Automacao e Robotica

Robotica IndustrialeRobotica Industriale

Automazione e Robotica

Claudio MelchiorriClaudio Melchiorri 1

Prof. Claudio Melchiorri

DEIS-Università di Bologna

Tel. 051 2093034

e-mail: [email protected]://www-lar.deis.unibo.it/~cmc

RoboticaRobotica e e AutomazioneAutomazione

Claudio Melchiorri Elementi di Robotica

2Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican ANNI '60: inizio di una rapida diffusione di un processo di

automatizzazione di molti settori della produzione industriale.

n AUTOMAZIONE INDUSTRIALE: insieme di tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi meccanici, elettronici ed informatici per il controllo eper la produzione nelle industrie.

n Esempi:n sistemi di controllo di processi,n macchine a controllo numerico,n macchine per l'assemblaggio di componenti, per la movimentazione di

pezzi,n robot,n sistemi informatici per la gestione del magazzino, la progettazione

automatica, il monitoraggio e controllo della produzione.





3Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican L'automazione è nata in ambito industriale per sostituire l'uomo in

compiti ripetitivi o nocivi con apparecchiature in grado di operare in modo autonomo, o con minimi interventi da parte dell'operatore umano.

n Più di recente:n estensione di tecniche di automazione ad altri settori (agricoltura, sanità,

edilizia, comunicazioni, ...),n passaggio dalla semplice sostituzione all'impiego in attività che sarebbero

impossibili per l'uomo (esplorazione sottomarina o spaziale, operare in ambienti pericolosi, ...).

n I robot sono una delle tecnologie impiegate nell'automazioneindustriale e quindi la ROBOTICA può essere considerata una forma diautomazione industriale.


4Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican Automazione del processo di produzione industriale:

n automazione rigidan automazione flessibilen automazione programmabile

Automazione rigida

Automazione flessibile

Automazione programmabile

N. Pezziper anno

N. Parti diverse

1

1 3 10 50 100 1000

500

15000





5Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican AUTOMAZIONE RIGIDA (O MONOSCOPO)

n Alti volumi di produzione di singoli prodottin Richieste di elevatissimi ritmi di produzione n Lavorazioni che richiedono tecnologie particolari con mezzi operativi

specializzati.

n Caratteristiche principali di una macchina per l'automazione rigida:n architettura meccanica monoscopo specializzata, progettata per

operare una sola tipologia lavorativa con ottimizzazione dei tempi della produzione;

n sistema di controllo dedicato, realizzato mediante PLC o tecnichecablate, solitamente con modesta o nulla capacità diriprogrammazione per altre attività.


6Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican AUTOMAZIONE RIGIDA (O MONOSCOPO)

n Esempi: industrie a produzione continua (industrie chimiche o tessili), industrie con alti numeri di pezzi prodotti o lavorati (industrie per la produzione di mattonelle), industrie farmaceutiche, industrie per l'imbottigliamento.





7Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican AUTOMAZIONE FLESSIBILE

n Grande impulso a partire dagli anni '80, a causa di un consumismo in crescita, ma con diversificazione e personalizzazione del prodotto.

n Si sono resi necessari macchinari in grado di essere utilizzati in diverse lavorazioni con relativamente modesti cambiamenti sia nella parte meccanica che nella parte di controllo.

n Si sono così sviluppate apparecchiature che sono economicamentegiustificabili per la possibilità di essere riconvertite in lavorazioni diverse se le esigenze di produzione lo richiedono.

n Flexible Manufacturing Systems (FMS):n La flessibilità operativa di queste apparecchiature ha originato il nome Flexible

Manufacturing Systems, o FMS, che contraddistingue questo tipo di produzione.

n Computer-Integrated Manufacturing, (CIM): indica l'integrazione di elementi di elaborazione elettronici nelle diverse fasi della produzione:n progettazione ed industrializzazione del prodotto,n controllo della lavorazione e del collaudo,n controllo della produzione,n organizzazione economica e gestionale dell'industria.


8Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican AUTOMAZIONE PROGRAMMABILE

n Caratterizzata da diversi tipi di prodotti, ognuno dei quali con bassi volumi di produzione.

n Richiesta di:n grande diversificazione delle capacità di lavorazione,n possibilità di riprogrammare facilmente le sequenze operative.

n Automazione programmabile: produzione a lotti, cioè insiemi di pezzi uguali che vengono prodotti in un intervallo di tempo finito.

n Quando un lotto è completato, si provvede ad una riorganizzazione eriprogrammazione delle unità operative e si passa al lotto successivo.

n Automazione flessibile: possibilità che diversi prodotti possano essere in lavorazione contemporaneamente, sia in lotti che in parallelo.

n Minori tempi di riconversione per il cambio di produzione.





9Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotica

n ROBOTICA:

impiego principale nell'automazione flessibile e programmabile.

n ROBOT:dispositivo programmabile, general-purpose, atto a movimentare in modoripetitivo e controllato attrezzi con cui eseguire operazioni o movimentare pezzi.

n Solitamente utilizzato in cooperazione con altri macchinari automatici o semiautomatici assieme ai quali costituisce la cosiddetta cella di lavoro.

Automazione rigida

Automazione flessibile

Automazione programmabile

N. Pezziper anno

N. Parti diverse

11 3 10 50 100 1000

500

15000



n CELLE DI LAVORO:Importanza di organizzare le apparecchiature di una cella in modoefficiente.

n CELLA CON ROBOT CENTRALE: le macchine per la lavorazionecircondano il robot, il quale provvede a caricarle e scaricarle.

n LINEA DI LAVORAZIONE: uno o più robot sono collocati lungo unalinea di trasporto. La linea trasporta i pezzi su cui effettuare lalavorazione, e ciascun robot esegue una lavorazione o un assemblaggio sui pezzi

n CELLA CON ROBOT MOBILE: il robot è posto su una piattaforma chelo trasporta in diverse posizioni della cella per compiere diverseoperazioni. Adatto per situazioni in cui un solo robot deve servire molte macchine.





11Cella robotizzataCella robotizzata

Le macchine per la lavorazione circondano il robot, che provvede a caricarle e scaricarle.


