Da ben oltre 50 anni i robot industriali affiancano gli esseri umani nello svolgimento di quelli che in robotica vengono considerati lavori noiosi, pericolosi e sporchi. Oggi i progressi nel campo delle tecnologie intelligenti stanno rendendo i robot industriali sempre più connessi e capaci di collaborare con gli esseri umani per affrontare processi più complessi.
I robot fisici, come i bracci robotici, i cobot e i sistemi robotici mobili, costituiscono una componente fondamentale della produzione moderna. Spesso operano all'interno di sistemi di automazione più ampi che combinano software, sistemi di controllo e macchinari collegati per coordinare il lavoro con un intervento umano ridotto. Insieme a tecnologie quali l'IA e l'analisi avanzata dei dati, questi sistemi aiutano le aziende manifatturiere a rispondere più rapidamente alle variazioni della domanda, mantenendo al contempo elevati standard di qualità, efficienza e costi.
La robotica nel settore manifatturiero consiste nell'uso di macchine programmabili per svolgere attività fisiche. Queste attività sono spesso ripetitive, pericolose o richiedono un'elevata precisione, come la saldatura, le operazioni di prelievo e posizionamento o l'assemblaggio di componenti complessi. I robot industriali assumono diverse forme, tra cui bracci robotici articolati, robot collaborativi (cobot) e robot mobili, ma hanno tutti uno scopo comune: svolgere un lavoro fisico con costanza, velocità e precisione.
L'automazione nel settore manifatturiero è un concetto più ampio. Descrive il sistema complessivo che coordina le attività produttive con un intervento umano minimo. L'automazione integra software, sistemi di controllo, piattaforme dati e apparecchiature connesse, compresi i robot, per gestire e ottimizzare le operazioni di produzione. Sempre più basati sull'IA i moderni ambienti di automazione utilizzano piattaforme cloud, dati in tempo reale e analisi avanzate per monitorare le prestazioni, ottimizzare i flussi di lavoro e adattarsi rapidamente alle mutevoli esigenze di produzione.
In parole semplici, la robotica è un componente chiave dell'automazione industriale. I robot si occupano degli aspetti operativi in produzione, mentre i sistemi di automazione collegano tali macchine alla pianificazione della produzione, ai software aziendali e ai dati operativi. Insieme, consentono ai processi produttivi di funzionare in modo più efficiente, di reagire più rapidamente ai cambiamenti e di operare come un sistema integrato, dal reparto di produzione al livello aziendale.
Le prime forme di automazione industriale consistevano in sistemi meccanici di base e nastri trasportatori che consentivano di spostare i materiali più rapidamente. Nel 1961 la GM installò Unimate, uno dei primi robot industriali, per eseguire operazioni di pressofusione e saldatura. Questo evento segnò l'inizio della robotica industriale moderna, trainata in gran parte dall'industria automobilistica. Questi robot eccellevano nelle attività che richiedevano velocità, forza e precisione. Il risultato è stato un aumento della produzione, una migliore qualità dei prodotti e una riduzione dei costi.
All'inizio degli anni '90, grazie a sensori e sistemi di controllo più avanzati, i robot sono diventati più flessibili. Anziché svolgere un'unica attività fissa, i robot potevano supportare attività produttive più ampie, quali la movimentazione dei materiali, lo stampaggio a iniezione, il confezionamento e la pallettizzazione. Nel corso degli anni 2000 i robot sono stati sempre più integrati nei sistemi di produzione computerizzati. Ciò ha permesso a macchine e strumenti robotizzati diversi di lavorare insieme nell'ambito di una linea di produzione coordinata. Con l'affermarsi dell'Industria 4.0, tecnologie quali l'Internet delle cose industriale (IIoT), le piattaforme cloud e l'analisi dei dati hanno consentito alle aziende manifatturiere di collegare le attrezzature e i dati operativi per migliorare le prestazioni.
