Più flessibilità ed efficienza, ma anche meno sprechi e costi, che migliorano le performance operative e quindi, la redditività aziendale. Sono questi i vantaggi che portano le applicazioni di Robotica nel settore industriale e le ragioni per cui sempre più imprese decidono di appropriarsene. A questo desiderio, si aggiunge poi la constatazione che la robotica degli anni Venti del secolo XXI si è ormai liberata della eccessiva rigidità e complessità che la incatenava nel secolo scorso e ora si apre anche alle piccole e medie imprese che al di là del discorso legato alle possibilità economiche, non la vedono più come un miraggio e riescono facilmente a integrarla nell’ambiente produttivo senza specifiche competenze in campo. Un investimento in innovazione, ora supportato anche dagli incentivi previsti dal PNRR, che può contare su un comprovato ritorno dell’investimento, anche in tempi rapidi.
Questi sono alcuni dei temi che hanno animato il tech talk “Robotica e automazione per una fabbrica sempre più flessibile e integrata”, un confronto tra esperti avvenuto nella cornice dell’Industry 4.0 360 Summit, l’evento organizzato da Innovation Post, Industry4bisuness e ESG360, tre testate del network Digital360, dal titolo “Industria 4.0: Produttività, sostenibilità e tecnologie abilitanti nel solco del PNRR – Sfide, opportunità e incentivi che danno forma al futuro della manifattura italiana”. Temi che cerchiamo di sintetizzare in questo articolo, anche grazie al contributo pubblicato su Innovation Post.
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Robotica e automazione, tecnologie abilitanti per processi di fabbrica sempre più integrati e flessibili
Il Piano Nazionale Industria 4.0, poi Impresa 4.0 e oggi Transizione 4.0, ha contribuito in maniera determinante alla consapevolezza che solo una decisa spinta sugli investimenti nelle tecnologie abilitanti, accompagnata da un’evoluzione del mindset aziendale, può aiutare le imprese a recuperare produttività e competitività sui mercati, grazie alla possibilità di orientare le scelte di business sulla base dei dati.
Nel mezzo di questo percorso, la crisi pandemica ha agito da catalizzatore, dimostrando che le aziende più pronte sul fronte dell’innovazione sono anche quelle più capaci di adeguarsi alle mutevoli condizioni di contorno e di reagire prontamente agli stimoli (e agli shock) provenienti dal lato della domanda e della supply chain. L’innovazione è una delle armi a disposizione delle aziende in cerca di futuro e fare innovazione oggi significa sostanzialmente puntare sulle tecnologie digitali tra cui la robotica.
“Facilità di programmazione, flessibilità operativa e limitazione degli ingombri sono alcuni dei vantaggi offerti da robot e cobot di ultima generazione e le leve che spingono le aziende a integrarli nelle linee produttive”, fa notare Simone Farruggio, Product Specialist Engineer in Mitsubishi Electric Factory Automation.
La facilità di programmazione si realizza ad esempio usando software dedicati che consentono di programmare un robot attraverso semplici diagrammi a blocchi e una logica drag and drop, ma anche offrendo l’opzione di ricorrere alla guida manuale, quindi con la possibilità da parte dell’operatore di regolare manualmente le varie operazioni e le posizioni del robot durante lo svolgimento delle sue attività.
Implementare i robot può essere un compito complesso, ma le nuove generazioni di robot sono più facili da usare con una chiara tendenza verso interfacce utente che abilitano una semplice programmazione e la guida manuale dei robot.
Le aziende produttrici di robot e alcuni fornitori terzi stanno offrendo pacchetti di hardware insieme al software per facilitare l’implementazione, offerte “ecosistemiche” che stanno aggiungendo un valore enorme, riducendo lo sforzo e il tempo di funzionamento.
La tendenza alla robotica a basso costo si accompagna anche a una facile configurazione e installazione, con applicazioni specifiche e, in alcuni casi, preconfigurate. I fornitori offrono programmi standard combinati con pinze, sensori e controller, mentre gli app store forniscono routine di programmazione per varie applicazioni e supportano l’impiego di robot a basso costo.
