QuBu Gripper - Sviluppo di un gripper industriale per processi ad elevata automazione

In questa tesi di dottorato è presentato il processo di progettazione di un gripper industriale innovativo, chiamato “QuBu Gripper”. La funzione principale di questo gripper innovativo, installato al polso di un robot antropomorfo a sei assi, è la manipolazione di prodotti appartenenti alla famiglia “Anelli di tenuta olio” all’interno di una cella di stampaggio robotizzata ad elevata automazione. I criteri che hanno guidato l’intero processo di progettazione, che inizia dall’elaborazione dell’idea di una soluzione innovativa di gripper, fino alla realizzazione e industrializzazione del primo prototipo, sono stati la flessibilità, la versatilità, l’affidabilità e l’ottimizzazione delle prestazioni. La prima fase del processo di progettazione del QuBu Gripper, presentata nel Capitolo 1, ha interessato l’analisi degli aspetti principali che influenzano il processo produttivo della cella di stampaggio. Nello specifico, il primo aspetto analizzato è quello che riguarda le caratteristiche fisiche e geometriche dell’oggetto da manipolare, successivamente è stato studiato l’intero ciclo di produzione degli anelli ed infine è stato esaminato l’ambiente di lavoro in cui deve operare il gripper. L’analisi delle caratteristiche fisiche e geometriche degli oggetti da manipolare ha interessato gli intervalli dimensionali e fisici dei principali parametri che caratterizzano gli anelli di tenuta olio. È stata esaminata anche come si presenta la superficie di presa ed il tipo di materiale che la caratterizza. Lo studio del processo di manipolazione, che interessa il ciclo di lavoro della cella di produzione robotizzata, ha invece riguardato l’analisi di tutte le possibili configurazioni di presa che si presentano durante l’esecuzione del ciclo di lavoro. Infine, l’osservazione dell’ambiente di lavoro ha permesso di evidenziare i limiti geometrici che interessano il gripper per una completa integrazione con la cella robotizzata. L’obiettivo di questa prima fase del processo di progettazione è stato la definizione dei requisiti di progetto specifici del gripper. La fase successiva del processo di progettazione, presentata nel Capitolo 2, ha invece interessato lo studio dello stato dell’arte dei gripper utilizzati maggiormente nei processi industriali. In particolare, nella prima parte del capitolo, sono presentate le principali categorie dei gripper e per ognuna di esse sono stati presentati gli aspetti caratterizzanti. La seconda parte del capitolo è invece dedicata alle principali categorie di sensori utilizzati nei gripper. Poiché il gripper è un dispositivo che interagisce con l’ambiente di lavoro, per poter gestire in maniera completa le fasi che costituiscono un generico processo di manipolazione, è necessario monitorare e controllare le informazioni derivanti da queste interazioni tramite un sistema di sensorizzazione. L’ultima parte del capito riporta lo studio dei diversi sistemi di manipolazione utilizzati attualmente nel processo di produzione degli anelli. Il Capitolo 3 invece riporta la fase del processo di progettazione che ha portato alla realizzazione del primo prototipo. Un aspetto analizzato in questa fase ha interessato la sintesi dei meccanismi costituenti l’architettura del gripper, sia dal punto di vista della sintesi del tipo, sia per la definizione dei parametri funzionali. Sono state sviluppate e comparate diverse architetture, giungendo quindi alla scelta ritenuta ottimale per lo specifico contesto applicativo. La scelta dell’architettura ha poi permesso di definire il sistema di trasmissione con conseguente definizione del sistema di attuazione e dei sensori da implementare. Questi ultimi sono dipendenti dalla definizione delle tecniche di controllo di presa e di movimentazione degli anelli, durante l’esecuzione dell’intero ciclo di produzione. Infine è presentata la progettazione esecutiva e la realizzazione del primo prototipo del QuBu gripper. Nello specifico, la prima parte di questo capitolo vede l’introduzione e la definizione del concetto di modularità. Questo