FANUC porta nelle fabbriche i robot con l’intelligenza artificiale incorporata

di Marco de’ Francesco ♦ Il colosso giapponese dell’automazione sta lanciando una versione ultra-avanzata di macchine. E mette a disposizione edge e manutenzione predittiva. Con una serie di strumenti di supporto per le pmi

Macchine utensili con intelligenza artificiale incorporata. Un salto di qualità, e insieme nuova rotta e nuova strategia industriale per FANUC, colosso nipponico ma globalizzato della robotica, al primo posto nel mondo nel suo campo davanti alla cino-tedesca Kuka e all’italiana Comau. Funzioni nuove consentono, per esempio, il controllo della dilatazione termica di dispositivi meccanici per ridurre i tempi di riscaldamento e assicurare una lavorazione più precisa; o monitorano il carico di lavoro per prevenire rotture, danni e costose inattività. Tutto ciò senza l’intervento di hardware esterni.

L’intelligenza artificiale alligna all’interno della macchina, secondo un modello ormai standardizzato. Questo sviluppo è stato favorito dal costante decremento nei costi dei processori e da una visione pratica. Se per AI in generale ci si riferisce agli “agenti intelligenti”, e cioè a dispositivi che percepiscono l’ambiente in cui operano e che pertanto intraprendono azioni per ottimizzare le chance di successo in riferimento a qualche fine, nell’industria l’obbiettivo finale è l’efficienza del sistema produttivo. La possibilità di analizzare quantità di dati impensabili fino a pochi anni fa ha aperto la porta a nuove soluzioni; e il modello si è aperto ai sistemi di gestione di aziende terze, che possono – e questa è una grande novità per FANUC, per decenni un mondo a parte – accedere a dati interni per sviluppare applicazioni in grado di interagire con i controlli numerici che hanno reso celebre il gruppo giapponese. Nel video a seguire un prototipo di fabbrica completamente automatizzata, senza operai.

FANUC in Italia

Il nostro interlocutore, Gualtiero Seva, Sales Leader Robomachines di FANUC Italia , ha iniziato a lavorare nel 1989 in FANUC; nel 2002 ha portato le sue competenze in Mitsubishi, dove ha lavorato per dieci anni nel settore dell’automazione. È rientrato in FANUC nel 2008, proprio quando era in corso l’integrazione tra tre società: FANUC, FANUC Robotics e Procomes – confluite nel 2014 (in quanto divisioni commerciali) in FANUC Italia. Fu proprio in questa occasione che maturò, in FANUC, l’idea di lavorare direttamente con gli utenti e con i clienti finali, bypassando gli intermediari.

«Questo processo – afferma Seva – ha portato alla luce il fatto che FANUC non era mai entrata in contatto con l’utilizzatore finale dei propri prodotti; per i controlli numerici si trattava con i costruttori delle macchine utensili, per i robot con gli integratori e costruttori di linee. Pertanto Marco Ghirardello (general manager di FANUC Italia e vicepresidente di FANUC Europa) decise di istituire una divisione commerciale trasversale, la “Business development”. Attualmente ne facciamo parte io e un mio collega, quanto a vertici. Ora ascoltiamo direttamente il cliente finale, e ovviamente gli proponiamo i nuovi prodotti».

L’intelligenza artificiale per Fanuc

Si diceva delle applicazioni dell’AI nelle macchine utensili. Ma cos’è, per FANUC, l’intelligenza artificiale? Sappiamo che, in via generale, si possono reperire più definizioni. Una è quella che si legge in “Artificial Intelligence” (Santanu Mukhopadhyay, Amity University) dove si spega che «un agente intelligente è un sistema che percepisce il proprio ambiente e intraprende azioni che massimizzano le possibilità di successo. Gli agenti intelligenti più semplici sono programmi che risolvono problemi specifici. Gli agenti più complicati includono gli esseri umani e le organizzazioni degli esseri umani, come le imprese». Appunto, come le imprese. E in FANUC l’intelligenza artificiale si declina sotto un profilo, come dire, molto “concreto”.

Controllo digitale, da subito

«Se facciamo un passo indietro nella storia – afferma Seva – si deve costatare che FANUC ha da sempre sposato l’idea del controllo completamente digitale. Anzi, direi che l’azienda nasce con questa visione, che era propria del fondatore. Così, da noi il controllo analogico è stato abbandonato nel 1989. Questo passaggio ha aperto orizzonti considerati, in precedenza, impossibili da esplorare, perché finalmente si poteva disporre di informazioni in formato digitale. E FANUC si è posta nella condizione di utilizzarle.

