Macchine CNC: che ruolo hanno le macchine utensili CNC nell’industria 4.0

Le macchine CNC rappresentano il cuore dell’industria manifatturiera di oggi e del futuro; i giunti sono una parte fondamentale della loro ingegneria, che garantisce alta produttività e affidabilità.
Le soluzioni CNC rispondono all’esigenza di gestire la produzione in modo flessibile, con sistemi intelligenti non più centralizzati ma integrati localmente sulle macchine; è così possibile creare produzioni basate sull’innovazione e non finalizzate solo ad abbattere i costi.

Le soluzioni a controllo numerico richiedono un investimento maggiore rispetto a macchinari che richiedono l’intervento dell’operatore, ma consentono di conseguire livelli di efficienza e di produttività molto elevati, ottimizzando le fasi di passaggio dalla progettazione alla produzione. Sono inoltre in grado di operare in modo continuativo, senza interruzioni, il che le rende adatte alla produzione in vari settori, dall’automotive all’aerospaziale, e idonee per numerose lavorazioni, dalla saldatura, al taglio laser, dalla piegatura alla rettifica.
L’industria italiana costruttrice di macchine utensili, robot e automazione ha registrato aumenti notevoli negli ultimi anni, un risultato determinato dal positivo andamento delle consegne dei costruttori sul mercato interno, dall’export e influenzato positivamente anche dagli incentivi statali legati all’industria 4.0.

Precisione, programmabilità e produttività: i plus delle macchine CNC

Alta precisione, affidabilità, programmabilità ed elevata produttività sono i plus delle macchine a controllo numerico che rappresentano il cuore dell’industria manifatturiera di oggi e del futuro. L’uso diffuso e i continui miglioramenti delle macchine utensili CNC hanno determinato un impatto significativo sulla produttività dell’industria manifatturiera, a partire dalla prima Rivoluzione Industriale. All’alba della nuova era di industrializzazione, l’esigenza di un ulteriore progresso delle macchine CNC, sulla base delle prerogative dell’Industria 4.0, va individuata e affrontata.

L’avvento dell’Industria 4.0

Le Tecnologie dell’Informazione (Information Technology, IT) hanno portato a progressi significativi e alla trasformazione radicale dell’industria manifatturiera su scala mondiale. L’impiego dei computer nei dispositivi smart ha determinato una sempre più crescente esigenza di servizi e infrastrutture nel settore IT, da fornirsi attraverso reti come quelle cloud. Questi dispositivi smart risultano sempre più connessi tra loro sia tramite reti wireless locali che tramite Internet.

La nozione di Industria 4.0 è basata sui seguenti stadi di industrializzazione:

• la prima Rivoluzione Industriale ebbe inizio con l’introduzione delle attrezzature per la manifattura meccanica alla fine del diciottesimo secolo;
• la seconda Rivoluzione Industriale ebbe inizio nella seconda metà del ventesimo secolo e determinò la produzione di massa di beni di consumo tramite l’impiego intensivo dell’energia elettrica e la suddivisione in comparti della manodopera;
• la terza Rivoluzione Industriale ebbene inizio nei primi anni ‘70 e continuò fino ai tempi attuali. Essa determinò un uso più intensivo dell’elettronica e delle tecnologie IT, al fine di conseguire un livello superiore di automazione ed intelligenza sia nelle attrezzature di produzione che nei processi.

L’avvento dell’IoT e dell’IoS ha reso possibile la creazione di risorse e servizi in rete per l’intero processo di produzione, dando origine alle Fabbriche Intelligenti (Smart Factories) e alle Fabbriche del Futuro (Factories of the Future). Il mondo è così entrato nella quarta Rivoluzione Industriale.

Nel settore della produzione, i sistemi di produzione cyberfisici (Cyber-Physical Production Systems, CPPS) forniscono un ruolo fondamentale in tale rivoluzione industriale. Un sistema CPPS comprende generalmente macchinari smart, sistemi di stoccaggio e altri stabilimenti di produzione. Con i sistemi CPPS, la produzione può essere programmata in maniera più flessibile ed efficiente.

Alla luce della nuova era di industrializzazione e dell’importanza del ruolo giocato dalle macchine CNC, risulta urgente e fondamentale riconoscere e individuare tutte le esigenze di rispondenza di tali macchine alle prerogative dell’Industria 4.0. Di seguito le fasi di evoluzione delle macchine utensili.

