Report progetto Disegno di macchine

Tempo di apertura e chiusura [s] 0.02/0.03

Massima lunghezza ammissibile per Finger [mm] 40

Massimo peso ammissibile per Finger [kg] 0.05

Classe di protezione IP 20

Temperatura ambiente massima e minima [°C] 5/90

Dimensioni D x Z [mm] 50 x 35

3. Reingegnerizzazione del prodotto e funzionamento

Per la creazione di un nuovo prodotto che potesse diventare un’alternativa a quello della Schunk si

è partiti dall’analisi del numero dei componenti, con l’idea di basare il nuovo design su una

diminuzione e semplificazione delle parti costitutive; questa linea operativa ha come scopo quello

di ridurre i tempi di produzione, di montaggio e quindi di vendita. La Schunk SGW50 basa il suo

funzionamento su una terna di bracci, pistoni e molle; l’idea più semplice da cui partire è quella di

ridurre il numero dei pistoni e delle molle. Il nuovo principio di funzionamento, infatti, prevede

l’utilizzo di un pistone e una molla; questa scelta permette di ridurre di 2/3 i costi relativi alla

produzione di due pistoni e di due molle, nonché di due tenute per il pistone, permettendo così un

notevole risparmio in termini di tempo e più in generale di costo di produzione per singola pinza,

garantendo così una maggiore competitività sul mercato grazie anche e soprattutto al minore

prezzo di vendita. Nonostante la riduzione delle componenti, le prestazioni del nuovo gripper

risultano in linea, o superiori, a quelle della Schunk. 2

Alessandro Manca

Il funzionamento prevede la modifica delle geometrie di attuazione dei bracci. La SGW50,

nell’immagine 3.1, si basa su tre pistoni, uno per braccio, attivati mediante aria compressa, che

fanno muovere i bracci, che sono poi riportati in posizione tramite una molla ciascuno. Il nuovo

sistema adottato nella nuova pinza realizzata, mostrato nell’immagine 3.2 e che prenderà il nome

di AME-AG4, sposta l’asse di attuazione del cilindro da orizzontale a verticale e, tramite un albero

e un disco trasmette il moto ai bracci che si possono così aprire; il pistone e i bracci sono riportati

in posizione tramite una molla montata coassialmente all’albero. La molla svolge due compiti

fondamentali, 1) agisce contro i bracci che muovendosi vanno a chiudere la presa sull’oggetto da

movimentare, garantendo un adeguato momento di chiusura, e 2) in caso di interruzione improvvisa

dell’aria compressa in entrata alla pinza, non si rischia di far cadere il componente in presa

fungendo così anche da sistema di sicurezza. Per far funzionare la pinza è necessario, ancor prima

di poter afferrare un componente, azionare l’aria compressa per permettere l’apertura dei bracci;

l’aria compressa agisce quindi contro la molla per poter variare l’angolo di apertura e il momento

di chiusura, a seconda delle necessità. Un altro principio di funzionamento valutato prevedeva

l’eliminazione dell’albero e del disco e il riposizionamento della molla al di sotto dei bracci stessi;

questo avrebbe permesso di ridurre le dimensioni del corpo pinza ma allo stesso tempo avrebbe

potuto essere l’origine di malfunzionamenti e di difficoltà nell’assemblaggio.

Immagine 3.2 - Sezione della AME-AG4

Immagine 3.1 - Sezione della Schunk SGW50

4. Materiali e componenti

Prima di trattare i materiali che sono stati presi in esame e successivamente scelti per la

realizzazione dei componenti, è necessario fare una distinzione tra i componenti realizzati

internamente e quelli scelti a catalogo e realizzati da aziende specializzate:

Quantità Componente Materiale Azienda

1 O-Ring NBR 75 Sixten

3 Vite M3 a testa cilindrica Acciaio Inox Rs Pro

3 Spina cilindrica Acciaio UNI 100 Cr 6 Tecnos

4 Boccola filettata Ottone Special Insert

1 Molla Acciaio armonico Sodemann

Nella tabella sopra riportata sono elencate quelle componenti, con alcune caratteristiche e il numero

di pezzi, che si è scelto di acquistare da produttori specializzati nei vari settori; questo è stato fatto

per evitare di realizzare da zero dei componenti, investendo tempo e denaro, che sono facilmente

reperibili sul mercato a prezzi nettamente inferiori e con la certezza che le caratteristiche tecniche

rispecchiano le aspettative e le necessità del progetto. Di contro per tutti quei componenti non

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Alessandro Manca

presenti sul mercato, si è reso necessario effettuare delle ricerche, sui materiali da utilizzare, le

tipologie di lavorazione necessarie, e più adeguate, e sulle modalità di produzione di ciascun

componente.

Dopo aver tracciato un primo quadro sulle caratteristiche chimiche e meccaniche desiderate dalla

pinza e in particolare da ciascun componente, si sono valutate due classi di materiali, plastiche e

metalli; tra le materie plastiche si è cercato un materiale con una buona resistenza meccanica, una

buona resistenza all’usura e una buona stabilità dimensionale. I materiali valutati sono prodotti dalla

Ensinger e sono rappresentati nell’immagine 4.1 di seguito.

