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INTRODUZIONE
Lo studio descritto in questo documento tratta l’analisi e la riprogettazione di una pinza di presa
usata per la manipolazione di oggetti nel settore della produzione industriale.
Esso nasce dalla reale esigenza da parte dell’azienda MWV – Spray Plast di migliorare la durata di
esercizio dei manipolatori utilizzati nelle sue linee automatiche di montaggio.
MWV – Spray Plast (o MWV – Vicenza S.p.A.) ha sede in Romano d’Ezzelino, in provincia di
Vicenza, ed è produttrice di spruzzatori a grilletto e dosatori a pompa in materiale plastico,
specializzata precedentemente in applicazioni per le pulizie, giardinaggio, cura dell’auto e uso
industriale, e in rapida espansione dal 2005 nel mercato del detergente. Vende il 94% dei sui
prodotti in territorio europeo, il 4% nel Nord America, e il rimanente nel resto del mondo.
Spray Plast, fondata nel 1973 e acquisita nel novembre 2010 da MeadWestvaco Corporation
(MWV), è un’azienda in continua sviluppo sia a livello di produzione e di vendite, sia a livello del
personale.
Regista infatti un aumento di pezzi prodotti che va da 75 milioni nel 2005 a 240 milioni nel 2011,
una crescita delle vendite da 35 milioni nel 2005 a 205 milioni di pezzi nel 2011 (da € 6,5 milioni
nel 2005 a € 26 milioni nel 2011), e un incremento del personale che va da 46 dipendenti nel 2005 a
117 nel 2011.
La ditta è tuttora è in espansione con la costruzione di un nuovo stabile adibito a magazzino, pronto
da fine settembre 2011.
Nel processo automatico di assemblaggio degli spruzzatori è utilizzata la pinza di presa oggetto di
questo studio, presentata nel primo capitolo. In particolare verranno descritte le caratteristiche
principali di ogni sua parte, il funzionamento, illustrando le diverse fasi che vanno a definire il ciclo
di lavoro, e le problematiche di rottura dei terminali e di usura della pinza che limitano la durata
della vita in esercizio. Queste ultime costituisco un problema non indifferente per la ditta che ha
richiesto questo studio in quanto, oltre al costo dei manipolatori, l’operazione di sostituzione delle
pinze richiede l’arresto dell’intera linea di montaggio di circa un’ora e mezza, bloccando quindi la
produzione. Se questo tipo di intervento viene effettuato frequentemente il riscontro in termini di
costo diventa significativo.
Analizzata la pinza sono state proposte alcune soluzioni progettuali modellate in SolidWorks,
descritte e illustrate nel secondo capitolo. Le nuove geometrie sono state disegnate cercando di
irrobustire i terminali del manipolatore nelle zone in cui si innesca il processo di rottura e di
aumentare le superfici sulle quali sono applicati i carichi durante l’esercizio, con il fine di ridurre i
valori delle sollecitazioni.
Il terzo capitolo riporta in sintesi le analisi numeriche comparative delle tensioni svolte con
ANSYS Workbench (argomento approfondito nella sezione B dell’appendice), in particolare
evidenziando gli sforzi massimi che si raggiungono nei diversi casi studiati, mettendo poi a
confronto i risultati ottenuti dalle analisi dello stato di fatto con quelli delle nuove geometrie
proposte.
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L’analisi comparativa delle sollecitazioni ha portato alla scelta di sue soluzioni progettuali per le
quali sono stati realizzati i prototipi dall’azienda di automazione Mapor Caldart in San Mauro
Torinese (TO). Uno di questi prototipi e una pinza allo stato di fatto sono stati sottoposti a test su un
banco di prova costruito appositamente da MWV – Spray Plast e a misure geometriche.
I risultati ottenuti, descritti nel capitolo 4, indicano che la soluzione progettuale testata comporta
vantaggi in termini di resistenza a fatica e usura.
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1. LA PINZA DI PRESA
In questo primo capitolo verrà presentata la pinza di presa sulla quale è stato realizzato questo
studio. Verranno descritte le sue caratteristiche fisiche e tecniche, tutte le parti che la compongono e
il suo funzionamento.
Sono inoltre presentate e spiegate le principali problematiche in esercizio che hanno dato motivo e
vita a questo studio di riprogettazione, realizzato per migliorare il comportamento a fatica e ridurre
l’usura dei componenti della pinza.