L’evoluzione delle macchine utensili e l’introduzione dei linguaggi CNC

1. Evoluzione delle macchine utensili
Le macchine utensili vennero alla luce nel momento in cui il percorso dell’utensile fu guidato dalla macchina utensile stessa, sostituendo quello imposto dalla mano umana.
L’evoluzione delle macchine utensili può essere schematizzata come in Figura 1.

2. I linguaggi CNC
Le prime macchine a controllo numerico (CN) furono sviluppate presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) nella seconda metà degli anni ‘40, a seguito di alcune attività di ricerca legate alla realizzazione dei componenti di un nuovo aeroplano progettato dalla Lockheed. Tali attività portarono all’adattamento delle macchine convenzionali di allora al controllo numerico.

Nei decenni successivi allo sviluppo delle prime macchine CN presso il MIT, iniziarono a essere sviluppati i primi linguaggi di programmazione del controllo numerico. Tra questi, quello che divenne il più comunemente usato e che venne approvato come standard fu il G – code. Nel 1980 il linguaggio G – Code divenne standard EIA RS-274-D; tale norma fu quasi interamente trascritta nello standard ISO 6983. Tale linguaggio viene attualmente usato anche nelle più avanzate macchine CNC, con poche differenze e aggiornamenti da parte dei produttori dei sistemi di controllo. L’avvento stesso del linguaggio ha così determinato, grazie anche ai progressi nei computer iniziati negli anni ‘70, l’introduzione delle macchine utensili CNC.
In una moderna macchina CNC, un microcomputer immagazzina i programmi di lavorazione preparati in precedenza dall’operatore e controlla il funzionamento della macchina stessa. Il funzionamento può essere così schematizzato come in Figura 2.

Ulteriori sviluppi delle macchine CNC hanno poi consentito di realizzare insiemi di macchine collegate tra loro, controllate da un unico computer centrale al fine di realizzare programmi di lavorazione coordinati. Tale soluzione, oltre a fornire uno dei presupposti per l’introduzione delle Macchine Utensili 4.0, ha dato origine ai sistemi a Controllo Numerico Diretto (Direct Numerical Control, DNC). Le moderne macchine CNC risultano ora componenti essenziali dei Sistemi di Produzione Flessibili (Flexible Manufacturing System, FMS) o delle Celle di Produzione Flessibili (Flexible Manufacturing Cell. FMC), soluzioni che consentono alti livelli di flessibilità sia nella produzione di massa che in quella di piccoli lotti.
Le macchine CNC moderne hanno anche radicalmente mutato l’ambito degli strumenti di progettazione, dando origine ai sistemi CAPP (Computer Aided Process Planning) e CAM (Computer Aided Manufacturing).

Macchine Utensili 4.0

Le Macchine Utensili 4.0 definiscono una nuova classe di Macchine Utensili, così come i sistemi CPPS visti in precedenza. Tali sistemi sono contraddistinti dall’essere smart, ben connessi, ampiamente accessibili, con maggiore adattività e autonomia. Con le Macchine Utensili 4.0 è possibile conseguire sia l’integrazione verticale che quella orizzontale.

1. Macchine Utensili e sistemi CPPS
I sistemi di produzione cyberfisici comprendono macchinari smart, sistemi di stoccaggio e impianti di produzione che dispongono di integrazioni end-to-end basate su tecnologie ICT. Le macchine utensili cyberfisiche (Cyber-physical Machine Tools, CPMT) costituiscono un elemento essenziale dei sistemi CPPS. Le CPMT sono così costituite dall’integrazione di una macchina utensile, dei processi di lavorazione, dei sistemi di calcolo e di collegamento in rete; i computer integrati e i collegamenti in rete consentono di monitorare e controllare i processi di lavorazione, con circuiti di feedback grazie ai quali i processi di lavorazione possono influenzare i calcoli e viceversa.

2. Integrazione verticale
Le macchine utensili caratterizzate dall’integrazione verticale supportano l’integrazione digitale end-to-end attraverso tutto il processo di ingegnerizzazione, comprendendo le fasi di progettazione, programmazione dei processi, produzione e assemblaggio. Affinché tutto ciò possa essere realizzato, è necessario disporre di un ambiente di produzione basato sui modelli. La produzione basata sui modelli è un approccio all’interno del quale i modelli sono:
• parte integrante dei riferimenti tecnici;
• evolvono attraverso tutte le fasi di produzione;
• sono integrati attraverso tutte le discipline coinvolte nello sviluppo del prodotto (ad esempio, progettazione, programmazione dei processi, lavorazione e ispezione).

