202K - Meccanica e costruzione delle macchine

Associazione Italiana per l’Analisi delle Sollecitazioni (AIAS)
XXXI Convegno Nazionale – 18-21 Settembre 2002, Parma
SESSIONE R
PROGETTAZIONE E SVILUPPO DI PRODOTTO
PROGETTAZIONE DI UN DISPOSITIVO DI PRESA
PER L’INDUSTRIA DEGLI ELETTRODOMESTICI
ORIENTATO AL COMPITO
R.P. Razzoli
Laboratorio di Progettazione e Misure per l’Automazione e la Robotica
DIMEC, Università di Genova, Via All’Opera Pia 15/A - 16145 Genova
e-mail: razzoli@dimec.unige.it
Il lavoro ha preso spunto dall’esigenza di automazione del montaggio di
componenti sul basamento di alcuni modelli di lavabiancheria prodotte da
Electrolux Zanussi, azienda leader dell’industria del bianco, ed è stato svolto
nell’ambito del PNR SPI “Sistemi di Produzione Innovativi”, Tema 3, Montaggio
Modulare, che si è concluso con la realizzazione di un prototipo di linea di
assemblaggio modulare e riconfigurabile.
Parte significativa del progetto è stata rivolta allo studio di pinze in grado di
assolvere alle funzioni di montaggio dei diversi elementi che costituiscono il
basamento. Dimensioni, massa, forma e cedevolezza dei pezzi sono ampiamente
variabili: ciò ha sconsigliato l’utilizzo di una pinza “universale”, che avrebbe avuto
alto costo e bassa affidabilità; si è pertanto fatto ricorso a soluzioni indipendenti e
specializzate in funzione degli accoppiamenti richiesti, [1].
Nel seguito è descritta l’attività di progettazione riferita alla pinza dedicata
all’assemblaggio del riscaldatore e della pompa di ricircolo e, successivamente, di
questi sul collettore. Tra i diversi organi di presa analizzati, esso è quello che
presenta le maggiori criticità, in considerazione del fatto che il riscaldatore,
proposto in due versioni di differente lunghezza, può essere presente o mancare,
opzione, quest’ultima, ampiamente diffusa nel mercato asiatico, e del fatto che
occorre mantenere stabile e secondo un assetto ben preciso l’unione (altrimenti
labile) del gruppo pompa-riscaldatore fino alla sua inserzione definitiva nel
basamento.

1. INTRODUZIONE
La crescente competitività del mercato globale comporta una continua diminuzione del
rapporto costo/qualità, con conseguente riduzione dei margini di profitto: l’ottimizzazione delle
risorse tecnologiche, produttive e gestionali è, pertanto, pratica irrinunciabile (e cruciale) per la
sopravvivenza aziendale, [2].
I sistemi di assemblaggio flessibili, in quanto processi di medio-alta tecnologia per la
produzione di beni competitivi, costituiscono una delle aree individuate come fondamentali da
enti americani (Council on competitiveness, Department of commerce, Department of
defense, etc.) e giapponesi (Economic planning agency, etc.) incaricati a definire le
tecnologie critiche correnti e per l’immediato futuro.
Le attività di assemblaggio e di movimentazione sono sempre più diffuse nell’industria
manifatturiera; il loro accrescimento, soprattutto in termini di efficienza, è uno degli ambiti
dell’automazione industriale per cui si prevedono i maggiori sviluppi, [3], [4].
Questo problema è oggi particolarmente sentito in tutta l’industria ed in particolare in quella
degli elettrodomestici.
I sistemi modulari consentono di realizzare l’assemblaggio di prodotti che appartengano ad una
medesima famiglia ed hanno la caratteristica di poter essere rapidamente riconfigurati in
funzione delle mutevoli esigenze di produzione, [5].
Le linee come quella studiata e realizzata nell’ambito del progetto SPI3, sono tipiche di
quando occorra privilegiare la produttività, con consegna in tempi brevi di grandi volumi di
prodotti: esse si avvalgono di dispositivi di trasferimento e di alimentazione e ricorrono ad unità
operatrici convenientemente specializzate.
2. SPECIFICHE TECNICHE DEL PROGETTO
Il basamento, Fig. 1, è costituito da: una base, due ammortizzatori, due spinotti, una pompa di
scarico, un collettore, un riscaldatore, una pompa di ricircolo, un tubo flessibile di scarico, Fig.
2.
Fig. 1 Vista del basamento ultimato
Per brevità, sono sommariamente descritti solo i componenti direttamente manipolati
dall’organo di presa considerato, Fig. 3.
Il collettore è una struttura prismatica cava in plastica che presenta, sulla base inferiore, i
piedini per l’inserzione sul basamento e, sulle facce laterali, le sedi cilindriche destinate a
collegare la pompa di scarico ed il riscaldatore.