L’integrazione alla base dell’automazione in fabbrica per Mitsubishi e Omron
“E per contestualizzare il robot all’interno di un ecosistema di dati come quello della Industria 4.0, occorre l’integrazione dei linguaggi e dei sistemi di programmazione” rileva Farruggio. Questa necessaria integrazione tra macchinari, sistemi e robot diversi diventa una priorità sempre più rilevante, per esempio nella gestione della robotica nelle aree e nelle linee di produzione, come quelle di molte aziende meccaniche, o attive nel campo alimentare e nel packaging.
Farruggio sottolinea “l’integrazione tecnologica è un punto focale per Mitsubishi, che non si propone più da tempo come un’azienda di prodotti ma come un fornitore di soluzioni”.
Con la MELSEC Serie iQ-R come elemento centrale per l’ automazione di nuova generazione, Mitsubishi ha realizzato un sistema multi-controlllore, che permette un significativo valore aggiunto con contemporanea riduzione dei costi totali di gestione. La MELSEC Serie iQ-R è stata sviluppata ex novo, per risolvere i problemi generalmente diffusi riassunti in: produttività, costruzione, manutenzione, qualità, connettività, sicurezza e compatibilità. Questo avviene percorrendo tre vie: riduzione dei costi totali di gestione, aumento dell’affidabilità e ulteriore utilizzo dei sistemi esistenti.
“La CPU della serie iQ-R permette un clamoroso aumento di potenza e definisce nuovi standard nella velocità di elaborazione. Questo consente all’utilizzatore non solo la realizzazione di sistemi più complessi, ma costituisce anche la base per una significativa riduzione dei costi per l’hardware” afferma Farruggio.
E sempre nel segno dell’integrazione si iscrive l’approccio di Omron, che da ormai oltre un decennio ha puntato sull’idea dell’ambiente di sviluppo integrato Sysmac Studio, prima dedicato a soluzioni di controllo logico, safety e motion, per poi estendersi fino a comprendere sistemi di visione e robotica applicata in fabbrica. La sfida è stata sfruttare al massimo la velocità di calcolo delle CPU per coordinare tutte le funzioni della macchina.
Uno dei vantaggi nell’utilizzare una piattaforma integrata come Sysmac consiste ad esempio nel fatto che “permette una programmazione unificata da un unico punto d’accesso”, fa notare Giacomo Pallucca, Business Development Specialist di Omron, oltre alla sua semplicità d’uso e operativa. “Il vantaggio di avere una piattaforma completamente integrata – spiega Pallucca – consiste anche nella connessione biunivoca tra i dati del sistema centrale PLC con i movimenti e le operazioni dei robot in azienda. Questo incrocio di dati permette di individuare anche eventuali malfunzionamenti e anomalie”.
La robotica per il packaging: spostare i ravioli senza toccarli
Quello della robotica applicata al packaging è uno dei settori che sta crescendo di più in Italia. Un esempio arriva da Farruggio di Mitsubishi che cita un rinomato pastificio che ha integrato la robotica all’interno delle sue linee deputate alla produzione e all’inscatolamento di ravioli.
In particolare, i robot dovevano maneggiare placche di 6 ravioli ciascuna, e sistemarle in maniera adeguata per il confezionamento. Un’attività che richiede un’elevata velocità e implica una ripetitività continua, che prima veniva svolta a mano da operatori addetti (nell’ordine di 80 placche al minuto).
Ora la soluzione implementata è gestita dall’iQR che controlla servo-azionamenti e tre robot SCADA ai quali è affidato il compito di maneggiare e inscatolare le placche di sei ravioli ciascuna. Inoltre, sono guidati da un sistema di visione che abilita un controllo della qualità sul prodotto alimentare.
E questo caso dimostra proprio quanto, data la delicatezza del prodotto, altrettanto sofisticata e delicata debba essere l’operatività dei robot: in questo caso era necessario trovare una soluzione per il prelevamento dei piccoli blocchi di ravioli, senza romperli o danneggiali, e quindi i robot sono stati dotati di speciali ventose (a effetto bernoulli) in grado di attrarre e spostare la materia prima senza un contatto diretto, grazie a un flusso lamellare d’aria tra la ventosa e l’oggetto da gestire.