Immagine 4.1 - Materiali plastici prodotti dalla Ensinger presi sotto esame

Il Tecapeek, prodotto utilizzando il polimero PEEK Victrex 450G o il polimero KetaSpire KT-820,

è un materiale che vanta caratteristiche meccaniche e chimiche di primo ordine, infatti vanta:

buona temperatura di distorsione termica

§ intrinsecamente ritardante di fiamma

§ resistente alle radiazioni ad alta energia

§ elevata resistenza meccanica

§ elevata resistenza al creep

§ buona resistenza chimica

§ resistente all'idrolisi e al vapore surriscaldato

§

Questo materiale trova applicazione nell’ingegneria meccanica, aerospaziale, chimica e in vari

settori di produzione industriale. Nonostante queste caratteristiche risulta essere un materiale molto

costoso, pari circa al doppio rispetto al più economico tra quelli valutati. L’analisi passa quindi dal

confronto tra il Tecamid 66 e il Tecamid 6, entrambi caricati con il 30 di fibra di vetro, che presentano

delle caratteristiche superiori rispetto alle controparti non caricate. Entrambi presentano:

resistenza meccanica elevata

§ resistenza a diversi oli, grassi e carburanti

§ buona resistenza all’usura

§ facilmente saldabili e incollabili

§ 4

Alessandro Manca

elevata stabilità dimensionale

§ buona temperatura di distorsione termica

§ buona lavorabilità

§

I punti a vantaggio della PA66 rispetto alla PA6 sono però:

una maggiore resistenza alla temperatura con una resistenza in continuo a 130 °c contro i 100

§ °c della PA6;

una superiore resistenza all’idrolisi ed una maggiore resistenza chimica ad oli e glicoli;

§

Quelli della PA6 sono invece:

una maggiore resistenza all’urto;

§ una migliore stampabilità che avviene a temperature più basse sia di materia prima che di

§ stampo con un risparmio del 20% di energia

una migliore estetica e minori tensionamenti ed effetti di intaglio

§ un considerevole vantaggio economico di circa il 30% ( - 1 € Kg ) ed una maggiore

§ disponibilità sul mercato.

Altri aspetti come ritiri, resistenza UV e assorbimento di umidità, hanno differenze pressochè

trascurabili. Alla luce di queste considerazioni è stato scelto il Tecamid 6 GF30.

Proprietà meccaniche Valore Unità

Resistenza a trazione [Mpa]

98

Modulo elastico a trazione [Mpa]

5700

Tensione di snervamento a trazione [Mpa]

98

Allungamento a snervamento [%]

4

Allungamento a rottura [%]

5

Resistenza a flessione [Mpa]

140

Modulo elastico a flessione 5200 [Mpa]

Resistenza a compressione 107 [Mpa]

Modulo elastico a compressione 4200 [Mpa]

Resistenza agli urti (Charpy) 60 [kJ/m^2]

Resistenza alla penetrazione di sfera 232 [Mpa]

Temperatura di fusione 218 [°C]

Assorbimento d'acqua 0.2/0.3 [%]

Analisi equivalente è stata fatta per la scelta di un materiale metallico; sono state prese in

considerazione due leghe di alluminio. La scelta è ricaduta su questo materiale per via della sua

leggerezza, della sua ottima lavorabilità e delle ottime caratteristiche meccaniche e chimiche. Le

leghe che sono state analizzate sono quelle appartenenti alla serie 6000 e 7000; nella serie 6000 i

principali elementi di lega sono Silicio e Magnesio. Dopo il trattamento termico sviluppano

caratteristiche meccaniche intermedie, in generale inferiori a quelle delle leghe della serie 2000, che

presentano comunque scarsa resistenza a corrosione. Presentano buona formabilità, lavorabilità,

truciolabilità e saldabilità. Queste leghe riescono a combinare alcune caratteristiche favorevoli

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Alessandro Manca

come buona resistenza meccanica, sensibilità relativamente bassa alla tempra e buona resistenza

alla corrosione. Nelle leghe della serie 7000 il principale elemento di lega è lo Zinco, l’elemento che

ha la solubilità più elevata nell’alluminio. Generalmente le leghe Al-Zn non vengono usate, ma

vengono preferite leghe Al-Zn-Mg. Queste leghe sviluppano le caratteristiche meccaniche più

elevate tra le leghe d’Alluminio; lo Zinco aumenta la resistenza e la durezza, oltre a favorire

l’autotemprabilità della lega. Le leghe Al-Zn-Mg, trattate termicamente, hanno la più elevata

resistenza a trazione di tutte le leghe di alluminio. Presentano buona lavorabilità alle macchine

utensili e, nella maggior parte dei casi, scarsa saldabilità per fusione. Vengono utilizzate per

strutture aeronautiche e di mezzi di trasporto, ed in generale per parti molto sollecitate. La loro

resistenza alla corrosione è classificata da insufficiente a pessima e hanno un costo molto elevato.

Da queste due classi sono state confrontate la lega 6063 e la 7075.

Caratteristica 6063 7075

Lavorabilità Ottima Ottima

Saldabilità Buona Scarsa

Resistenza a corrosione Ottima Scarsa

Caratteristiche meccaniche Buone Ottime

La scelta è ricaduta sulla lega 6063 T8, ossia con trattamento di tempra, incrudimento e

invecchiamento artificiale, fornita da Alluminio di Qualità S.p.A.

Caratteristica 6063 Unità

Stato T8

Resistenza a trazione 265 [N/mm^2]

Carico di snervamento 230 [N/mm^2]

Allungamento percentuale 9 su 50mm [%]

Durezza 79 [HB]

Per i componenti metallici la tecnologia migliore è sicuramente la lavorazione al tornio che permette

di avere un’ottima precisione dimensionale e inoltre, grazie all’utilizzo di barre di Alluminio, permette

di realizzare più prodotti in sequenza portando un risparmio in termini di tempi di lavorazione di un

lotto di componenti. Per la realizzazione dei componenti in materiale polimerico, invece, si è scelto

lo stampaggio a iniezione vista l