12LineaLinea di lavorazionedi lavorazione

Esempi di linee di lavorazione





13CellaCella con robot mobilecon robot mobile

Il robot, mobile su slitta, può servire più macchinari



n ROBOTICA

n Tecnologia multidisciplinare che interessa diversi campi della scienza e della tecnica:n meccanica,n elettronica,n controlli automatici,n informatica,n sensoristica,n motoristica,n scienza dei materiali.

n Robot: termine introdotto per la prima volta nell'uso comune nel1920 dallo scrittore Ceco Karel Capek nel suo libro tradotto in inglesecol titolo “Rossum's Universal Robot”. La parola robota in Cecosignifica lavoratore.





15DATE SVILUPPI PRINCIPALI DELLA ROBOTICADATE SVILUPPI PRINCIPALI DELLA ROBOTICA

n 1750 (ca): J. de Vaucanson costruisce diverse bambole meccaniche di dimensioni umane in grado di eseguire brani musicali

n 1801: J. Jacquard inventa il telaio Jacquard, una macchina programmabile per tessere filati

n 1892: negli U.S.A., S. Babbit realizza una gru motorizzata con una pinza per afferrare materiale in una fornace

n 1938: negli U.S.A., W. Pollard e H. Roselundprogettano un meccanismo programmabile per verniciatura per la ditta DeVilbiss

n 1946: l'inventore americano G.C. Devol sviluppa un sistema a memoria magnetica per controllare una macchina meccanica (brevettato nel 1952).

n 1946: nello stesso anno ci sono le prime realizzazioni di computer: ENIAC alla University ofPensylvania (J.P. Eckert e J. Mauchly), e WHIRLWIND al M.I.T.

n 1948: N. Wiener, professore al M.I.T., pubblica “Cybernetics”, un libro che descrive il concetto di comunicazione e controllo in sistemi elettronici, meccanici e biologici

n 1951: sviluppati sistemi per la telemanipolazionedi materiale radioattivo, brevetti di Goertz(Francia - 1954) e Bergsland (1958)

n 1952: primo prototipo di macchina a controllo numerico in funzione al MIT dopo diversi anni di sviluppo. Linguaggio di programmazione APT(Automatically Programmed Tool ) che viene sviluppato e diffuso nel 1961

n 1954: l'inventore britannico C.W. Kenwardrichiede di brevettare il progetto di un robot, brevetto nel 1957


16DATE SVILUPPI PRINCIPALI DELLA ROBOTICADATE SVILUPPI PRINCIPALI DELLA ROBOTICAn 1954: G.C.Devol sviluppa il progetto di un

“movimentatore di pezzi programmato”, brevetto americano del progetto nel 1961. Devol introduceanche il nome “Universal Automation” abbreviato poi in UNIMATION, nome della prima ditta produttrice di robot

n 1959: primo robot commerciale della Planet Corporation. Era controllato da camme e interruttori di fine corsa

n 1960: primo robot UNIMATE, basato sul progetto di Devol del “movimentatore di pezzi programmato”

n 1961: robot UNIMATE installato alla Ford Motor Company per lavorare con una macchina a pressofusione

n 1966: la ditta norvegese TRALLFA costruisce ed installa un robot per la verniciatura a spruzzo

n 1968: lo Stanford Research Institute, SRI, sviluppa SHAKEY, un robot mobile dotato di sistema di visione e sensori tattili

n 1971: la Stanford University costruisce lo STANFORD ARM, un braccio meccanico ad attuazione elettrica

n 1973: lo SRI sviluppa WAVE il primo linguaggio di programmazione da computer, sviluppato in ambito di ricerca

n 1974: linguaggio AL (Assembly Language). Questo linguaggio, unitamente al WAVE, è stato il precursore del VAL, linguaggio commerciale dellaUnimation sviluppato da V. Scheinmann e B.Shimano





17DATE SVILUPPI PRINCIPALI DELLA ROBOTICADATE SVILUPPI PRINCIPALI DELLA ROBOTICAn 1974: l'ASEA commercializza il robot IRb6 ad

attuazione elettrican 1974: la KAWASAKI, con licenza Unimation, installa

macchine per la saldatura ad arco di telai di motociclette

n 1974: la CINCINNATI MILACRON introduce il primo robot industriale controllato da computer, il T3 (TheTomorrow Tool)

n 1975: la OLIVETTI presenta il robot SIGMA per operazioni di assemblaggio, una delle prime applicazioni della robotica in questo settore

n 1976: sono utilizzati manipolatori robotici per le missioni spaziali Viking 1 e 2

n 1976: il dispositivo RCC (Remote CenterCompliance) per l'inserimento di parti nell'assemblaggio viene sviluppato presso i laboratori Charles Stark Draper, MA, USA

n 1978: la Unimation introduce il PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly)

n 1978: il robot T3 della Cincinnati Milacron adattato per eseguire operazioni di trapanatura e altre lavorazioni su pezzi di aerei, con supporto del progetto ICAM (Integrated Computer-AidedManufacturing) della Aviazione Americana

n 1979: sviluppo del robot SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic Assembly) allaYamanashi University in Giappone. Numerosi robot SCARA sono stati introdotti nel 1981

n 1980: sistema robotico, sviluppato dalla University of Rhode Island, dotato di visione in grado di prendere componenti giacenti in modo casuale in un contenitore

n 1981: robot “direct-drive” sviluppato dalla Carnegie-Mellon University

n 1982: robot cartesiano RS-1 della IBM per l'assemblaggio, programmato tramite il linguaggio AML.

n 1982:Fanuc (J) e General Motors creano la jointventure GM Fanuc per vendere robot nel NordAmerica.

n 1983: fondata la Adept Technology.n 1983: rapporto di ricerca della Westinghouse Corp.

su sistemi di assemblaggio programmabili, progetto pilota per linee di produzione flessibili con l'impiego di robot


18DATE SVILUPPI PRINCIPALI DELLA ROBOTICADATE SVILUPPI PRINCIPALI DELLA ROBOTICAn 1984: sistemi di programmazione off-line con la

possibilità di simulazione della lavorazione mediante strumenti di elaborazione e grafica e successivo scarico del programma per la lavorazione effettiva

n 1984: Joseph Engelberger crea la Transition Robotics, ora Helpmates, per lo sviluppo di “service robots”.

