Progettare una linea di trasporto pallet: 10 parametri che devono essere definiti per primi

Progettare una linea di trasporto pallet: 10 parametri che devono essere definiti per primi

Henton Aluminum | Ingegneria e selezione di trasportatori per pallet

Molti clienti richiedono un preventivo per un trasportatore per pallet iniziando con una sola domanda:

"Quanto costa un trasportatore di 10 metri?"

Tuttavia, la lunghezza del trasportatore da sola non determina la soluzione corretta.

Due linee di trasportatori possono entrambe essere lunghe 10 metri, ma una trasporta componenti elettronici leggeri, mentre l'altra trasporta moduli batteria del peso di oltre 100 kg. Una può muovere i prodotti esclusivamente in modo continuo, mentre l'altra deve anche fermare, sollevare, posizionare, ispezionare e restituire automaticamente i pallet.

Diverse condizioni operative richiedono catene, profili in alluminio, pallet, sistemi di azionamento e controlli differenti.

Una linea di montaggio stabile per trasportatori per pallet parte dai seguenti dieci parametri.

01 Qual è il peso complessivo del prodotto e del pallet?

Il calcolo del carico non può basarsi esclusivamente sul peso del prodotto.

Il carico effettivo in movimento comprende:

Prodotto + fixture + piastra per pallet + accessori per pallet

Ad esempio, se il prodotto pesa 20 kg, la fixture pesa 8 kg e il pallet in alluminio pesa 7 kg, il carico effettivo per pallet è di 35 kg, non di 20 kg.

La revisione ingegneristica deve inoltre confermare:

• Se il baricentro è centrato
• Dimensioni dei pallet
• Se il carico è eccentrico
• Dove il pallet entra in contatto con le catene del trasportatore
• Quanti pallet circolano contemporaneamente sulla linea
• Quanti pallet potrebbero accumularsi in condizioni di carico massimo

La scelta della catena deve verificare non solo il carico totale sul trasportatore, ma anche il carico su ogni rullo, su ogni catena e la possibile differenza di carico tra la catena sinistra e quella destra.

Anche le procedure di selezione delle catene a flusso libero richiedono che gli ingegneri considerino contemporaneamente massa e dimensioni del pallet, quantità, velocità del trasportatore, lunghezza del trasportatore e lunghezza di accumulo, anziché basarsi esclusivamente sul peso del prodotto.

Per Henton, il primo passo non è scegliere un motore. Sta identificando la condizione di funzionamento più pesante di tutta la linea.

02 Quanti prodotti devono essere trasportati al minuto?

più veloce è il trasportatore, meglio è è uno dei malintesi più comuni nella progettazione dei trasportatori per pallet.

Il vero requisito non è la massima velocità della catena, ma il numero di prodotti finiti che la linea può consegnare in modo affidabile al minuto.

Se l'obiettivo di produzione è di 6 prodotti al minuto e ogni pallet trasporta 1 prodotto, il tempo medio di messa in palette è:

60 ÷ 6 = 10 secondi per pallet

Se ogni pallet trasporta 2 prodotti, il tempo di messa in palette ammesso diventa:

60 × 2 ÷ 6 = 20 secondi per pallet

Prima di determinare la velocità del trasportatore, occorre confermare quanto segue:

• Flusso di destinazione al minuto
• Numero di prodotti su ogni pallet
• Distanza tra le postazioni di lavoro
• Tempo necessario per l’avvio, l’arresto e il posizionamento del pallet
• Se il caricamento e lo scaricamento sono manuali
• Se sono inclusi processi di attesa come ispezione, avvitatura, erogazione, saldatura o altri

La velocità del nastro trasportatore è un risultato del processo di progettazione, non il punto di partenza.

Una catena più veloce non aumenta la produzione quando le postazioni di lavoro rimangono bloccate. Può soltanto aumentare gli urti, il rumore e l’usura.

03 Qual è il tempo di ciclo di ciascuna postazione di lavoro?

L’output al minuto definisce l’obiettivo produttivo. Il tempo di ciclo della postazione di lavoro determina se la linea può effettivamente raggiungerlo.

