Sviluppo e produzione di un sistema robotizzato ... - Sartorius

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Applicazioni
Sistema di manipolazione realizzato presso
il BEV per masse ridotte.
Sviluppo e produzione di un sistema
robotizzato
Per pesi da 1 mg a 10 g per l’equipaggiamento di comparatori
di massa ad alta precisione
Al fine di soddisfare i requisiti di un moderno istituto di metrologia e nell’intento di
costruire un laboratorio di analisi di massa completamente automatizzato, l’Ufficio
Federale di Metrologia e Rilevamento Topografico (BEV) in collaborazione con il Politecnico
di Vienna e l’azienda Sartorius hanno sviluppato un sistema di alternanza per pesi
da 1 mg a 10 g con un nuovo comparatore di massa da 10 g. Il sistema di manipolazione
(handling) può contenere fino a 80 pesi di controllo e campione e può alloggiare direttamente
il peso (cioè senza dispositivi di trasporto). Il sistema si basa su un motore lineare
con controllo tramite PC e, grazie alla propria struttura, può essere utilizzato universalmente.
Viene impiegato da BEV nella disseminazione della massa oltre che per la calibrazione
e la verifica metrologica di pesi. Da un magazzino vengono prelevati pesi da 1 mg
fino a 10 g che vengono quindi posti sul comparatore di massa. Ogni procedura prevede
la misurazione di riferimento del peso di controllo rispetto ai pesi campione.
Situazione iniziale
Nel 2005 il BEV
disponeva solamente
di una vecchia bilancia
di precisione da
4 grammi (risoluzione
0,1 µg) e una
bilancia tradizionale
da 100 g (risoluzione
1 µg) per la disseminazione
della massa
e per la calibrazione
e la verifica metrologica
di campioni
molto piccoli (fino a
10 g). Tutti i pesi
venivano aggiunti manualmente. Per soddisfare
i requisiti di un istituto nazionale di
metrologia era necessario acquistare un comparatore
di massa più moderno adatto a
masse molto ridotte. Considerando le esigenze
di disseminazione della massa e il numero
stimato di calibratura di pesi, un comparatore
di massa tradizionale non sembrava più adatto.
Due anni fa, sulla base degli eccellenti
risultati dello sviluppo di un sistema automatico
di alternanza (sistema di manipolazione)
per pesi con una massa fino a 20 kg, è stato
concepito un nuovo sistema di alternanza.
Caratteristiche e obiettivi
L’obiettivo era dunque la progettazione e la
realizzazione di un sistema di manipolazione
automatico per pesi con una massa compresa
tra 1 mg e 10 g che consentisse di utilizzare
pesi a forma di filo o a foglia senza l’impiego
di dispositivi di trasporto. Il dispositivo di
alternanza deve garantire l’alloggiamento
contemporaneo di più pesi (gruppi di pesi in
caso di piccoli pezzi), ossia fino a 10 g per la
disseminazione della massa, nonché per la
calibratura di pesi speciali. A questo scopo è
consentito posizionare nel magazzino di
alternanza 4 serie complete di pesi fino a
10 g. Il controllo avviene tramite un’unità di
comando esterna e deve consentire la programmazione
a scelta dell’alternanza di
tutti i pesi nel magazzino. Il sistema di controllo
deve includere almeno un programma
standard per la calibratura completamente
automatica (confronto di pesi) secondo le
procedure operative standard. Dopo aver
riposto i pesi nel magazzino, il software
assegna le postazioni dei pesi. L’alloggiamento
dei pesi sul comparatore di massa, la
comparazione della massa e la riconduzione
al magazzino devono avvenire in modo
completamente automatico. I pesi devono
essere prelevati direttamente (senza dispositivi
di trasporto).
Il sistema di manipolazione deve disporre di
vari dispositivi di controllo e sorveglianza
adatti a evitare una doppia occupazione delle
postazioni del magazzino, della bilancia o
altri danni ed errori. Il funzionamento del
sistema di manipolazione deve inoltre impedire
che venga pregiudicata la misurazione.
Il sistema di manipolazione deve essere
progettato in modo che possa essere adattato
a diversi comparatori di massa.
Alla realizzazione hanno contribuito quali
partner competenti anche il Politecnico
di Vienna, l’Istituto di Ingegneria della Produzione
(IFT) e l’azienda Sartorius.

Schema costruttivo
Il sistema di manipolazione è formato da
un asse posizionabile per lo spostamento
dell’unità di trasporto in direzione longitudinale.
Entrambi dispositivi di presa a pettine
sull’unità di trasporto possono essere inseriti
o prelevati mediante l’impianto pneumatico.