n 1986: Kawasaki produce robot elettrici. n 1988 Stäubli Group acquista la Unimation dalla

Westinghouse. n 1989: fondata la Computer Motion. n 1989 fondata la Barrett Technologyn 1993: fondata la Sensable Technologiesn 1994: Il CMU Robotics Institute's sviluppa Dante II,

robot con 6 gambe per l’esplorazione di vulcani . n 1995: creata la Intuitive Surgicaln 1997: Missione della NASA su Marte “Mars

PathFinder” con il robot Sojournern 1997: La Honda mostra il P3, ottavo prototipo di un

robo umanoide (progetto “segreto iniziato nel 1986) .

n 2000 Honda e Asimo, n 2000: Sony e i suoi humanoid robots, chiamati Sony

Dream Robots (SDR), alla Robodex. n 2001: Sony lancia la seconda generazione di Aibo.

n 2001: Braccio robotico della MD Robotics (Canada).Space Station Remote Manipulator System (SSRMS)lanciato in orbita e inizio delle sue operazioni sulla ISS - International Space Station





19Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican APPLICAZIONI DI ROBOT

n ambito industriale;n agricoltura, sanità, trasporto, edilizia, esplorazione, ...

n Nel campo industriale, l'utilizzo dei robot è suddiviso in tre gruppi principali di impiego:n Assemblaggio ed ispezione. Le operazioni di assemblaggio costituiscono

un'area di impiego che ha avuto una grossa espansione nel corso dell'ultima decina di anni e che è tuttora in grossa crescita. Nell'ispezione di parti, il robot viene dotato di sensori opportuni per valutare la qualità dei prodotti.

n Movimentazione. In questa categoria rientrano tutte le applicazioni nelle quali il robot non esegue direttamente una operazione sui pezzi prodotti, ma piuttosto provvede a movimentarli tra le macchine operatrici nell'ambito di una cella di lavorazione.

n Lavorazione. Questa categoria comprende tutte le operazioni che il robot esegue direttamente con un attrezzo sui prodotti. Si possono elencare operazioni quali la saldatura, il taglio, la verniciatura. Un importante esempio di questo tipo di impiego è costituito dalla saldatura ad arco.


20Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRoboticaPRINCIPALI MOTIVAZIONI DELL'IMPIEGO DEI ROBOT:

n riduzione e/o eliminazione di lavori faticosi, monotoni e con altocontenuto di rischio;

n aumento della produttività e riduzione dei costi di lavoro;n miglioramento della qualità dei prodotti;n produzione più regolare e più flessibile.





21Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRoboticaNon esiste una definizione univoca da parte degli esperti che definisce

esattamente cosa è un robot.

Secondo il Robot Institute of America, un robot è:

n UN MANIPOLATORE MULTIFUNZIONALE RIPROGRAMMABILE COSTRUITO PER MOVIMENTARE MATERIALI, PARTI, ATTREZZI, O DISPOSITIVI SPECIALIZZATI TRAMITE MOVIMENTI VARIABILI PROGRAMMATI PER L'ESECUZIONE DI DIVERSI COMPITI.

n Riprogrammabile: presenza di un sistema di controllocomputerizzato per la programmazione ed il controllo della partemeccanica.

Altra definizione di robot:idiota cieco con un braccio solo e con poca memoria che non può parlare, vedere o sentire.


22Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican ALCUNE CONSIDERAZIONI:

n la parte meccanica del robot ha avuto uno sviluppo significativo sin dal secolo scorso

n fin dagli anni '60 erano a disposizione sistemi robotizzati per lavorazioni industriali

n l'introduzione massiccia dei robot nei processi industriali è iniziata solamente alla fine degli anni '70

n Ritardo dovuto a fattori sia economici che tecnologici.

n Fattore economico:costo orario di robot

n Fattore tecnico: avvento del microprocessore per la programmazione e controllo dei robot.

Costo in dollari nel periodo 1960-1980 di un'ora di lavoro di:• un robot (a),• un operaio in industria manifatturiera (b), • un operaio in industria automobilistica (c).

a

b

c

‘70‘60 ‘80

5

10





23Statistiche mercato mondialeStatistiche mercato mondiale robotrobot

7.115001400700550650400Altri

100010001000000Ex-URSS

9.4753688630567513529Taiwan

-100.01095109540440474Singapore/b

-12.6575965915526391227312000Corea

110.4526250214156145118Australia

1515151515118Slovenia

757550507575Rep. Ceca/a

252525266350Slovacchia /a

22.6655314122116Polonia

-20.0458108Ungheria

24.1330266256250250250Svizzera/a

22.4617504461648252451Svezia

6.212031133830542461780Spagna

28.8675241322821Norvegia

35.022016321213110996Finlandia

18.213011064653532Danimarca

15.0971844790693484839Benelux/a

2.0250245202254219234Austria

60.6179211167921086591624UK

1.417211697138411979741013Francia

10.8369233313120240824712478Italia

-13.59017104257335512543255250Germania

28.312459970910198763460484561USA

9.7429693891436553297563350236874Giappone

1997/96199719961995199419931992

Fatturato di robot industriali92-97 in numero di macchine(dati 1997, pubbl. 1998)

/a valori stimati da ECE e IFR, per alcuni anni/b i dati 89-96 sono medie biennali



Fonti: UN/ECE, OECD, IFR, Ass. Nazionali di robotica

N. tot. robot Densita`

Australia 2416 22

Austria 2604 38

Benelux/a 6580 41

Corea 30199 104

Danimarca 824 17

Ex-URSS 23000 18

Finlandia 1633 41

Francia 15632 40

Germania 66817 88

Giappone 412961 277

Italia 28386 63

Norvegia 473 18

Polonia 611 3

Rep. Ceca/a 1163 10

Singapore/b 3299 93

Slovacchia/a 541 12

Slovenia 268 12

Spagna 6994 27

Svezia 4986 63

Svizzera/a 3087 39

Taiwan 5141

UK 9958 19

Ungheria 130 2

USA 77108 42

Altri 6625

Totale 711436

La densità è definita dal numerodi robot per 10000persone impiegate mell’industria manifatturiera.