Se un prodotto deve essere completato ogni 10 secondi, nessuna postazione di lavoro dovrebbe richiedere costantemente più di 10 secondi senza capacità aggiuntiva.

Una linea reale può assomigliare a questa:

• Caricamento: 5 secondi
• Scansione: 3 secondi
• Tornitore: 18 secondi
• Ispezione: 8 secondi

In questo caso, la stazione di avvitamento di 18 secondi, non la velocità del trasportatore, è il collo di bottiglia effettivo della produzione.

Le possibili soluzioni sono:

• Aggiunta di una stazione di lavoro parallela
• Trasporto di più prodotti su un unico pallet
• Divisione di un processo in più fasi
• Aggiunta della capacità del buffer
• Utilizzo di apparecchiature automatiche
• Riorganizzazione del layout della postazione di lavoro

Un trasportatore per pallet non è semplicemente un dispositivo che sposta i prodotti in avanti. Deve organizzare i processi con tempi di ciclo diversi in un flusso di produzione equilibrato.

Senza un bilanciamento del tempo di ciclo, aumentare la dimensione della catena, la potenza del motore o la dimensione del telaio non risolverà il problema della capacità.

04 Quanti pallet devono essere accumulati contemporaneamente?

Uno dei principali vantaggi di un trasportatore a palette a flusso libero è che la catena può continuare a muoversi mentre i pallet si fermano e fanno la fila a un tappo.

Tuttavia, la capacità di accumulo non è illimitata.

Più pallet e zone di accumulo più lunghe aumentano l'attrito, il carico di guida e l'usura dei rulli.

La capacità di accumulo richiesta è di solito calcolata a partire dal possibile tempo di fermo del processo a valle.

Ad esempio:

• Ciclo di produzione: 20 secondi per pallet
• Tempo di recupero tipico a valle dopo un guasto: 3 minuti
• Il processo a monte continua ad alimentare durante quei 3 minuti

Il buffer teorico minimo è:

180 ÷ 20 = 9 pallet

Il progetto finale deve inoltre considerare la distanza tra i pallet, la logica di rilascio dopo la ripresa della produzione e una riserva adeguata.

La revisione ingegneristica deve ulteriormente confermare:

• Se l’intera linea o solo zone selezionate accumulano pallet
• Se i prodotti possono entrare in contatto tra loro durante l’accumulo
• Quanti pallet deve trattenere un arrestatore
• Se le zone di accumulo richiedono l'arresto per sezioni
• Se il motore è in grado di gestire una linea completamente accumulata

Molti trasportatori funzionano normalmente a vuoto, ma si sovraccaricano, vibrano o si bloccano quando tutti i pallet si accumulano. Nella maggior parte dei casi, il carico accumulato non è stato interamente considerato nella progettazione.

05 Quali sono la lunghezza del trasportatore e l'altezza di lavoro?

Un trasportatore più lungo non equivale semplicemente all'aggiunta di alcuni metri di profilo in alluminio.

Con l'aumentare della lunghezza aumentano anche il peso della catena, l'attrito delle guide, la quantità di pallet e la tensione accumulata. Oltre una certa lunghezza, la progettazione potrebbe richiedere:

• Più sezioni motrici
• Supporti intermedi aggiuntivi
• Profili strutturali più grandi
• Una struttura di tensionamento della catena rivista
• Controllo zonale
• Accesso per Manutenzione

I metodi di selezione della catena considerano la lunghezza del nastro trasportatore, la velocità, il coefficiente di attrito, la massa massima trasportata e l’ambiente operativo come parametri fondamentali per il calcolo della tensione della catena. L’inerzia deve essere inclusa anche quando il nastro trasportatore avvia rapidamente il movimento o spinge improvvisamente un carico.

L’altezza di lavoro deve essere progettata, non scelta arbitrariamente.

Le linee di montaggio manuali devono tenere conto dell’altezza dell’operatore, del tipo di lavoro (seduto o in piedi), della posizione degli utensili e della superficie di lavoro del prodotto. Le linee automatizzate devono essere compatibili con robot, sistemi di ispezione, macchine dosatrici e attrezzature di caricamento.