Il riscaldatore è realizzato in due versioni; infatti, a seconda delle necessità produttive, si deve
poterne assemblare una variante lunga o corta o, addirittura, può essere omesso. Entrambe le
versioni del riscaldatore hanno forma cilindrica con rilie vi alle estremità per il collegamento,
rispettivamente, al collettore e alla pompa di ricircolo. Sul guscio esterna, in mezzeria, è
collocato il termostato.
Fig. 2 Componenti del basamento
La pompa di ricircolo è costituita da un gruppo motore, collegato tramite una flangia al resto
della pompa; essa presenta una sede cilindrica per l’inserzione del riscaldatore ed una base
con innesti prismatici ad incastro per il collegamento al basamento.
La natura fisica dei componenti da montare (elementi in materia plastica ottenuti per iniezione)
comporta l’adozione di strategie specifiche, sia per quanto attiene le modalità di presa e di
manipolazione dei componenti, sia per i problemi di verifica del corretto posizionamento
relativo dei componenti da montare e di gestione delle prevedibili interferenze causate dalla
ampia banda di tolleranze dimensionali.
Si assume che i controlli di qualità relativi alla funzionalità dei singoli componenti vengano
eseguiti prima del loro impiego. In linea sono eseguiti solamente quei controlli ritenuti necessari
per garantire la buona esecuzione del montaggio.
Fig. 3 Modelli solidi del riscaldatore, della pompa di ricircolo e del collettore

2.1 Sequenza di assemblaggio
L’organo di presa considerato permette il preassemblaggio di due componenti, il riscaldatore e
la pompa di ricircolo e, successivamente, il loro montaggio sul collettore (precedentemente
assicurato al basamento), secondo la seguente serie di operazioni:
1. presa della pompa di ricircolo;
2. presa del riscaldatore, se presente, con pinza ruotata di 22°;
3. avvicinamento della pompa fino al contatto con il riscaldatore;
4. passaggio alla linea principale;
5. incastro del subassemblato (pompa+riscaldatore) nel collettore e nella base;
6. posizionamento viti.
Il montaggio sul basamento viene, pertanto, compiuto dalla stessa pinza che realizza l’unione
tra pompa e riscaldatore; durante queste operazioni può essere effettuato, in tempo
mascherato, anche il controllo del funzionamento del termostato.
La soluzione ideata non comporta problemi di interferenza con altri componenti già assemblati,
infatti la fase di premontaggio riscaldatore-pompa di ricircolo si realizza in mano al robot, in un
spazio riservato e distante dal basamento. Il preassemblato, una volta connesso alla base,
viene bloccato con due viti: si usano due avvitatori, in posizione fissa, con movimento verticale,
da sopra e da sotto la base.
La traiettoria di avvicinamento per i due utensili è problematica, soprattutto nella zona
inferiore, in quanto è impegnata dal pallet di supporto.
2.2 Problematiche nell’assemblaggio del riscaldatore
Uno dei problemi principali che si incontrano nell’assemblaggio del riscaldatore consiste nel
fatto la connessione, realizzata con elementi elastici, tra riscaldatore e pompa di ricircolo, non
risulta stabile; per questo motivo essi devono essere saldamente mantenuti nella giusta
posizione dalla pinza, fino alla loro inserzione nel collettore e nella base.
Un’altra fonte di complessità deriva dalla posizione che deve assumere il riscaldatore a fine
assemblaggio: esso, infatti, deve risultare inclinato rispetto al piano orizzontale di 5° e ruotato
attorno al proprio asse centrale di 22°.
Il termostato inserito nel riscaldatore è un componente di sicurezza molto delicato e può
danneggiarsi durante la movimentazione: occorre prestare particolare cura, affinché esso non
sia urtato durante la fase di manipolazione
Per verificare l’integrità del termostato, e quindi la corretta funzionalità del riscaldatore, si
procede ad un controllo in linea prima dell’assemblaggio; in questo modo si evita di aggiungere
valore ad un basamento che risulterebbe “scarto”.
Si è quindi realizzata una pinza strumentata, dotata di sensori che verificano il corretto
funzionamento del termostato durante le operazioni di montaggio.
2.3 Problematiche nell’assemblaggio della pompa di ricircolo
L’operazione di incastro della pompa sulla base è difficoltosa, perché va effettuata in
contemporanea con l’innesto del riscaldatore nel collettore, e con una dinamica non agevole;
ancora peggiore è il caso in cui il riscaldatore non è previsto, perché viene a mancare il gioco
garantito dall’incastro tramite O-ring tra riscaldatore e collettore, che facilita l’introduzione dei
piedini della pompa nelle apposite sedi ricavate sulla base.