perché, analizzando il processo di presa di un anello, sono stati individuati e distinti tre diversi stati che permettono di realizzare il processo di presa. A questa prima parte segue quella in cui è presentato il processo di definizione dell’architettura della pinza di manipolazione. Il primo passo di questo processo ha visto la definizione della tipologia di presa da adottare. Successivamente sono state presentate e confrontate diverse possibili tipologie di architetture, dipendenti dai movimenti che possono interessare le griffe durante la presa di un oggetto. Infine, dopo aver definito quale tipologia di architettura adottare, si è eseguita un’analisi dei parametri geometrici della stessa, per ottenere la configurazione reputata la migliore per l’applicazione oggetto di questa tesi. Il processo di definizione dei parametri geometrici dell’architettura scelta ha visto l’ideazione e l’applicazione di un metodo grafico sviluppato proprio in questa tesi. Dopo aver definito l’architettura, è presentato il processo che ha portato alla definizione del sistema di trasmissione e di conseguenza l’analisi che ha permesso di definire sia il sistema di attuazione che i sensori e le tecniche di controllo da implementare per eseguire la presa ed il rilascio degli anelli. La prima parte di tale processo ha interessato la valutazione delle forze coinvolte durante l’esecuzione della fase di centraggio e durante la fase di presa dell’oggetto. La parte successiva, dopo aver comparato diverse possibili soluzioni ha visto la scelta del sistema di trasmissione reputato il più idoneo per l’applicazione. L’ipotesi di partenza principale, che caratterizza il gripper, è che si è scelto di utilizzare un sistema di trasmissione ad un grado di libertà. Questo perché un unico grado di libertà permette di ottenere il moto sincronizzato delle griffe e quindi di realizzare la coassialità del gripper con l’oggetto afferrato. Infine, un ulteriore vincolo è quello dettato dal fatto di avere un limitato spazio in altezza. Questo ha imposto l’utilizzo di un meccanismo piano per il sistema di trasmissione. La definizione del sistema di trasmissione ha poi permesso di determinare il gruppo di attuazione e quello di controllo. Quest’ultimo strettamente dipendente dalle ipotesi del ciclo di funzionamento del gripper. L’ultima parte del capitolo riporta gli aspetti che hanno riguardato la progettazione esecutiva e l’industrializzazione del primo prototipo del “QuBu Gripper”. Il Capitolo 4 riporta la descrizione di tutte le attività che hanno permesso di definire il sistema di controllo del gripper e, dopo l’esecuzione di una campagna sperimentale, di caratterizzarne il comportamento durante il funzionamento. In particolare la prima parte di questo capitolo riporta la descrizione del sistema di controllo implementato, partendo dallo schema generale della cella di produzione. Questo perché, un requisito fondamentale del gripper, è la completa integrazione di questo nuovo dispositivo all’interno della sistema cella. Questa parte riporta anche la descrizione del ciclo di funzionamento derivante dalle scelte del sistema di controllo. La seconda parte del capitolo invece riporta la campagna sperimentale svolta per la caratterizzazione del dispositivo. Una prima tipologia di prove ha interessato la valutazione della capacità di autocentraggio della pinza di manipolazione. In particolare è stata valutala la ripetibilità della presa autocentrante ed è stato valutato il campo di lavoro ammissibile del gripper. La seconda tipologia di prove ha riguardato l’analisi dei parametri di funzionamento del controllore implementato e la caratterizzazione delle principali grandezze fisiche che interessano il gripper durante il ciclo di manipolazione. L’ultimo capitolo della tesi, il Capitolo 5, riporta alcuni aspetti che potrebbero interessare lo sviluppo futuro del QuBu gripper. In particolare, sono presentate delle possibili aree di intervento per rendere il gripper un dispositivo utilizzabile per manipolare oggetti diversi da quelli considerati e indipendente dalle condizioni esterne legate all’ambiente di lavoro.