Robot collaborativi? Non esistono, si tratta di applicazioni collaborative
Lo sottolinea Andrea Zanchettin, docente del Politecnico di Milano “non esistono robot collaborativi ma applicazioni collaborative”. In base al grado di interazione con l’uomo, si possano utilizzare diverse tipologie di robot.
“Se serve unicamente limitare la velocità o fermare un robot quando un umano si avvicina all’area di lavoro, possono essere utilizzati anche dei robot industriali tradizionali opportunamente sensorizzati. Grazie alla funzione speed and separation monitoring il robot adatta la sua velocità di movimento in proporzione alla sua distanza dall’operatore più vicino. Se invece occorre una costante condivisione degli spazi, allora entrano in gioco altri fattori: il robot viene realizzato con materiali più leggeri, senza spigoli e con sensori di forza e coppia integrati in ciascun giunto”.
Mitsubishi Electric ha abbracciato entrambe le filosofie. Nel mercato della robotica collaborativa, emergono ogni giorno nuove applicazioni ed è necessario effettuare un’analisi preliminare sulla produttività della macchina e la frequenza dell’interazione tra uomo e robot (assente, occasionale o continuativa). “Dove è assente, – osserva Farruggio – la robotica industriale è ancora padrona: in questo caso, una centralina di sicurezza abilita funzioni per limitare la velocità e la movimentazione del robot e quindi consente a uomo e robot di lavorare in spazi comuni, ma in momenti differenti. Per tutte le applicazioni che vedono uomo e robot fianco a fianco, l’ultimo anello della collaborazione è MELFA ASSISTA, che è in grado di condividere lo spazio di lavoro con gli operatori in modo più semplice, più versatile e più produttivo”.
Su questo fronte si sta muovendo con convinzione anche Fanuc che, oltre alla nota serie CR (robot che nascono come robot industriali poi equipaggiati con nuovi dispositivi per renderli collaborativi), da qualche anno propone anche la serie CRX, robot “nativamente collaborativi”, con un design specifico e forma del cobot smussata in ogni possibile punto di contatto con l’esterno. Il che, per l’operatore che si trova ad interagirvi, equivale ad un senso maggiore di sicurezza e armonia. Tecnicamente hanno caratteristiche diverse che nel CRX si sostanziano in una serie di sensori dislocati che lo rendono molto più reattivo e immediato.
“Mentre alcune imprese e PMI sono ancora incerte se affidarsi alla robotica per rendere migliori, più efficienti e produttivi i propri impianti – sottolinea Riccardo Pati, Business Development Specialist in Fanuc – altre aziende hanno completamente sposato la robotica come elemento migliorativo”, la loro domanda di automazione cresce e si fa più evoluta, tanto che “abbiamo ampliato la nostra gamma di offerta fino a comprendere robot in grado di maneggiare pesi fino a 25 chilogrammi di materiale in carico”. Viene così superato uno dei tradizionali limiti applicativi del robot collaborativo, cioè la capacità di carico in genere ferma a circa 10-15 kg.
Automazione flessibile a portata di PMI con la ‘easy cell’
In questo scenario in forte evoluzione, va ricordato anche come la macchina utensile storicamente era gestita più dall’operatore che normalmente provvedeva al carico e allo scarico dei materiali, poi nel tempo si è progressivamente passati a una robotizzazione dell’asservimento macchina, prima con l’introduzione dei robot tradizionali e poi con l’aggiunta dei collaborativi. I cobot hanno permesso di semplificare ed estendere tutto ciò, abbattendo le barriere di separazione e protezione tra uomo e macchina.
“Noi abbiamo messo a punto la easy cell, una cella robotizzata su una postazione mobile che può essere programmata per determinate funzioni e poi spostata in diversi punti del processo produttivo per risolvere commesse da evadere su diversi tipi di macchinari senza costruire tanti impianti ad hoc”, spiega Pati di Fanuc. In questo modo, “con lo stesso cobot e con la stessa cella di programmazione ci si può muovere, spostare e fare cose diverse: per esempio, da una parte il cobot può occuparsi di carico e scarico di materiali, e in un altro punto e momento può aiutare l’operatore passandogli i pezzi e componenti che gli servono”.