Più recentemente, l'integrazione con le piattaforme ERP e MES ha reso la robotica ancora più potente. I moderni robot industriali sono in grado di coordinare i processi in tempo reale, supportare le decisioni automatizzate e rispondere alle esigenze reali in officina per migliorare l'efficienza in tutto lo stabilimento.
Mentre i robot industriali tradizionali venivano spesso programmati per svolgere le stesse attività ripetitive, i sistemi robotici odierni operano in ambienti molto più interconnessi. Nelle fabbriche intelligenti, robot, attrezzature e sistemi aziendali sono collegati tramite sensori IoT e piattaforme cloud integrate, consentendo il flusso di dati tra di essi. Grazie all'integrazione con l'IA e l'analisi avanzata dei dati, questa connettività consente ai robot e ai sistemi di produzione di adattarsi rapidamente alle condizioni in evoluzione, ad esempio aumentando la produzione per far fronte a picchi di domanda o modificando le linee di produzione in caso di carenza di materiali.
In alcuni impianti all'avanguardia, i sistemi robotici e di automazione funzionano con un intervento umano minimo. Queste "fabbriche oscure" possono funzionare 24/24 senza illuminazione o personale in loco per lunghi periodi. Ad esempio, l’azienda giapponese Fanuc produce robot in stabilimenti che operano 24 ore al giorno per un massimo di 30 giorni senza l'intervento umano. La Changping Smart Factory a Pechino, che funziona in modalità automatizzata, è in grado di produrre uno smartphone ogni tre secondi grazie alla tecnologia IA. Sebbene sia improbabile che tutte le attività produttive vengano completamente automatizzate, è chiaro che la robotica intelligente e connessa svolgerà un ruolo sempre più importante nelle fabbriche moderne.
Da fissi a flessibili, i robot possono assumere molte forme a seconda dell'attività per cui sono progettati. Ecco quattro dei robot più comunemente utilizzati nelle operazioni di produzione odierne, oltre a uno che si trova nelle prime fasi di sviluppo.
I robot industriali costituiscono oggi il principale sistema di supporto robotico sulle linee di produzione. Forse il più noto è il braccio robotico articolato dotato di più giunti per l'esecuzione di compiti complessi che richiedono un'ampia gamma di movimenti. Ma ce ne sono molti altri realizzati per funzioni diverse. Il robot cartesiano, ad esempio, funziona su un sistema a tre assi per il movimento lineare e il sollevamento di carichi pesanti all'interno di un'area definita. Altri robot sono costruiti per la velocità e la precisione, come SCARA per attività come l'assemblaggio e la movimentazione e Delta per operazioni di prelievo e posizionamento in ambienti ad alto volume. Un altro tipo comune di robot opera all'interno di uno spazio di lavoro cilindrico e combina movimenti rotatori, verticali e orizzontali per l'assistenza alle macchine, l'imballaggio e altre attività in cui è necessario un movimento circolare costante.
I robot collaborativi (o "cobot") sono progettati per lavorare in sicurezza vicino alle persone negli stabilimenti, spesso condividendo lo stesso spazio di lavoro senza la necessità di gabbie di sicurezza. Possono operare in modo autonomo, sfruttando la visione artificiale, l'IAe la tecnologia di machine learning per manovrare intorno a oggetti e persone, ma possono anche essere guidati o supervisionati da operatori umani quando necessario. I cobot sono anche più convenienti e più facili da implementare, il che contribuisce a spiegare perché il loro utilizzo e sviluppo siano in aumento.
Come suggerisce il nome, i sistemi di automazione flessibili sono composti da robot e macchine automatizzate che possono essere riprogrammati e riconfigurati per un'ampia varietà di attività e cicli di produzione senza dover ricostruire ogni volta la linea. Ciò li rende ideali per le aziende che devono passare rapidamente da un tipo di prodotto all'altro. Rientrano in questa categoria i bracci robotici configurabili dotati di effettori terminali intercambiabili per operazioni di saldatura, pick-and-place e assemblaggio, nonché i cobot per l'assistenza alle macchine in grado di cambiare le pinze e di essere programmati per caricare pezzi di diverse dimensioni e forme a seconda delle necessità.