Inoltre, lo spazio disponibile nella zona sottostante il motore elettrico della pompa di ricircolo,
quando è montata, è abbastanza ridotto e limita sia lo spessore sia la corsa del dito inferiore
della pinza.
3. SVILUPPO E COSTRUZIONE DEL DISPOSITIVO INNOVATIVO
La progettazione dell’organo di presa è stata principalmente guidata dalle dimensioni, forme e
materiali dei componenti nonché dalle caratteristiche di stabilità dei sottoassiemi.
Si è tenuto conto dei principi di modularità e standardizzazione delle unità di presa, [6], per
permetterne il riutilizzo per componenti differenti, modificando ed adattando soltanto parti
periferiche, quali polpastrelli, unghie e riscontri, [7], [8], [9].
Si è cercato, altresì, di limitare al massimo il numero dei gradi di libertà della pinza, per
ottenere un prodotto efficace e semplice e quindi meno costoso e più affidabile.
Tutti i movimenti non realizzati direttamente dall’end-effector sono delegati al braccio e
devono essere considerati a livello di programmazione e controllo del robot.
L’organo di presa è, in sintesi, formato da due mani cooperanti che hanno la possibilità di
avvicinare tra loro i pezzi, sfruttando, complessivamente, tre gradi di libertà, Fig. 4.
Il componente di collegamento tra le due pinze è stato progettato ad hoc per questa
applicazione: è un semplice elemento sagomato ad “L” al quale sono fissate la guida lineare,
che sostiene la pinza per la pompa di ricircolo, e la pinza del riscaldatore, tramite
interposizione di un opportuno adattatore angolare; naturalmente, nella parte superiore è stata
prevista una flangia di collegamento per l’interfacciamento dell’organo di presa con il
dispositivo terminale del robot.
(a)
(b)
Fig. 4 Modello della pinza (a); fase di assemblaggio riscaldatore/pompa ricircolo (b)
La direzione del moto relativo tra pompa e riscaldatore è lungo l’asse di quest’ultimo, che
resta fermo, mentre viene posta in movimento la pompa; in questo modo, variando
semplicemente la corsa della guida, possono essere trattate entrambe le versioni del
riscaldatore. La corsa complessiva deve permettere di afferrare i due pezzi dall’alimentazione,
Fig. 5, in posizione non ravvicinata, e poi di unirli, anche con il riscaldatore più corto, con una
forza assiale di circa 200 N.

Fig. 5 Escursione della pinza per la pompa
3.1 Pinza per riscaldatore
La pinza per il riscaldatore, Fig. 6, è stata scelta dal catalogo di un produttore di pinze
pneumatiche; è una pinza angolare, con rotazione di 180°, che si basa sull’accoppiamento tra
una cremagliera ed una coppia di ruote dentate. La cremagliera è solidale allo stelo del pistone
di un cilindro a doppio effetto (capace di una forza assiale di 1700 N per una pressione di 7
bar) e muove in modo sincronizzato le due ruote dentate, assicurando un momento torcente
costante in fase di chiusura. Quando non sia richiesto l’intervento di questo dispositivo di
presa, la possibilità di apertura a 180° delle ganasce permette di sistemare queste ultime in una
posizione che non sia di ostacolo per altre operazioni.
Per il collegamento della pinza con il braccio a “L” si è modellato un adattatore, necessario a
far assumere alla pinza ed al riscaldatore il corretto orientamento: ciò ha consentito di
risparmiare un paio di gradi di libertà della pinza.
Fig. 6 Esploso della pinza per il riscaldatore
3.2 Pinza per pompa di ricircolo
La pinza per la pompa di ricircolo, Fig. 7, è di tipo parallelo con un dito fisso e l’altro mobile;
si è scelta questa soluzione per non avere problemi di interferenza con le parti attigue in fase di
abbandono della presa. Il movimento del pistone viene trasmesso dallo stelo all’elemento su
cui è fissato il dito mobile; la posizione e la forza di serraggio sulla pompa sono, pertanto,
direttamente esercitati dall’attuatore pneumatico. La forza minima richiesta all’attuatore è pari
a 500 N con necessità di una corsa molto breve per applicare e rilasciare la presa; si è
pertanto optato, da catalogo, per un cilindro a semplice effetto con pressione di alimentazione
di 6 bar, particolarmente adatto per operazioni di bloccaggio a corsa ridotta. Esso si distingue
per:
• rapido intervento all’immissione della pressione;
• elevata forza di bloccaggio in rapporto alla sua dimensione.

