Isole robotizzate di palettizzazione

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La nostra rivista è particolarmente attenta al tema della robotica, come comprovato da articoli e indagini realizzate finora, confrontandoci con alcuni player di settore, affrontiamo questo nuovo tema di particolare rilevanza per il comparto manifatturiero.

Per avere una base concettuale certa su cui impostare l’argomento, occorre ben definire ciò di cui si parla, quindi: cosa si intende esattamente per “isola robotizzata”? Una definizione molto sintetica potrebbe essere la seguente: cella di lavoro automatica in cui siano previsti uno o più robot programmabili. La programmabilità dei robot porta poi al concetto di flessibilità, con la modifica del prodotto o dell’operazione richiesta alla cella che comporta di norma solo la riprogrammazione delle macchine/robot presenti. In un’isola robotizzata, il robot può essere l’elemento principale sia dal punto di vista della tecnologia che del costo, ma può anche essere un elemento di completamento nell’ambito di una soluzione tecnologica complessa. In sostanza, volendo dare un maggior approfondimento ai concetti, per isola robotizzata si può intendere un sistema costituito generalmente da un robot e da dispositivi e macchinari accessori, in grado di automatizzare una fase del ciclo produttivo di un manufatto, sia essa rappresentata da un semplice carico/scarico di un centro di lavoro, da un processo (sbavatura, taglio, finitura, ecc.), da un assemblaggio o da una pallettizzazione. I robot sono quasi sempre in configurazione antropomorfa, mentre tra i macchinari accessori possiamo annoverare qualsiasi tipologia di sistema in grado di svolgere un compito predefinito. Le isole robotizzate, a seconda della complessità delle operazioni preposte, possono essere costituite da uno o più robot: se l’operazione da svolgere è molto complessa, le isole possono tramutarsi in vere e proprie linee robotizzate con anche decine di antropomorfi. Il concetto di base che contraddistingue un’isola robotizzata è la flessibilità: tali sistemi permettono infatti di adattarsi velocemente al cambio tipo e per loro natura sono facilmente riconvertibili in caso di sostanziali modifiche alla produzione. L’utilizzo di dispositivi accessori, quali i sistemi di visione, spinge al massimo livello il concetto stesso di flessibilità, in quanto consente l’impiego di unità di alimentazione universali, semplificando di conseguenza la logistica della produzione. Le operazioni svolte da una cella dotata di antropomorfo sono caratterizzate da tempi ciclo ridotti e da un’elevata precisione, con conseguente diminuzione dei costi di produzione a fronte di un aumento sostanziale della qualità dei manufatti. La caratteristica fondamentale di un’isola robotizzata, ovverosia la capacità di automatizzare una fase del ciclo di realizzazione di un manufatto, la rende in sostanza un modulo produttivo completo, in poche parole una fabbrica nella fabbrica.

