Robot per la movimentazione dei materiali: applicazioni, vantaggi e come sceglierli

La scelta di un robot per la movimentazione materiali implica molto più che confrontare velocità massima, capacità di carico e funzionalità di navigazione. Ciò che determina in ultima analisi il successo di un progetto di automazione è se il sistema riesce a completare in modo affidabile l'intero ciclo di movimentazione materiali—prelievo, trasporto, aggancio, scarico e gestione delle eccezioni—al ritmo produttivo richiesto e in condizioni operative reali. In generale, l'automazione robotica è più adatta a compiti frequenti, ripetitivi, chiaramente definiti, basati su carichi relativamente standardizzati e supportati da requisiti di manodopera misurabili.

Al contrario, se materiali e postazioni di lavoro cambiano costantemente, i percorsi sono imprevedibili e l'attività dipende ancora in larga misura dal giudizio umano, implementare troppo presto un robot mobile autonomo (AMR), un veicolo a guida automatica (AGV) o un braccio robotico potrebbe semplicemente spostare i problemi di processo esistenti da una parte all'altra dell'operazione. La sequenza corretta di valutazione è pertanto:

1. Analizzare il flusso dei materiali.
2. Determinare se l'automazione può creare valore misurabile.
3. Selezionare il robot per movimentazione materiali più appropriato.

Questa guida esamina le applicazioni comuni dei robot per la movimentazione materiali, i benefici operativi misurabili e i criteri pratici di selezione, per aiutare produttori, magazzini e operatori logistici a individuare la soluzione di automazione giusta per la propria attività.

Che cos'è un robot per la movimentazione dei materiali?

Un robot per la movimentazione dei materiali non è un tipo specifico di macchina. È un'ampia categoria di sistemi automatizzati utilizzati per spostare, sollevare, prelevare, trasferire, caricare, scaricare, smistare, posizionare, immagazzinare, recuperare o pallettizzare materiali. Un robot per la movimentazione dei materiali può essere:

• Un robot SCARA che esegue operazioni di pick-and-place ad alta velocità presso una postazione di lavoro fissa
• Un AMR che trasporta contenitori tra un magazzino e una linea di produzione
• Un carrello elevatore automatizzato che gestisce pallet e recupera carichi dagli scaffali di stoccaggio
• Un robot industriale a sei assi che carica e scarica una macchina CNC
• Un manipolatore mobile che trasporta materiali e poi esegue un'operazione di prelievo o di gestione macchina

Dal punto di vista applicativo, il termine "robot per la movimentazione dei materiali" descrive la funzione svolta dall'apparecchiatura, piuttosto che un particolare metodo di navigazione, una configurazione meccanica o un nome di prodotto.

L'attrezzatura giusta dipende da come il materiale deve muoversi. Se i materiali viaggiano continuamente tra due posizioni fisse, un sistema trasportatore può essere la soluzione più semplice. Se il compito è concentrato in una singola postazione di lavoro, un braccio robotico fisso può offrire maggiore velocità e precisione.

La flessibilità di un AMR diventa preziosa quando punti di prelievo, destinazioni, percorsi o priorità delle attività cambiano regolarmente. Una volta comprese queste differenze, la domanda successiva è quali processi di movimentazione materiali sono più adatti all'automazione robotica.

Quali applicazioni di movimentazione materiali sono più adatte ai robot?

I processi più adatti all'automazione robotica non sono necessariamente i più complessi dal punto di vista tecnico. Di solito sono i processi che:

• Si verificano con frequenza
• Seguono regole operative stabili
• Utilizzano materiali o unità di carico standardizzati
• Richiedono un impiego di manodopera misurabile
• Possono essere attivati e monitorati tramite dati affidabili

Se i dipendenti dedicano una quantità significativa di tempo al trasporto di materiali, all'attesa delle consegne, alla ricerca di articoli o al ritorno con carrelli vuoti—e queste attività seguono regole ripetibili—il processo può avere solide basi per l'automazione della movimentazione materiali. Prima di valutare un progetto, rispondere a tre domande:

1. Quante volte al giorno si verifica lo stesso movimento di materiale?
2. Quanto tempo impiegano i dipendenti per trasportare, attendere e individuare i materiali?
3. I materiali, i contenitori di carico, i punti di prelievo e i punti di consegna possono rimanere ragionevolmente costanti?

Quando è possibile rispondere a queste domande sulla base dei dati, diventa più semplice selezionare il sistema giusto e verificarne i benefici dopo l'implementazione.

Quando conviene utilizzare i robot per la consegna dei materiali a bordo linea?

Gli AMR o gli AGV dovrebbero essere presi in considerazione quando componenti, utensili, materiali di imballaggio, contenitori vuoti o prodotti in lavorazione devono essere movimentati frequentemente da un magazzino, da un supermarket di linea o da un'area buffer verso una linea di produzione. Una consegna affidabile a bordo linea dipende generalmente dalle seguenti condizioni:

• I percorsi di consegna e le postazioni di lavoro possono essere definiti con chiarezza.
• I materiali utilizzano contenitori, carrelli, scaffalature o pallet fissi o identificabili.
• La linea di produzione può generare richieste di riapprovvigionamento affidabili.
• Le aree di prelievo e consegna non sono continuamente occupate.
• Il volume orario di attività e la domanda di picco possono essere calcolati.
• Le attività possono essere attivate tramite pulsanti, RFID, PLC, MES, WMS, sensori o piani di consegna programmati.

Tuttavia, un robot può eseguire solo l'attività che riceve. Non può determinare se il piano di produzione o la logica di riapprovvigionamento siano corretti. Se i dati di inventario non sono accurati, le richieste di riapprovvigionamento vengono generate troppo tardi o le regole di chiamata materiali non sono chiare, il robot potrebbe eseguire perfettamente e puntualmente l'attività sbagliata. Durante la valutazione del progetto, il team dovrebbe prima identificare la causa reale delle carenze di materiale. In molti casi, il problema non è la velocità di trasporto insufficiente. Il segnale di riapprovvigionamento potrebbe essere stato attivato troppo tardi, oppure la stazione di scarico potrebbe essere ancora occupata quando il robot arriva. Un progetto di consegna a bordo linea dovrebbe quindi valutare più del semplice fatto che il robot possa raggiungere la postazione di lavoro. Deve anche confermare che la richiesta di materiale sia accurata e che la postazione sia pronta a ricevere la consegna.

