Cosa rende le macchine utensili automatizzate produttive, affidabili e flessibili?

1. Elevata produttività

Lo scopo principale della produzione automatizzata è aumentare la produttività della manodopera e dei macchinari. L’automazione dovrebbe basarsi su un processo avanzato e ridurre costantemente i tempi non dedicati al taglio e quelli ausiliari. L’automazione di un processo obsoleto offre solo vantaggi limitati.

La produttività a lungo termine è inferiore al ritmo di ciclo ideale poiché le perdite si verificano anche al di fuori del ciclo di lavorazione. La sostituzione degli utensili, le riparazioni, la regolazione dei meccanismi, il ricaricamento, i cambi di prodotto e le interruzioni organizzative comportano tutte un dispendio di tempo. Queste perdite possono essere ridotte in sei ambiti:

1. Perdite legate alla lavorazione. Utilizzare linee automatizzate in continuo, meccanismi rapidi senza taglio, ispezione automatica, rimozione dei trucioli e robot o dispositivi per il carico periodico.
2. Perdite legate agli strumenti. Utilizzare magazzini utensili, robot per il cambio automatico degli utensili, sistemi di regolazione automatica degli utensili, dispositivi di autobloccaggio e sostituzione obbligatoria degli utensili.
3. Perdite relative alle attrezzature. Utilizzare meccanismi automatici di compensazione e riduzione dell'usura, dispositivi di protezione, materiali resistenti, un sistema di lubrificazione affidabile, una manutenzione programmata e sistemi di diagnostica automatica.
4. Perdite dovute al cambio turno e alla carenza di materiali. Utilizzare sistemi di stoccaggio automatizzati tra le operazioni, le linee, le sezioni e i reparti, integrati con la registrazione automatica e la gestione informatizzata.
5. Perdite legate ai rottami. Utilizzare ispezioni attive in corso di lavorazione, controllo adattivo, compensazione automatica dell'usura degli utensili e cambi utensile obbligatori per regolare il processo e la geometria del pezzo e ridurre gli scarti.
6. Perdite di commutazione e di messa a punto. Utilizza moderni sistemi automatici CNC, linee flessibili riconfigurabili, sistemi variabili controllati da computer, controllo tramite programma, commutazione automatica dei programmi e utensili a regolazione rapida.

2. Precisione di lavorazione costante

La qualità del prodotto determina se il prodotto stesso e il sistema automatizzato abbiano un valore pratico. Prevenire gli scarti di lotto e garantire la precisione sono requisiti fondamentali.

1. Usura dimensionale degli utensili. L'usura può compromettere la precisione dimensionale e geometrica. La misurazione automatica del pezzo, il monitoraggio indiretto della forza di taglio, della coppia, della temperatura, del rumore o della rugosità superficiale e il rilevamento diretto online dell’usura possono alimentare un sistema di controllo che compensa automaticamente l’utensile. Laddove il rilevamento e la compensazione non sono disponibili, nei centri di lavoro e negli FMS è ampiamente diffusa la sostituzione obbligatoria basata sulla durata dell’utensile, con i dati relativi alla durata e al tempo di taglio gestiti dal computer.
2. Deformazione elastica. Un sistema a bassa rigidità può generare errori significativi, specialmente nella finitura, dove la rigidità influisce anche sulla rugosità superficiale. Le macchine speciali e modulari destinate a volumi di produzione medi o elevati possono essere progettate intorno a un’unica famiglia di prodotti, in modo che le loro caratteristiche meccaniche garantiscano una rigidità adeguata. Il miglioramento di una fresa a cremagliera da un solo dente a più denti, ad esempio, può non garantire la precisione desiderata se non si tiene conto della rigidità della macchina.
3. Parametri di taglio. La velocità, l'avanzamento e la profondità di taglio influenzano la rugosità superficiale. Devono soddisfare i requisiti di produttività senza compromettere la qualità della superficie.
4. Errore di configurazione della macchina. La produzione automatizzata si basa su macchine preimpostate e su dimensioni ottenute automaticamente. Le impostazioni dimensionali della macchina e il rapporto tra macchina e pezzo devono quindi essere regolati prima dell'inizio della produzione. Gli utensili possono essere regolati sulla base di un pezzo campione o tramite tagli di prova e devono rispettare la tolleranza specificata.

3. Elevata affidabilità delle attrezzature

La qualità, i costi e la produttività effettiva dipendono dall'affidabilità. Man mano che l'affidabilità migliora, la produzione effettiva si avvicina al valore teorico di progetto.