Questo contribuisce a rendere il cobot una soluzione anche a misura di PMI che devono lavorare con lotti di dimensione ridotta e continui cambi di produzione. Finora le soluzioni di robotica tradizionale non erano propriamente a portata delle PMI, non tanto per una questione di costi di acquisto, quanto per la complessità della programmazione e dell’integrazione nel ciclo produttivo. Oggi le cose stanno cambiando in modo graduale.
Fanuc ha creato, in collaborazione con l’Università di Brescia, uno strumento online – ROI calculator – atto a simulare un investimento in innovazione – principalmente focalizzato sull’automazione della macchina utensile – e dopo un piccolo questionario rivolto all’utilizzatore, estrae parametri operativi e finanziari dell’investimento giustificandolo in termini di OPEX – dal punto di vista del Total Cost of Ownership – o dall’altra parte i classici parametri finanziari come il ROI.
Interrogativi del tipo: quanto mi costa avere un robot e farlo funzionare per ogni ora? In quanto tempo il suo utilizzo mi permette di rientrare dai costi sostenuti per comprarlo? Bene, il ROI calculator indica che il tempo di ritorno dell’investimento per un cobot mediamente è inferiore a un anno. Quindi tempi non biblici, e che possono invogliare una platea di aziende e imprenditori sempre più vasta.
La robotica mobile porta la flessibilità in linea con layout distribuiti
La robotica mobile è un altro comparto del settore in grande fermento, con notevoli potenzialità da valorizzare, e che “abilita anche nuovi layout di fabbrica, cambia l’organizzazione e aumenta la flessibilità operativa”, fa notare Pallucca di Omron. “La nostra piattaforma gestionale per robotica e automazione in fabbrica integra al proprio interno anche tutte le funzioni Safety, a cui aggiungiamo un servizio che supporta il cliente nella certificazione della macchina e nella messa in opera”.
L’expertise di Omron in questo ambito deriva dall’acquisizione della società taiwanese Techman e dall’americana Adept.
“Sei anni fa – racconta Pallucca – abbiamo portato in grembo sia la soluzione mobile che la parte di sviluppo di macchine industriali classiche che possono essere sensorizzate e costituire una cella semi-collaborativa. Abbiamo nel portafoglio prodotti AIV (Autonomous Intelligent Vehicle) che permettono di muoverci in maniera collaborativa all’interno della macchina. Con sensori a bordo, il robot mappa l’ambiente ed evita gli ostacoli, muovendosi naturalmente nell’ambiente produttivo.
Diversamente dagli AGV che storicamente sono a guida laser od ottica. E’ un po’ come pensare al TRAM che si muove su binari magnetici e al TAXI che segue la strada che vuole. Questa tecnologia ci permette di creare stazioni mobili e quindi di muovere l’intera macchina grazie ad un AGV con sopra magari uno o più robot mobile montati sopra. Ma anche in quest’ambito la sfida oggi si sta spostando sul software, in particolare sulla gestione delle flotte di robot mobili.
Un altro elemento abilitato da questa tipologia di robot mobili sono i layout di fabbrica. Come osserva il moderatore dell’incontro Franco Canna, Direttore di Innovation Post “Stiamo superando il limite di layout lineari che al blocco o danno di una stazione, vede bloccarsi tutta la linea; a favore di nuovi layout distribuiti dove la stazioni sono fisicamente scollegate e il robot mobile agisce da pivot, da regista in grado di smistare i componenti tra le stazioni, e sostituire la rigidità dei nastri trasportatori”.
Robotica e prospettive: digital twin e intelligenza artificiale
“Omron si propone di realizzare una fabbrica del futuro in cui persone e macchine crescono insieme sfruttando le tecnologie AI e IoT a livello di macchina e convertendo la conoscenza tacita, come l’intuizione e l’esperienza degli esperti, in conoscenza esplicita” spiega Pallucca.