Quando conviene automatizzare il trasporto dei pallet?

Il trasporto automatizzato di pallet è spesso in grado di produrre ritorni misurabili, poiché i movimenti dei pallet comportano tipicamente lunghe distanze di viaggio, alta ripetitività e un processo decisionale limitato durante il trasporto. I percorsi comuni di trasporto pallet includono:

• Ricevimento merci a controllo qualità
• Ricevimento merci a stoccaggio temporaneo o magazzino
• Magazzino a linea di produzione
• Da un processo produttivo a un altro
• Area prodotti finiti a imballaggio o spedizione

In un centro logistico europeo, tre robot mobili pesanti sono stati utilizzati per trasportare pallet dall'area di ricevimento all'ingresso di un magazzino a corsie strette. La struttura gestiva circa 31.000 pallet e 100.000 ordini all'anno. Dopo l'implementazione, il sistema ha ridotto il lavoro manuale ripetitivo di movimentazione materiali di circa 40 ore a settimana. Questo caso non deve essere trattato come un benchmark universale di ROI. Tuttavia, illustra uno dei benefici più comuni della movimentazione robotizzata dei pallet: i dipendenti possono essere riassegnati dalla guida ripetitiva e dai viaggi su lunghe distanze a compiti che richiedono maggiore giudizio ed esperienza, come l'ispezione dei pallet, la prioritizzazione delle attività e la gestione delle eccezioni. Un trasporto pallet affidabile richiede inoltre la verifica delle seguenti condizioni:

• Le dimensioni dei pallet e le aperture per le forche sono costanti.
• I pallet non sono frequentemente danneggiati o deformati.
• Il film estensibile non pende al di sotto del carico.
• Le merci sporgenti non interferiscono con i sensori né con lo spazio di passaggio nei corridoi.
• Il baricentro rimane stabile a pieno carico.
• Pendenze del pavimento, giunti e larghezze dei corridoi sono idonei.
• Le posizioni di prelievo e deposito dispongono di riferimenti meccanici o visivi affidabili.

Il solo peso del carico non è sufficiente. Anche quando il carico totale rimane al di sotto della capacità nominale del robot, pallet danneggiati, merci sporgenti, un baricentro alto o aperture delle forche incoerenti possono causare l'inserimento fallito delle forche, un aggancio impreciso o instabilità durante le curve.

Quando un robot fisso è preferibile a un AMR?

Se i materiali si spostano sempre tra un numero limitato di posizioni fisse, un robot industriale fisso è spesso più efficiente di un robot mobile. Le applicazioni tipiche includono:

• Pick-and-place di componenti elettronici
• Smistamento di prodotti alimentari e da imballaggio
• Trasferimento di parti stampate a iniezione
• Confezionamento in scatole
• Assemblaggio di piccole parti
• Trasferimento di prodotti tra sezioni di trasportatori

I robot fissi sono più adatti a operazioni ad alta frequenza, brevi distanze ed elevata precisione. Alcuni bracci robotici industriali possono raggiungere una ripetibilità di circa ±0,02 mm. La precisione di posizionamento standard dei robot mobili è generalmente misurata in millimetri o addirittura in centimetri. Questi sistemi sono progettati per risolvere problemi diversi. Tuttavia, maggiore velocità e precisione non rendono automaticamente una soluzione più appropriata. Se una macchina a monte produce un solo pezzo ogni cinque minuti, installare un robot ad alta velocità con un tempo di ciclo inferiore a un secondo non aumenterà la produzione totale della linea. Il tempo di ciclo del robot deve essere valutato insieme alle attrezzature a monte, ai processi di ispezione e alla capacità di confezionamento a valle. Il confronto corretto è quindi il tempo di ciclo dell'intera linea di produzione, non il movimento più veloce del robot stesso.

Quando il machine tending robotizzato genera valore reale?

Il machine tending robotico è particolarmente adatto a processi di lavorazione stabili, lotti di produzione relativamente grandi e operazioni che richiedono lunghi periodi di produzione continua. Un robot per machine tending può:

• Prelevare materie prime da vassoi o scaffali
• Caricare i pezzi in macchine CNC, presse a iniezione o presse meccaniche
• Rimuovere i componenti finiti
• Trasferire i pezzi a lavaggio, ispezione, misurazione o al processo successivo
• Separare i pezzi accettati e quelli scartati in base ai risultati dell'ispezione

Un errore comune è calcolare solo il tempo di pick-and-place del robot, ignorando il ciclo di produzione completo. Anche dopo che il robot carica e scarica la macchina, potrebbe essere ancora necessario lavoro manuale per:

• Rimuovere i trucioli e pulire i dispositivi di fissaggio
• Aprire o chiudere le porte delle macchine
• Regolare gli attrezzi di posizionamento
• Sostituire gli utensili
• Gestire componenti in ingresso irregolari
• Eseguire controlli a campione

La misurazione del tempo ciclo rilevante è: Il tempo che intercorre tra il completamento di un pezzo accettabile e il completamento del pezzo accettabile successivo. La velocità di spostamento del robot è solo una parte del ciclo totale. Se l'azionamento delle porte, l'asportazione dei trucioli, l'ispezione o la regolazione degli attrezzaggi richiedono ancora l'intervento umano, il processo non ha raggiunto l'automazione completa.

Quando conviene utilizzare robot per pallettizzazione o depallettizzazione?

