportazione di un rilevante volume di materiale;
• Dove il pezzo subisce frequenti modifiche;
• Per pezzi con tolleranze strette o controlli al 100%;
• Dove il costo dello scarto è elevato.

La vita utile della macchina dipende dall’ambiente in cui è installata, dall’uso corretto e dall’esecuzione degli interventi di manutenzione programmata.

Dal punto di vista storico/temporale:

• 1947 John Parson concepisce l’idea di una macchina comandata automaticamente con informazioni numeriche per la costruzione di eliche per elicotteri
• 1949 Il controllo numerico è accettato dalle industrie, sui metodi di produzione veloci
• 1952 Primi modelli commerciali di macchine utensili a controllo numerico
• 1955 Il MIT, su incarico dell’US Air Force, costruisce la prima fresatrice a controllo numerico e realizza un pezzo con movimento simultaneo dell’utensile su tre assi
• 1957 Parson ottiene un contratto su metodi di produzione veloce
• 1958 Inizio della diffusione presso le aziende
• 1960 DNC - Direct Numerical Control. Più macchine utensili controllate direttamente da un computer centrale, a cui si accede da terminale remoto
• 1970 Il controllo numerico diventa CNC - Computerized Numerical Control. Il PC di controllo è parte integrante della macchina utensile. Il programma può essere preparato altrove. L’operatore può agire sul PC di controllo manualmente per operare modifiche, creare nuovi programmi, salvare dati

I vantaggi sono:

• Flessibilità della struttura produttiva
• Ripetibilità
• Alta velocità di produzione
• Elevata qualità del prodotto, riduzione scarti
• Riduzione costi diretti di manodopera e attrezzature
• Più operazioni con singolo set-up; minore tempo per riposizionamenti
• Operatore meno specializzato di un fresatore o tornitore qualificato
• Lavoro non presidiato, una sola persona può controllare più macchine
• Riduzione aree occupate

Gli svantaggi sono:

• Elevato costo iniziale
• Programmazione richiede tempi e costi (strumenti di programmazione)
• Manutenzione macchine richiede personale specializzato

Il controllo numerico (CN) è un modo di controllare i movimenti di una macchina inserendo nel sistema istruzioni codificate in forma di numeri e lettere. Il sistema legge le istruzioni codificate, le interpreta e le trasforma in azioni.

Sulle macchine a CN si verificano movimenti lineari e angolari, i primi sono traslazioni rettilinee delle tavole e della testa operatrice, i secondi invece rotazioni di tavole girevoli e della testa. Ciascuno degli spostamenti è controllato da un trasduttore di posizione (T), che rileva una quota (lineare o angolare) rispetto a un’origine prestabilita con una determinata precisione. Dal disegno, tramite la programmazione, si fornisce all’unità di governo (UG) un certo numero di informazioni geometriche e tecnologiche, dati di input. L’unità di governo le interpreta e trasmette segnali ai servomeccanismi che comandano i movimenti delle tavole e della testa operatrice. I trasduttori di posizione segnalano all’UG la posizione delle tavole rispetto al punto prefissato. La differenza tra posizione attuale (X) e posizione stabilita (X₀) viene elaborata per determinare la cinematica degli assi.

L’intero processo di lavorazione realizzato con la tecnologia del Controllo Numerico prevede, perciò, le seguenti fasi:

• Progettazione e disegno dell’oggetto con le informazioni necessarie alla sua esecuzione;
• Elaborazione del programma di lavoro mediante individuazione della successione delle fasi, degli utensili e dei parametri di taglio, che costituiscono un elenco di istruzioni (listato) detto programma pezzo (part-program);
• Memorizzazione del part-program nell’unità di governo mediante digitazione da tastiera, introduzione per mezzo di supporti magnetici, usb o trasferimento da computer;
• Esecuzione automatica della lavorazione mediante macchina a Controllo Numerico.

L’unità di governo è un vero e proprio computer che ha il compito di controllare l’avanzamento degli assi, la rotazione del mandrino, i dispositivi di bloccaggio del pezzo, il cambio degli utensili, l’erogazione del refrigerante e ogni altra funzione complementare. Essa assolve, il duplice compito di comando e di controllo della lavorazione, caratteristica che contraddistingue il nuovo concetto di automazione, rispetto al precedente concetto di meccanizzazione (semplice esecuzione automatica senza controllo). Infatti, tra unità di governo e macchina sono sempre attivi due flussi di informazione:

1. Il primo, che va dall’unità di governo verso gli attuatori della macchina, e svolge la funzione di azionamento (comando).
2. Il secondo, che torna dalla macchina verso l’unità di governo e svolge la funzione di verifica dell’avvenuto azionamento (controllo).

Classificazione delle MU

L’applicazione del CN avviene su macchine utensili appositamente realizzate. Si possono avere:

• Macchine multiscopo o centri di lavorazione, in grado di fresare, alesare, forare, maschiare in un solo cicli di lavoro, con un solo posizionamento del pezzo e con utensile in rotazione. I centri di lavoro sono le macchine utensili principali dei sistemi integrati poiché rendono possibile quella flessibilità ed elasticità produttive richieste dall’industria manifatturiera.
• Macchine monoscopo dedicate, cioè ad un'unica lavorazione (fresatrice, tornio, alesatrice).

Altre tipologie di macchine sono:

• Macchine a mandrino orizzontale o verticale
• Macchine dotate di testa operatrice a due posizioni (orizzontale e verticale)
• Macchine con testa operatrice inclinabile con continuità entro una certa angolazione
• Macchine con cambio automatico dell’utensile
• Macchine con tavole girevoli ad asse verticale o orizzontale