Questi robot sono progettati per spostare materiali, parti e prodotti finiti in uno stabilimento o in un magazzino. Prendiamo ad esempio i veicoli a guida automatica (AGV). Questi robot a terra possono spostare pallet, contenitori o carrelli tra le stazioni di lavoro, solitamente seguendo un percorso fisso. I robot mobili autonomi (AMR) trasportano anche merci e materiali a terra, ma utilizzano sensori lidar e a ultrasuoni, telecamere e software di navigazione per rilevare gli ostacoli e reindirizzarli intorno a persone e attrezzature. I robot volanti vengono utilizzati per le attività in quota, senza bisogno di carrelli elevatori. Ad esempio, possono scansionare le scorte negli scaffali alti dei magazzini tramite RFID e codici a barre, eseguire controlli di sicurezza in aree pericolose o soggette a restrizioni e monitorare la temperatura delle attrezzature utilizzando telecamere termiche.
Sebbene siano ancora in fase sperimentale, i robot umanoidi vengono testati in contesti produttivi reali. Ad esempio, l'Optimus di Tesla è un robot umanoide per scopi generici progettato per supportare attività ripetitive in fabbrica. I prototipi presenti nelle Gigafactory di Tesla sono in grado di svolgere operazioni semplici, come spostare componenti o prelevare oggetti. Altri robot umanoidi come l'ASIMO di Honda vengono utilizzati esclusivamente per attività di ricerca e dimostrazione anziché per attività produttive. L'Atlas di Boston Dynamics è anche un robot di ricerca e sviluppo, ma è uno dei robot umanoidi dinamici più avanzati al mondo costruiti per un'elevata mobilità, equilibrio e agilità.
L'IA migliora l'automazione, aiutando i sistemi ad adattarsi al loro ambiente in tempo reale. È in grado di individuare modelli nei dati, attivare azioni, segnalare problemi e persino regolare le impostazioni di produzione. L'IA aiuta anche i robot a riconoscere i pezzi, evitare collisioni e adattarsi alle mutevoli condizioni.
I sistemi di visione in tempo reale utilizzano telecamere, sensori e (di solito) l'IA per rilevare eventuali difetti, anomalie e componenti difettosi. Il software di produzione analizza le immagini e invia un avviso agli operatori oppure arresta la produzione a seconda dei casi.
L'IIoT collega macchine, robot e sensori in modo che possano condividere dati in tempo reale. I sensori monitorano parametri quali vibrazioni, produzione e consumo energetico, per poi inviare tali dati a sistemi MES, ERP e altri sistemi a supporto delle analisi e degli avvisi automatici.
La robotica avanzata si basa su una stretta integrazione con i sistemi di produzione che gestiscono gli ordini di lavoro, i programmi, le scorte, i dati di produzione e altro ancora. I robot e le attrezzature connesse utilizzano queste informazioni e questi dati per coordinarsi in tempo reale con i flussi di lavoro produttivi più ampi.
I sistemi di controllo, come PLC, SCADA e controllori industriali, gestiscono le attrezzature robotiche. Eseguono logiche programmate, sincronizzano la produzione e automatizzano le funzioni di sicurezza. L'integrazione con il software di produzione collega le operazioni robotizzate ai flussi di lavoro aziendali.
Le piattaforme cloud centralizzano sistemi, flussi di lavoro e dati per migliorare il funzionamento dell'automazione e della robotica. Forniscono capacità di archiviazione e potenza di calcolo scalabili a supporto dell'IA, dell'analisi dei dati e delle connessioni in tempo reale. La sicurezza integrata e i processi specifici del settore aiutano a velocizzare il time-to-value.