Gli scenari relativi all’impiego delle Macchine Utensili 3.0 e 4.0 vengono schematizzati in Figura 3.

3. Integrazione orizzontale
Le macchine utensili caratterizzate dall’integrazione orizzontale sono quelle che presentano un elevato grado di interconnessione sia tra di loro che con altri impianti e risorse di produzione (come ad esempio robot industrial, nastri trasportatori, sistemi di misura sul posto e sistemi informatizzati di controllo della produzione e dei processi di business rilevanti dell’azienda, rispettivamente chiamati MES ed ERP). I principali requisiti per il conseguimenti degli opportuni livelli di integrazione orizzontale sono due:

•  la tipologia delle comunicazioni macchina-macchina ha la necessità di evolvere da un modello basato sulla sintassi a uno basato sulla semantica;
•  le macchine utensili devono poter acquisire dati precisi e affidabili dalle macchine e/o dai loro componenti. Tali dati possono essere misurati direttamente dai sensori o acquisiti dai sistemi di controllo.

L’impiego delle Macchine Utensili 4.0 si concretizzerà, quindi, nell’impiego di macchine utensili smart con funzionalità di auto diagnosi, auto manutenzione e auto ottimizzazione. L’ambito di impiego di tali macchine può così essere schematizzato nella Figura 4.

Il ruolo del fornitore di componenti

I requisiti che un fornitore di componenti deve soddisfare per servire al meglio le esigenze dei costruttori di centri di lavoro e macchine utensili sono molteplici: riveste particolare importanza la precisione, poiché i risultati ottenuti con motori lineari sono difficili da superare. Risulta quindi fondamentale l’accuratezza dei processi e la riduzione dei margini di tolleranza.

Nello specifico dei giunti, questi devono essere versatili, con tolleranze e cinematiche adattabili alle caratteristiche fisiche delle macchine. Per far fronte alla sempre maggior efficienza richiesta dalla crescente competitività, è necessario che siano inoltre resistenti, in modo da far fronte al continuo aumento delle velocità di taglio e movimento degli assi; infine è necessaria una notevole capacità di far fronte all’usura e alle variazioni di temperatura lungo tutto il ciclo di vita dell’impianto.

Queste caratteristiche sono tutte presenti nei giunti a soffietto in acciaio inox della serie BK prodotti da R+W Italia, azienda che si occupa della produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la propria esperienza a disposizione del progettista.
Si tratta di giunti molto robusti, che hanno la capacità di operare a un alto numero di giri e quindi a velocità elevata. Sono inoltre precisi, resistenti alle sollecitazioni, all’usura e alle variazioni di temperatura: qualità che li rendono adatti ad assecondare le dinamiche particolarmente elevate delle macchine a CNC.

I giunti BK a soffietto metallico, precisi e senza gioco, sono inoltre molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la lunga durata e soprattutto l’affidabilità.
Oltre ai giunti a soffietto metallico, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, come i giunti ad elastomero della serie EK, i limitatori di coppia della serie SK e i giunti con allunga della serie ZA e EZ.

I giunti a elastomero della serie EK combinano elevata flessibilità e buona resistenza. Smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi.
Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fra le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni.

I limitatori di coppia SK, assolutamente privi di gioco, permettono di proteggere il sistema motore in caso di sovraccarico, scollegandolo dalla parte condotta nel giro di pochi millisecondi. Estremamente precisi, trasmettono la coppia con gande accuratezza e intervengono solo in caso di effettiva necessità. Inoltre, consentono un riarmo semplice e rapido non appena viene rimossa la causa del sovraccarico.

I giunti con allunga della serie ZA-EZ sono ideali per collegamenti con grandi distanze assiali, eventualità spesso presente nelle macchine da imballaggio. Sono facili da montare e smontare senza che occorra muovere o allineare gli elementi da collegare. R+W ha in assortimento giunti con allunghe fino a 6 metri, che non necessitano di supporto intermedio. Disponibili in versioni speciali per quanto riguarda materiali, tolleranze, dimensioni e prestazioni, i giunti con allunga R+W se ben dimensionati e montati correttamente non hanno alcuna necessità di manutenzione e una durata molto lunga.