Riassunto: Il sistema di trasporto Power & Free (P&F) è un‘attrezzatura per la movimentazione dei materiali completamente funzionale e flessibile. Non solo trasporta pezzi in lavorazione, ma può anche smistarli e stoccarli, rendendolo ampiamente applicabile nella produzione industriale. Questo articolo introduce la progettazione ingegneristica di un sistema di trasporto P&F, prendendo come esempio l‘officina di saldatura di una fabbrica di automobili.

Parole chiave: Sistema Power & Free, Progettazione ingegneristica, Automazione della produzione

I. Panoramica del processo

1. Programma di produzione:
La capacità della Linea A è di 90.000 veicoli per due turni. La capacità della Linea B è di 50.000 veicoli per due turni. La capacità totale del sistema P&F è di 140.000 veicoli per due turni. Il peso massimo di una scocca grezza (BIW) è di 500 kg.

2. Flusso del processo:

• Stazione di carico: i BIW qualificati, una volta completata la saldatura nell‘officina di saldatura, vengono trasferiti sul trasportatore P&F.
• Zona di stoccaggio (area di accumulo): diversi tipi di BIW possono essere immagazzinati in zone classificate.
• Linea di trasporto: trasporta i BIW immagazzinati sui trasportatori P&F all‘officina di verniciatura.

• Stazione di scarico: i BIW vengono trasferiti dal trasportatore P&F al trasportatore a slitta dell‘officina di verniciatura.

3. Struttura della pianta:
L‘impianto è costituito da una struttura leggera in acciaio con carichi di processo distribuiti uniformemente in tutta l‘officina. La griglia strutturale è di 1 punto ogni 8 m lungo la lunghezza dell‘officina e di 1 punto ogni 3 m lungo la larghezza (perpendicolarmente all‘officina). Ciò si traduce in una distribuzione della griglia di 3 m x 8 m, con ogni punto di sollevamento che supporta un carico verticale di 4,5 t e un carico orizzontale di 0,8 t.

II. Determinazione del percorso del sistema P&F e delle apparecchiature principali

Componenti del sistema: montacarichi/elevatore di carico, linea di trasporto, zona di stoccaggio, montacarichi/elevatore di scarico, sistema di controllo elettrico.

1. Montacarichi/elevatore (sollevatore):
Un sollevatore è installato nella posizione di carico sia della Linea A che della Linea B. Il segmento del sollevatore, che include un trasportatore a rulli, si solleva all‘altezza richiesta e trasferisce il BIW in posizione. Il fermo sulla linea P&F davanti alla posizione di attesa si apre e il carrello vuoto viene tirato dalla catena verso il fermo del sollevatore. Il carrello viene quindi posizionato e localizzato dal dispositivo di posizionamento del perno del carrello. Il sollevatore scende, separando il trasportatore a rulli dal pezzo in lavorazione, che si deposita sul carrello vuoto. Il sollevatore continua a scendere fino alla posizione di ricezione. Il fermo del segmento del sollevatore si apre e il carrello carico viene tirato dalla catena nella linea di stoccaggio.

2. Linea di trasporto:
Il percorso è progettato nel modo più razionale possibile, garantendo che il sistema di trasporto non interferisca con le altre attrezzature presenti in officina. Il percorso soddisfa i requisiti per il trasporto e lo stoccaggio di materiali trasportabili. La lunghezza totale del percorso è di circa 2000 metri, con 6 stazioni di azionamento predisposte per controllare sei catene di trasporto separate.

3. Zona di stoccaggio:
Poiché l‘officina produce tre serie principali di prodotti e la sequenza richiesta di veicoli nel reparto verniciatura differisce dalla sequenza di produzione del reparto saldatura, è necessario considerare la sequenza e lo stoccaggio dei BIW. In base alle condizioni effettive e allo spazio disponibile in officina, sono progettate tre linee di stoccaggio per immagazzinare tre diversi tipi di BIW, ciascuna in grado di contenere 20 BIW. È inoltre incluso un canale di trasporto rapido aggiuntivo, che consente ai BIW in arrivo di bypassare l‘area di stoccaggio e di procedere direttamente al reparto verniciatura tramite la linea di trasporto.

4. Sollevatore/elevatore di scarico:
Il contenitore carico viene tirato dalla catena fino al fermo del sollevatore, dove il dispositivo di posizionamento del perno del contenitore lo posiziona. Il sollevatore si solleva all‘altezza desiderata, solleva il BIW e quest‘ultimo si separa dal contenitore. Il dispositivo di posizionamento del perno del contenitore si disinnesta, il fermo del contenitore si apre e il contenitore vuoto viene tirato via dalla stazione di scarico dalla catena. Il BIW viene quindi trasferito tramite una forca telescopica sulla slitta del rullo di verniciatura.