1.1 PANORAMICA GENERALE
La pinza di presa, chiamata anche mano di presa, è un organo meccanico inserito in un sistema di
automazione dedicato alla presa e al rilascio o alla manipolazione di un pezzo che può essere
predisposto a montaggio, a una lavorazione o piø semplicemente ad uno spostamento.
Si possono distinguere due grandi famiglie di pinze, che si differenziano per modalità di presa:
pinze parallele e pinze angolari (dette anche “a compasso”).
Le prime adottano dei terminali, ovvero le “dita” che vanno ad afferrare il pezzo, che rimangono
paralleli tra di loro e realizzano l’operazione di presa tramite una traslazione di avvicinamento
(schematizzato in figura 1.1).
Figura 1.1: Schema mano di presa parallela: A) Pinza Aperta. B) Pinza Chiusa.
I terminali delle pinze angolari invece non vengono traslati, bensì fatti ruotare di un angolo
sufficiente per afferrare il corpo (vedi schema in figura 1.2).
Figura 1.2: Schema mano di presa angolare: A) Pinza aperta. B) Pinza chiusa.
Altre distinzioni si possono effettuare in base al numero di terminali della mano (possono essere di
un numero superiore a 2), e al tipo di meccanica che comanda il movimento di apertura e chiusura
(che può essere a vuoto, ad aria compressa, ecc.) .
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1.2 LA PINZA DI PRESA E LE SUE PARTI
La pinza di presa soggetta al nostro studio è illustrata in figura 1.3. ¨ una Pinza Parallela a Doppio
Effetto (PPDE): i terminali, ovvero le “dita”, si muovono infatti rimanendo sempre paralleli tra di
loro e gli effetti di presa e rilascio del pezzo (chiusura e apertura della pinza) sono ottenuti da due
azioni distinte di comando pneumatico a 4 bar.
Essa è caratterizzata da:
• Corsa di chiusura dei terminali di 5 mm ciascuno (quindi
2x 5 mm);
• Forza in apertura di 30 N circa;
• Forza media in chiusura di 20 N circa;
• Tempo di apertura di 0,04 s;
• Tempo di chiusura di 0,04 s;
• Temperatura preferibile di esercizio compresa tra i 5 °C e
50 °C.
Questa pinza è stata ideata e costruita da Cb Automation in Bagnolo Cremasco (CR) e riprogettata
e prodotta da Mapor Caldart in San Mauro Torinese (TO).
Essa è impiegata, nelle linee automatiche di montaggio per la
produzione in serie di spruzzatori a pistola, in figura 1.4,
nell’azienda MWV – Spray Plast con sede in Romano
d’Ezzelino (VI), la quale ha richiesto questo studio di
riprogettazione e collaborato per la sua realizzazione.
Lo spruzzatore infatti è formato da 10 componenti di
materiale plastico che entrano in linea di montaggio ognuno
da un ingresso diverso. Parte di essi per essere assemblati
devono essere raccolti dalla loro postazione iniziale, spostati e
direzionati nella propria corretta posizione per il montaggio, e
infine vengono installati andando a costruire il prodotto
illustrato nella figura 1.4 qui a fianco. Ciascuna di queste
operazioni è eseguita in modo completamente automatico.
Figura 1.3: La pinza di presa.
Figura 1.4: Spruzzatore a pistola
realizzato da MWV - Spray Plast.
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La mano di presa ha quindi la funzione, in ogni stazione di lavoro in cui è impiegata, di prendere il
pezzo in assemblaggio mediante chiusura, tenerlo saldo durante l’eventuale spostamento verso la
posizione desiderata, e mollare la presa rilasciando l’elemento per mezzo dell’ apertura.
La pinza è formata da 13 componenti principali presentati e descritti a seguire:
• Tappo (quantità pezzi = 1): è l’elemento che va a chiudere il Cilindro (componete descritto
subito dopo) nel suo lato inferiore e che permette ingresso dell’aria compressa grazie
all’attacco di cui dispone. ¨ contraddistinto da uno sviluppo circolare con un ingombro
massimo di 18 mm di altezza per 19,8 mm di larghezza.
Il materiale con cui è costruito il Tappo è l’Anticorodal ( lega di alluminio alligata con
magnesio, rame e manganese caratterizzata da buone caratteristiche meccaniche e ottima
resistenza alla corrosione ). Questa lega presenta buona formabilità, lavorabilità,
truciolabilità e saldabilità.
Figura 1.5: Fotografia e modello 3D del componente Tappo.