Per un nastro trasportatore a doppio livello di ritorno, il progetto deve verificare anche:

• Altezza di lavoro superiore
• Spazio libero per il ritorno inferiore
• Altezza del meccanismo di sollevamento e trasferimento
• Spazio per motori e ruote dentate
• Intervallo di regolazione dei piedini livellatori

L’altezza di lavoro sembra essere una semplice dimensione, ma influisce direttamente sull’ergonomia e sull’integrazione delle attrezzature.

06 È richiesto il posizionamento con sollevamento e localizzazione?

Un fermo può arrestare un pallet, ma arrestare non equivale a posizionare con precisione.

L’assemblaggio manuale, l’ispezione visiva e la scansione di base potrebbero richiedere soltanto che il pallet si fermi all’interno di un’area generica. Un fermo potrebbe essere sufficiente per queste operazioni.

Le unità di sollevamento e localizzazione sono generalmente richieste per:

• Prelevamento robotizzato
• Avvitatura automatica
• Distribuzione o rivestimento
• Staffa da pressa
• Ispezione laser
• Acquisizione immagini tramite sistema di visione
• Misurazione di precisione
• Saldatura
• Caricamento e scaricamento automatici

Un’unità di sollevamento e posizionamento solleva il pallet lontano dai rulli del nastro trasportatore e lo posiziona mediante perni, bocchette o superfici di riferimento di precisione.

Questo offre due importanti vantaggi:

In primo luogo, le forze di lavorazione e di pressatura non vengono trasmesse direttamente alla catena e ai rulli del nastro trasportatore.

In secondo luogo, la posizione del pallet è definita dall’unità di posizionamento, non dalla posizione di arresto della catena.

Pertanto, non è sufficiente indicare che è necessario un fermo. Devono essere inoltre definiti i processi eseguiti dopo l’arresto.

07 Qual è l’accuratezza di posizionamento richiesta?

Affermare che è necessario un posizionamento non è sufficiente. Deve essere specificata la ripetibilità richiesta.

I diversi processi presentano requisiti di accuratezza molto diversi:

• L’assemblaggio manuale richiede soltanto un pallet fermato in modo stabile
• L’ispezione di base con sensori richiede un posizionamento ragionevolmente costante
• La movimentazione robotizzata richiede una ripetibilità stabile
• La visione, la distribuzione di adesivi, il serraggio delle viti e la pressatura di precisione richiedono un’accuratezza superiore

Nei sistemi consolidati di trasporto pallet, le unità di posizionamento dedicate possono raggiungere una ripetibilità nell’ordine di ±0,1 mm ÷ ±0,3 mm. Le prestazioni effettive dipendono dalla struttura del pallet, dai perni di centraggio e dai bocchelli, dal carico, dalla precisione di installazione e dalla progettazione meccanica.

Un punto va sottolineato con forza:

L’accuratezza di posizionamento non si ottiene semplicemente indicando un valore nelle specifiche tecniche.

Dipende inoltre da:

• Rigidità del pallet
• Adattamento tra perni di centraggio e bocchelli
• Modalità di centraggio del prodotto nel dispositivo di fissaggio
• Sincronizzazione del meccanismo di sollevamento
• Rigidità del telaio
• Se il carico è eccentrico
• Fondazione della macchina e installazione
• Manutenzione dopo usura prolungata

Maggiore è il requisito di precisione, minore è la probabilità che un semplice arresto meccanico da solo sia sufficiente.

08 Ritorno a livello singolo, a doppio livello o a circuito chiuso?

La struttura del nastro trasportatore deve essere scelta in base allo spazio disponibile a terra, ai requisiti di ritorno dei pallet e al flusso di processo.

Nastro trasportatore lineare a livello singolo

Questa è la struttura più semplice, con investimento inferiore e manutenzione più agevole. È adatta quando gli operatori prelevano i pallet alla fine della linea oppure quando non è richiesto il ritorno automatico dei pallet.

Il suo principale limite è che i pallet vuoti devono essere riportati manualmente.