Gli elementi distintivi di un’isola robotizzata di pallettizzazione

Esistono naturalmente diverse tipologie di isole robotizzate, a seconda delle previste lavorazioni, per cui può essere utile individuare cosa caratterizza un’isola robotizzata di pallettizzazione dalle altre tipologie di isole robotizzate. Secondo Alberto Pellero, Sales Management Robotic Division di Kuka Roboter Italia, la caratterizzazione deriva dal fatto che le celle di pallettizzazione siano adibite a operazioni di prelievo e impilamento oggetti su di un pallet: «Tali celle possono essere molto semplici, ma in alcuni casi estremamente complesse se integrate in linee pallet a prodotti e baie multiple». Antonio Brignoli, di Italiana Robot, precisa che in un isola robotizzata di palletizzazione viene esclusivamente caricato il prodotto, sia esso rappresentato da scatole, sacchi, fusti, bobine, rocche o altro ancora, su pallet o all’interno di box pallet, ceste o “contenitori” di vario genere e forma. Maurizio Ravelli, Direttore Commerciale di Tiesse Robot, ci ricorda che la robotizzazione di un pallet è un processo normalmente situato alla fine di una linea di produzione e delle relative stazioni di imballaggio, assolvendo il compito di ordinare su pallet di dimensioni definite il prodotto secondo categorie precise o secondo ordini di prodotti diversi che possono comporre il pallet. «La caratteristica di un’isola robotizzata di pallettizzazione sta nel garantire elevate cadenze orarie con una grande affidabilità che deriva dalla scelta del robot e dallo studio degli organi di presa. I robot impiegati come pallettizzatori hanno caratteristiche per numero di assi, normalmente quattro, e cadenze produttive che si differenziano dagli antropomorfi a sei assi. La gamma di questi robot, che per esempio nel caso di Kawasaki spazia dal modello RD80 al MD500, da 80Kg a 500 Kg, è studiata in particolare per i robot di portata più bassa allo scopo di creare isole in spazi ridotti». Le differenze tra un’isola di pallettizzazione e un’isola robotizzata di altra tipologia si possono riassumere, secondo Davide Passoni, R&D Department SIR Soluzioni Industriali Robotizzate, in tre caratteristiche basilari, e la prima riguarda la posizione all’interno del flusso produttivo, sul fine linea dello stabilimento, per asservire la fase di distribuzione e spedizione. La posizione e le operazioni che devono essere svolte implicano una seconda differenza: tali celle sono strettamente legate alla logistica della produzione molto più di quanto non lo siano quelle preposte alle operazioni di lavorazione vera e propria, dovendo agire in modo integrato con il magazzino dei finiti (spesso realizzato con i sistemi traslo), con le navette preposte alla movimentazione delle unità di carico, e in genere con gli ordini di produzione, colloquiando direttamente con il sistema gestionale dell’azienda. In sostanza, in queste celle il confine tra logistica e automazione vera e propria diviene molto labile: «Possiamo addirittura affermare che le celle di pallettizzazione rappresentano oggi la trasposizione pratica dei criteri di logistica e di organizzazione aziendale di uno stabilimento. Ne consegue la terza sostanziale differenza: tali celle, dovendo soddisfare i bisogni di una produzione sempre più orientata al just in time, devono assicurare criteri di flessibilità e velocità ancora più elevati di quelli comunemente accettati nelle isole di lavorazione che operano spesso in parallelo, su lotti più consistenti, per creare scorte sufficienti per il magazzino. Le moderne celle di pallettizzazione devono invece soddisfare i singoli ordini di consegna, spesso ridotti al lotto o comunque caratterizzati da estrema variabilità dei prodotti richiesti. Ne consegue che devono adattarsi molto velocemente al cambio tipo, spesso inviato automaticamente in rete dallo stesso sistema gestionale, e devono prevedere manipolatori che garantiscano elevate velocità di posizionamento; diversamente tali celle potrebbero facilmente divenire un collo di bottiglia».

Nelle isole di pallettizzazione, l’utilizzo di sistemi di alimentazione di costruzione accurata permette di cadenzare gli elementi da manipolare in modo preciso, sicuro e veloce.