La pallettizzazione robotizzata crea spesso un valore significativo quando scatole, sacchi, fusti o contenitori riutilizzabili hanno dimensioni ragionevolmente costanti e il volume di movimentazione oraria è elevato. Prima di selezionare un robot di pallettizzazione, definire:

• Peso massimo del prodotto
• Peso della pinza, dei sensori, dei cavi e delle altre attrezzature di fine braccio
• Prodotti richiesti all'ora
• Dimensioni del pallet e altezza massima di impilamento
• Numero di formati di prodotto e di schemi di pallettizzazione
• Requisiti di orientamento dell'etichetta
• Se i prodotti possono deformarsi, scivolare, strapparsi o rompersi

I calcoli del carico utile del robot devono includere il prodotto, la pinza e tutti gli accessori di fine braccio. Ad esempio, se un cartone pesa 18 kg e la pinza a vuoto, i sensori e i cavi pesano altri 12 kg, il robot deve supportare un carico utile di fine braccio di almeno 30 kg, non 18 kg. Occorre inoltre prevedere capacità aggiuntiva per accelerazione, decelerazione e variazione del carico. La depallettizzazione è generalmente più complessa della pallettizzazione. Durante la pallettizzazione, il sistema sa dove deve essere posizionato ogni articolo. Durante la depallettizzazione:

• I cartoni possono essere deformati.
• I prodotti possono incollarsi tra loro.
• Il pallet potrebbe essere inclinato.
• Il film estensibile potrebbe ostruire il sistema di visione.
• Le posizioni dei prodotti possono variare.

Per la depallettizzazione di pallet a SKU misti, il sistema dovrebbe anche essere testato per determinare se:

• Il sistema di visione è in grado di identificare prodotti diversi.
• Il robot può pianificare una sequenza di prelievo efficace.
• La pinza può gestire più dimensioni, forme, superfici e materiali.
• I prodotti danneggiati o non riconosciuti possono essere gestiti in sicurezza.

Che cosa fanno concretamente i robot nel picking e nello smistamento in magazzino?

Nelle operazioni di magazzino, i robot mobili riducono più comunemente la distanza percorsa a piedi dagli operatori, piuttosto che sostituire tutte le attività di picking manuale. Le applicazioni tipiche dei robot di magazzino includono:

• Trasporto di scaffalature o contenitori verso un operatore addetto al picking
• Seguito di un operatore durante il prelievo degli ordini
• Consegna di contenitori a stazioni di picking manuali o robotiche
• Trasporto degli ordini tra pareti di smistamento, aree di verifica e stazioni di imballaggio
• Spostamento degli ordini completati verso le aree di spedizione in uscita

Il team di progetto deve definire chiaramente se il robot è responsabile del trasporto, del prelievo degli articoli o di entrambi. Un AMR che trasporta contenitori non significa che il magazzino abbia raggiunto un picking degli ordini completamente automatizzato. Identificazione del prodotto, presa, verifica della quantità, gestione degli articoli danneggiati e rifornimento possono ancora essere eseguiti da operatori o altri sistemi di automazione. I principali vantaggi dei robot mobili per magazzino sono quindi spesso:

• Riduzione della distanza percorsa a piedi dagli addetti al picking
• Tempi di ciclo degli ordini più brevi
• Alimentazione più costante delle postazioni di lavoro
• Minori spostamenti degli operatori tra le zone operative

Un progetto di picking completamente autonomo richiede una valutazione aggiuntiva di:

• Visione artificiale
• Presa robotica
• Accuratezza dell'inventario
• Prelievo dei prodotti
• Gestione degli ordini in eccezione

Il vostro processo di movimentazione materiali è adatto all'automazione?

Prima di contattare produttori di robot per la movimentazione materiali o system integrator, è possibile effettuare una valutazione interna utilizzando la tabella seguente.

Se l'attività è ripetitiva, il carico può essere standardizzato e l'attuale fabbisogno di manodopera può essere misurato, il processo ha probabilmente solide basi per l'automazione. Se il processo stesso è instabile e gli operatori cambiano frequentemente percorsi, posizioni o metodi di movimentazione, standardizzare il processo può creare più valore che acquistare subito un robot.

Quali benefici misurabili possono offrire i robot per la movimentazione dei materiali?

Il valore di un robot per la movimentazione dei materiali non sta nel rendere un'operazione più automatizzata nell'aspetto. Il suo valore dipende dal fatto che migliori in modo costante indicatori aziendali misurabili, come:

• Ore di manodopera per la movimentazione dei materiali
• Tassi di consegna puntuale
• Produttività di picco
• Esposizione a rischi per la sicurezza
• Tracciabilità dei materiali
• Tempi di fermo produzione
• Utilizzo delle attrezzature

Affermazioni come "maggiore efficienza", "costi inferiori" e "migliore sicurezza" non bastano a sostenere una decisione di investimento. Il team di progetto dovrebbe rispondere a domande più specifiche:

• Quante ore di manodopera per la movimentazione dei materiali e quanti chilometri di camminata vengono eliminati per turno?
• Quante attività aggiuntive possono essere completate all'ora durante i periodi di picco?
• In che misura sono state ridotte le consegne in ritardo e le fermate per carenza di materiali?
• Come viene impiegato il tempo liberato dei dipendenti?
• Con quale frequenza i dipendenti sono esposti a carichi pesanti, carrelli elevatori e aree pericolose?

Queste misurazioni dovrebbero essere registrate prima dell'implementazione e raccolte nuovamente con la stessa metodologia dopo che il sistema raggiunge un funzionamento stabile. In caso contrario, un robot potrebbe eseguire attività ogni giorno senza fornire prove chiare che il processo aziendale sia migliorato.

Quanto tempo di camminata e trasporto possono eliminare i robot?

I robot mobili possono generare benefici diretti quando i dipendenti dedicano una parte significativa di ogni turno a:

• Spingere carrelli
• Guidare carrelli elevatori
• Cercare materiali
• Ritornare a vuoto
• Attendere presso i punti di prelievo o consegna

In un progetto manifatturiero europeo pubblicamente documentato, i robot mobili pesanti hanno completato oltre 100 trasporti di pallet al giorno, con ogni attività che copriva circa 120-150 metri. Un altro tipo di robot mobile ha completato circa 150 movimentazioni di contenitori al giorno. Insieme, i robot hanno sostituito circa 37-40 chilometri di camminata dei dipendenti al giorno. Questo dato non dovrebbe essere applicato direttamente ad altri stabilimenti. Tuttavia, dimostra il metodo di valutazione corretto: misurare quanto tempo e quanta distanza i dipendenti dedicano attualmente alla movimentazione dei materiali, e poi calcolare quanto lavoro ripetitivo i robot effettivamente sostituiscono. Prima dell'implementazione, registrare:

• Attività di trasporto manuale per turno
• Distanza di andata e ritorno per attività
• Tempo richiesto per attività
• Tempo di ritorno a vuoto
• Tempo di attesa presso i punti di prelievo e scarico
• Ore operative di carrelli elevatori o rimorchiatori
• Tempo dedicato alla localizzazione dei materiali e alla conferma delle destinazioni

Ad esempio, supponiamo che una postazione di lavoro richieda 80 viaggi di rifornimento al giorno, e ogni viaggio manuale di andata e ritorno richieda in media sei minuti. Il tempo totale di trasporto giornaliero è: 80 attività × 6 minuti = 480 minuti, ovvero 8 ore al giorno. Se un robot può completare in modo affidabile 70 di quelle attività, il team di progetto deve comunque determinare cosa succede al tempo liberato. Il progetto:

• Ridurre gli straordinari?
• Evitare nuove assunzioni?
• Consentire agli operatori di dedicare più tempo al lavoro produttivo?
• Aumentare la capacità di ispezione?
• Migliorare la manutenzione delle attrezzature?