Fig. 7 Esploso della pinza per la pompa
3.3 Analisi del dispositivo di presa
Le diverse fasi progettuali sono state affrontate sfruttando le opzioni rese possibili dalla
disponibilità di prototipi digitali: tutti i componenti, anche quelli scelti da catalogo, sono stati
virtualmente ricostruiti per mezzo di un modellatore solido parametrico, [10]. Ciò ha
consentito l’effettuazione di prove e verifiche su modelli alternativi con l’obiettivo di individuare
la migliore architettura della pinza in funzione, tra l’altro, dei parametri di ingombro e dei vincoli
imposti dalla presenza di ostacoli (quali, ad esempio, gli elementi già inseriti all’interno del
basamento, oppure le strutture della cella di montaggio) al percorso della pinza stessa.
Il dimensionamento degli elementi critici è stato affrontato sia con la metodologia classica per
elementi con tipologia a trave/lastra, sia con la tecnica degli elementi finiti per pezzi a forma più
complessa.
Lo studio della traiettoria, dei gradi di libertà e delle velocità medie è stato realizzato con un
software di animazione cinematica: il percorso della pinza è stato ottimizzato al fine di garantire
il più basso tempo ciclo. Punto di partenza per rilevare questi dati sono le posizioni relative
delle alimentazioni rispetto alla linea principale:
• distanza tra alimentazione pompa di ricircolo e riscaldatore
• distanza tra alimentazione riscaldatore e linea
Lo spazio di lavoro necessario, Fig. 8, risulta di 850 x 490 x 320 mm.
Il percorso compiuto dalla pinza ha una lunghezza di 3650 mm e viene coperto in 13 secondi
con una velocità media di 280 mm/s.
Fig. 8 Dimensioni dello spazio di lavoro per il dispositivo di presa

4. COMMENTI E SVILUPPI FUTURI
L’esigenza di utilizzare sistemi di assemblaggio di tipo modulare e riconfigurabile, [11] si è resa
negli ultimi anni via via più pressante, anche in quei settori produttivi ove si sono sempre
impiegati sistemi automatici di montaggio rigidi e dedicati; questa scelta è giustificabile sia
dall’elevata efficienza dei macchinari ad automazione fissa, che garantiscono elevati volumi
produttivi, sia da una durata piuttosto lunga della vita del prodotto.
Le ultime tendenze del mercato fanno, però, in generale, presagire un deciso accorciamento
del ciclo di vita dei prodotti ed aggiornamenti sempre più frequenti sia della forma, sia delle
parti costituenti; ciò costringe le aziende a ridurre senza sosta il time-to-market per poter
essere presenti e competitive sul mercato con prodotti innovativi ed in tempi sempre più
limitati.
Si sente, dunque, la necessità in ambito industriale di poter disporre di macchinari per il
montaggio di tipo non dedicato, sia per sostituire gradualmente i macchinari esistenti ad
automazione rigida sia per poter affiancare questi ultimi in situazioni di picco produttivo ovvero
quando si debbano realizzare pre-serie dimostrative prima del lancio di un nuovo prodotto sul
mercato.
Per quanto riguarda il dispositivo di presa elaborato, esso, avendo un numero di gradi di
libertà minimo, permette l’assemblaggio in condizione di perfetto posizionamento. Premesso
che si cerca sempre di tendere a questa favorevole situazione, progettando opportunamente gli
organi di presa, è comunque possibile che i componenti siano disposti in modo diverso da
quello considerato o abbiano delle dimensioni lievemente differenti dalle specifiche di progetto,
evenienza piuttosto frequente quando i pezzi in materiale plastico siano ricavati per
stampaggio.
Per avere la certezza di successo nell’assemblaggio illustrato, il dispositivo dovrebbe
possedere un numero maggiore di gradi di libertà.
Una delle soluzioni alternative esaminate consiste nel montaggio del riscaldatore sul collettore
da parte di un gripper semplice e, per ovviare alla mancanza di autoportanza del riscaldatore,
nel far intervenire un sostegno esterno retrattile.
Tale dispositivo sebbene sia vantaggioso dal punto di vista della semplicità dell’attrezzeria (due
pinze semplici e un sostegno), non lo è altrettanto per il braccio del supporto, il quale deve
operare in spazi di manovra molto ridotti e con movimenti di posizionamento complessi;
inoltre, si avrebbe un allungamento dei tempi ciclo, a causa del maggior numero di operazioni
richieste, che, a differenza della soluzione proposta, non avvengono in tempo mascherato:
presa dei pezzi da parte delle pinze, posizionamento riscaldatore, arrivo del sostegno, rilascio
del riscaldatore da parte della pinza, incastro della pompa di ricircolo sul basamento,
allontanamento del sostegno, incastro a telaio, posizionamento delle viti.
Una ulteriore soluzione, simile a quella realizzata per quanto attiene la modalità di presa, ma
costruttivamente diversa, consiste in una pinza, atta alla movimentazione della pompa di
ricircolo, da cui partono tre dita terminanti con degli attuatori che sorreggono il riscaldatore.
Essa presenta, quale inconveniente principale, un ingombro eccessivo: una volta incastrata la
pompa al basamento, rimane poco spazio di movimento alle tre dita, che devono essere in
grado di adattarsi alle diverse versioni di riscaldatore; oltre a ciò, non si ha garanzia che sia
imposta la corretta rotazione al riscaldatore.
Infine, l’ipotesi di utilizzare una pinza antropomorfa per tutte le operazioni non sembra
attuabile, visti i ridotti ingombri necessari, unitamente ad elevate forze; per la manipolazione