I dati del parco robot si riferiscono al ’97; l’anno di rilevodelle persone impiegate può essere il ’95, più spesso il ’94 o ’93.

0 100000 200000 300000 400000 500000

Australia

Austria

Benelux/a

Corea

Danimarca

Ex-URSS

Finlandia

Francia

Germania

Giappone

Italia

Norvegia

Polonia

Rep. Ceca/a

Singapore/b

Slovacchia/a

Slovenia

Spagna

Svezia

Svizzera/a

Taiwan

UK

Ungheria

USA

Altri






-4.448375061505436493294Totale

-12.5453518474295230Altri

-3.543844543458033543064Subtotale

-48.4143277315188107Corea

28.410985546732UK

-12.2981111169971Francia

-8.5233255249187187Italia

-24.9557741577398391Germania

17.81100934898688559USA

-0.422422251248718261788Giappone

1997/96 %19971996199519941993

Fatturato in M$ (prezzi ’98)

Fonti: ECE, IFR, ass. Nazionali di robotica



238731007115004111980084900Totale

45468003230010756002700Altri

6869200411003393007000Asia-4 /b

5040900272004756003800Europa occ./a

17716200610900399930071400Totale 6

421420010000619001800UK

2219000156004124001700Francia

3839100284002747003700Italia

43957006680033120009000Germania

4911480077100351690012500USA

5433400413000446140042700Giappone

Incremento20011997Incremento20011997

Previsione %Previsione %

Parco totale alla fine dell’annoInstallazione per anno

Fonti: ECE, IFR, ass. Nazionali di robotica

/a Austria, Benelux, Paesi scandinavi, Spagna, Svizzera/b Australia, Corea, Singapore, Taiwan

N. Di robot installati nel ’97Parco totale alla fine del ’97Previsione per il 2001






Fonti: UN/ECE, IFR, Ass. Nazionali di robotica

Numero di robot con 5 o più assi installati nel1997.

Robot con 5o piu` assi

% di tutti i robot

Totale robot con3 o piu` assi

Australia 483 91.8 526Austria ('96) 130 53.1 245Danimarca 105 80.8 130Finlandia 150 68.2 220Francia 1210 70.3 1721Italia 1935 52.4 3692Norvegia 65 97.0 67Polonia 42 64.6 65Spagna 1007 83.7 1203Svezia 409 66.3 617Taiwan 108 14.3 753UK 1259 85.3 1792

Totale 7173 65.0 11031



402212

92860 8120341724 33656

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

450000

Giappone USA Germania Italia Corea(sud)

Parco robot installati nel 1999

Il numero di robot venduti nel mondo (a partire dal 1977 quando il primo automa trovò applicazione industriale) è stimato essere 1.000.000. (N.B. ABB dice di averne venduti 100.000…)

Secondo l’IFR, tenuto conto di quelli eliminati dal processo produttivo e sostituiti, il parco mondiale dei robot operativialla fine del 1999 è ammontato a 742.500 (per un incremento del 3,3% rispetto al 1998).

I robot dismessi sarebbero, quindi, 257.500 (il 25,8% di quelli installati nell’intero periodo).

Per stimare la quota di robot eliminati dal processo produttivo, in mancanza di dati diretti, l’IFR ha escluso i robot installati da più di dodici anni.

Il primato, in termini di parco macchine, rimane del Giappone, dove è installato il 54% dellostock mondiale: più di 402.000 unità tra robot e bracci meccanici.

Tra il 1997 e il 1999, tuttavia, il parco robot nipponico è diminuito da 412.961 a 402.212 unità.





29Statistiche mercato mondialeStatistiche mercato mondiale robotrobotn Il settore dei trasporti, in particolare l’industria automobilistica, è, da sempre, il

maggior consumatore di robot: nel 1999, in Francia, Germania, Giappone, Polonia, Spagna, Svezia e Regno Unito, ha assorbito tra il 30 e il 70% dei robot di nuova installazione (in realtà a tale quota andrebbe aggiunto qualche punto, poiché molti subfornitori dell’industriaautomobilistica sono statisticamente ascritti ai settori dei metalli di base e dei macchinari).

n L’industria dei macchinari elettrici acquisisce meno del 10% del totale dei robot installati: superiore alla media mondiale è il consumo del settore in Giappone (29%) e Taiwan (40%).

n Relativamente ai campi di applicazione, la saldatura è l’area predominante, soprattutto nei paesi produttori di veicoli. In Giappone, invece, l’applicazione più diffusa è quelladell’assemblaggio, cui è destinato il 37% del parco funzionante.

n Secondo le previsioni elaborate dall’IFR, il mercato mondiale della robotica dovrebbecrescere dalle 81.500 unità del 1999 alle 120.000 del 2003, a un tasso medio annuo del10%.

n Il parco mondiale dovrebbe aumentare dalle 743.000 unità del 1999 alle 892.000 del 2003, in virtù del sostanziale contributo di Stati Uniti (155.000 unità) e Unione Europea (262.000).


30Statistiche mercato mondialeStatistiche mercato mondiale robotrobotn Statistiche IFR - anno 2000





31Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRobotican Ditte produttrici:

n aumento del numero di robot fabbricati n diminuzione del numero di produttori

n Dagli anni ’80 agli anni ’90 -> riduzione ad 1/3 dei produttori a livello mondiale

n Tecnologia DIFFICILE:n Integrazione di diverse competenzen Installazione in ambienti MOLTO diversificatin Spesso mancanza di cultura per gestire l’apparecchio

n Ditte specializzate in costruzione di impianti (celle)


32La La roboticarobotica in Italia in Italia nelnel 2000 2000 –– datidati SIRISIRIn Nel 2000, in virtù della crescita produttiva (del 16,4%, a 810 miliardi di lire) il comparto della robotica

in Italia ha consolidato la propria evoluzione.n L’incremento della produzione è stato alimentato sia dalle consegne interne (+19,2%), che dalle

esportazioni (+9,1%). Anche nel 2000 la quota di produzione destinata all’estero ha registrato un calo: il rapporto tra export e produzione è diminuito, passando dal 28,3% del 1999 al 26,5% del 2000. Nel complesso il consumo italiano di robot ha registrato un aumento del 22,1%, arrivando a 784 miliardi di lire.

n Sempre maggiore la quota di domanda soddisfatta dalle importazioni, cresciute del 32,2% a 189 miliardi di lire: il rapporto tra import e consumo è conseguentemente aumentato dal 22,3% del 1999 al 24,1%.

n Il forte incremento delle importazioni ha determinato, anche nel 2000, la diminuzione del saldo commerciale, calato a 26 miliardi.

