Che cos’è un sistema di produzione flessibile? Tipologie, caratteristiche e struttura

L'automazione tradizionale ad alto volume è rigida. Garantisce un'eccellente produttività per pochi prodotti stabili, ma non è in grado di rispondere in modo efficiente a lotti di piccole dimensioni e a un'elevata varietà di prodotti. Per soddisfare tale esigenza sono state sviluppate attrezzature automatizzate e sistemi di produzione flessibili.

Attrezzature di produzione flessibili

Le attrezzature di base di un sistema di produzione flessibile comprendono macchine utensili CNC, robot, veicoli a guida automatica e sistemi di stoccaggio automatizzati.

Una macchina CNC è controllata da un computer o da un controllore elettronico dedicato. La sequenza di lavorazione, i parametri di processo e i movimenti della macchina sono codificati in un programma di controllo numerico e inseriti nella CNC, che comanda automaticamente la macchina. Spesso viene aggiunto un circuito di retroazione di posizione per formare un sistema a circuito chiuso e migliorare la precisione. Gli utenti esperti devono comunque possedere competenze in materia di pianificazione del processo, selezione dei parametri di taglio, scelta degli utensili e dei dispositivi di fissaggio corretti, misurazione degli utensili, conoscenza della macchina e programmazione.

1. Classificazione in base al processo

1. Macchine CNC in generale. I torni, le fresatrici, le alesatrici, le trapani, le rettificatrici, le sagomatrici per ingranaggi e le dentatrici a creatore della serie CNC eseguono le stesse operazioni di base delle loro controparti convenzionali, ma realizzano automaticamente forme complesse.
2. Centri di lavorazione con cambio utensili automatico. Un centro di lavorazione è dotato di un magazzino che contiene da circa 10 a 100 utensili e di un sistema di cambio utensili automatico. Una volta effettuato l'allestimento, è in grado di eseguire automaticamente operazioni di fresatura o tornitura, alesatura, foratura e alesatura del pezzo.
3. Macchine multiasse CNC. Queste macchine controllano un numero maggiore di assi, solitamente da tre a cinque.

2. Classificazione in base al percorso utensile

1. Controllo punto a punto. Il controllore si sposta con precisione da una posizione all’altra senza interruzioni durante il movimento. Le alesatrici a coordinate e le foratrici CNC ne sono esempi tipici.
2. Controllo lineare punto a punto. Il controller gestisce sia la posizione degli endpoint che il percorso rettilineo tra i punti, solitamente lungo un asse della macchina. Il taglio può avvenire lungo un asse di coordinate e sono disponibili ulteriori funzioni ausiliarie.
3. Controllo del profilo. Il controllo a percorso continuo coordina due o più assi e regola la velocità e la posizione durante l'intero processo di taglio, consentendo la realizzazione di forme complesse. Tra le macchine tipiche figurano i torni CNC, le rettificatrici, le fresatrici e i centri di lavoro.

Un centro di lavoro per la lavorazione di contorni, come l'FHN100T, comprende in genere unità di movimento sugli assi X, Y e Z, una tavola rotante per la lavorazione su più facce, un sistema di cambio utensili automatico (ATC) e un controllore CNC.

Il suo sistema di controllo utilizza il controllo sequenziale insieme a funzioni di rilevamento tattile, gestione e adattamento. I codici T selezionano gli utensili, i codici S comandano la velocità del mandrino e la tavola rotante provvede all'indicizzazione.

Le funzioni di rilevamento al contatto consentono di centrare automaticamente un utensile rispetto al punto zero del mandrino, rilevare la rottura dell’utensile e arrestare la macchina, ridurre i tempi di taglio a vuoto spostandosi a una velocità di avanzamento doppia rispetto a quella di taglio fino al contatto, correggere i piani di riferimento X/Y/Z per compensare le variazioni termiche e quelle legate alle dimensioni del pezzo, nonché misurare il diametro del foro in modo che il sistema possa regolare automaticamente l’utensile.

Le funzioni di gestione confrontano la durata prestabilita dell'utensile con l'utilizzo effettivo, sostituiscono automaticamente l'utensile di riserva e monitorano le informazioni operative ai fini della diagnosi dei guasti.

Il controllo adattivo (AC) utilizza dei sensori installati sui motori di avanzamento degli assi e sul mandrino per monitorare il carico. Un carico compreso nell'intervallo impostato è normale. Se il carico scende al di sotto di tale intervallo, l'avanzamento può aumentare per ridurre il tempo di ciclo; se supera l'intervallo, l'avanzamento diminuisce per proteggere l'utensile.