Solo così il risparmio di ore-uomo può essere convertito in valore aziendale misurabile.

I robot sono sempre più veloci del trasporto manuale dei materiali?

No. Quando i corridoi sono liberi, le distanze di trasporto sono brevi e la frequenza delle missioni è bassa, un operatore esperto può completare una singola missione di trasporto più velocemente di un robot. Il principale vantaggio del trasporto robotizzato spesso non è la velocità massima, ma la costanza e la prevedibilità. La consegna manuale può essere influenzata da:

• Cambi di turno
• Assenze temporanee
• Decisioni informali sulla priorità delle attività
• Ritardi nella comunicazione
• Differenze tra gli operatori

I robot possono eseguire le missioni in modo continuativo secondo le regole di fleet management e di schedulazione, riducendo la variabilità tra turni e operatori. Per le linee di produzione, i materiali che arrivano entro la finestra di consegna richiesta sono spesso più importanti della velocità massima di trasferimento del robot. Le metriche di performance consigliate includono:

• Tempo medio di missione
• Tempo di missione al 95° percentile
• Tasso di consegna puntuale
• Missioni completate all'ora durante i picchi di domanda
• Arretrato massimo di missioni
• Tempo medio di attesa alle postazioni di lavoro
• Fermi di produzione causati da ritardi di consegna

Il tempo medio di esecuzione delle missioni, da solo, non descrive completamente la stabilità del sistema. Ad esempio, un sistema può avere un tempo medio di missione di cinque minuti, ma se una missione su 20 richiede più di 12 minuti, la linea di produzione potrebbe comunque subire carenze di materiale. In questa situazione, il tempo di missione al 95° percentile è più indicativo della media. Aumentare la velocità del robot non migliorerà la produttività complessiva del sistema se i robot trascorrono la maggior parte del tempo in attesa presso i punti di prelievo o le stazioni di scarico. In quel caso, il collo di bottiglia è la postazione di lavoro, non il robot.

Come possono i robot per la movimentazione dei materiali migliorare sicurezza ed ergonomia?

I robot per la movimentazione dei materiali possono ridurre la frequenza con cui i dipendenti:

• Sollevano oggetti pesanti
• Spingono o trainano carrelli carichi
• Guidano carrelli elevatori
• Accedono ad aree calde, fredde, polverose o a zone a rischio
• Eseguono movimenti ripetitivi di flessione, torsione, spinta e traino

Tuttavia, l'affermazione che un processo sia più sicuro dopo l'implementazione dei robot deve essere supportata dai dati. Prima e dopo l'implementazione, confrontare:

• Eventi di sollevamento manuale per turno
• Peso e distanza di trasporto di ciascun carico movimentato manualmente
• Eventi di incrocio tra carrelli elevatori e pedoni
• Tempo totale dei dipendenti trascorso in aree pericolose
• Frequenza di movimenti ripetitivi di flessione, torsione, spinta e traino
• Quasi incidenti ed eventi di collisione
• Punteggi di rischio ergonomico
• Registri di affaticamento, infortuni o assenze dal lavoro correlati alla movimentazione dei materiali

Ad esempio, supponiamo che i dipendenti presso una postazione di lavoro sollevino contenitori da 15 kg per 120 volte a turno. Se il robot subentra in 90 di questi movimenti, la frequenza del sollevamento manuale si riduce del 75%. Questo tipo di dati è più utile per l'approvazione del progetto, le valutazioni di sicurezza e la verifica post-implementazione rispetto a una dichiarazione generica secondo cui il sistema "riduce il carico di lavoro dei dipendenti". I robot possono inoltre introdurre nuovi rischi, tra cui:

• Spostamento dei carichi durante le svolte o le frenate
• Robot che si fermano nei corridoi e causano congestione
• Dipendenti che entrano inaspettatamente nelle traiettorie di movimento
• Punti di pizzicamento attorno ai meccanismi di aggancio automatico
• Carichi sporgenti che si estendono oltre l'area di rilevamento di sicurezza
• Movimento imprevisto del robot durante la manutenzione

Le valutazioni di sicurezza devono quindi considerare l'interazione tra il robot, il carico, la postazione di lavoro, i dipendenti e il traffico dell'impianto, non solo se il robot entra in collisione con un ostacolo.

I robot possono migliorare la tracciabilità dei materiali?

Sì, ma solo quando le attività del robot sono collegate a materiali specifici. Quando le attività di trasporto sono attivate da un WMS, MES, PLC o sistema di gestione della flotta, il sistema è solitamente in grado di registrare:

• Tempo di creazione dell'attività
• Ora in cui il robot ha accettato l'attività
• Orari effettivi di prelievo e consegna
• Punti di partenza e di destinazione
• Numero di identificazione del robot
• Motivi di ritardi, cancellazioni o guasti

Questi registri possono aiutare a identificare il motivo per cui una consegna è stata ritardata e a confermare quando una postazione di lavoro ha ricevuto una spedizione. Tuttavia, un registro delle attività del robot non equivale a una tracciabilità completa dei materiali. Se l'attività non è collegata a un ID pallet, a un ID contenitore, a un numero di materiale, a un numero d'ordine o a un numero di lotto, il sistema può dimostrare solo che un'attività di trasporto è stata completata. Non può dimostrare che il materiale corretto sia stato consegnato nella posizione corretta. Una catena di tracciabilità completa può richiedere che l'attività del robot sia collegata a:

• Codici a barre o codici QR
• Tag RFID
• Numeri di identificazione di pallet o contenitori
• Registri di inventario WMS
• Ordini di produzione MES
• Informazioni su lotto, partita o ordine di lavoro

Ad esempio, un registro di sistema che mostra che il Robot 4 ha consegnato un contenitore alla Postazione di lavoro 3 alle 10:15 conferma che il trasporto è avvenuto. Solo quando il registro include anche l'ID del contenitore, il numero di materiale e l'ordine di produzione l'azienda può verificare che il materiale corrispondesse al fabbisogno produttivo corrente.