Ritorno automatico a doppio livello

Il livello superiore è utilizzato per l’assemblaggio e il trasporto dei pallet carichi, mentre il livello inferiore provvede al ritorno dei pallet vuoti. Ascensori, unità sollevamento-trasferimento o altri meccanismi di trasferimento collegano i due livelli.

Questo design risparmia spazio sul pavimento e garantisce la circolazione automatica dei pallet, rendendolo adatto a linee di montaggio lineari.

Tuttavia, i meccanismi aggiuntivi di sollevamento, trasferimento e controllo aumentano anche i requisiti in termini di protezioni e interblocco guasti.

Convogliatore ad anello orizzontale

I pallet circolano continuamente lungo un anello orizzontale. Questa configurazione è adatta quando le postazioni di lavoro sono disposte intorno al convogliatore e quando possono essere aggiunte diramazioni, stazioni di ispezione o aree di ritocco.

La disposizione ad anello è flessibile, ma occupa generalmente più spazio sul pavimento e richiede un numero maggiore di meccanismi per le curve e i trasferimenti.

Non esiste una disposizione universalmente ottimale. La disposizione corretta è quella che si adatta al processo produttivo e allo spazio disponibile in fabbrica.

09 Sono richieste caratteristiche ESD, protezione dalla polvere o resistenza alle alte temperature?

I convogliatori per pallet non vengono utilizzati esclusivamente in officine ordinarie.

L'assemblaggio di componenti elettronici, la produzione di batterie, gli strumenti di precisione, le aree pulite, i processi ad alta temperatura e la lavorazione dei metalli generano tutti requisiti diversi in termini di materiali e struttura.

Ambienti sensibili alle scariche elettrostatiche (ESD)

Sostituire un componente con una "catena antistatica" non costituisce una soluzione completa per la protezione ESD.

Una progettazione completa per la protezione ESD potrebbe richiedere anche:

• Pallet conduttivi o dissipativi staticamente
• Materiali adeguati per catene e guide
• Un percorso conduttivo tra il pallet e il nastro trasportatore
• Messa a terra del telaio in alluminio
• Strisce di collegamento equipotenziale
• Protezione dei componenti elettrici
• Prova finale di resistenza

L'ESD deve essere considerata come un requisito applicativo a livello di sistema, non come una proprietà di un singolo componente isolato.

Ambienti di polvere e frammenti di metallo

La progettazione deve tener conto dei coperchi dei canali della catena, della rimozione dei chip, della pulizia delle guide e dell'accesso alla manutenzione.

Permettere che schegge di alluminio, schegge di acciaio o polvere entrino continuamente nell'area della catena e dei dentini accelera l'usura e può eventualmente causare blocchi.

Ambienti a alta temperatura

Occorre rivedere quanto segue:

• Materiali per catene e rulli
• Limiti di temperatura delle strisce di usura
• Metodo di lubrificazione
• Posizione del motore e della scatola dei cambio
• Temperatura nominale dei sensori, dei tubi e dei cavi
• Espansione termica del telaio e dei pallet

Una configurazione standard di officina non può essere applicata direttamente a ogni ambiente operativo.

10 Come vengono calcolati la potenza del motore e i fattori di sicurezza?

La scelta del motore non può essere ridotta a una regola del tipo «un certo numero di watt per metro».

La forza richiesta per il trasportatore deve includere almeno quattro componenti:

Resistenza totale = resistenza d’attrito + inerzia all’avviamento + resistenza di sollevamento + resistenza aggiuntiva

Per una stima iniziale di un trasportatore orizzontale:

Resistenza d’attrito F₁ = μ × M × g

Dove:

• μ è il coefficiente d’attrito equivalente della catena, dei rulli e del sistema di guida
• M è la massa totale in movimento
• g è l'accelerazione gravitazionale

L'avvio introduce anche l'inerzia:

Forza d'inerzia F₂ = M × a

dove a è l'accelerazione del trasportatore.

Il movimento inclinato o le variazioni di quota richiedono un ulteriore componente gravitazionale. Devono inoltre essere inclusi, come resistenze aggiuntive, i pallet accumulati, la tensione della catena, i meccanismi di rotazione, i cuscinetti e altri accessori.