Gli elementi qualificanti

«La velocità è essenziale», afferma Pellero (Kuka Roboter Italia), «e l’alternativa a un’isola di pallettizzaizone è un sistema cartesiano di pallettizzazione, molto più rigido ma estremamente veloce. La gamma di robot per la pallettizzazione è altresì importante, poiché permette al system integrator di scegliere la macchina dedicata senza inutili sovradimensionamenti e quindi costi; da non dimenticare il software di interfaccia per la programmazione di un ciclo di pallettizzazione, che deve avere ampia possibilità di parametrizzazione e personalizzazione. Kuka propone un’ampia gamma di robot per la pallettizzazione, dai 4 kg ai 1300 kg di portata, con strutture a parallelogramma a bracci in fibra di carbonio, per aumentarne le performance dinamiche». Brignoli (Italiana Robot) elenca, come caratteristiche indispensabili, l’affidabilità, la flessibilità, la sicurezza e le prestazioni: «Per ottenere queste caratteristiche si possono adottare sia robot antropomorfi che cartesiani, integrare scanner, pese, etichettatrici, fascia pallet automatici, e in generale tutti quei dispositivi che sono necessari per soddisfare le esigenze di una specifica applicazione». Ravelli (Tiesse Robot) concorda sull’aspetto dell’affidabilità, evidenziando come importanti anche le soluzioni relative all’organo di presa pezzi, e aggiunge: «Non bisogna dimenticare che la potenza dei sistemi di controllo degli attuali robot permette di utilizzare i robot stessi anche come elementi di comando e controllo di altre apparecchiature o accessori che compongono l’isola. La facile connettività con sistemi di visione, e qui posso ricordare il nostro pacchetto personalizzabile TS Vision, permette di aggiungere una maggiore flessibilità rispetto alle tradizionali soluzioni dedicate». Passoni (SIR) indica velocità, flessibilità e alta integrabilità con i sistemi accessori. La prima si ottiene con robot antropomorfi di pallettizzazione di ultima generazione che, generalmente costituiti da quattro assi invece che sei, assicurano performance paragonabili se non superiori ai sistemi cartesiani o cilindrici, che stanno ormai per essere surclassati. La ridotta complessità della catena cinematica garantisce velocità superiori al sei assi, mantenendo notevoli doti di precisione. L’utilizzo di sistemi di alimentazione di costruzione accurata permette inoltre di cadenzare gli elementi da manipolare in modo preciso, sicuro e veloce. La flessibilità è insita nello stesso utilizzo dell’antropomorfo, attualmente il sistema più consono per un veloce adattamento a cicli di lavorazione diversi o per una riconversione della stessa cella. A questo si devono aggiungere degli end-effector costruiti allo scopo: «La nuova pinza di pallettizzazione che abbiamo di recente brevettato è dotata di assi controllati atti regolare la corsa in apertura e chiusura delle varie unità di presa, nonché il loro rispettivo interasse, e può adattarsi istantaneamente a elementi di dimensioni diverse, con possibilità di prelievi e depositi multipli di una o più unità. Per esempio, dopo aver prelevato N pacchi, è possibile il deposito differenziato degli stessi, alcuni secondo un determinato orientamento, altri secondo una diversa giacitura. Lo stesso end-effector è in grado, con appositi assi supplementari, di movimentare falde e pallet e, in alcuni casi particolari, di effettuare la presa di sacchi e fardelli. La coesistenza di differenti elementi da manipolare introduce inoltre la necessità di un adeguato magazzino pinze, con cambio automatico degli end-effector mediante moduli di aggancio/sgancio rapido. L’adattamento veloce al cambio tipo passa anche attraverso un software di programmazione che renda la gestione della cella assolutamente “indolore”, sia come tempo che come competenze di programmazione: il nuovo software di programmazione off-line che abbiamo studiato per la pallettizzazione permette di creare un nuovo programma in pochi minuti». I sistemi citati sono concepiti per operare anche in depallettizzazione, in quanto le baie robotizzate, se sono connesse direttamente a un magazzino automatico, devono poter eseguire entrambe le operazioni per gestire le unità di produzione che entrano in magazzino per lo stoccaggio e quelle che escono per la spedizione. «Tutto questo porta a un concetto di automazione della logistica ben più complesso, il picking, cioè la possibilità di realizzare pallet disomogenei, costituiti quindi da prodotti differenti, riposti in contenitori di diverse dimensioni, a lotto uno. Ogni pallet sarà quindi diverso dall’altro, e queste applicazioni rappresentano la punta di diamante della moderna pallettizzazione automatizzata e la tendenza futura sarà portare alle estreme conseguenze questo concetto che rappresenta la migliore interpretazione dei criteri di flessibilità applicati alla logistica». Occorre un software di programmazione off-line che possa calcolare il corretto layout di ogni strato del pallet per ben distribuire i pesi, ottimizzare lo spazio occupato, evitare danneggiamenti di elementi fragili, creare un’unità di carico stabile e sicura. Sempre a livello di flessibilità, non vanno dimenticati i sistemi di visione: applicati alla pallettizzazione/depallettizzazione, grazie alle nuove caratteristiche 3D, permettono di riconoscere i diversi contenitori posti sui differenti strati, di controllare lo spazio libero prima dell’inserimento di un nuovo pacco o cartone, di effettuare operazioni aggiuntive quali l’identificazione di DataMatrix, scritte, etichette. «L’ultima caratteristica fondamentale di un’isola robotizzata di pallettizzazione è l’integrabilità con i sistemi accessori: la cella deve poter colloquiare direttamente non solo con gli apparati di alimentazione, ma anche con i magazzini automatici e i sistemi di gestione degli ordini di produzione, con il robot che diventa un vero e proprio operatore in grado di tradurre in pratica l’organizzazione logistica dello stabilimento, prendendo automaticamente in carico i vari ordini e provvedendo a soddisfare le svariate esigenze di stoccaggio e distribuzione. In tal senso, l’isola deve poter dialogare anche con sistemi di movimentazione quali i veicoli a guida laser. Per esempio, nelle celle realizzate dalla divisione Robotics&Logistics del SITI-B&T Group, di cui SIR è una compartecipata, i robot si interfacciano con veicoli LGV personalizzabili per singole esigenze e settori di utilizzo».