L’unità di trasporto è realizzata in modo che
entrambi i dispositivi di presa possano essere
prelevati separatamente e sollevati contemporaneamente.
Il movimento verticale dei
dispositivi avviene in modo pneumatico. Il
sistema è comandato da un PC tramite I/O
digitali. L’asse lineare dispone di un servoazionamento.
Le dimensioni del sistema di manipolazione
completo non dovrebbero essere
superiori a 2000 mm + 800 mm + 800 mm e
dovrebbero consentire il posizionamento
su un banco per bilance tradizionale.
Funzionamento
I pesi, da 1 mg a 10 g, o i gruppi di pesi vengono
inseriti manualmente nella corretta
postazione del magazzino e i dati relativi al
peso vengono inseriti nel PC di comando. La
procedura per pesi campione è la medesima.
L’analisi di confronto avviene solamente se
l’unità di trasporto preleva un peso e un
campione dalla memoria e li posiziona sul
comparatore di massa alternandoli. Questa
analisi di confronto può ora essere ripetuta
spesso e secondo la frequenza desiderata.
Al termine della procedura di analisi, l’unità
di trasporto riporta il peso analizzato e il
campione nelle corrispondenti postazioni del
magazzino.
Struttura del sistema
In base alle esperienze positive, alla semplicità
e molteplice maneggevolezza, ma anche in
considerazione dei costi di produzione, il
sistema è stato costruito in modo lineare. In
questo modo è possibile utilizzare un asse
controllato. Tutti gli altri movimenti vengono
realizzati in modo pneumatico. Per quanto
riguarda la capacità di magazzinaggio sono
state previste 80 postazioni su due livelli che
possono essere equipaggiate a scelta con pesi
campione o di controllo.
Il cuore del sistema è rappresentato dall’unità
di trasporto che può essere spostata in modo
semplice con l’azionamento pneumatico di
quattro movimenti verticali e due orizzontali.
Unità di trasporto
Asse lineare Alloggiamento
Poiché i pesi vengono sempre alloggiati senza
dispositivi di trasporto, è stato inserito un
sistema di presa a pettine. Tuttavia, per poter
utilizzare pesi da 1 mg, le tolleranze necessarie
tra magazzino e dispositivo di presa sono
molto ristrette. Si deduce quindi che il dispositivo
di presa deve effettuare il posizionamento
in ogni punto con una precisione
superiore a 0,05 mm. Su tutto il tratto di spostamento
di 1800 mm ciò viene garantito
da un mandrino di precisione con servoazionamento.
L’azionamento pneumatico offre una possibilità
di posizionamento «assoluta» grazie a due
arresti meccanici nelle posizioni terminali e
all’assenza di campi elettromagnetici di
disturbo. La conversione dei movimenti di sollevamento
mediante azionamento elettrico
sarebbe stata possibile solamente con costi e
dispendio di mezzi maggiori. Il comando del
sistema viene effettuato da un PC in comunicazione
con il servoregolatore DC mediante
Profibus DP. Ciò rappresenta una soluzione
molto sicura, collaudata in ambito industriale.
Comparatore
di massa
Unità di trasporto
Panoramica della costruzione.
Dispositivi di presa
File di postazioni
del magazzino
File di postazioni
del magazzino
Asse lineare
Applicazioni
Piatto di pesata
a pettine
Concetto base.
Comparatore
di massa
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Applicazioni
Dispositivo
di presa
a pettine
Elemento del
magazzino
Unità di trasporto con azionamento pneumatico.
Tutto il sistema si trova su una lastra di
granito, mentre il comparatore si trova su un
blocco di granito aggiuntivo. Al fine di evitare
alterazioni ambientali di disturbo, il comparatore
è dotato di una protezione anticorrente
che si chiude durante l’analisi. Tutto il sistema
è inoltre collocato in un alloggiamento scollegato
dall’unità di misura. Al fine di ridurre le
correnti di carattere termico, sia il comando
che l’elettronica di potenza sono stati collocati
all’esterno dell’alloggiamento. Per evitare
i campi magnetici di disturbo, tutto il sistema
è stato prevalentemente realizzato con materiali
non magnetici e/o antistatici.
Come unità di misura è stato utilizzato il
comparatore Sartorius CCE6, con una risoluzione
di 0,1 µg e una portata massima di 10 g,
che è stato appositamente adattato da
Sartorius per l’impiego nel sistema di manipolazione.
Inoltre il piatto di pesata per i pesi
è stato completamente ridisegnato.
Unità di trasporto del dispositivo di presa a pettine di
fronte al comparatore di massa CCE10.
