Giunti smart per l’Industria 4.0

Con il giunto AIC R+W presenta un componente smart con sensoristica integrata in grado di misurare, raccogliere e trasmettere dati durante il suo funzionamento, in piena sintonia con i principi di Industria 4.0: un valido esempio di avanzamento tecnologico e concettuale non solo per il settore dei componenti delle trasmissioni, ma anche per quello degli azionamenti.

In risposta alle esigenze del mercato in termini di digitalizzazione, R+W ha sviluppato il giunto AIC, un componente smart che si presta in modo ottimale all’integrazione in ecosistemi digitali. Questi ecosistemi contribuiscono alla digitalizzazione end-to-end dei processi di produzione, che coinvolge tutti i partner della catena del valore. La scelta di un componente smart all’interno di una trasmissione nasce dall’esigenza di rilevare quanti più dati possibile delle condizioni di esercizio di una catena cinematica, arrivando a ottenere una stima il più possibile precisa dello stato effettivo della macchina/impianto, al fine di procedere all’elaborazione del programma di manutenzione.

Struttura e caratteristiche meccaniche del giunto

In Figura 1 viene mostrata una sezione semplificata del giunto AIC, con i principali componenti elettronici. Le scelte adottate da R+W per la realizzazione degli alloggiamenti dei sistemi di misura diretta dei dati di esercizio e degli altri componenti ICT (impiegati per la connettività e necessari alla trasmissione dei dati raccolti), si basano su una serie di considerazioni relative agli strumenti di misura standard a disposizione. L’impiego di tali strumenti all’interno di una trasmissione, tramite la realizzazione degli appositi alloggiamenti, avrebbe incrementato gli ingombri della trasmissione stessa. Il contenimento dell’inerzia e degli ingombri costituisce il principale vincolo da rispettare durante le attività di progettazione di una trasmissione, per cui l’integrazione in essa di strumenti standard di misura non sempre è realizzabile, visto che non sono disponibili versioni miniaturizzate per tutte le tipologie di strumentazione richieste. Inoltre, gli alloggiamenti devono essere tali da consentire l’esecuzione della misura stessa, il che costituisce un ulteriore limite inferiore alla riduzione degli ingombri.

Ne deriva che l’integrazione degli strumenti di misura standard all’interno di una trasmissione non è realizzabile nella maggior parte dei casi; ciò accade non solo per le ragioni di cui sopra, ma anche per l’impossibilità di realizzare un sistema di trasmissione dei dati tramite cablaggi standard. Ogni possibile soluzione al problema, comunque limitata in termini di funzionalità e prestazioni ottenibili, comporterebbe non solo un incremento del momento di inerzia (che costituisce una criticità aggiuntiva nel caso in cui la trasmissione funzioni a regimi variabili), ma anche quello (considerevole) dei costi di produzione. Il giunto AIC presenta non solo vantaggi connessi all’IoT, ma fornisce soluzioni strutturali che ne permettono l’integrazione con altri prodotti R+W preesistenti. Può infatti essere impiegato con tutti i giunti con uno spaziatore intermedio dei giunti lamellari delle serie LP2, LP3, LPA, dei giunti con allunga delle serie ZA, ZAE ed EZ2; come sviluppi prossimi vi è l’integrazione con i gruppi flangiati STF, mentre l’integrazione con le altre tipologie di giunti (EK, ST, SK, BK ed ES) è attualmente in fase di sviluppo. Tali caratteristiche di integrazione sono rese possibili grazie alla particolare struttura modulare realizzata, facilmente integrabile negli spaziatori come mostrato in Figura 2. Queste scelte strutturali consentono l’impiego del giunto AIC anche in applicazioni heavy duty, come mostrato in Figura 3. Ulteriori vantaggi, sempre a livello strutturale, sono dati dalla semplicità di istallazione, grazie all’assenza di flange aggiuntive. Le scelte indicate hanno permesso di conseguire sia elevati livelli di protezione della sensoristica (che viene racchiusa in un’apposita sigillatura) che di economicità della produzione.

Funzioni e connettività del giunto AIC

Nel nuovo giunto AIC R+W ha integrato sensori e soluzioni allo stato dell’arte per il trattamento del segnale. Il cuore del sistema è così dato dalla componentistica elettronica, che integra diverse tipologie di sensori come estensimetri, accelerometri e giroscopi. Gli estensimetri estendono le funzionalità fornite dai primi giunti torsiometrici, fornendo una misura della deformazione torsionale localizzata (o della deflessione torsionale complessiva) partendo da quella delle sollecitazioni meccaniche. Gli accelerometri rilevano e misurano le oscillazioni e le vibrazioni strutturali, riferite alla globalità della catena cinematica ottenuta. I giroscopi, infine, sono del tipo dedicato alla misura della velocità angolare, costituiti generalmente da un accelerometro a 3 assi o da una serie di accelerometri monoassiali disposti in senso radiale, in numero adatto a fornire una lettura estratta dalla media delle letture dei singoli accelerometri componenti. Oltre alla sensoristica integrata, vi è una scheda elettronica che monta un microcontrollore, un modulo radio Bluetooth e un amplificatore di segnale. La scheda elettronica fornisce le funzioni di connettività che rendono il giunto AIC, di fatto, un componente smart. La sua alimentazione viene realizzata tramite un accumulatore al litio; il sistema di ricarica impiegato presenta aspetti estremamente interessanti, di seguito esposti.