III. Caratteristiche strutturali e prestazioni delle principali apparecchiature del sistema P&F

Il sistema di trasporto utilizza un trasportatore aereo P&F a spinta, monoblocco, largo 10 cm, per trasportare i prodotti. I componenti principali includono l‘unità di azionamento, il dispositivo di tensionamento, la catena, il carrello/carrello secondario, il dispositivo di spinta, il binario rettilineo, il binario curvo orizzontale (curve a rulli), il binario curvo verticale, gli scambi, il gruppo trasportatore, i fermi, i decoder, le reti di protezione e altre strutture in acciaio per l‘installazione. Le strutture sono le seguenti:

1. Unità di azionamento
L‘unità di azionamento adotta una trasmissione lineare. La stazione di azionamento lineare è dotata di una catena di trasmissione indipendente di tipo caterpillar per azionare la catena di trazione. La piastra di guida della catena di trasmissione di tipo caterpillar ha una forma ad arco ampio per ridurre al minimo le fluttuazioni della catena di trazione e garantire una guida fluida. La stazione di azionamento lineare è costituita da un telaio fisso e da un telaio flottante. Il motore di azionamento utilizza un controllo di velocità a frequenza variabile ed è dotato di un dispositivo di protezione da sovraccarico.
L‘unità di azionamento lineare di tipo Caterpillar è composta da un telaio macchina, un telaio flottante, un motoriduttore e una catena di trasmissione. Il motore aziona direttamente il riduttore tramite un giunto ed è dotato di una protezione da sovraccarico meccanico flottante lineare (rotante). Il robusto telaio di supporto garantisce che l‘unità di azionamento fornisca una forza motrice sufficiente. La ruota di tensionamento regolabile e il meccanismo di supporto della catena semplificano e facilitano l‘installazione e la regolazione del gioco di ingranamento della catena. In caso di sovraccarico, la protezione da sovraccarico meccanico flottante lineare può segnalare e interrompere l‘alimentazione in modo tempestivo. Una piattaforma di ispezione è predisposta presso l‘unità di azionamento per un facile accesso a ogni componente. I punti di ingrassaggio sono posizionati in modo pratico per la lubrificazione manuale.

2. Dispositivo di tensionamento
Il trasportatore P&F adotta un meccanismo di tensionamento pneumatico, con supporti a rulli tra i telai fissi e flottanti. Finecorsa sono installati su entrambe le estremità del dispositivo di tensionamento per proteggere la catena da una tensione insufficiente e da una corsa eccessiva del dispositivo. Viene selezionato un dispositivo di tensionamento pneumatico con una corsa di s=800 mm, in grado di assorbire una lunghezza della catena pari a un passo di spinta. Dopo la regolazione, la corsa inutilizzata del dispositivo di tensionamento non è inferiore al 50% della corsa totale. Il dispositivo di tensionamento è dotato di una piattaforma di ispezione.

3. Catena, carrello (carrello slave) e spintore
La catena di trazione utilizza una catena standard forgiata smontabile, realizzata in acciaio 45Mn2. La catena X-458 ha un carico di rottura e una tensione ammissibile rispettivamente di 216 kN e 15 kN, con un passo teorico di 102,4 mm. La catena deve scorrere senza strisciare o saltare.
La catena di trazione è supportata da carrelli di supporto. Il corpo del carrello è un componente forgiato integrale ad alta resistenza. Il carrello di supporto è assemblato tramite bulloni. I rulli sono ruote con cuscinetti integrali (pieno di sfere senza gabbia), che offrono un gioco moderato, bassa resistenza, una protezione a labirinto a tre strati e un ingrassatore esterno a pressione, rendendoli adatti all‘uso in ambienti ad alta temperatura e difficili. La disposizione dei carrelli è razionale e coordinata con le spire verticali e orizzontali della catena di trazione. Si consiglia di utilizzare un supporto a doppio gruppo su entrambi i lati del dispositivo di spinta.
Viene utilizzato un carrello portacarico a quattro ruote, composto da un carrello anteriore, un carrello posteriore, due carrelli intermedi, una biella ammortizzata, una biella rigida e una biella di distribuzione. Il carrello anteriore del carrello portacarico è il carrello di trazione. Il carrello anteriore collabora con il fermo e il carrello posteriore per realizzare le funzioni di arresto e accumulo. I carrelli intermedi sono utilizzati per supportare il carrello. Due serie di perni di collegamento possono supportare il carrello. Una serie di bielle con funzione di ammortizzazione garantisce la lunghezza di accumulo e realizza l‘ammortizzazione del set di trasporto. I carrelli anteriore e posteriore sono realizzati in acciaio fuso di precisione. Il corpo del carrello e le piastre laterali sono collegati con bulloni e dadi di bloccaggio ad alta resistenza per garantire la sicurezza e l‘affidabilità del carrello. Il carrello portacarico soddisfa i requisiti di semplicità di installazione, flessibilità di funzionamento, struttura ragionevole, robustezza, durata e facilità di manutenzione. Presenta un gioco moderato, bassa resistenza, buona tenuta e un ingrassatore esterno a pressione.