Sistemi di produzione flessibili: caratteristiche, tipologie e struttura

Un sistema di produzione flessibile (FMS) integra un sistema di controllo e gestione delle informazioni, lo stoccaggio e la movimentazione dei materiali e un gruppo di macchine CNC. Basandosi sulla tecnologia a gruppi, definisce i processi per una famiglia di pezzi, seleziona le macchine e le soluzioni logistiche compatibili e utilizza il controllo computerizzato per produrre in modo efficiente diversi componenti in lotti, modificando al contempo il mix di prodotti in base alle variazioni della domanda.

Caratteristiche e campo di applicazione

Un sistema FMS comprende solitamente diverse macchine CNC e centri di lavorazione, sistemi automatici di carico e scarico, stoccaggio e trasferimento dei materiali, il tutto sotto il controllo centralizzato di un computer. Rispetto all’automazione rigida, offre:

• Elevata flessibilità per componenti correlati con requisiti di lavorazione diversi.
• Elevato grado di automazione, compreso il funzionamento senza supervisione.
• Elevato grado di utilizzo delle attrezzature grazie alla riduzione dei tempi di messa a punto e di altre operazioni ausiliarie.
• Elevata produttività.
• Riduzione del costo diretto della manodopera e miglioramento del rendimento economico.

Un sistema FMS è in grado di gestire sia lavori singoli e in piccoli lotti sia produzioni miste di medio e alto volume, combinando flessibilità, qualità ed efficienza.

Tipi di FMS

1. Cella di produzione flessibile (FMC). Una macchina CNC a controllo numerico o un centro di lavorazione è abbinata a un trasportatore a pallet circolare o ovale oppure a un robot industriale. È in grado di sostituire i pezzi senza interruzioni e costituisce l'unità di base di un sistema FMS più ampio.
2. Sistema di produzione flessibile. Due o più macchine CNC, centri di lavorazione o celle sono collegati tramite veicoli su rotaia o autonomi oppure robot, con caricamento automatico dei pallet o tramite robot, stoccaggio automatizzato e sistemi integrati di pianificazione, programmazione e monitoraggio computerizzati.
3. Linea di produzione flessibile. Diversi centri di lavorazione o macchine CNC, alcune delle quali parzialmente specializzate, sono disposte secondo l'ordine di lavorazione. La linea può avere un tempo di ciclo di produzione, ma può essere adattata rapidamente ai cambiamenti di prodotto e mantiene le funzionalità di un sistema FMS.

Composizione e controllo del sistema

Un FMS comprende sistemi logistici e informativi, ciascuno costituito da diversi sottosistemi. Le sue principali apparecchiature di lavorazione sono solitamente da due a sei centri di fresatura-foratura verticali o orizzontali e centri di tornitura. I nastri trasportatori, i veicoli guidati o autonomi e i robot industriali possono formare sistemi di trasferimento lineari, ad anello o in rete. Per lo stoccaggio si può ricorrere a un magazzino automatizzato a scaffali alti con trasloelevatori oppure a sistemi di stoccaggio a pavimento con stazioni per pallet.

Un pallet funge da dispositivo di trasporto. Trasporta il dispositivo di fissaggio del pezzo e il pezzo stesso come un’unica unità, viene spostato dal sistema di movimentazione e viene posizionato e bloccato automaticamente sul tavolo della macchina. Le stazioni dei pallet possono anche fungere da area di stoccaggio temporaneo e di buffer. Magazzini separati possono contenere semilavorati, pezzi finiti, utensili e dispositivi di fissaggio. Se necessario, è possibile includere stazioni di pulizia, sbavatura, misurazione e ispezione.

Il sistema di controllo collega diversi computer e controllori delle apparecchiature tramite una rete, secondo un'architettura gerarchica. Il suo funzionamento si articola in quattro ambiti:

1. Pianificazione dei processi. Definire i processi sulla base dei requisiti di prodotto e adattarli in modo dinamico alle variazioni della pianificazione.
2. Pianificazione e programmazione della produzione. Garantire una produzione equilibrata e un elevato grado di utilizzo delle attrezzature.
3. Controllo delle postazioni di lavoro e delle apparecchiature. Coordinare macchine utensili, sistemi di trasferimento e stoccaggio dei materiali, macchine di misura, attrezzature di pulizia, robot e altri dispositivi.
4. Monitoraggio delle condizioni e garanzia della qualità. Monitorare e controllare il sistema affinché funzioni in modo sicuro, affidabile, regolare e con una qualità costante.