Una volta determinata la forza totale di azionamento F, la potenza preliminare può essere calcolata come:

Potenza calcolata P = F × v ÷ (1000 × η)

Dove:

• P è espressa in kW
• F è la forza totale di azionamento in N
• v è la velocità della catena in m/s
• η è l’efficienza complessiva del motore, del cambio, della ruota dentata e del sistema di trasmissione

Il motore non deve essere scelto esattamente al valore calcolato.

È necessario applicare un fattore di servizio:

Potenza del motore selezionato ≥ potenza calcolata × fattore di servizio

Il fattore di servizio non è un numero fisso. Dipende da:

• Frequenza di avviamento e arresto
• Tempo di funzionamento continuo
• Accumulo su tutta la linea
• Funzionamento in senso orario e antiorario
• Carichi d'impatto
• Tempo di accelerazione richiesto
• Temperatura ambiente
• Variazione del carico effettivo

Un margine preliminare di circa 1,3–1,5 può essere adeguato per il trasporto continuo e stabile. Avviamenti frequenti, accumulo elevato o carichi variabili possono richiedere un margine di circa 1,5–2,0. Applicazioni gravose, con colpi o inversione di marcia richiedono una verifica specifica anziché l’applicazione di un fattore fisso.

La scelta del motore deve inoltre verificare:

• Coppia di uscita del cambio
• Coppia di avviamento
• Coppia sull'albero della ruota dentata
• Velocità del motore
• Rapporto di riduzione
• Capacità termica
• Frequenza di avviamento e arresto
• Tensione massima ammissibile della catena

I metodi professionali di scelta del motore valutano contemporaneamente l'inerzia, la coppia e la velocità, mentre i metodi di scelta della catena verificano la tensione massima della catena, i fattori di velocità e le condizioni operative.

Un motore di dimensioni insufficienti potrebbe non riuscire ad avviarsi a pieno carico. Un motore scelto eccessivamente grande potrebbe aumentare lo stress sulla catena, sulle ruote dentate e sul cambio. L'approccio corretto consiste nell'adattare l'intero sistema di trasmissione, non semplicemente incrementare la potenza del motore.

Preparare queste informazioni prima di richiedere una soluzione per trasportatore a pallet

Quando si richiede una linea di montaggio per trasportatori a pallet da Henton, le seguenti informazioni ci aiutano a preparare una soluzione e un preventivo più accurati:

• Nome del prodotto, dimensioni e peso
• Dimensioni, peso e materiale del pallet
• Numero di prodotti trasportati su ciascun pallet
• Flusso di destinazione al minuto
• Tempo di ciclo di ogni postazione di lavoro
• Lunghezza, larghezza e altezza di lavoro richieste per il nastro trasportatore
• Numero massimo di pallet accumulabili
• Requisiti per arresto, sollevamento e posizionamento preciso
• Precisione di posizionamento richiesta
• Layout a un livello, a due livelli o con ritorno ad anello
• Ambiente operativo e ore operative giornaliere
• Integrazione con robot, apparecchiature di ispezione o sistemi di controllo

Un trasportatore a pallet potrebbe sembrare soltanto una linea di trasporto, ma collega il tempo di ciclo produttivo, i dispositivi di fissaggio, le attrezzature per l’automazione, gli operatori e la logistica dello stabilimento.

Un preventivo rapido ha scarso valore se i parametri ingegneristici non sono stati definiti correttamente.

Henton non progetta un trasportatore a pallet semplicemente aggiungendo profili in alluminio e catene in base alla lunghezza. Valutiamo il carico del prodotto, il tempo di ciclo produttivo, la quantità di accumulo, i requisiti di posizionamento e l’ambiente operativo, quindi progettiamo catena, telaio, pallet, sistema di azionamento e sistema di controllo come un’unica soluzione integrata.

I clienti non hanno bisogno di un trasportatore che si limiti a muoversi.

Hanno bisogno di una linea di produzione che avvii il funzionamento a pieno carico, accumuli senza intasamenti, posizioni con precisione, operi in modo affidabile nel tempo e mantenga il ritmo richiesto della produzione.