• Cilindro (quantità pezzi = 1): è la struttura che sviluppa in altezza la pinza di presa
portando i componenti che fanno da “dita” alla giusta distanza dal resto della macchina
permettendo così di raggiungere i pezzi da prendere. Visto esternamente il Cilindro si
mostra come un tubo in Anticorodal a sezione circolare di raggio 20 mm e alto 66 mm con
sopra una specie di ripiano per il supporto del Porta Pinza, descritto piø avanti. Sul lato di
questo ripiano si trova un foro filettato che fa da aggancio per il secondo ingresso dell’aria
compressa.
Figura 1.6: Fotografia e modello 3D del componente Cilindro.
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• Pistone (quantità pezzi = 1): è uno dei componenti fondamentali per il movimento della
pinza. Esso si muove in un moto verticale, lungo la direzione dell’asse del Cilindro,
componente che lo contiene nella sua parte cava interna. Soltanto la parte superiore, ovvero
la “testa” del Pistone, esce dal Cilindro ed ad essa sarà fissato il Blocchetto di Scorrimento,
che vedremo piø avanti, al quale verrà quindi trasmesso il moto di direzione assiale rispetto
al Cilindro e al Pistone. Anche questo componente è costruito in Anticorodal.
Figura 1.7: Fotografia e modello 3D del componente Pistone.
• Calamita (quantità pezzi = 1): è un semplice anello in Plastoferrite di sezione rettangolare
che viene posizionata attorno al pistone.
Figura 1.8: Fotografia e modello 3D del componente Calamita.
• Distanziale (quantità pezzi = 1): è un cilindretto cavo in plastica, precisamente in Ertalon,
inserito nella parte superiore della cavità del Cilindro attraverso il quale è libero di scorrere
il Pistone. La funzione del Distanziale è quello di fare da finecorsa per il moto del Pistone,
ma questo verrà precisato meglio piø avanti. I 4 fori sulla parete circolare di questo
componete ha compito di scaricare l’urto che si crea tra Pistone, Distanziale e Cilindro
quando il primo componente collide con il secondo per causare l’arresto del movimento.
Figura 1.9: Fotografia e modello 3D del componente Distanziale.
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• Porta Pinza (quantità pezzi = 1): è a tutti gli effetti il banchetto di supporto di tutti i
componenti che costituiscono la vera e propria “manina” di presa. Anche questo è realizzato
in Anticorodal ed è fissato sulla parte superiore del Cilindro, precisamente sul ripiano di
supporto di cui si parlava in precedenza. Occupa un volume dato da una larghezza di 25
mm, una larghezza di 45 mm e un’altezza di 19 mm.
Figura 1.10: Fotografia e modello 3D del componente Porta Pinza.
• Spina (quantità pezzi = 2): le spine non sono altro che due punzoni in acciaio UNI
X205Cr12 temprati e rinvenuti di 4 mm di diametro e
lunghi 45 mm con superfici delle pareti ben lisce e lucide.
Esse sono inserite negli appositi fori del Porta Pinza e fatte
passare attraverso le due aperture cilindriche dei terminali,
per permettere loro lo spostamento orizzontale. Su tutta la
lunghezza le pareti dovrebbero presentare una durezza
superficiale di HRC 60/64, mentre sulle due teste di HRC
40/50.
• Piastrina (quantità pezzi = 2): consistono in due semplici piastrine in metallo (Fe360)
forate che vengono agganciate alle pareti esterne laterali del Porta Pinza con lo scopo di
bloccare le due Spine sopra descritte.
Figura 1.12: Fotografia e modello 3D del componente Piastrina.
• Blocchetto di Scorrimento (quantità pezzi = 1): è uno dei componenti piø importanti della
pinza di presa. Esso è fissato alla sommità del Pistone ed è a stretto contatto con i due
elementi Dito e ha la funzione di convertire il movimento orizzontale del primo nel
movimento orizzontale dei terminali. Questo è ottenuto grazie alla presenta di intagli
inclinati di 60° rispetto l’orizzontale di riferimento posti su due facce laterali opposte del
Figura 1.11: Fotografia e modello
3D del componente Spina.
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Blocchetto di Scorrimento che sono messi in accoppiamento con relative incisioni presenti
nei terminali. Il foro centrale serve per contenere la vite per il fissaggio al Pistone del cuneo.
Questo componente occupa uno spazio di 12 x 14 x 10,5 mm ed è realizzato in 16NiCr11 (o
18NCD5) con trattamento di cementazione e tempra.