Una valutazione di trend

Sembra sia in atto una tendenza di mercato che porterebbe a non guardare più a grandi e rigidi impianti con molti robot, ma piuttosto a piccole isole estremamente riconvertibili, che possano rapidamente evolversi con le esigenze delle aziende. «Questo concetto fa parte della Lean Manufacturing», precisa Pellero (Kuka Roboter Italia), «piccole celle flessibili pronte a un riattrezzamento al cambio prodotto. Ciò è vero nel caso di produzioni discrete o con alta variabilità. Nel caso della pallettizzazione senz’altro si sente meno l’esigenza, ma i robot, ormai, hanno delle performance e dei costi tali da renderli una valida alternativa ai tradizionali fine linea». Brignoli (Italiana Robot) ritiene che in realtà continuino a coesistere entrambe le filosofie, in funzione di come è strutturata l’azienda che richiede un’isola di palletizzazione: «Si evidenziano diverse esigenze in funzione dei volumi, della posizione delle linee di produzione all’interno del sito, del numero di baie e della possibilità di sviluppare il tutto passo passo o in contemporanea, anche tenendo conto della disponibilità economica». Non pare quindi possibile stabilire un modus operandi comune, specialmente per le differenti necessità tra azienda e azienda oppure tra piccola e grande azienda. Sostanzialmente dello stesso avviso Ravelli (Tiesse Robot): «Secondo la mia opinione convivono entrambe le esigenze, ma sicuramente l’ingresso sul mercato di robot con portata di 50/80 Kg e sbracci intorno ai due metri ha permesso la realizzazione di isole compatte a basso costo e facilmente riconvertibili». Secondo Passoni la tendenza verso piccole isole estremamente riconvertibili è ormai ampiamente consolidata anche se, in alcuni casi, il confine tra isola e linea robotizzata (anch’essa intesa in modo flessibile) può essere molto labile. «È chiaro che smembrare la produzione su varie celle sequenziali o parallele permette di essere svincolati da un fermo totale in caso di guasto o di riadattare velocemente le varie celle alla mutazione delle esigenze produttive. Nella pallettizzazione questo si traduce nella realizzazione di diverse baie parallele, che possano assicurare una rapida evoluzione verso nuove esigenze. Il massimo della flessibilità può però essere ottenuto se tutte o quasi tutte le celle parallele possono svolgere la globalità dei compiti, a livello di tipologie di elementi manipolati: in tal caso sono gestibili sia eventuali fluttuazioni dei volumi che guasti ed evoluzioni della domanda».