Il controller di automazione della macchina di intelligenza artificiale (controller AI) integra funzionalità AI nel controllo, consentendo di sfruttare le informazioni a livello di macchina in tempo reale. Il controller AI può rilevare in modo molto rapido e preciso l’irregolarità momentanea delle apparecchiature e restituire il controllo in tempo reale. Oltre a consentire il monitoraggio delle tendenze a livello di macchina, ciò previene anche i difetti di qualità che si verificano sulle linee di produzione ad alta velocità in un tempo molto breve. Il passo in avanti, è integrarlo anche nei robot.
Le tendenze sono note, “quasi delle buzzword” incalza Farruggio “si tratta di intelligenza artificiale, IoT con connessione al cloud o ancora digital twin”. Queste ultime, non solo simulano l’attività in fase di progettazione ma replicano l’andamento del gemello reale anche in termini di usura dei componenti e quindi in ottica predittiva determinando un impatto sull’intero ciclo di vita della macchina. Ma il robot tiene conto anche dei cicli effettuati e del tempo operativo aprendo di fatto a nuovi modelli di business.
Così, il digital twin diventa il carburante da cui i nuovi livelli di fabbrica (edge e cloud computing) vengono alimentati con modelli di AI che vivono in cloud permettendo di gestire e monitorare intere flotte di robot anche da remoto. Il cloud è ad ampio spettro e serve a una gestione completa e olistica di sistema, ma a livello di macchina serve l’AI. Mitsubishi ha riconosciuto il valore strategico dell’AI e ha creato il brand Maisart (Mitsubishi Electric’s AI creates the State of the ART in technology) che in Giappone sviluppa algoritmi di ML, deep learning e apprendimento rinforzato integrati poi all’interno dei prodotti.
La simulazione è un driver fondamentale anche per Fanuc, nel caso specifico il riferimento è l’ottimizzazione, fattore che incide chiaramente sul tema della sostenibilità. ROBOGUIDE è un simulatore robot che simula i comandi di movimento e applicativi dei robot, riducendo in modo significativo i tempi di creazione di nuove impostazioni di movimento, e fornisce feedback sui consumi energetici. “Infatti, – spiega Pati – intervenendo sull’ottimizzazione delle traiettorie e quindi tracciando una traiettoria uniforme è possibile tenere sotto controllo i flussi di assorbimento dell’energia, garantendo un’onda di assorbimento regolare”. Per garantire un impatto minimo sulla produzione, è possibile progettare, testare e modificare le celle interamente offline. Progettato per essere intuitivo ed estremamente facile da usare, ROBOGUIDE richiede una formazione minima. La soluzione è anche disponibile con strumenti dedicati per applicazioni specifiche.
Una fotografia del futuro: programmazione semplice e più interazione uomo-macchina
I dati raccolti dai processi automatizzati in modo intelligente vengono analizzati dai produttori per prendere decisioni più informate e grazie alla capacità di un robot di condividere i compiti e imparare attraverso l’AI, le aziende possono anche adottare più facilmente l’automazione intelligente in nuovi ambienti, dall’edilizia agli impianti di confezionamento di alimenti e bevande ai laboratori sanitari. L’AI per la robotica sta maturando e i robot di apprendimento stanno diventando mainstream.
In qualità di Vice presidente esecutivo per le attività industriali di I-RIM (Istituto per la Robotica e le Macchine Intelligenti), Zanchetti chiude il tech talk sottolineando “sono tante le direttrici su cui si sta muovendo la robotica, ma secondo me l’enfasi è posta soprattutto sulla parte di programmazione e facilità nel farlo: qualsiasi robot collaborativo è dotato di capacità di apprendimento, ma occorre andare oltre al paradigma che vede l’apprendimento distaccato dalla capacità cognitiva e di interpretare quello che succede durante l’apprendimento stesso. Al di là del seguire dei punti e interpolarli, è fondamentale che il robot acquisisca la coscienza e la capacità di cosa sta facendo. Questo è sicuramente un sintomo di intelligenza, che per ora i robot non hanno”.
“Il secondo aspetto – continua Zanchetti – riguarda la capacità maggiore di interazione o collaborazione con l’operatore. Oggi vediamo più che altro applicazioni che sposano un paradigma sostitutivo dell’operatore da mansioni pesanti, faticose, ripetitive ma non è sfruttata appieno la collaboratività e la sicurezza e quindi la capacità di lavorare vicini in maniera persistente”.
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