IL MERCATO ITALIANO DELLA ROBOTICA (inclusi bracci meccanici)Valori in miliardi di lire

1997 1998 1999 2000 98/97 99/98 00/99 Produzione 530 603 696 810 13,8 15,4 16,4Esportazioni 174 188 197 215 8 4,8 9,1Consegne sul mercato interno 356 415 499 595 16,6 20,2 19,2Importazioni 88 105 143 189 19,3 36,2 32,2Consumo 444 520 642 784 17,1 23,5 22,1Saldo commerciale 86 83 54 26 -3,5 -34,9 -51,9Import/Consumo 19,80% 20,20% 22,30% 24,10%Export/Produzione 32,80% 31,20% 28,30% 26,50%

Variazioni





33La La roboticarobotica in Italia in Italia nelnel 2000 2000 –– datidati SIRISIRIn Anche l’analisi del settore in termini di unità evidenzia un andamento positivo, tuttavia i tassi di

crescita registrati sono più contenuti. n La produzione di robot (inclusi i bracci meccanici) ha raggiunto nel 2000 le 5.980 unità, registrando

una crescita del 3,8% rispetto all’anno precedente.

n Anche nel 2000 le esportazioni (sempre in termini di unità) hanno evidenziato una performance positiva, registrando una crescita dell’8,8% per un totale di 1.465 unità.

n Per le importazioni, passate dalle 1.808 unità del 1999 alle 2.405 del 2000, è stato registrato un tasso di crescita significativo, pari al 33%.

n Nel complesso la domanda è aumentata dell’11,2% ed è stata soddisfatta per il 34,8% da prodotti stranieri.

1998 1999 2000 99/98 00/99 Produzione 5.024 5.760 5.980 10,7 3,8Esportazioni 1.222 1.347 1.465 10,2 8,8Consegne sul mercato interno 3.802 4.413 4.515 16,1 2,3Importazioni 1.312 1.808 2.405 37,8 33Consumo 5.294 6.221 6.920 17,5 11,2

Variazioni %

QUANTITÀ DI ROBOT PRODOTTI (inclusi bracci meccanici)Numero di macchine


34La La roboticarobotica in Italia in Italia nelnel 2000 2000 –– datidati SIRISIRILa robotica in senso stretto (escludendo dal computo i bracci meccanici) evidenzia anch’essa una

performance positiva, con produzione e consumo che crescono rispettivamentedel 16,5% e del 22,4% in valore. Anche in questo caso i tassi di crescita sono meno pronunciati se calcolati sulle unità (7,1% per la produzione e 12,9% per il consumo).

Nel 2000 il valore medio dei robot sia prodotti che importati ha registrato un aumento:produzione: da 142 milioni di lire del 1999 ai 154 del 2000, (70.000 -> 77.000 US$)

import: da 79 milioni a 84 (40.000 -> 42.500 US$)

Il valore medio dei robot importati e` inferiore rispetto a quello dei robot prodotti.

I ROBOT (esclusi bracci meccanici)Valori in miliardi di lire

Numero Valore Numero Valore Numero Valore Produzione 4.659 661,5 4.989 770,7 7,1 16,5Esportazioni 1.243 192,2 1.316 208,4 5,9 8,4Importazioni 1.808 143 2.224 187 23 30,8Consumo 5.224 612,3 5.897 749,3 12,9 22,4Export/Produzione 29,1 27Import/Consumo 23,4 25

Var.% 00/991999 2000





35

manipolazione61%

saldatura20%

misura7%

altre12%

La La roboticarobotica in Italia in Italia nelnel 2000 2000 –– datidati SIRISIRIn Nel 2000, in Italia, le aree applicative predominanti sono risultate:

n manipolazione (3066 robot, 302,6 MldL, 39% prod., 61% unità)

n saldatura (1018 robot, 143 MldL, 18,6% prod., 20% unità)n misura (7%)n altre (12%)


36La La roboticarobotica in Italia in Italia nelnel 2000 2000 –– datidati SIRISIRIn Manipolazione :comprende diverse applicazioni realizzate da un numero elevato di

produttori. Nel 2000 sono stati prodotti 3.066 robot per un valore complessivo pari a 302,6 miliardi di lire, pari al 39% del totale della produzione nazionale in valore e al 61% in unità.

n Aree principali:n stampaggio della plastica, (38% del totale). Numero di robot prodotti pari a 1.781, per

un valore pari a circa 130 miliardi lire. La maggior parte dei robot dedicati allo stampaggio della plastica sono robot di tipo cartesiano a traiettoria controllata (1.313 unità) e robot a sequenza (447 unità).

n lavorazioni meccaniche (soprattutto carico/scarico macchine), (16% delle unità prodotte,

n manipolazione per stampaggio, forgiatura (6,4%) n manipolazione per fusione (1,7%).





37La La roboticarobotica in Italia in Italia nelnel 2000 2000 –– datidati SIRISIRIn Saldatura: seconda area applicativa più importante in Italia.

Nel 2000 sono stati prodotti 1.018 robot per la saldatura per un valore complessivo paria 143 miliardi di lire, pari al 18,6% della produzione nazionale in valore e al 20% in unità. Il 73% circa di questi robot è destinato alla saldatura a punti. Il 94% circa dei robot per la saldatura è rappresentato da robot di tipo articolato a traiettoria controllata.

n Misurazione , ispezione e prova, la cui produzione in unità ha rappresentato nel 2000 il6,9% del totale nazionale.

n Le altre aree applicative rivestono un’importanza piuttosto limitata, sia in unità che in valore, ad esclusione del taglio che pur essendo solo il 4,9% della produzione totale in unità, rappresenta però una quota del 31,2% del valore, a causa dell’elevato valore medio di questi robot, superiore ai 992 milioni di lire.