La programmabilità dei robot porta al concetto di flessibilità, con la modifica del prodotto o dell’operazione richiesta alla cella che comporta di norma solo la riprogrammazione delle macchine/robot presenti.

Alcuni esempi applicativi emblematici

Un primo esempio arriva da Italiana Robot che ha realizzato, in Belgio per la Tupperware, un’isola di pallettizzazione a 3 robot, ciascuno dei quali prevede quattro posti pallet con cambio manuale (bassa produzione), quattro posti pallet con cambio automatico (alta produzione), e un magazzino pallet. La movimentazione delle scatole è realizzata tramite un collettore principale che, tramite riconoscimento automatico da lettura di codice a barre, distribuisce le scatole sui tre robot. Per sicurezza il codice del prodotto viene nuovamente controllato prima del prelievo per eliminare qualunque possibile problema di smistamento non corretto. La flessibilità del sistema consente di gestire velocemente 24 tipologie di prodotti in contemporanea, più di 650 schemi di palletizzazione e 12000 codici prodotto, con le dimensioni delle scatole che possono variare da 200x120xH120 mm a 800x600xH500 mm. Da sottolineare che la realizzazione di un nuovo schema di palletizzazione utilizzabile su una delle qualunque 24 postazione richiede non più di un paio di minuti e può avvenire anche off-line. Un altro esempio arriva da Tiesse Robot, azienda che ha realizzato esperienze in vari settori, direttamente o tramite system integrator, che vanno dall’automazione dei centri di logistica per la distribuzione nei supermercati alla pallettizzazione in zuccherifici e cementifici. Una delle più recenti applicazioni ha riguardato la pallettizzazione a fine linea per il riempimento di secchi contenenti vernici di diverse tipologie, con la necessità di effettuare prese multiple per adeguarsi ai tempi ciclo della linea di produzione. Anche in questo caso la disponibilità di robot compatti e a elevata dinamica ha consentito di implementare isole su una superficie estremamente ristretta, da inserire in un ambiente produttivo già esistente. Sempre in tema di applicazioni, alcune considerazioni di mercato da parte di Kuka Roboter Italia: circa il 25% dei robot venduti da Kuka in Italia vengono utilizzati per la pallettizzazione, e l’azienda considera particolarmente interessanti, da un punto di vista tecnologico, le isole di “order picking”, per formare dei pallet multi prodotto, applicazioni tipiche degli intermagazzini logistici. Tali sistemi devono poter gestire, con organi di presa intelligenti, il maggior numero di formati di prodotto diversi, ed essere dotati di software di interfaccia di alto livello in grado di permettere la riprogrammazione sia dei prodotti che della composizione dei pallet. SIR Soluzioni Industriali Robotizzate ha realizzato molteplici applicazioni di pallettizzazione robotizzata in differenti contesti, e tra gli impianti più importanti, le realizzazioni in ambito alimentare, nella produzione di pasta e affini. In questo caso SIR si è occupata dell’intera automazione del processo logistico, dall’inscatolamento della pasta sino alla formatura dei pallet pronti per entrare sui camion preposti alla distribuzione. Complessi sistemi di alimentazione convogliano le differenti tipologie di pasta, precedentemente insacchettate e inscatolate in cartoni, sacchi e fardelli di diverse dimensioni, verso le baie finali, con diversi robot in parallelo. I pallet formati dai robot sono poi presi in gestione da una navetta per il trasporto verso la mummiatrice e da questa alle baie di uscita verso i mezzi di distribuzione. Il sistema permette di gestire in modo completo la complessa logistica dello stabilimento, prendendo in carico ogni singolo ordine di produzione, e l’uso delle navette LGV rappresenta un’arma ulteriore per conseguire il traguardo della massima flessibilità. La divisione Robotics&Logistics di SIR si è poi spinta nella realizzazione di celle di inscatolamento e pallettizzazione nei settori più disparati: dai rotoli di carta agli elementi ceramici (piastrelle e mattoni refrattari), dai componenti per le industrie automotive a quelli per gli elettrodomestici.

 

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