Il fenomeno dell’induzione elettromagnetica consente la ricarica wireless

Con il giunto AIC R+W ha realizzato un esempio unico di estensione del concetto di trasduttore, inteso come unione tra sensore e dispositivi di trattamento del segnale. Gli ultimi aggiornamenti realizzati, infatti, riguardano sia il miglioramento della comunicazione giunto-sistema di controllo (ottenuto impiegando un gateway esterno configurato per ottimizzare le attività di raccolta e trattamento dei dati) che il sistema di ricarica wireless (consistente in un dispositivo che sfrutta il fenomeno dell’induzione elettromagnetica prima accennato, generato dai sistemi wireless di trasmissione dati). Il giunto AIC è così in grado di operare e trasmettere dati in continuo, senza avere il limite di un determinato tempo di misura legato alla carica dell’accumulatore, realizzata durante le normali condizioni di esercizio. Sfruttando il fenomeno dell’induzione elettromagnetica, R+W è riuscita a realizzare un sistema efficiente di ricarica dell’accumulatore senza l’impiego di alcun dispositivo aggiuntivo, con ulteriori vantaggi economici. Inoltre, l’inserimento di tali dispositivi è stato realizzato in maniera tale da non costituire una criticità strutturale in termini di incremento del momento d’inerzia, mantenendo così invariate le proprietà meccaniche.

Campi di applicazione e vantaggi

Il giunto AIC, con le sue capacità di percepire, interagire e interconnettersi, costituisce un elemento di profondo cambiamento in termini di prestazioni ottenibili e di realizzazione di catene cinematiche dedicate, specie quando destinate alle macchine che operano in linee di produzione automatizzate e, soprattutto, in tutti i contesti di Produzione assistita dall’IoT. Il sistema è concepito per interagire in maniera ottimale con l’operatore durante la raccolta e il trattamento dei dati in relazione alle seguenti grandezze fisiche: coppia (con un errore <1%); velocità (con un errore <3%); vibrazione (con un errore <3%) e compressione / estensione (con un errore <3% per combinazioni LP calibrate fino a 1000 Nm). La rappresentazione dei dati misurati, relativi a queste grandezze, viene realizzata tramite un’apposita app per dispositivi mobili Android, come mostrato in Figura 4; gli stessi dati misurati possono essere registrati ed esportati nel formato csv, come mostrato in Figura 5. La dashboard della suddetta app fornisce una panoramica completa delle grandezze misurate, che comprende anche i valori massimi, quelli minimi e la loro media, come mostrato in Figura 6.

Le modalità di visualizzazione dei grafici sono mostrate in Figura 7; l’app dà la possibilità di sovrapporre più curve diverse in un unico grafico e di visualizzare i dati misurati da più giunti AIC che operano in contemporanea. Altre funzioni di visualizzazione riguardano il liv ello di carica degli accumulatori al litio, descritti in precedenza, e la visualizzazione della potenza del segnale wireless; ad esse si aggiungono il tasto di cattura della schermata (screenshot) e quello di esportazione su file nel formato csv. Queste modalità di misurazione possono comunque essere estese anche a sistemi fissi e preesistenti; tale estensione è tuttora in via di sviluppo. Le modalità di aggregazione delle misurazioni consentono, inoltre, di meglio valutare e comprendere il comportamento dei corpi rotanti componenti la trasmissione. Sulla base delle caratteristiche e delle funzionalità descritte, i campi di applicazione del giunto AIC, possono quindi essere riferiti a quelli fondamentali nell’ambito della Produzione Intelligente, ovvero: attività di manutenzione predittiva; setup di test di collaudo; verifica dati teorici progettuali; controlli in tempo reale di parametri quali vibrazioni, temperature e forze di richiamo. Viene così svolta la funzionalità principale della Produzione Intelligente: supportare l’aggiornamento e la gestione della produzione, insieme al percorso di ricerca e sviluppo per una data tipologia di prodotto. I vantaggi conseguibili con l’impiego del giunto AIC possono quindi essere così sintetizzati: monitoraggio continuo dell’utilizzo in tempo reale; manutenzione predittiva basata sull’applicazione; monitoraggio della qualità tramite controllo di fine linea; validazione dei dati progettuali con i dati reali rilevati nelle condizioni di esercizio. Ma non è tutto: i risultati conseguiti con il giunto AIC ne fanno un componente di riferimento anche nella tecnologia dei sistemi ciberfisici, per i quali oggetti fisici e piattaforme software sono integrati per scambiare le informazioni in maniera ottimale.