Come identificare un riduttore robot ABB usurato prima che si guasti?
L'abbiamo visto accadere troppe volte sul campo negli anni. Il robot ABB sulla linea di produzione aveva funzionato bene fino a un certo punto, ma all'improvviso, un giorno, la saldatura ha cominciato a deviare, la traiettoria a scostarsi, un guasto dopo l'altro, fino a raggiungere un livello di gravità tale da innescare un allarme immediato e lo spegnimento automatico dell'intera linea. Così, tutto si è bloccato di colpo. Tutti sono rimasti in difficoltà, cercando di individuare il problema: analizzando il programma, controllando l'encoder, verificando le attrezzature, per poi arrivare infine allo smontaggio completo, scoprendo soltanto che il riduttore era guasto da tempo, anche se nessuno aveva prestato attenzione a quei piccoli segnali premonitori.
Questo vale soprattutto per i robot impiegati nella saldatura, nella movimentazione, nel caricamento e scaricamento e nello stampaggio: sottoposti per lunghi periodi a carichi elevati e a rotazione continua, i riduttori raramente cedono improvvisamente senza preavviso. In realtà, inviano segnali di allerta ben prima del guasto, un vero e proprio «ciao» anticipatorio; tuttavia, in molti stabilimenti si tende a considerare questi segnali come «tipici delle macchine vecchie» e a ignorarli. 
La prima volta che molte persone notano un problema è quando il robot «non è più preciso come una volta».
Questo è davvero il primo segno più comune. Ciò che risulta interessante è che gli ingegneri di campo raramente considerano il cambio come prima ipotesi. La loro procedura di diagnostica è spesso la seguente: innanzitutto sospettano che il TCP non sia correttamente polarizzato, ovvero che qualcuno abbia urtato la torcia; quindi controllano il programma per verificare se i punti sono corretti; successivamente esaminano l’encoder per accertarsi che non vi sia perdita di impulsi; a volte addirittura sospettano un deriva dei parametri del servo o un allentamento delle fixture. Questa serie di controlli è assolutamente normale, ma solo alla fine, utilizzando uno strumento di misura, scoprono che il gioco di un determinato asse è chiaramente eccessivo. Ciò risulta particolarmente evidente nei robot da saldatura: inizialmente la saldatura procedeva in modo molto regolare, mentre ora si osserva una instabilità dell’arco, un percorso irregolare dell’arco stesso e, anche eseguendo lo stesso programma più volte, la traiettoria presenta lievi deviazioni. Talvolta i clienti ritengono che il problema risieda nel sistema di visione, ma in realtà è dovuto all’usura interna del cambio, che provoca un gioco eccessivo e impedisce il trasferimento preciso del movimento.
Usura del cambio del robot ABB, il 'gioco' diventerà sempre più evidente
Chiunque sia coinvolto nella manutenzione conosce bene il termine «gioco» (backlash), che indica la presenza di un gioco nel giunto. Il lato motore ruota ovviamente, ma il lato meccanico deve attendere una breve corsa libera prima di muoversi. I giunti del nuovo robot sono molto precisi, ma, dopo un lungo periodo di usura degli ingranaggi planetari e dei cuscinetti interni al riduttore, il gioco tra i denti aumenta, i cuscinetti diventano molli e la precisione dell’ingranamento diminuisce; di conseguenza, il robot inizia a mostrare imprecisioni ripetitive nel posizionamento, deriva della traiettoria e un leggero oscillamento durante le fasi di accelerazione e decelerazione. Il problema più fastidioso è che, all’inizio, questo stato non appare particolarmente grave: molte persone riescono persino a tollerarlo per alcuni mesi. Tuttavia, una volta superata una certa soglia di usura su un determinato asse, il deterioramento procede molto rapidamente: nelle prime due settimane potrebbe esserci solo un lieve scostamento, per poi passare improvvisamente a segnalazioni di collisione o sovraccarico.
I giunti del robot iniziano a "scricchiolare", in realtà, già molto pericoloso!