I sistemi robotici stanno apportando un valore aggiunto e una maggiore efficienza alle odierne operazioni di produzione. Tra i vantaggi più comuni figurano:
I robot assemblano i componenti e posizionano i pezzi sulle linee di produzione secondo procedure ben definite. I bracci robotici inseriscono viti o fissano staffe, mentre i cobot montano i pezzi o caricano i componenti nei dispositivi di fissaggio.
Esempi: un braccio robotico installa bulloni su un componente del motore di un'automobile applicando una coppia costante. In uno stabilimento di elettronica, un cobot posiziona i circuiti stampati negli alloggiamenti e inserisce i connettori sulla linea di produzione.
I sistemi di automazione robotica smistano e prelevano articoli dai nastri trasportatori, li confezionano in scatole e impilano i prodotti su pallet stabili per lo stoccaggio o la spedizione.
Esempi: Un sistema automatizzato di prelievo e posizionamento ordina i prodotti di consumo in cartoni in base allo SKU o al tipo di ordine. I robot prelevano le bottiglie pronte o gli snack confezionati e li caricano nelle scatole per la spedizione.
Dotati di telecamere, scanner e sensori, i robot addetti al controllo qualità ispezionano i prodotti mentre questi avanzano lungo la linea di produzione. Difetti quali crepe o errori di etichettatura vengono individuati e immediatamente scartati.
Esempi: in uno stabilimento automobilistico, un sistema di ispezione visiva controlla i giunti saldati alla ricerca di crepe o spazi vuoti. In uno stabilimento farmaceutico, un robot addetto al controllo qualità verifica le sigillature, le etichette e il numero di compresse per garantire il rispetto degli standard di sicurezza.
I sensori e i sistemi connessi monitorano le prestazioni delle attrezzature e raccolgono dati quali vibrazioni, pressione e tempi di ciclo. In questo modo è possibile attuare una manutenzione predittiva, programmando gli interventi di riparazione prima che si verifichino i guasti.
Esempi: In un impianto chimico, le pompe e i miscelatori vengono monitorati per individuare eventuali perdite. Le aziende tessili monitorano la tensione dei telai per ridurre i difetti e garantire una produzione costante.
I sistemi robotici monitorano, spostano e gestiscono le scorte all'interno delle strutture. Le piattaforme automatizzate analizzano e aggiornano i livelli delle scorte e gestiscono direttamente il prelievo e il rifornimento, garantendo un'evasione degli ordini più rapida e accurata.
Esempi: in un magazzino di articoli di moda, i sistemi robotici tengono traccia degli SKU e inviano avvisi quando necessario. Nei centri di distribuzione gli AMR trasportano componenti pesanti e pallet verso le aree di stoccaggio temporaneo.
Da decenni, i robot nel settore manifatturiero simboleggiano velocità, forza e precisione. Sono stati costruiti per fare ciò che gli esseri umani non potevano, o non avrebbero dovuto, fare. E mentre le tecnologie robotiche stanno avanzando a un ritmo straordinario, il vero cambiamento risiede nel modo in cui queste macchine sono collegate tra loro. I robot non operano più in modo isolato all'interno dello stabilimento. Funzionano invece come parte di un contesto digitale più ampio che collega produzione, pianificazione, qualità e manutenzione.
Quando i sistemi robotici vengono integrati con il software aziendale, le attrezzature connesse e i dati in tempo reale, le operazioni di produzione diventano più prevedibili e più facili da gestire. Le informazioni circolano più rapidamente, gli adeguamenti avvengono prima e i miglioramenti vanno oltre una singola linea di produzione o un singolo reparto. Il futuro della robotica nel settore manifatturiero non sarà determinato solo dal numero di macchine installate, ma anche dall'efficacia con cui queste operano all'interno dei sistemi interconnessi che sono alla base della produzione moderna.
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