Gli arresti delle attrezzature possono essere causati da guasti a macchine, dispositivi di fissaggio o componenti; malfunzionamenti degli utensili; fermi programmati; oppure da cause organizzative quali la mancanza di semilavorati, utensili o personale, materiale difettoso e interruzioni dell’alimentazione elettrica o dell’aria compressa. I guasti possono causare l’arresto di un meccanismo oppure impedire il raggiungimento della precisione specificata.

Il tasso di guasti nel corso del tempo di funzionamento si articola in tre fasi principali:

1. I primi insuccessi. La densità dei guasti è inizialmente elevata, per poi diminuire rapidamente. Tra le cause figurano difetti dei materiali, progettazione non ancora matura, difetti di fabbricazione ed errori iniziali di funzionamento. Ispezioni frequenti, feedback alla progettazione e alla produzione, correzione dei difetti, formazione degli operatori e rodaggio dei componenti contribuiscono a stabilizzare l’apparecchiatura.
2. Guasti casuali. Durante il normale funzionamento, la densità dei guasti è stabile e questi si verificano in modo imprevedibile, spesso a causa di sovraccarichi o concentrazioni di sollecitazioni impreviste. La pulizia, la lubrificazione, la regolazione e l’ispezione contribuiscono a prolungarne la vita utile.
3. Guasti da usura. L'usura meccanica, la fatica, la corrosione chimica e le alterazioni dei materiali dovute al passare del tempo determinano un forte aumento del tasso di guasti. Una manutenzione più efficace riduce tale tasso e rallenta il deterioramento.

L'affidabilità dipende dall'affidabilità dei componenti, dal numero di componenti e dall'architettura delle connessioni. In una linea rigida collegata in serie, il guasto di un solo componente blocca l'intera linea; suddividere la linea in sezioni con buffer può migliorare l'affidabilità e la produttività.

Una progettazione, una produzione e procedure operative ottimali, insieme alla facilità di manutenzione e al rilevamento rapido dei guasti, contribuiscono a ridurre i tempi di fermo. I componenti soggetti a usura e a guasti frequenti dovrebbero essere dotati di raccordi a sostituzione rapida, in modo da poter sostituire interi gruppi di ricambio. Componenti ridondanti in parallelo, rami di riserva e un sistema di controllo manuale di emergenza possono migliorare ulteriormente la disponibilità.

4. Flessibilità produttiva

I cicli di vita dei prodotti sempre più brevi e la maggiore varietà hanno reso comune la produzione mista di lotti piccoli e medi. Le attrezzature flessibili consentono di passare da un modello all’altro all’interno di una determinata famiglia di pezzi semplicemente modificando il software e con un intervento minimo sugli utensili, spesso senza necessità di regolazioni manuali della macchina. Ciò riduce notevolmente i tempi di cambio formato e di preparazione alla produzione e può supportare la produzione di modelli misti.

I sistemi automatizzati per lotti di piccole e medie dimensioni potrebbero richiedere:

1. Cambio automatico di programma. I computer o i controllori programmabili dovrebbero consentire di passare rapidamente da un programma all'altro senza arrestare il sistema.
2. Produzione automatica di diversi prodotti o di una famiglia di componenti. I sistemi universali e altamente automatizzati di trasferimento, fissaggio su pallet e lavorazione dovrebbero elaborare automaticamente i gruppi di pezzi.
3. Percorsi variabili e takt. Un sistema altamente flessibile dovrebbe indirizzare prodotti diversi attraverso sequenze di lavorazione e percorsi di trasporto diversi, a ritmi di produzione diversi.
4. Lavorazione automatica efficiente e cambio utensili. Le macchine CNC dotate di magazzini e sistemi di cambio utensili automatico riducono i tempi di taglio e di cambio utensili, garantendo una produttività costante.
5. Monitoraggio automatico e diagnosi dei guasti. I controlli in corso di lavorazione, il monitoraggio e la diagnostica riducono i tempi di fermo macchina e di ispezione, garantendo al contempo affidabilità e qualità.

Non tutte le macchine necessitano di tutte le funzionalità. La flessibilità deve essere adeguata alle esigenze di produzione e alle effettive condizioni operative.

Anche i sistemi rigidi ad alto volume possono incorporare elementi flessibili. Le celle CNC o le macchine con teste mandrino intercambiabili possono migliorare l'adattabilità del prodotto. I buffer nei sistemi di trasferimento rigidi possono disaccoppiare le sezioni in modo che il guasto di una singola unità non blocchi l'intera linea.