Quando funziona normalmente, il suono del robot è molto regolare, un tipo di ronzio del motore accompagnato da un suono meccanico estremamente uniforme. Tuttavia, non appena il cambio comincia ad avere problemi, il suono cambia immediatamente, mescolandosi a un sibilo di attrito metallico o a un rumore secco e ripetuto di "clic, clic, clic, clic"; durante l'accelerazione e la decelerazione si può persino percepire un suono basso, e toccando i giunti con la mano si avverte chiaramente una vibrazione interna simile a colpi. Molti operatori esperti della linea dicono spesso: «Ultimamente questo robot non emette più il suono giusto». Quando sentite frasi di questo tipo, non esitate: in questo momento è molto probabile che gli ingranaggi siano già graffiati, che la gabbia dei cuscinetti sia danneggiata oppure che il grasso lubrificante abbia perso la sua efficacia, causando il contatto diretto tra le superfici metalliche. Continuando così, l'usura leggera si trasforma rapidamente in un forte grippaggio tra gli ingranaggi e, una volta che i denti si sono incastrati, l'intero riduttore è praticamente da scartare.
A proposito di questo, abbiamo riscontrato troppi problemi ai cambi nella nostra officina: in realtà, la causa radicale risiede nella lubrificazione. Molte fabbriche fanno funzionare i robot ogni giorno, ma la lubrificazione e la manutenzione vengono eseguite in modo particolarmente superficiale, soprattutto su alcune vecchie linee di produzione. Il ciclo di rifornimento del grasso è ormai da tempo ignorato, senza considerare il deterioramento delle guarnizioni in gomma, e nessuno presta attenzione alle perdite d’olio visibili sui giunti: si continua a far funzionare l’impianto dopo aver asciugato semplicemente le macchie, utilizzando comunque grasso contaminato da vapore acqueo, polvere o polvere metallica. Nel tempo, le condizioni di lubrificazione peggiorano, l’attrito interno aumenta immediatamente, la temperatura sale e il film oleoso sulla superficie dei denti non riesce più a mantenersi, avviando così un’usura anomala. Il riduttore ABB è di per sé estremamente preciso: l’ingranaggio e i cuscinetti presentano giochi molto ridotti, pertanto richiedono una lubrificazione particolarmente accurata; non appena il grasso diventa diluito, secco o contaminato, la velocità di usura aumenta in modo esponenziale. Alcuni riduttori sono talmente caldi al tatto da rappresentare spesso un segnale inequivocabile di totale fallimento della lubrificazione: l’olio non svolge da tempo alcuna funzione protettiva.
La questione della temperatura è un indicatore visivo piuttosto efficace.
È possibile provare a percepire, al tatto, la temperatura dei giunti di ciascun asse dopo che il robot ha funzionato per un certo periodo. In condizioni normali, l’aumento di temperatura è relativamente stabile e un giunto non diventa improvvisamente molto più caldo degli altri. In particolare, per i giunti soggetti a carichi elevati, come J2 e J3, se rimangono anormalmente caldi per un lungo periodo, è molto probabile che vi sia troppo attrito interno, insufficiente lubrificazione, danneggiamento dei cuscinetti o funzionamento in sovraccarico. Molti riduttori hanno funzionato silenziosamente in uno stato di «febbre alta» per molto tempo prima di bloccarsi definitivamente. Pertanto, sempre più fabbriche hanno iniziato a utilizzare regolarmente una termocamera per eseguire una scansione termica su tutta la linea di giunti dei robot: questo accorgimento si è rivelato davvero efficace, poiché molti problemi possono essere individuati in anticipo analizzando le temperature, senza dover attendere il guasto del robot.
Quando i robot ABB iniziano a vibrare, spesso il problema non è più di lieve entità!
Potreste notare che l'intero braccio vibra leggermente durante l'accelerazione, per poi oscillare alcune volte non appena si ferma; inoltre, la traiettoria non risulta rotonda e fluida durante il funzionamento ad alta velocità, con una sensazione di irregolarità fine e frastagliata. Molte persone penseranno che il guadagno del servo non sia stato regolato correttamente, ma se avete verificato che l'encoder non presenta problemi, che il motore è funzionante e che i parametri non sono stati modificati, molto probabilmente la causa risiede nella scarsa rigidità interna del riduttore. Ciò è particolarmente vero per i giunti dotati di riduttori RV: le vibrazioni passano da assenti a assenti non appena iniziano a usurarsi il meccanismo cicloidale e i cuscinetti, rendendo progressivamente sempre più difficile mascherarle.
C'è poi un altro problema, particolarmente facile da trascurare: le perdite d'olio.