Risparmiare tempo di manodopera riduce sempre il costo del lavoro?

No. Supponiamo che un robot sostituisca 20 ore di movimentazione manuale dei materiali a settimana. Ciò non significa automaticamente che l'azienda possa eliminare metà di un posto a tempo pieno. Il risultato aziendale dipende da come viene utilizzata la capacità lavorativa liberata.

Il ROI non dovrebbe quindi essere calcolato solo come: Ore di lavoro risparmiate × costo orario medio Il team di progetto deve definire come verrà utilizzato il tempo liberato. Una valutazione più accurata suddivide i benefici in tre categorie:

1. Benefici diretti sui costi: Riduzione di straordinari, personale temporaneo, noleggio attrezzature e costi di manutenzione.
2. Benefici di capacità: I dipendenti possono svolgere più attività di produzione, ispezione, manutenzione o gestione degli ordini.
3. Vantaggi in termini di riduzione del rischio: Meno fermi per carenza di materiali, minore esposizione a rischi per la sicurezza e consegne più prevedibili.

Se i dipendenti non vengono riassegnati dopo la riduzione del carico di lavoro di trasporto, il risparmio di ore di lavoro dichiarato potrebbe non tradursi in un reale beneficio economico.

Quali KPI confrontare prima e dopo l'installazione?

Le prestazioni di base dovrebbero essere stabilite prima dell'installazione del robot. Lo stesso metodo di misurazione dovrebbe essere riutilizzato dopo che il sistema raggiunge un funzionamento stabile.

Non valutare il progetto misurando solo le ore di funzionamento del robot, la distanza percorsa o il numero totale di attività. Questi parametri dimostrano che l'attrezzatura è operativa. Non dimostrano che le prestazioni della produzione o del magazzino siano migliorate. Definire prima gli indicatori di business che devono migliorare. Solo successivamente selezionare il robot e l'architettura di automazione. Solo allora il progetto potrà rispondere alla domanda più pratica dopo l'implementazione: Quale differenza misurabile ha apportato il sistema al business? Una volta definiti i benefici attesi e i metodi di misurazione, questi obiettivi possono essere convertiti in requisiti di carico utile, tempo di ciclo, precisione, condizioni ambientali, integrazione, sicurezza e costi.

Come scegliere un robot per la movimentazione dei materiali

Il processo di selezione non dovrebbe iniziare da un marchio, un modello o una velocità massima. A determinare la riuscita del progetto è la capacità del robot di completare in modo affidabile prelievo, trasporto, aggancio, scarico e recupero delle eccezioni in condizioni di:

• Condizioni di carico utile reali
• Condizioni effettive della struttura
• Picco di domanda di lavoro
• Flusso normale
• Interruzioni operative previste

Per responsabili di stabilimento, operatori di magazzino e team di progetti di automazione, la sequenza corretta di selezione è:

1. Definire il compito di movimentazione dei materiali.
2. Calcolare i requisiti di capacità e precisione.
3. Valutare attrezzature, integrazione, sicurezza e costo totale.

I seguenti dieci passaggi possono essere utilizzati come base per la ricerca di progetto, le specifiche tecniche e le richieste di preventivo ai fornitori.

Passo 1: definire con precisione che cosa deve trasportare il robot

Non fornire ai fornitori solo un valore di carico massimo. Definire la condizione di carico completa. Registrare almeno:

• Peso minimo e massimo
• Lunghezza, larghezza e altezza del carico
• Posizione del baricentro
• Orientamento di trasporto richiesto
• Se il carico può scivolare, oscillare, deformarsi o ribaltarsi
• Se qualsiasi parte del carico sporge oltre il pallet o il carrello
• Se il carico utilizza pallet, contenitori, scaffalature o carrelli
• Se sono presenti supporti danneggiati, deformati o non standard

Ad esempio, un robot mobile con portata nominale di 500 kg potrebbe non essere adatto a un carico di 450 kg con baricentro alto. Se il carico è alto o il suo baricentro è decentrato, il robot potrebbe dover ridurre la velocità durante accelerazione, frenata e curve. Questo aumenta il tempo di ciclo effettivo dell'attività. In casi più impegnativi, l'applicazione potrebbe richiedere un telaio robotico più largo, più pesante e più stabile, anche se il carico totale rimane al di sotto della portata nominale. Per un braccio robotico industriale, il carico utile all'estremità del braccio deve includere:

• Il prodotto
• Pinza, ventose o end effector
• Cambio utensile
• Sensori di visione e ispezione
• Tubazioni pneumatiche, cavi e hardware di montaggio

Se il prodotto pesa 18 kg e pinza, sensori e cavi pesano 12 kg, il carico utile effettivo del robot è di almeno 30 kg, non 18 kg. L'idoneità del carico utile dipende da peso, dimensioni, centro di gravità e stabilità.