Dispositivo di presa a
pettine – virtuale e costruzione
reale (con pesi a filo
da 1 mg e 2 mg).
Svolgimento della prova
I pesi vengono posizionati nelle postazioni del
magazzino. Quindi nel software del calcolatore
di comando vengono inseriti i numeri di
identificazione, il valore nominale del peso
e il tipo di peso (di controllo o campione) e
viene assegnata la postazione corrispondente.
L’analisi viene preparata inserendo la routine
di test prescelta, la selezione dei pesi o di
tutte le postazioni del magazzino e il numero
delle analisi da ripetere. Dopo la conferma,
il sistema di manipolazione preleva i singoli
pesi automaticamente dal magazzino e viene
effettuata l’analisi. La preparazione viene eseguita
contemporaneamente per tutti i pesi.
La coordinazione dei pesi con valori nominali
diversi, la sostituzione dei pesi all’interno del
comparatore e le analisi avvengono in modo
automatico. Al termine della prova, i pesi vengono
prelevati dalle postazioni del magazzino
e vengono cancellati dal database. I pesi di
riferimento possono rimanere nel magazzino.
Grazie alla costante registrazione di tutte le
fasi di programmazione e dei movimenti, in
qualsiasi momento è possibile verificare la
posizione di un peso anche in caso di caduta
di tutto il sistema. Le registrazioni dei parametri
ambientali per la determinazione della
densità atmosferica vengono documentati
automaticamente per ogni valore di pesata.
Come risultato viene stampata la documentazione
delle misurazioni e il certificato di
calibratura del peso misurato.

Risultati delle analisi
Dall’estate 2006, per la convalida del sistema
sono state eseguite delle serie di analisi con
pesi BEV già calibrati e sono state eseguite
delle analisi di controllo interne al BEV con
altri metodi di determinazione della massa.
In precedenza erano richieste una calibratura
speciale del comparatore di massa e la scrittura
del software di controllo. In seguito a
una speciale regolazione del comparatore di
massa e del software di controllo, dopo aver
posizionato i pesi, due valori di misurazione
del comparatore vengono letti nel file di analisi
in un intervallo di 500 ms.
I valori di misura ottenuti vengono raggruppati
in «gruppi di misura» e vengono utilizzati
per i calcoli successivi. In questa fase vengono
effettuate e analizzate diverse misure della
serie E1 ed E2 in cicli di misura rispettivamente
di 10 ABBa o CPPC (campione – peso da
analizzare- peso da analizzare – campione,
ovvero la sequenza in cui vengono pesati i
pesi in modo alternato). In questo modo vengono
confrontati i pesi con un valore nominale
compreso tra 1 mg e 10 g. La deviazione
standard ottenuta per i valori medi con i pesi
utilizzati è stata inferiore a 2+10 –7 ; la ripetibilità
dei valori medi corrispondenti ai valori
misurati nei diversi cicli di misura è stata
inferiore a 1+10 –7 g per i pesi più piccoli e
inferiore a 2+10 –7 g per quelli maggiori.
Dall’autunno 2006 l’impianto viene utilizzato
dal BEV per la disseminazione della massa
nel campo dei 10 g oltre che per calibrazioni
interne ed esterne e per la verifica metrologica
di pesi.
Previsione
In base alla struttura modulare è possibile
adattare l’impianto a condizioni ambientali e
a requisiti tecnici di pesatura particolari. Il
sistema consente inoltre l’impiego contemporaneo
di più comparatori per la copertura di
un campo di pesi più ampio.
Attualmente presso il BEV si sta costruendo
un altro sistema robotizzato per pesi fino
a 1 kg. Questo utilizza una cella di pesatura
Sartorius da 1 kg con una risoluzione di
1+10 –6 . L’impianto sarà pronto entro alcuni
mesi nel 2007 e con esso il BEV avrà effettivamente
realizzato il progetto di automatizzazione
dell’intero laboratorio di analisi
della massa.
In futuro tutte le misurazioni per la calibratura
e la verifica metrologica e gran parte
delle misure per la disseminazione della massa
presso il BEV verranno effettuate mediante
tre «bilance robot».
Codice: 271
Autori:
Christian Buchner, Dietmar Steindl (Ufficio Federale
di Metrologia e Rilevamento Topografico Austriaco (BEV),
Vienna)
Christoph Einspieler, Johann Bernreiter (Istituto di
Ingegneria della Produzione (IFT), Politecnico (TU), Vienna)
Modulo di inserimento del
software di controllo.
Applicazioni
Due serie di pesi nel confronto diretto.
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