Ho visto troppe fabbriche: non appena notano un alone di olio che fuoriesce da un giunto dei robot ABB, la prima reazione è prendere un panno per asciugarlo, dicendo «va bene, continua a funzionare». In realtà, la perdita d’olio indica quasi sempre che le guarnizioni si sono deteriorate, che l’olio interno sta fuoriuscendo all’esterno e che lo sporco esterno potrebbe penetrare all’interno. Gli ingranaggi temono soprattutto la mancanza di lubrificazione, specialmente in quei casi in cui devono ruotare ininterrottamente 24 ore su 24: la lubrificazione è una catena fondamentale e, se viene meno, l’usura accelera immediatamente. Molti riduttori potrebbero essere riparati, ma poiché le perdite d’olio prolungate non vengono prese sul serio, alla fine si consumano completamente dall’interno e devono essere sostituiti integralmente.
Vediamo qui: potreste chiedervi perché molti robot ABB prodotti in fabbrica, dopo alcuni anni di utilizzo, cominciano a manifestare problemi crescenti relativi al cambio? In realtà, riflettendoci bene, questo fenomeno è del tutto normale. I robot industriali sono macchine progettate per operare ad alta frequenza: i robot per saldatura oscillano continuamente per tutta la giornata; i robot per movimentazione avviano e arrestano costantemente il loro movimento, con accelerazioni e decelerazioni ripetute; i robot per pallettizzazione pesanti operano a pieno carico e ad alta velocità per lunghi periodi; i robot per caricamento e scaricamento di macchine utensili eseguono migliaia di cicli al giorno. Di conseguenza, il cambio subisce continuamente urti e sollecitazioni alternate. Indipendentemente dall’eccellente qualità dei robot ABB, l’usura dei componenti meccanici è una legge fisica alla quale nessuno può sottrarsi. Ciò vale in particolare per quei robot che operano costantemente al limite massimo del carico nominale: in tal caso, la vita utile del riduttore si accorcia in modo ancora più evidente.
Molte persone si interrogano su un dilemma: riparare o sostituire il proprio cambio?
La nostra esperienza è che, se si verifica solo un leggero aumento del gioco, un rumore occasionale di tintinnio o se le guarnizioni di tenuta dell'olio iniziano a perdere, in alcuni casi è possibile tentare una riparazione trattando i cuscinetti, le guarnizioni di tenuta e ritarando il precarico. Tuttavia, se la precisione è stata seriamente compromessa, gli ingranaggi interni sono stati sottoposti a sollecitazione eccessiva, le vibrazioni sono così intense da far vibrare l'intero braccio, il riduttore ha operato per lungo tempo a temperature elevate oppure, dopo lo smontaggio, si riscontra che l'interno è pieno di trucioli metallici, nella maggior parte dei casi risulta più conveniente sostituire direttamente il componente con uno nuovo. Infatti, nel caso in cui il robot si arresti improvvisamente a causa di un guasto al riduttore, le perdite vengono calcolate in ore o addirittura in minuti: rispetto ai costi derivanti dall'arresto della linea di produzione, il costo del riduttore stesso è davvero trascurabile.
Proprio perché stiamo comprendendo gradualmente questo ragionamento, sempre più fabbriche non aspettano che si verifichi un guasto per poi intervenire con la riparazione, ma assumono un approccio proattivo basato sulla manutenzione predittiva. Si misurano regolarmente le vibrazioni, si utilizza una termocamera per osservare la distribuzione della temperatura, si impiegano strumenti per verificare le variazioni del gioco, si monitora l’andamento dell’accuratezza di traiettoria e si analizzano le nuove frequenze acustiche generate durante il funzionamento. Abbiamo progressivamente compreso che il riduttore dei robot ABB Robotics, prima di subire un guasto completo, fornisce in realtà segnali di allerta sufficienti: semplicemente, fino a oggi nessuno li aveva esaminati in modo sistematico. Individuare i problemi in anticipo comporta costi di manutenzione inferiori, evita fermi imprevisti, impedisce interruzioni improvvise nel cuore della notte e consente altresì di prevenire danni secondari al motore e all’encoder causati dal trascinamento. È per questo motivo che molte linee di automazione di fascia alta includono oggi lo stato del riduttore del robot nei propri piani regolari di ispezione e monitoraggio.
