R+W e le sfide dell’Industria 4.0 con il giunto AIC

R+W presenta a Mecspe (Parma, 29-31 ottobre 2020, Pad. 5, stand G05) il giunto AIC: un componente smart con sensoristica integrata in grado di misurare, raccogliere e trasmettere dati durante il suo funzionamento, in piena sintonia con i principi della quarta rivoluzione industriale.

Con l’introduzione del giunto smart AIC, R+W  compie un numero considerevole di passi in avanti nell’evoluzione dei suoi prodotti. Il giunto smart AIC, insieme ai sistemi di supporto di cui è corredato, permette di affrontare le sfide dell’Industria 4.0 con modalità del tutto uniche, specie se confrontate con quelle fornite dalle altre tecnologie presenti sul mercato. La soluzione proposta da R+W risulta essere  già pronta per l’utenza finale, estendendo  prerogative e vantaggi della Quarta Rivoluzione Industriale anche ai sistemi preesistenti. Le richieste di mercato, in tal senso, rispecchiano la necessità emergente di integrazione in ecosistemi digitali dinamici e  caratterizzati dall’impiego di tecnologie chiave ben definite. Questi ecosistemi vengono originati dall’innovazione fondamentale introdotta dall’Industria 4.0, consistente nella digitalizzazione end-to-end dei processi di produzione,  che integra negli stessi tutte le risorse fisiche con i partner delle relative catene del valore. Le innovazioni così definite presentano spiccate caratteristiche di flessibilità; esse consentono di migliorare le procedure di ottimizzazione dei metodi e dei processi di produzione preesistenti, prefigurando l’introduzione di nuovi modelli aziendali data – driven e platform – based. Le stesse hanno inoltre determinato la sempre più crescente richiesta di soluzioni impiantistiche intelligenti, con infrastrutture informatiche dedicate all’attuazione di connessioni sempre attive, in grado di consentire la comunicazione e lo scambio di dati. Su queste premesse, tutte le componenti impiantistiche devono essere collegate tra loro in rete (sia cablata che wireless), al fine di permettere un monitoraggio costante dei processi produttivi, con un conseguente adattamento degli stessi ai nuovi modelli aziendali prima definiti. R+W ha così fatto propri i principali concetti chiave dell’Industria 4.0, implementando le principali soluzioni smart nel nuovo giunto AIC.

Struttura e caratteristiche meccaniche del giunto AIC

Il feedback principale recepito da R+W, nella realizzazione del giunto AIC, è dato dalla richiesta dell’utenza che sceglie di ricorrere all’impiego di un componente smart: nella realizzazione di una determinata catena cinematica, si devono poter determinare quanti più dati possibili nelle condizioni di esercizio, misurandoli direttamente all’interno della trasmissione. Ciò per conseguire il vantaggio principale di una stima quanto più possibile precisa dello stato effettivo della macchina, al fine di procedere all’esecuzione degli opportuni programmi di manutenzione. La premessa su indicata ha costituito, per R+W, la base di partenza per lo svolgimento delle attività della fase di ricerca e sviluppo, finalizzate alla realizzazione del giunto AIC.

Figura 1. Sezione semplificata del giunto AIC.

In Figura 1 viene mostrata una sezione semplificata del giunto AIC, con i principali componenti elettronici. Le scelte strutturali messe in atto da R+W, per la realizzazione degli alloggiamenti di tutti i sistemi di misura diretta dei dati di esercizio e degli altri componenti ICT (impiegati per la connettività e necessari alla trasmissione dei dati raccolti), sono partite da una serie di considerazioni relative agli strumenti di misura standard a disposizione. L’impiego di questi 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, data la non disponibilità di 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. L’integrazione degli strumenti di misura standard all’interno di una trasmissione, non risulta così realizzabile nella maggior parte dei casi; ciò accade non solo per le motivazioni indicate ma anche per l’impossibilità di realizzazione di 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 tramissione funzioni a regimi variabili) ma anche quello (considerevole) dei costi di produzione. Il giunto AIC presenta non solo delle caratteristiche uniche in termini dei vantaggi connessi all’ IoT (come verrà esposto in seguito), ma fornisce delle soluzioni strutturali che ne permettono l’integrazione con gli 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.

Figura 2. Struttura modulare, integrabile con gli spaziatori.
Figura 3. Esempio di applicazione heavy duty.