38La La roboticarobotica in Italia in Italia nelnel 2000 2000 –– datidati SIRISIRI

n Manipolazione per fusione 11.289 85- di cui Pressofusione 5.374 47

n Manipolazione per stampaggio plastica 129.904 1.781n Manipolazione per stampaggio, forgiatura 31.720 318n Saldatura 143.362 1.018

- di cui Saldatura ad arco 30.032 250- di cui Saldatura a punti 92.680 745

n Distribuzione di sostanze 23.965 176- di cui Verniciatura 11.273 77- di cui Sigillatura, incollatura 2.570 23

n Manipolazione per lavorazioni meccaniche 117.565 804- di cui Manipolazioni per carico, scarico macchine 63.679 352- di cui Taglio meccanico, truciolatura rettifica, sbavatura, pulitura 1.290 11

n Taglio 240.184 242- di cui con laser 238.914 236

n Assiemaggio 19.629 114- di cui assiemaggio meccanico/accoppiamento 10.668 77

n Manipolazione per pallettizzazione, imballo 8.328 48n Misura, ispezione, prova 40.159 344n Manipolazione di materiali 3.774 30n Addestramento, istruzione, ricerca 371 2n Altri 450 27

n TOTALE 770.700 4.989

ROBOT PRODOTTI IN ITALIA NEL 2000, DIVISI PER APPLICAZIONE, BRACCI ESCLUSI(milioni di lire, numero di robot)






Imprese Addetti Fatturato Lombardia 36 19,6 21Piemonte 24 49,7 48,9Veneto 16 15,2 15Emilia 8 6,4 6,3Marche 8 6,2 6,1Altri 8 2,9 2,7TOTALE 100 100 100

LOCALIZZAZIONE E DATI DEI PRODUTTORI ITALIANI DI ROBOT, ANNO 2000. Quote % Imprese

36

24

16

8

88

Lombardia

Piemonte

Veneto

Emilia

Marche

Altri

Addetti

19,6

49,7

15,2

6,4 6,2 2,9Lombardia

Piemonte

Veneto

Emilia

Marche

Altri

Fatturato

21

48,9

15

6,3 6,1 2,7 Lombardia

Piemonte

Veneto

Emilia

Marche

Altri

Le regioni che ospitano il maggior numero di imprese produttrici di robot sono quelle più industrializzate, in ragione della stretta relazione che lega produttore e utilizzatore.

Le imprese di robotica del Piemonte impiegano la maggior parte degli addetti del settore e realizzino quasi la metà del fatturato complessivo, data la concentrazione di imprese di grandi dimensioni nella regione.



n INDUSTRIE MANIFATTURIERE Valore Unitàn Prodotti alimentari e bibite 5.556 42n Prodotti del tabacco 0 0n Prodotti tessili e abbigliamento 4.313 35n Prodotti in cuoio 1.715 11n Legno, prodotti del legno, no mobili 2.870 18n Produzione di mobili 7.454 29n Carta, prodotti della carta,

pubblicazioni stampate 231 1n Chimica, prodotti chimici, farm. 0 0n Prodotti in plastica 179.063 2.581n Prodotti ceramici/in pietra 4.394 30n Metalli di base 5.093 42n Prodotti metallici 75.533 378n Macchinario (escluso elettrico) 15.084 307n Macchine utensili ad asportazione 8.102 62n Macchine utensili a deformazione 76.716 238n Equipaggiamenti elettrici ed

apparecchi elettronici 25.802 144n Elettrodomestici 14.306 68n Produzione di motoveicoli 129.661 834n Produzione carrozzeria per motov. 24.376 101n Produzione di parti e accessori per

Motoveicoli e motori 83.534 557n Produzione di altri mezzi di trasp. 54.699 220n Strumenti ottici/precisione, orologi 0 0n TOTALE 718.502 5.698

n INDUSTRIE NON MANIFATTURIEREn Agricoltura, foreste, pesca - -n Miniere 1.389 7n Elettricità, gas, acqua 1.227 6n Fabbricati, costruzioni 463 3n Istruzione 331 3n Ricerca, Sviluppo 447 3n Altri 26.941 179n TOTALE 30.798 199

n TOTALE 749.300 5.897

CONSUMO DI ROBOT IN ITALIA NEL 2000 PER SETTORE INDUSTRIALE DI IMPIEGO (Mlit, n. robot)





41Esempio di linea di lavorazione roboticaEsempio di linea di lavorazione robotica

Impianto ABB presso stabilimento Volvo


42SStrutturatruttura e e componenti deicomponenti dei robotrobotROBOT: dispositivo composto da:

n una parte meccanica, detta manipolatore, con diversacomplessità e tipologia costruttiva

n un sistema per la sua programmazione e controllo

Teach Pendant





43SStrutturatruttura e e componenti deicomponenti dei robotrobotIL SISTEMA DI CONTROLLO

Esigenze:n parte meccanica molto complessa,n richieste di elevate prestazioni,n diversificazioni d'impiego dei robot.

Il sistema di controllo di un robot è un dispositivo di calcolo molto sofisticato, composto in genere da un sistema multiprocessore, collegato in rete con altre risorse locali di controllo, monitoraggio e immagazzinamento dati.

Le funzioni di base che un controllore di robot deve svolgere sono:n Interazione con l'operatore,n Immagazzinamento di dati,n Pianificazione dei movimenti del manipolatore,n Controllo in tempo reale del moto dei giunti,n Monitoraggio di sensori,n Interazione con altri macchinari,n Interazione con altre risorse computazionali.


44Automazione industrialeAutomazione industriale e e RoboticaRoboticaIL SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE

Manipolatore:n serie di corpi rigidi, i membri o linkn snodi attuati, detti giunti

Una estremità del manipolatore, la BASE, è fissata nell'ambiente di lavoro, o posta su una piattaforma mobile.