Passo 2: calcolare la domanda di trasporto di picco per ora

La dimensione della flotta non deve essere calcolata in base alla velocità massima di traslazione del robot o al numero totale di task giornalieri dell'impianto. Un task completo di robot mobile può includere:

1. Traslazione a vuoto verso il punto di prelievo
2. Attesa che la stazione di prelievo diventi disponibile
3. Esecuzione del docking di precisione
4. Carico o scambio di segnali con le apparecchiature
5. Traslazione a carico verso la destinazione
6. Attesa presso la stazione di scarico
7. Scarico e conferma del completamento del trasferimento
8. Uscita dalla stazione
9. Traslazione verso il task successivo o il punto di ricarica
10. Ripresa da percorsi bloccati, guasti di comunicazione o errori di task

Una stima preliminare della flotta può utilizzare la seguente formula: Numero di robot richiesti = Tempo totale di task richiesto all'ora ÷ Tempo di lavoro effettivo disponibile per robot all'ora Supponiamo che il sistema debba completare 48 trasporti all'ora durante il picco di domanda e che ogni task completo richieda in media sei minuti: 48 × 6 ÷ 60 = 4,8 robot Se l'utilizzo effettivo del robot è stimato all'85% dopo aver considerato ricarica, congestione, attesa alle stazioni di lavoro e recupero da guasti: 4.8 ÷ 0.85 = 5.65 robots Il risultato preliminare indica che sono necessari almeno sei robot attivi. Questa non è ancora la dimensione definitiva della flotta. La produttività effettiva può essere ridotta da:

• Congestione agli incroci
• Code alle postazioni di lavoro
• Arrivi di task concentrati in brevi periodi
• Programmi di ricarica
• Ascensori o porte automatiche condivisi
• Distribuzione non bilanciata dei task

Nei progetti reali, la dimensione della flotta di robot è spesso determinata dai 20-30 minuti di maggiore attività della giornata, non dal volume medio giornaliero di task.

Passo 3: selezionare la struttura robotica adatta al flusso dei materiali

Tecnologie diverse risolvono problemi diversi di movimentazione dei materiali. Non dare per scontato che ogni attività di trasporto debba utilizzare un AMR.

Se i prodotti si spostano continuamente tra due postazioni di lavoro adiacenti, un nastro trasportatore o un braccio robotico fisso possono essere più semplici di un AMR. Utilizzare un AMR in questa situazione può aggiungere requisiti superflui di pianificazione, sosta, aggancio e gestione del traffico. Se i punti di prelievo e le destinazioni cambiano frequentemente, o se il layout di produzione viene riconfigurato regolarmente, la flessibilità di un AMR diventa più preziosa. Una struttura non deve necessariamente utilizzare una sola tecnologia di automazione. Può utilizzare:

• Nastri trasportatori per flussi fissi ad alta frequenza
• Bracci robotici per la movimentazione di precisione
• AMR per la consegna tra aree diverse
• Carrelli elevatori automatizzati per il trasporto standardizzato di pallet

La scelta del robot non riguarda la ricerca di una macchina universale. Si tratta di selezionare la soluzione più semplice e affidabile per ogni sezione del flusso di materiali.

Fase 4: Definire la precisione richiesta di prelievo e aggancio

Non chiedere solo: "Qual è la precisione di navigazione del robot?" La navigazione generale, l'aggancio preciso al rack, l'inserimento delle forche, l'allineamento con l'interfaccia del trasportatore e il posizionamento di un componente in una fixture richiedono diversi livelli di precisione. Il capitolato di progetto dovrebbe definire:

• Precisione di posizionamento punto-punto generale
• Precisione di aggancio
• Errore laterale e longitudinale
• Errore angolare
• Precisione di inserimento delle forche
• Precisione di aggancio ripetibile con trasportatori o rack
• Differenze tra condizioni a carico e a vuoto
• Deviazione massima dopo funzionamento continuativo

Nella navigazione standard basata su mappa, l'errore di posizionamento del robot mobile può essere misurato in decine di millimetri. La precisione di aggancio può essere ridotta a pochi millimetri solo dopo l'uso di tecnologie come:

• Marcatori visivi
• Guide meccaniche
• Sensori di posizionamento locale
• Riflettori
• Riferimenti fiduciali
• Sistemi di allineamento secondari

Ad esempio, si supponga che un'interfaccia a trasportatore richieda che il robot a pieno carico mantenga una precisione di aggancio entro ±5 mm su un pavimento in piano. Il fornitore dovrebbe spiegare:

• Quale metodo di posizionamento di precisione verrà utilizzato
• Se la postazione di lavoro debba essere modificata
• Se la precisione possa essere mantenuta a pieno carico
• Cosa succede se i marcatori visivi vengono coperti o contaminati
• L'errore massimo dopo centinaia di cicli di aggancio ripetuti

I valori di precisione di bracci robotici fissi e robot mobili non vanno confrontati direttamente. Un braccio robotico si concentra sulla ripetibilità dell'end-effector all'interno di una cella di lavoro. Un robot mobile deve gestire spostamento, arresto, aggancio, trasferimento del carico, variazioni del pavimento e movimento del veicolo. Un criterio di accettazione più efficace sarebbe: Nelle condizioni specificate di carico, pavimentazione e direzione di avvicinamento, l'errore massimo di aggancio deve rimanere entro la tolleranza della postazione di lavoro dopo un numero definito di cicli continui.

Fase 5: Confermare che il robot possa operare nella struttura reale

Un robot che si comporta bene in un'area dimostrativa pulita e aperta potrebbe non operare in modo affidabile in una fabbrica o in un magazzino reale. Il sopralluogo in sito dovrebbe coprire:

• Larghezza minima dei corridoi
• Incroci e aree di svolta
• Giunti del pavimento, soglie, buche e superfici irregolari
• Pendenze massime
• Ascensori e porte automatiche
• Traffico di carrelli elevatori, pedoni e transpallet
• Pallet temporanei e materiali di imballaggio
• Superfici in vetro e metallo riflettente
• Luce solare diretta
• Polvere, acqua, olio e temperatura
• Copertura della rete wireless
• Film estensibile pendente

Lo stesso robot può comportarsi in modo molto diverso in una fabbrica elettronica pulita e livellata rispetto a un'officina meccanica con olio, polvere e giunti sul pavimento. Per ambienti polverosi, umidi o oleosi, verificare anche:

• Grado di protezione IP delle apparecchiature
• Frequenza di pulizia dei sensori
• Prestazioni di pneumatici e freni
• Protezione di batteria e connettori
• Temperatura operativa consentita
• Requisiti di manutenzione ordinaria

Queste condizioni ambientali dovrebbero essere incluse nella richiesta di preventivo e nei criteri di accettazione, piuttosto che essere affrontate solo dopo l'arrivo delle apparecchiature. I test pilota non dovrebbero utilizzare solo il percorso più semplice. Dovrebbero includere:

• Il corridoio più stretto
• La sezione di pavimento peggiore
• L'incrocio più trafficato
• La condizione di carico più impegnativa