4. Binario (binario dritto)
Il binario è costituito da tre sezioni di acciaio profilato, collegate tramite saldatura, con l‘unione delle sezioni ottenuta tramite bullonatura. Il binario a catena è in acciaio I10, mentre il binario del carrello è in acciaio speciale a canale da 4".

5. Binario curvo orizzontale (curve a rulli)
La sezione di svolta orizzontale del binario a catena nel binario curvo orizzontale è dotata di rulli di trazione per garantire la corretta traiettoria della catena di trazione e il corretto rapporto di accoppiamento tra lo spintore e il carrello. Nella sezione di svolta orizzontale, la catena di trazione entra in contatto con i rulli dei rulli di trazione, che presentano una certa durezza. I rulli sono installati in una pista con gola appositamente realizzata. I rulli sono dotati di cuscinetti sigillati con ingrassatori esterni per una lubrificazione regolare. L‘angolazione del binario curvo orizzontale è determinata dalla disposizione complessiva della linea. Il materiale utilizzato per la produzione del binario curvo orizzontale è lo stesso del binario rettilineo.

6. Binario curvo verticale
La superficie del binario curvo verticale è liscia e la sua curvatura non influisce sulla tensione della catena. La curvatura del binario viene determinata in base ai requisiti del processo.

7. Deviatoi
Gli interruttori si dividono in interruttori deviatori e interruttori convergenti.

• Deviatori: utilizzati per dividere una linea in due. La selezione della direzione al passaggio del carrello di carico attraverso il deviatore è controllata automaticamente dal PLC nella sala di controllo elettrico tramite un‘elettrovalvola, un cilindro pneumatico e una linguetta di commutazione nell‘unità pneumatica del deviatore.
• Deviatoi convergenti: si tratta di deviatoi non controllati, utilizzati per unire due linee in una sola. Il carrello di carico attraversa il deviatoio convergente affidandosi al carrello stesso per aprire la linguetta del deviatoio.

8. Gruppo portante
Il gruppo portante è costituito da un carrello anteriore, due carrelli centrali, un carrello posteriore, bielle anteriori e posteriori e il portante (dima).

9. Tappo
Il dispositivo di arresto utilizza una piastra di arresto a rulli azionata da un cilindro pneumatico. Quando il dispositivo di arresto è innestato, arresta il carrello anteriore del gruppo trasportatore dopo che si è disimpegnato dall‘asta di spinta della catena di trazione, posizionandolo in modo corretto. Questo sistema è dotato di un dispositivo di rilevamento della posizione del dispositivo di arresto.

10. Reti di protezione e altre strutture in acciaio per installazioni
Come parte integrante del sistema, le reti di protezione sono installate nelle aree di passaggio della linea di trasporto. La struttura in acciaio dell‘installazione adotta uno schema di sospensione a traliccio indipendente.

IV. Progettazione del sistema di controllo elettrico della catena P&F

Il sistema di controllo elettrico adotta il PLC Siemens serie S7 come nucleo per il controllo a livello di apparecchiatura, configurato con moduli di comunicazione Ethernet e moduli di comunicazione fieldbus. Un allarme musicale suona prima dell‘avvio automatico della linea. Il circuito principale di tutti i motori del sistema è dotato di interruttori automatici di bassa tensione. Il circuito di controllo è completato congiuntamente dal PLC e dai convertitori di frequenza per ottenere il funzionamento ad alta/bassa velocità e avanti/indietro dei motori. Allo stesso tempo, il circuito di controllo del convertitore di frequenza fornisce un‘uscita di guasto per sovraccarico, cortocircuito, perdita di fase e altre funzioni di protezione per i motori.