All'altra estremità il manipolatore trasporta un attrezzo col quale esegue le operazioni, l'END-EFFECTOR:

n pinza,n strumento di lavoro.

L'end-effector viene posizionato nello spazio di lavoro dal manipolatore, ed è collegato ad esso da uno snodo, il POLSO, che ne permette un orientamento arbitrario.






TIPOLOGIE STRUTTURALI DEI MANIPOLATORI

n Diverse tipologie geometriche vengono adottate per la costruzione diun manipolatore. Tra quelle più comuni:n configurazione polare,n configurazione cilindrica,n configurazione cartesiana,n configurazione antropomorfa,n SCARA.


46Tipologie di robotTipologie di robot

Polare

Cartesiano

Cilindrico

Antropomorfo

SCARA :

SelectiveComplianceArm forRoboticAssembly





47Tipologie di robotTipologie di robotn Le configurazioni viste si riferiscono a strutture con catena cinematica

aperta.

n Esistono altre soluzioni meccaniche, basate su catene cinematiche chiuse (robot paralleli).

+ maggiore velocita`+ maggiore precisione+ maggiore “forza”

- minor spazio di lavoro- maggior occupazione di volume

Esempio: ABB Picker: 150 cicli/sec => 0.4 sec a ciclo!


48Criteri di confronto tra Criteri di confronto tra robotrobotALCUNI CRITERI DI CONFRONTO TRA DIVERSI MANIPOLATORI

Vantaggi e svantaggi per ciascuna configurazione:

n Una struttura cartesiana unisce una robustezza intrinseca, che fa sì che sia molto adatta per compiti in cui ci siano pesi molto elevati da trasportare, a buone caratteristiche di ripetibilità (capacità di riposizionarsi in posizioni predefinite).

n Anche la configurazione cilindrica è robusta e adatta ad applicazioni con pesi elevati.

n La configurazione polare e quella cilindrica sono adatte per applicazioni di carico/scarico macchine, in cui è importante che la mano possa introdursi in aperture senza interferire meccanicamente con l'ambiente.

n La configurazione antropomorfa e quella polare possono raggiungere spazi di lavoro più distanti dalla loro base.





49Criteri di confronto traCriteri di confronto tra robotrobotALCUNI CRITERI DI CONFRONTO TRA DIVERSI MANIPOLATORI

XXConfigurazione Antropomorfa

XXConfigurazione Cartesiana

XXXConfigurazione Cilindrica

XXConfigurazione Polare

DestrezzaIngombroRipetibilitàRobustezza


50Criteri di confronto traCriteri di confronto tra robotrobot

ALTRI CRITERI DI CONFRONTO

n Spazio di lavoro: Volume raggiungibile dal manipolatore in una sua qualsiasi configurazione. Dipende dalla configurazione geometrica del manipolatore, dalla dimensione dei link, dai limiti di movimento dei giunti. In alcuni casi, ci si riferisce allo spazio di lavoro come ad un sottoinsieme dei punti raggiungibili, ed in particolare si fa riferimento all'insieme deipunti che il manipolatore è in grado di raggiungere mantenendo la capacità di orientare arbitrariamente la propria estremità.







n Spazio di lavoro:




n Carico utile o Carico pagante: Carico massimo totale, costituito dall'organo di presa e dall'oggettotrasportato, che il manipolatore è in grado di movimentare senza ripercussioni sulle prestazioni.







n Carico utile o Carico pagante: Carico massimo totale, costituito dall'organo di presa e dall'oggettotrasportato, che il manipolatore è in grado di movimentare senza ripercussioni sulle prestazioni (da pochi chilogrammi a diversi quintali).




Precisione e Ripetibilit à:

n Precisione (o accuratezza di un manipolatore): capacità di raggiungere un punto preassegnato nello spazio di lavoro con un errore minimo.

n Ripetibilità: capacità di raggiungere una stessa posizione ripetendo gli stessi movimenti.

Queste grandezze solitamente vengono definite con riferimento alla situazione più sfavorevole di funzionamento.

Tra le due misure, la ripetibilità è la più importante, in quanto errori di precisionepossono essere facilmente compensati in fase di programmazione.






Bassa precisione, bassa ripetibilità

Alta precisione, bassa ripetibilità Alta precisione, alta ripetibilità

Bassa precisione, alta ripetibilità



Risoluzione

Ampiezza r del minimo spostamento eseguibile, molto importante in lavoridi precisione come l'assemblaggio di parti o la manipolazione.

Precisione: p = r/2

r

p





57Tipi Tipi di giuntodi giuntoTIPI DI GIUNTO

Si considerano due tipi di giunto:n giunto prismatico, il cui moto è una traslazione (giunto T),n giunto rotoidale, il cui moto è una rotazione (giunto R),

n Giunti di tipologia più complessa, come giunti sferici od elicoidali, possono essere considerati come opportune combinazioni di giunti prismatici e rotoidali.


58TipiTipi di giuntodi giunto

TIPI DI GIUNTO

RRT

TTT

RTT

RRR





59Gradi di libertaGradi di liberta`̀

GRADI DI LIBERTA` DI UN MANIPOLATORE

n Gradi di libertà: numero dei giunti di un manipolatore. Ad un manipolatore ad n giunti si attribuiscono n gradi di libertà.

n Il numero delle variabili di giunto n è qualsiasi, la dimensione dello spazio di lavoro, m, è al massimo 6

n Un caso molto comune è per m = n, cioè quando il manipolatore ha tanti giunti quanti sono i gradi di libertà dello spazio di lavoro. Per i manipolatori industriali ciò implica tipicamente che m = n = 6.

n Manipolatori difettivi: manipolatori per i quali n < m, i per esempio n = 4, 5 ed m = 6. Non è possibile eseguire col manipolatore tutti i compiti nello spazio di lavoro, ma solo compiti in un certo sotto-insieme (p.e. SCARA).

n Manipolatori ridondanti: manipolatori per i quali n > m, per esempio n = 7, 8, m = 6. Un dato compito può essere eseguito in infiniti modi.