Fase 6: Definire come il robot preleverà e rilascerà il carico

Il fatto che un robot raggiunga una postazione di lavoro non significa che il compito di movimentazione materiali sia stato automatizzato. La stabilità del sistema spesso dipende da come il robot scambia i materiali con pallet, carrelli, scaffalature o nastri trasportatori. I metodi comuni di trasferimento del carico includono:

• Moduli di sollevamento
• Trasportatori a rulli motorizzati
• Ganci di traino
• Forche automatizzate
• Sistemi di scambio rack
• Aggancio automatico dei carrelli
• Guide meccaniche
• Marcatori per il posizionamento visivo
• Sensori di presenza del carico
• Segnali di handshake PLC

La progettazione della postazione di lavoro deve rispondere a:

• Come conferma il robot che il carico è stato ricevuto?
• Il robot può iniziare a muoversi se il carico è disallineato?
• Dove attende il robot se la posizione di scarico è occupata?
• Cosa succede se il trasportatore non restituisce un segnale di pronto?
• Come conferma il sistema che il carico ha lasciato il robot?
• I dipendenti possono accedere a un'area in cui potrebbe crearsi un punto di schiacciamento?

In molti progetti reali, i problemi più frequenti non sono i guasti di navigazione. Sono:

• Pallet deformati
• Carrelli disallineati
• Posizioni di scarico occupate
• Stati dei sensori errati
• Handshake non riusciti tra le apparecchiature

Il metodo di trasferimento del carico deve quindi essere definito prima di selezionare la configurazione finale del robot e del modulo superiore.

Fase 7: Valutare l'integrazione con i sistemi esistenti

I robot per la movimentazione dei materiali spesso devono interfacciarsi con sistemi aziendali e di apparecchiature, come:

• Sistemi di gestione del magazzino
• Sistemi di controllo del magazzino
• Sistemi di esecuzione della produzione
• Sistemi ERP
• PLC
• Sistemi di controllo dei trasportatori
• Porte automatiche
• Ascensori
• Sistemi barcode e RFID
• Apparecchiature di ricarica
• Sistemi antincendio e altri impianti di stabilimento

Non basta verificare che un'interfaccia sia tecnicamente supportata. Il team di progetto deve definire cosa accade quando l'interfaccia si guasta. Le domande a cui rispondere includono:

• Come impedisce il sistema consegne duplicate se un task viene inviato due volte?
• Il robot attende o accetta un altro incarico quando una stazione non è pronta?
• Esiste una posizione di backup quando la postazione di scarico è occupata?
• Il task corrente viene mantenuto dopo un'interruzione di rete?
• Il task può proseguire automaticamente dopo il ripristino della comunicazione?
• Un guasto all'ascensore può bloccare l'intera flotta?
• Come vengono inserite le attività urgenti nella normale coda di lavoro?

I flussi operativi normali sono di solito facili da dimostrare. La gestione delle eccezioni e il recovery determinano quanto supporto manuale richiederà il sistema dopo l'implementazione. Le proposte dei fornitori dovrebbero pertanto includere entrambi gli aspetti:

• Diagrammi dei flussi di processo normali
• Logica di recovery per percorsi bloccati, guasti di rete, stazioni occupate, attività duplicate e anomalie delle apparecchiature

Fase 8: Confermare la sicurezza a livello applicativo

Un robot conforme ai requisiti di sicurezza del prodotto non rende automaticamente sicura l'intera applicazione. La sicurezza dell'applicazione dipende anche da:

• Dimensioni e stabilità del carico
• Progettazione del top module
• Velocità operativa
• Distanza di frenata
• Layout della postazione di lavoro
• Comportamento dei dipendenti
• Regole di circolazione all'interno dello stabilimento
• Procedure di manutenzione

Per AGV, AMR e altri veicoli industriali senza conducente, la norma ISO 3691-4 può essere utilizzata come riferimento per i requisiti di sicurezza di apparecchiature e sistemi. Per i bracci robotici industriali, la serie ISO 10218 può essere riferita per la sicurezza di robot e celle robotiche. Tuttavia, le norme non sostituiscono una valutazione del rischio specifica per l'applicazione. Il progetto deve definire la responsabilità per:

• Valutazione del rischio dell'applicazione
• Progettazione delle funzioni di sicurezza
• Test della distanza di frenata a pieno carico
• Zone protettive e protezione delle postazioni di lavoro
• Formazione dei dipendenti
• Procedure di lockout e manutenzione
• Rivalutazione dopo modifiche a percorso, carico o velocità

Ad esempio, il robot può rilevare una persona che si trova davanti a sé. Tuttavia, se il carico sporge di 300 mm oltre un lato del robot, la sezione a sbalzo potrebbe trovarsi al di fuori della zona di rilevamento di sicurezza originaria. Anche la distanza di frenata può variare tra funzionamento a vuoto e a pieno carico. La validazione della sicurezza deve pertanto essere completata utilizzando:

• Il carico utile massimo approvato
• La velocità operativa massima
• Le condizioni del pavimento peggiori consentite
• Le dimensioni massime del carico approvate

I test a bassa velocità e a vuoto non sono sufficienti.

Fase 9: Calcolare il costo totale di proprietà

Il prezzo di acquisto del robot è solo una parte del costo del progetto.

Un calcolo base del payback può utilizzare: Periodo di payback = Investimento totale del progetto ÷ Beneficio netto annuo. Supponiamo:

• Investimento totale del progetto: $300.000
• Risparmio annuo previsto su manodopera, attrezzature e riduzione dei tempi di fermo: $125.000
• Costi annuali per software, manutenzione e supporto: $20.000

Beneficio netto annuo: $125.000 − $20.000 = $105.000. Periodo di payback stimato: $300.000 ÷ $105.000 ≈ 2,9 anni. Non calcolare un solo scenario ideale. È opportuno preparare almeno tre scenari.

Il ROI di un altro progetto dovrebbe essere usato solo come riferimento. Le distanze di trasporto, i salari, i turni di lavoro, i picchi di domanda e l'impatto economico dei tempi di fermo variano notevolmente tra gli stabilimenti.  

Fase 10: Come convalidare la soluzione prima dell'acquisto?

