A collaborative and reconfigurable robotic solution for production processes with high-mix and low-volume demand

Collaborative robotics is one of the enabling technologies of Industry 4.0: in particular, cobots are widely employed in assembly applications where their features guarantee flexibility and efficiency. This thesis aims to create an innovative manufacturing solution, starting from manual assembly processes to define a collaborative system that is able to face a high-mix and low-volume demand. This concept involves the mobility of all operators, cobots included, extending the shared workspace to the entire shop floor. A preliminary analysis of the products to assemble is necessary to identify all possible assembly sequences and required operations. Considering that cobots are not fixed in a workstation, they should not be specialized in the execution of a small range of operations, in order to improve flexibility. It is hence necessary to identify which operations can be executed only by human and which are performable also by cobots, choosing how to perform them: generally multiple solutions to automatize an operation exist and the most suitable one must be chosen, according to the proposed configuration of the assembly system. After that, operations are grouped according to specific criteria, creating workstations, configured in space as the petals of a flower and internally connected by a closed movement system. The obtained layout has benefits, it allows different assembly flows in a single configuration and avoids any waste of resources due to operators’ mobility. The result is a flexible and reconfigurable system that allows the introduction of new products and the removal of others, without the need for invasive modifications. The proposed method is applied to a real case, designing the layout for an assembly system for different grippers series by Camozzi, a leader company in industrial automation. The analysis aims to automatize the largest number of operations to realize a solution as flexible as possible. One of such operations, the insertion of external o-rings, is analyzed in detail and experimentally executed with a collaborative robot.

La robotica collaborativa è uno dei protagonisti dell'industria 4.0: i cobot sono largamente impiegati nei processi di assemblaggio, in cui le loro caratteristiche garantiscono flessibilità ed efficienza. Questo elaborato si propone di creare una soluzione manifatturiera innovativa, partendo da procedure di assemblaggio completamente manuali per arrivare alla definizione di un sistema collaborativo che possa soddisfare una domanda caratterizzata da alto mix produttivo e bassi volumi. Tale concept prevede la mobilità di tutti gli operatori, cobot compresi, estendendo lo spazio di lavoro condiviso all’intero sistema di assemblaggio. Un’ analisi preliminare dei prodotti da assemblare è necessaria per identificare possibili sequenze di assemblaggio e operazioni richieste. Poiché i cobot non rimangono fissi in una stazione, essi non devono essere specializzati nello svolgimento di determinate operazioni per favorire una maggiore flessibilità. Bisogna quindi individuare quali operazioni possono essere svolte solamente dall'uomo e quali invece sono realizzabili anche dai cobot, determinandone la modalità di esecuzione: generalmente esistono molteplici soluzioni per automatizzare un'operazione ed è necessario selezionare quella che si presta meglio alla configurazione del sistema proposto. In seguito, le operazioni vengono raggruppate secondo criteri specifici per creare delle stazioni di assemblaggio, disposte poi nello spazio come i petali di un fiore e collegate all'interno da un sistema di movimentazione chiuso. Tale layout permette di avere molteplici flussi di assemblaggio in un’unica configurazione e la mobilità degli operatori consente di evitare sprechi di risorse. Il risultato è un sistema flessibile e riconfigurabile che permette l'introduzione di nuovi prodotti e la rimozione di altri senza richiedere modifiche invasive. Il metodo illustrato viene applicato ad un caso reale, definendo il layout per un sistema di assemblaggio per varie serie di pinze prodotte da Camozzi. L’analisi si propone di automatizzare il maggior numero di operazioni presenti nelle procedure di assemblaggio, mirando a realizzare una soluzione il più flessibile possibile. Una di tali operazioni, l'inserimento esterno di o-rings, è analizzata dettagliatamente e realizzata sperimentalmente con un robot collaborativo.