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 inoltre 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

R+W è consapevole di come la necessità di misurare direttamente i dati relativi alle condizioni di esercizio in una trasmissione, abbia avuto origine molto prima all’avvento dell’Industria 4.0. Il ricorso a dispositivi che si trovano in diretta interazione con il sistema misurato ha dato origine alla sensoristica, settore scientifico e tecnologico che si occupa dello studio, della progettazione e della realizzazione di questi dispositivi definiti, appunto, sensori. Nelle applicazioni industriali, la definizione di sensore viene riferita all’ambito metrologico, per cui questo componente effettua fisicamente la trasformazione della grandezza in ingresso in un segnale di altra natura. Le soluzioni di sensoristica integrata, precorritrici di quelle smart e realizzate già a partire dalla fine del secolo scorso, hanno come ambiti di applicazione tutte le soluzioni impiantistiche in cui è richiesto un monitoraggio continuo della coppia. Tale tipo di giunti vengono chiamati giunti torsiometrici ed hanno la funzione di misurare la potenza trasmessa lungo la catena cinematica in cui sono impiegati, tramite la misurazione contemporanea della coppia (Nm) e della velocità angolare (rad/s). R+W è partita dalla concezione di questi componenti per integrare, nel nuovo giunto AIC, 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 gli estensimetri, gli accelerometri e i giroscopi. È interessante evidenziare come le scelte attuate da R+W sulla tipologia di sensori integrati nel giunto AIC sia ottimale rispetto alle possibili esigenze di impiego. Infatti:

  • 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 impiegati 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 così concepita 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. Tutte le soluzioni per la sensoristica integrata scelte da R+W, sono allo stato dell’arte e sono pronte ad offrire all’utenza un sistema realmente evoluto rispetto ai primi giunti torsiometrici. In questo tipo di giunti, la trasmissione del segnale (proveniente dai sensori) veniva inizialmente effettuato tramite contatti ad anelli di scorrimento, successivamente sostituiti da soluzioni contactless basate sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica.

Quest’ultimo fenomeno fisico non è stato affatto tralasciato

R+W è riuscita a conseguire, con il giunto AIC, 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). Queste soluzioni consentono al giunto AIC di operare e trasmettere dati di 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 del giunto AIC

Con la realizzazione del giunto AIC, R+W offre alla sua utenza la possibilità di avvalersi di tutte le funzionalità e delle prestazioni di un sistema smart, che può operare nei contesti di applicazione dell’IoT. 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 a quei macchinari concepiti per essere impiegati in linee di produzione che operano in maniera automatica ed adattativa. Sulla base di questi aspetti, il sistema è concepito per interagire in maniera ottimale con l’operatore durante la raccolta ed il trattamento dei dati, al fine di conseguire un impiego adeguato in tutti i contesti di Produzione assistita dall’IoT, intesa come concetto chiave dell’Industria 4.0. In relazione a questa attività, la raccolta dei dati riguarda le seguenti grandezze fisiche:

  • coppia (con un errore <1%);
  • velocità (con un errore <3%);
  • vibrazione (con un errore <3%)
  • compressione / estensione (con un errore <3% per combinazioni LP calibrate fino a 1000 Nm)
Figura 4. Rappresentazione dei dati misurati su app Android.

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 livello 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.

Figura 6. Panoramica completa delle grandezze misurate, fornita dalla dashboard.
Figura 5. Esempio di esportazione dei dati 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 consente, inoltre, una valutazione ed una comprensione migliorata del comportamento dei corpi rotanti componenti la trasmissione. Sulla base delle caratteristiche e delle funzionalità descritte, i campi di applicazione previsti da R+W, per il giunto AIC, possono 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.
Figura 7. Modalità di visualizzazione dei grafici.

Questi campi di applicazioni sono fondamentali e l’applicazione negli stessi del giunto AIC risulterà ottimale, specialmente in tutte quelle situazioni in cui verranno attuate modalità di produzione finalizzate all’ottimizzazione delle attività componenti i processi. Tali caratteristiche vanno a conseguire 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. Sulla base di queste premesse, i vantaggi conseguibili con l’impiego del giunto AIC possono essere sintetizzati come di seguito:

  • 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.

È evidente come l’impiego del giunto AIC concorra, in maniera efficace, a facilitare l’intero ciclo di vita di un prodotto singolo o di una gamma di prodotti, in relazione al suo utilizzo nelle catene cinematiche presenti nei macchinari di produzione critici. Unendo queste caratteristiche a quelle descritte in precedenza, risulta evidente vi sia l’impegno di R+W a fornire all’utenza finale servizi di supporto riconfigurabili, flessibili, collaborativi e personalizzabili su richiesta. Il giunto AIC prodotto da R+W fornisce un importante esempio di avanzamento tecnologico e concettuale non solo per il settore dei componenti delle trasmissioni ma anche per quello  degli azionamenti. 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.