Un test pilota dovrebbe riprodurre il più fedelmente possibile le condizioni produttive reali. Non basta far compiere al robot alcuni percorsi a vuoto in un'area dimostrativa libera. Il processo di validazione consigliato è il seguente:

1. Testare il robot con il carico approvato più pesante, più ingombrante e meno stabile.
2. Operare nelle posizioni effettive di prelievo e consegna.
3. Includere i corridoi più stretti, le condizioni del pavimento peggiori e gli incroci più trafficati.
4. Introdurre il normale traffico di carrelli elevatori, pedoni, transpallet e ostacoli temporanei.
5. Inviare attività in modo continuo al carico di lavoro di picco previsto.
6. Testare ogni meccanismo di trasferimento del carico e ogni interfaccia di handshake con le attrezzature.
7. Simulare interruzioni di rete, postazioni di lavoro occupate e attività non riuscite.
8. Verificare la pianificazione della carica a batteria scarica e la ricarica automatica.
9. Far operare il sistema in modo continuo per un intero turno.
10. Registra ogni intervento manuale e il motivo per cui è stato necessario.

I criteri di accettazione devono essere definiti nel contratto tecnico prima dell'acquisto dell'attrezzatura.

Questi valori sono esempi di possibili criteri di accettazione. Non sono standard fissi per ogni progetto. Un robot che trasporta materiali critici per la produzione deve avere requisiti di successo delle missioni e di tempi di ripristino diversi da un robot che raccoglie rifiuti a bassa priorità. I criteri di accettazione devono essere determinati dalle potenziali conseguenze di un guasto, tra cui:

• Fermi di produzione
• Ritardi nelle consegne
• Carenze di materiali
• Danni al prodotto
• Interventi manuali di ripristino
• Rischi per la sicurezza

Il cuore della selezione del robot è l'idoneità applicativa, non le specifiche massime

La scelta di un robot per la movimentazione dei materiali può essere ricondotta a cinque tipi di allineamento:

• Le condizioni di carico devono corrispondere alla capacità di carico utile e alla stabilità del robot.
• La domanda di picco deve corrispondere alla produttività effettiva del sistema.
• Le tolleranze delle postazioni di lavoro devono corrispondere alla precisione di aggancio del robot.
• Le condizioni dell'impianto devono corrispondere alle capacità operative dell'attrezzatura.
• I benefici aziendali attesi devono giustificare il costo totale di possesso.

Le specifiche di prodotto possono aiutare a creare una prima shortlist, ma non sostituiscono i test in condizioni operative reali. Una soluzione deve essere considerata idonea solo dopo che il robot è stato validato con:

• Carichi reali
• Percorsi di trasporto reali
• Volumi di lavoro di picco
• Traffico normale dell'impianto
• Condizioni di eccezione previste

Il robot per la movimentazione dei materiali più adatto non è necessariamente quello con la capacità di carico più elevata, la velocità di traslazione più alta o la tecnologia di navigazione più avanzata. È il sistema in grado di svolgere il compito richiesto in modo affidabile nelle reali condizioni operative.

Quale robot per la movimentazione dei materiali è adatto alla tua azienda?

Nessun singolo robot è adatto a ogni applicazione di movimentazione dei materiali. Un braccio robotico industriale fisso è generalmente più indicato per la movimentazione ad alta velocità e precisione all'interno di una postazione di lavoro fissa. Un AGV è più adatto al trasporto altamente ripetitivo lungo percorsi che rimangono stabili nel tempo. Un AMR è più prezioso nelle applicazioni di logistica interna in cui destinazioni, percorsi o priorità dei compiti cambiano regolarmente. Un carrello elevatore automatizzato è solitamente più appropriato per il prelievo, il trasporto, lo stoccaggio e il recupero automatico di pallet standardizzati. Tuttavia, il tipo di attrezzatura deve essere il risultato del processo di selezione, non il punto di partenza. La decisione finale deve tornare a tre domande fondamentali.

1. L'attività è adatta all'automazione?

Il processo di movimentazione dei materiali deve essere sufficientemente ripetitivo. I carichi e le postazioni di lavoro devono essere ragionevolmente standardizzati e la domanda di lavoro deve essere misurabile. I processi che cambiano costantemente o che dipendono fortemente dal giudizio del singolo operatore potrebbero richiedere una standardizzazione prima di introdurre l'automazione robotica.

2. I benefici dell'automazione sono verificabili?

Prima della messa in servizio, stabilire i dati di riferimento per:

• Tempo di movimentazione manuale dei materiali
• Numero di attività di trasporto
• Distanza percorsa a piedi dai dipendenti
• Tempo di attesa delle postazioni di lavoro
• Fermi per mancanza materiali
• Utilizzo del carrello elevatore
• Esposizione a rischi per la sicurezza
• Gestione manuale delle eccezioni

Le stesse misurazioni dovrebbero essere raccolte nuovamente dopo che il sistema robotico di movimentazione materiali raggiunge un funzionamento stabile. Senza dati di baseline, è difficile dimostrare se il progetto abbia migliorato la produttività, la sicurezza, la capacità produttiva o i costi operativi.

3. Il robot può operare in modo affidabile in condizioni reali?

La soluzione proposta deve essere testata con carichi reali, percorsi effettivi, picchi di domanda di attività e scenari di eccezione realistici. Le specifiche di prodotto e le brevi dimostrazioni non sono sufficienti. La selezione del robot per la movimentazione materiali dovrebbe quindi partire dal flusso dei materiali e dal collo di bottiglia operativo, non dal catalogo prodotti del produttore. Carico utile, velocità, precisione e tecnologia di navigazione possono aiutare a restringere le opzioni disponibili. Tuttavia, le prestazioni a lungo termine dipendono in misura maggiore da:

• Interfacce delle postazioni di lavoro
• Meccanismi di trasferimento del carico
• Integrazione di sistema
• Pianificazione della flotta
• Ripresa da situazioni di eccezione
• Validazione della sicurezza
• Produttività di picco
• Requisiti di manutenzione
• Benefici aziendali misurabili

Il miglior robot per la movimentazione materiali non è quello con le specifiche più elevate. È un sistema completo in grado di eseguire in modo affidabile le attività richieste in condizioni operative reali e di fornire benefici misurabili e verificabili.

Domande frequenti