60Gradi di libertaGradi di liberta`̀

GRADI DI LIBERTA` DI UN MANIPOLATORE

n Manipolatori difettivi: manipolatori per i quali n < m, i per esempio n = 4, 5 ed m = 6. Non è possibile eseguire col manipolatore tutti i compiti nello spazio di lavoro, ma solo compiti in un certo sotto-insieme (p.e. SCARA).

n Manipolatori ridondanti: manipolatori per i quali n > m, per esempio n = 7, 8, m = 6. Un dato compito può essere eseguito in infiniti modi.

n = 2m = 3

n = 4m = 2





61EndEnd--EffectorEffectorn E` il dispositivo col quale il manipolatore interagisce con l'ambiente. Esempi

di utilizzo:n afferrare oggetti,n saldare,n verniciare,n assemblare parti.

n E` uno dei punti di maggior importanza e complessità di un robot, che ne ha limitato e ne limita in qualche modo ancora una diffusione in settori molto diversificati di impiego.

n La grande flessibilità di utilizzo di un manipolatore non ha riscontro in quella di questo dispositivo, in genere molto specializzato, in grado di svolgere pochi compiti, dotato di una scarsa sensorizzazione e di una struttura cinematica molto semplice.


62EndEnd--EffectorEffectorn Essendo un dispositivo specializzato, esso deve poter essere cambiato in modo semplice

e veloce se l'applicazione lo richiede: in alcuni casi esiste un vero e proprio magazzino di end-effector raggiungibile dal manipolatore che può depositarvi uno strumento e prenderne un altro per svolgere diverse fasi di lavorazione.

n Nello stesso settore delle pinze, dispositivi per afferrare oggetti, esiste una grande diversificazione tipologica, derivante da specializzazione della pinza sulla base del tipo di materiale da afferrare.

n Si hanno così pinze con due/tre “dita” che afferrano meccanicamente oggetti utilizzando sia l'interno che l'esterno delle dita, dita progettate appositamente per afferrare oggetti voluminosi, o lunghi e stretti, o cilindrici, pinze che funzionano con ventose, con partiadesive, con effetti elettromagnetici, e così via.





63PolsiPolsin Dispositivo collegato all'estremità mobile del manipolatore per orientare l'end-

effector nello spazio di lavoro.

n Dotato di almeno tre gradi di libertà, realizzati da giunti di rotazione.

n Diversi tipi di polsi sono reperibili sul mercato, differenziati per numero di gradi di libertà e loro disposizione.

n Configurazioni singolari. Configurazioni nelle quali si perde la capacità di orientare l'end-effector lungo una direzione.

n In una configurazione singolare, non è possibile svolgere alcuni deimovimenti.

n Questo inconveniente è parzialmente risolto introducendo più gradi di libertà ed usando questa ridondanza per evitare tali configurazioni.

n In tal modo le configurazioni singolari, che continuano ad esistere, possono essere evitate pur mantenendo la capacità di svolgere qualsiasi compito.


64AttuatoriAttuatorin Gli attuatori si possono dividere in tre grandi categorie:

n elettrici (motori CC, passo-passo, brushless, ... 50% dei casi),n idraulici (35%),n pneumatici (anche per pinze ed end effector, 15%).

n Attuatori elettrici:n Vantaggi

n abbastanza veloci e precisi;n Possibilità di utilizzare sofisticati algoritmi di controllo;n di facile reperibilità e relativamente poco costosi;n Semplicità di impiego;n ridotte dimensioni;

n Svantaggin impiego di un riduttore (ad eccezione dei Direct Drive) con conseguente

aggravio dei costi;n il gioco degli ingranaggi del riduttore può limitare la precisione ottenibile; n potenza disponibile a volte non sufficiente;





65AttuatoriAttuatorin Attuatori idraulici:

n Vantaggin grande capacità di carico;n grande velocità;n una volta in posizione, la configurazione è mantenuta a causa della incomprimibilità

dell'olio;n Possibilità di avere un controllo accurato;

n Svantaggin costi relativamente elevati per piccole dimensioni;n rumore e problemi per perdite di olio;n occupazione di maggiori volumi;

n Attuatori pneumatici:n Vantaggi

n relativamente basso costo;n alta velocità

n Svantaggin limitata accuratezza per la comprimibilità dell'aria;n Rumorosità;n perdite;n Necessità di filtri per l'aria;n aumento di esigenze di manutenzione.


66SensoriSensorin Una delle parti senz'altro più importanti e tecnologicamente

complesse di un robot.

n Essenzialmente, si possono distingueren Sensori propriocettivi: dispositivi in grado di misurare grandezze

proprie del robot, come la posizione o la velocità dei giunti, o le forze che sono applicate al polso:n potenziometri,n resolver,n encoder,n dinamo tachimetriche,n sensori di forza a tre o sei assi (forze e forze/coppie).

n Sensori eterocettivi: dispositivi in grado di misurare grandezze dell'ambiente in cui il robot opera, come la temperatura, ladistanza da ostacoli, la posizione/orientamento degli oggetti damanipolare, ecc.





67SensoriSensori

n Suddivisione in quattro grandi famiglie:n sensori tattili,n sensori di prossimità o distanza,n sistemi di visione,n sensori di altri tipi.


68SceltaScelta didi un robotun robotn Due fasi:

n Scelta dell'applicazione,n Scelta del particolare modello di robot.

n Scelta dell'applicazione:n Fattibilità tecnica,n convenienza economica.

n Criteri della General Electric Company:n l'operazione da compiere è semplice e ripetitiva,n ha tempo di ciclo maggiore di 5 sec.,n le parti da manipolare possono essere disposte in modo ordinato e non casuale,n il peso delle parti è limitato,n non è richiesta ispezione durante la lavorazione,n sostituzione di almeno una persone nelle 24 ore lavorative.

n Se una applicazione soddisfa questi criteri, allora è adatta all'utilizzo di un robot.




Prof. Claudio Melchiorri

DEIS-Università di Bologna

Tel. 051 2093034

e-mail: [email protected]://www-lar.deis.unibo.it/~cmc

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