I moderni sistemi robotici industriali si affidano a infrastrutture sempre più complesse per supportare capacità di intelligenza artificiale (AI) e machine learning (ML) in continua evoluzione, connettività senza soluzione di continuità e implementazione scalabile all’interno della fabbrica. Questi sistemi richiedono sensori, hardware di sicurezza, protezione dei circuiti e componenti di controllo per soddisfare i requisiti di larghezza di banda elevata, risposta in tempo reale e rigorosi standard di sicurezza funzionale.
Questo articolo esplora le tecnologie fondamentali che supportano la tecnologia robotica dell'Industria 4.0, con particolare attenzione ai sensori SICK, alle soluzioni di sicurezza e al modo in cui i componenti di controllo industriale di Eaton aiutano a ottenere un controllo del movimento sicuro, un comportamento adattivo del sistema e un processo decisionale decisivo. Gli argomenti specifici di discussione includono i principali fattori trainanti dell'automazione intelligente ed elastica, come l'architettura della percezione, la conformità alla sicurezza delle macchine, le strategie di controllo tolleranti ai guasti e l'integrazione di reti di automazione edge distribuite.
Sistema di rilevamento avanzato per l'ambiente dinamico di fabbrica
Come mostrato nella Figura 1, i robot dell’Industria 4.0 hanno raggiunto un funzionamento sicuro ed efficiente nelle officine di fabbrica attraverso sensori avanzati. Sebbene operino in condizioni difficili come la luce in continuo cambiamento, la presenza di particelle nell’aria e le vibrazioni meccaniche, questi sensori devono comunque essere in grado di elaborare rapidamente dati in tempo reale per monitorare con precisione il personale, i robot mobili e le catene di montaggio in rapido movimento.
Braccio robotico multiasse Industria 4.0 di Igus
Figura 1: Il braccio robotico multiasse dell'Industria 4.0 utilizza sensori integrati e feedback in tempo reale per ottenere un funzionamento preciso e veloce. (Fonte immagine: Igus)
La piattaforma del robot integra più modalità di sensore per garantire la percezione spaziale e una risposta a livello di millisecondi. L'algoritmo di fusione dei sensori aggrega insieme queste informazioni di input per generare un modello coerente in tempo reale dell'ambiente operativo del robot. Il sistema visivo gestisce il rilevamento e il posizionamento degli oggetti, mentre il laser scanner a livello di sicurezza monitora gli approcci non autorizzati all'interno dell'area riservata. I sensori Time of Flight (ToF) a bassa latenza acquisiscono dati spaziali tridimensionali, consentendo la regolazione del percorso in tempo reale e un comportamento consapevole del contesto.
I robot si affidano anche a sensori interni e sensori di contatto per migliorare il controllo del movimento e l’interazione. I sensori tattili, inclusi i sensori di forza/coppia e gli interruttori di limite, possono fornire feedback per le attività di presa, assemblaggio e conformità. I sensori di prossimità induttivi, capacitivi e ultrasonici possono rilevare oggetti vicini senza contatto e la loro distanza di rilevamento è generalmente inferiore rispetto ai sistemi ToF. Encoder e potenziometri tracciano la posizione e la velocità del giunto per una pianificazione precisa del movimento, mentre le unità di misurazione inerziale (IMU) misurano l'accelerazione e la velocità angolare per mantenere la direzione e l'equilibrio. Infine, i sensori elettrici monitorano la corrente e la tensione per valutare il carico del motore e rilevare i guasti.
Sicurezza dei robot industriali basata su standard
I robot dell’Industria 4.0 devono rispettare rigorosi standard di sicurezza internazionali per proteggere la sicurezza del personale e delle attrezzature. I tre standard principali, ISO 13849, IEC 62061 e ISO 10218, specificano i requisiti di sicurezza funzionali e dei sistemi di controllo per i sistemi robotici delle officine di fabbrica.
La norma ISO 13849 delinea gli standard di progettazione e convalida per i componenti di controllo legati alla sicurezza. Questo standard adotta un approccio basato sul rischio e utilizza i livelli di prestazione (PL) per classificare l'integrità del sistema in base alla gravità dei pericoli, alla frequenza di esposizione e ai potenziali scenari di evitamento. La norma IEC 62061 quantifica la riduzione del rischio richiesta per la sicurezza funzionale dei sistemi di controllo elettrici, elettronici e programmabili utilizzando il livello di integrità della sicurezza (SIL). Questi standard specificano collettivamente i requisiti di progettazione, implementazione e convalida per le funzioni di percezione e controllo nelle applicazioni critiche per la sicurezza.
Lo standard ISO 10218 applica questi principi specificamente ai robot industriali, coprendo i requisiti di sicurezza per la progettazione dei robot, la disposizione delle unità di lavoro, l'integrazione del sistema e il funzionamento. Ciò include l'utilizzo di sensori di sicurezza per eseguire attività quali arresto di emergenza, protezione e monitoraggio del movimento. Questi componenti devono soddisfare soglie di prestazioni e affidabilità specificate e vengono generalmente dimostrati tramite test e convalida strutturati.
Gli standard ISO 13849, IEC 62061 e ISO 10218 costituiscono il nucleo degli standard di sicurezza dei robot. Altri standard, tra cui lo standard di sicurezza elettrica IEC 60204-1 e lo standard di collaborazione uomo-macchina ISO/TS 15066, hanno ampliato il quadro di base per l'implementazione e l'integrazione della sicurezza.
Sistema di sicurezza integrato per la collaborazione uomo-macchina
L'operatore della fabbrica adotta soluzioni di sicurezza di fornitori come SICK e Eaton per soddisfare gli standard in termini di funzionalità e sicurezza delle macchine. Ad esempio, il sistema Safe EFI Pro di SICK utilizza sensori, controller e attuatori integrati per supportare il controllo in tempo reale delle funzioni di sicurezza per robot fissi e mobili. Come mostrato nella Figura 2, il componente chiave del sistema, lo scanner laser di sicurezza microScan, può eseguire il rilevamento del movimento adattivo e dipendente dalla situazione in ambienti dinamici.
Laser scanner di sicurezza SICK microScan3
Figura 2: Lo scanner laser di sicurezza microScan3 di SICK è in grado di monitorare le aree protette e rilevare dinamicamente il movimento, fornendo supporto per la protezione adattiva in ambienti industriali. (Fonte immagine: MALATO)
Gli operatori possono anche utilizzare il sistema di protezione dell'estremità del braccio (EOAS) di SICK per mantenere una zona di protezione dinamica attorno alla testa dell'utensile del robot. L'EOAS utilizza la tecnologia ToF per ottenere una collaborazione uomo-macchina sicura e senza contatto con un tempo di risposta inferiore a 110 millisecondi.
A complemento di questi sistemi automatizzati, SICK fornisce anche componenti di sicurezza manuali e periferici. L'operatore può spegnere rapidamente la macchina azionando l'interruttore di arresto di emergenza ES21 in caso di emergenza. L'interruttore di sicurezza senza contatto STR1 adotta la tecnologia RFID per ottenere un monitoraggio protettivo e a prova di manomissione, supporta la codifica avanzata ed è conforme allo standard EN ISO 14119.