L‘acquisizione dei segnali di ingresso sul campo e lo scambio di informazioni con la linea di regolazione e l‘officina di verniciatura adottano la tecnologia fieldbus. Questa tecnologia offre un‘eccellente apertura e un protocollo di rete completo e rigoroso. La stazione master del PLC e le stazioni operative sottostanti formano una rete Profibus-DP attraverso il bus, garantendo una lettura e scrittura affidabile dei dati tra il PLC e le sottostazioni e, in definitiva, garantendo la produzione automatizzata e il controllo automatico dei parametri di processo per l‘intera linea tramite la programmazione. Lo stato di tutte le apparecchiature sul campo può anche essere inviato prima al PLC e poi al computer host per il monitoraggio centralizzato tramite la rete fieldbus. Lo schema di controllo è semplice, la struttura è concisa e la manutenzione è comoda. Inoltre, il quadro elettrico è dotato di un touch screen per la visualizzazione dello stato operativo dell‘apparecchiatura e per una rapida ricerca dei guasti.

Il sistema di controllo elettrico della catena P&F è costituito da un pannello di controllo principale (MCP), tre pannelli di controllo remoto (RCP) e nove stazioni operative (OS). L‘MCP è il pannello di controllo principale della catena P&F di saldatura; gli RCP sono gli armadi di controllo elettrico della catena P&F RCP01, RCP02 e RCP03; le OS sono le stazioni operative BS01, BS02, BS03, BS04, BS05, BS06, BS07, BS08 e BS09. Tra queste, le stazioni operative BS01, BS03 e BS09 sono dotate di touch screen.

Il sistema di trasmissione a catena P&F è composto da 6 motori di azionamento: M1, M2, M3, M4, M5 e M6.

Procedura di avviamento della linea a catena P&F:

Chiudere l‘interruttore principale all‘interno del Welding P&F Chain MCP per alimentare RCP01, RCP02 e RCP03 → Chiudere gli interruttori automatici all‘interno di RCP01, RCP02 e RCP03 per alimentare i PLC, gli apparecchi elettrici all‘interno di RCP01, RCP02 e RCP03 e le stazioni operative da BS01 a BS09 → Chiudere gli interruttori automatici all‘interno delle stazioni operative per alimentare i PLC e gli apparecchi elettrici all‘interno delle stazioni operative → Se tutto è normale, l‘alimentazione di controllo può essere chiusa con una chiave e la spia dell‘alimentazione di controllo si accende → Andare alla stazione remota RCP01, selezionare la modalità di funzionamento della linea: "Semi-automatica", "Manutenzione" o "Automatica" → Chiudere gli interruttori automatici del motore all‘interno della stazione remota per abilitare l‘avvio dei motori di azionamento M1, M2, M3, M6, M4 e M5, azionando la linea della catena. → Andare alla stazione remota RCP01, premere "Avvio sistema".

Se è selezionata la modalità "Manutenzione", la spia di avvio del sistema si accende. Se è selezionata la modalità "Semi-automatica" o "Automatica", la linea della catena inizierà a funzionare automaticamente e la spia di avvio del sistema si accenderà.

Procedura di arresto della linea della catena P&F:

Andare al pannello di controllo remoto RCP01 e premere "Arresto sistema". La linea della catena si arresta e la spia luminosa di arresto del sistema si accende.

Le modalità di funzionamento della linea a catena sono "Semi-automatica", "Manutenzione" e "Automatica". Se la modalità di funzionamento della linea è "Manutenzione", i sollevatori LF1, LF2 e gli stopper possono essere azionati manualmente per consentire al personale addetto alla manutenzione di eseguire il debug. Se la modalità di funzionamento della linea è "Semi-automatica" o "Automatica", tutti i dispatcher e gli stopper possono funzionare solo quando la linea a catena è in funzione. Se la linea a catena entra in un arresto di emergenza, tutti i dispatcher e gli stopper manterranno il loro stato attuale fino al riavvio della linea a catena.
In caso di guasto dell‘apparecchiatura, premere immediatamente il pulsante di arresto di emergenza sul pannello di controllo remoto, sulla stazione operativa o sulla pulsantiera. Una volta completata la riparazione del guasto, la linea a catena può essere riavviata solo dopo aver premuto il pulsante "Ripristino guasto".

Test dell‘indicatore di produzione:

Premere il pulsante "Test Indicator"; tutte le spie si accendono e viene emesso un segnale acustico. Rilasciando il pulsante, il test si interrompe.

Attualmente, i trasportatori aerei utilizzati dalle case automobilistiche non servono solo a trasportare pezzi e scocche; sono sistemi di controllo meccanici ed elettrici completi con un altissimo grado di automazione. Possono supportare la produzione in linea di diversi tipi di scocche e possono gestire il trasporto e lo stoccaggio delle scocche in base alle esigenze di produzione. La stazione di trasferimento richiede un posizionamento preciso e un trasferimento automatico. L‘intero sistema di trasporto P&F può trasportare con precisione i pezzi finiti nell‘officina di saldatura all‘officina di verniciatura senza richiedere l‘intervento manuale.