Il 16NiCr11 (o 18NCD5) è un acciaio da costruzione, con carbonio < 0,30 %, destinato al
trattamento di indurimento superficiale di cementazione che consiste in un arricchimento di
carbonio della superficie del pezzo e della successiva tempra che conferisce un'elevata
durezza superficiale con un'ottima resistenza all'usura, mentre il basso contenuto di carbonio
del nucleo consente alti valori di tenacità nella massa sottostante. La durezza superficiale del
Blocchetto di Scorrimento si aggira mediamente attorno ai 58 HRC.
Figura 1.13: Fotografia e modello 3D del componente Blocchetto di scorrimento.
• Dito (quantità pezzi = 2): il Dito è il terminale della pinza di presa. Viene montato sul Porta
Pinza inserendo le due Spine attraverso i suoi fori, in modo da essere vincolato al solo moto
di scorrimento orizzontale su di esse, e accoppiando gli intagli inclinati di 60° presenti sulla
faccia interna della “spalla” con i corrispondenti del Blocchetto di Scorrimento. I due piccoli
fori filettati sulla parte superiore della schiena del Dito servono per l’aggancio degli
eventuali adattatori che andranno a contatto con il pezzo da assemblare, essendo essi
caratterizzati da una forma appositamente predisposta per avvolgere o stringere al meglio e
con sicurezza ciascun componente.
Il materiale che costituisce i terminali è un acciaio da nitrurazione, il 42CrMo7. Esso è un
acciaio da bonifica (con quantità di Carbonio che va dal 0,3% al 0,4%) contenenti elementi
di lega quali Cr e Mo, capaci di formare nitruri particolarmente duri; questo materiale è
destinato generalmente alla costruzione di pezzi meccanici che, una volta finiti, vengono
sottoposti a trattamento termico di nitrurazione, un indurimento superficiale mediante
assorbimento di azoto, quindi messi direttamente in esercizio senza altre lavorazioni salvo
una finitura delle superfici attive ( per esempio di rettifica e levigatura).
Il cuore di un pezzo nitrurato conserva le doti di resistenza e di tenacità caratteristiche di un
acciaio bonificato, mentre le durezze superficiali ottenibili posso essere molto elevate e tali
da garantire una resistenza all'usura e alla corrosione all’aria umida di gran lunga superiore a
quella degli acciai cementati e temprati.
L’acciaio 42CrMo7 è un acciaio appositamente studiato per subire il trattamento di
nitrurazione. ¨ adatto per pezzi sottoposti ad elevate sollecitazioni alternate e/o pulsanti;
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dopo i trattamenti di bonifica e nitrurazione la durezza superficiale dello strato nitrurato
supera i 950 HV.
Il terminale Dito infatti è caratterizzato da una durezza superficiale maggiore di 68 HRC
(che corrispondono a circa 940 HV).
Figura 1.14: Fotografia e modello 3D del componente Dito.
• Guarnizioni e viti varie (quantità viti = 9, quantità
guarnizioni = 4): le viti e le guarnizioni sono gli eventuali
componenti dedicati al fissaggio delle parti e alla prevenzione
di perdite interne dell’aria compressa contenuta nelle cavità
del Cilindro.
1.3 L’ ASSEMBLAGGIO
Andiamo a vedere ora come sono assemblate le varie parte per ottenere la pinza di presa facendo
riferimento alle immagini inserite per rendere piø chiara la comprensione.
Per prima cosa il Distanziale (corpo viola) è inserito nel Cilindro (in trasparenza
in questa prima immagine, altrimenti arancione) con assi relativi ai due
componenti coincidenti. La Calamita (anello blu) viene posizionata, come in
foto, in corrispondenza della prima sporgenza circolare del Pistone (in verde) e
bloccata da due guarnizioni di materiale plastico.
Pistone e Calamita sono poi inseriti all’interno del
Cilindro con direzione coassiale con esso. Il fondo del
Cilindro viene chiuso, con gli altri elementi al suo
interno, dal Tappo (giallo) come in rappresentazione.
Si ottiene cosi che il Pistone, con la Calamita che lo
segue mantenendo sempre la stessa posizione relativa
ad esso, è libero di muoversi lungo la direzione del proprio asse in una
corsa definita dalla superficie superiore del Tappo e dalla faccia inferiore
del Distanziale, ovvero di circa 8,7 mm.
Figura 1.16.
Figura 1.15: Viti e guarnizioni.
Figura 1.17.
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