contemporanea dei due oggetti è, poi, indispensabile una pinza con più di tre dita e con elevato
numero di gradi di libertà. Tra le diverse tipologie di pinze, tuttavia, quest’ultima sarebbe la più
redditizia nel caso di un’unica stazione multifunzionale in cui venissero concentrate, per
sfruttare al massimo la flessibilità della mano antropomorfa, tutte (o quasi) le operazioni di
assemblaggio, con un approccio totalmente diverso da quello prospettato.
RINGRAZIAMENTI
Si ringraziano la ELECTROLUX Zanussi nella persona dell’Ing. De Pascale per la cortese
disponibilità ed il prezioso supporto tecnico offerto, il Ministero dell’Istruzione, Università e
Ricerca, ITIA-CNR, MASMEC, ABB Flexible Automation e Tecnopolis CSATA.
BIBLIOGRAFIA
[1] R.M. Molfino, “Libreria di organi di presa: soluzioni alternative a quelle proposte”,
Relazione Sistemi di Produzione Innovativi - Tema 3 - Montaggio Modulare, PMAR
lab, DIMEC, Università di Genova, 1999, pp. 1-68.
[2] R.C. Michelini, G.M. Acaccia, M. Callegari, R.M. Molfino, R.P. Razzoli, “Computer-
Integrated Assembly for Cost Effective Developments”, in Computer-Aided Design,
Engineering, and Manufacturing: Systems techniques and applications, ed. Cornelius
Leondes, CRC Press, USA, 2001, pp. 2.01-2.66
[3] J.P. Baartman, “Automation of assembly operations on parts”, Delft University
Technology, 1995
[4] S.Y. Nof, W.E. Wilhelm, H.J. Warneke, Industrial Assembly, Chapman & Hall,
London, UK, 1997
[5] G.G. Rogers, “Modular Production Systems: A Concurrent Manufacturing Philosophy”,
Proceedings of 1993 IEEE Intl. Conf. on Robotics and Automation, 2-6 May, Atlanta
(USA), 1993,Vol. 3, pp. 50-55
[6] G.C. Causey, R.D. Quinn, “Gripper design guidelines for modular manufacturing”,
Proceedings IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven,
Belgium, 1998
[7] F.L. Bracken, G.E. Insolia, E.W. Zimmer, “The Interrelationship of Parts Classification
and Gripper Design for Automated Assembly”, Proceedings of 3rd International
Conference on CAD/CAM Robotics and Factories of the Future, volume III, Springer-
Verlag, 1989, pp. 54-58
[8] M.R. Cutkosky, “On grasp choice, grasp models and the design of robotic finger”,
IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1989, pp. 269-279
[9] J.W. Jameson, L. J. Leifer, “Automatic grasping: an optimization approach”, IEEE
Transactions, Journal of Systems, Man and Cybernetics, 1987, pp. 806-814
[10] R.M. Molfino, A. Lacchini, G. Maggiolo, R.C. Michelini, R.P. Razzoli, “Re-engineering
issues in automatic assembly”, G. Jacucci, G.J. Olling, K. Preiss, M.Wozny, Eds.:
‘Globalisation of Manufacturing in the Digital Communication Era’, Kluwer Academic
Pub., Boston, 1999, pp. 603-616
[11] G. Ericsson, A. VonYxkull, A. Armstrom, “Modularity - the Basis for Product and
Factory Reengineering”, CIRP Annals, Manufacturing Technology 1996, Vol. 45/1/96,
pp. 1-6