Ed è in questo contesto che è emerso il tema dell’intelligenza artificiale. Che, secondo la letteratura classica di settore, consiste in processori particolari, reti neurali, tecnologie molto sofisticate derivate dall’informatica; per noi, invece, si tratta, tendenzialmente, di utilizzare tutta l’esperienza passata della macchina per migliorare i processi in tempo reale. In pratica, avendo a disposizione dati digitalizzati relativi alle correnti dei motori, alle vibrazioni, alle temperature e alle accelerazioni – e con particolare riguardo ai cicli ripetitivi, che poi sono quelli tipici della produzione in serie – si può apprendere dai risultati dei cicli precedenti e applicare le conoscenze ottenute a quelli successivi, in corso o a venire.

È un modello che consente il miglioramento delle performance, sia relativamente alla precisione che in vista della velocità di esecuzione. Si può citare, in questo quadro, la funzione learning vibration control (LVC) che appunto legge le vibrazioni generate nel corso del ciclo; in questo caso, è richiesto dell’hardware aggiuntivo, come, ad esempio, gli accelerometri. L’esame su vibrazioni e accelerazioni viene realizzato su tutti gli assi del robot; si incrociano i dati e, a seguito di un’analisi di Fourier (¹) si attuano strategie per ridurre le vibrazioni migliorando il posizionamento dei mezzi a seguito di azioni sui comandi di movimento. Il tempo del ciclo si riduce in misura considerevole.

Da un punto di vista pratico, poi la cosa si sintetizza così: l’operatore “carica” la programmazione nella macchina; sui primi pezzi il sistema analizza le vibrazioni; applica la strategia di miglioramento, i cui effetti sono ravvisabili nei pezzi successivi, sino ad una rapida ottimizzazione. Questo è solo un esempio del modo in cui FANUC interpreta il concetto di Intelligenza Artificiale. È sempre tutto molto pratico, da noi». Per esempio, per un robot FANUC R-2000iB/165F, il tempo di ciclo di una perforazione di un pannello aerospaziale è di 11,5 secondi senza LVC, mentre è di 9,9 secondi (- 14%) con LVC.

ROBODRILL, la macchina “missionaria”: da centro di foratura a centro di lavoro verticale

Ma torniamo alle macchine utensili, e al tema dell’intelligenza artificiale incorporata. Il fatto è che fino a poco tempo fa funzioni come quella che regola le vibrazioni erano presenti solo in alcune macchine, come ad esempio nella ROBODRILL, centro di lavoro verticale di nuova generazione. Con un tempo di cambio utensile di 0,7 secondi e un sistema a torretta in grado di manipolare utensili del peso di 4 kg, le nuove versioni avanzate sono macchine CNC (computer numerical control; il controllo numerico è diretto da un computer esterno; Ndr) a 5 assi veloci e versatili. Secondo l’azienda, «la rapida accelerazione degli assi in combinazione con l’ottimizzazione intelligente dei processi comporta una maggiore produttività e tempi di ciclo ridotti. Inoltre, semplici procedure di manutenzione preventiva riducono al minimo i tempi di inattività e consentono di realizzare un ROI (return on investment, indice di redditività del capitale investito; Ndr) elevato».

La macchina funziona soprattutto come fresatrice; grazie ad alcune funzioni, come la nano-interpolazione e la lavorazione 3D, si ottengono risultati avanzati quanto a qualità delle parti e delle superfici. Tra le caratteristiche del modello standard, l’azienda cita lo schermo di manutenzione dedicato e semplici istruzioni che garantiscono il recupero rapido se, ad esempio, i punti di zero (nella programmazione CNC esistono punti di riferimento detti “zero macchina”, “zero pezzo” e “zero utensile”; Nrd), vengono persi a causa di input errati dell’operatore; il rilevamento tempestivo dei problemi grazie a un sistema di allarme integrato; il refrigerante attraverso il mandrino con una pressione di 70 bar per esecuzione di fori profondi a singolo diametro di piccole dimensioni; la semplice manutenzione grazie all’accesso diretto a tutti i componenti; la nuova interfaccia uomo-macchina in vista della massima semplicità di utilizzo e della pianificazione della manutenzione; e altro. I modelli avanzati, fra le varie funzioni, contemplano lo spazio di manovra per l’asse z di 400 mm per pezzi più grandi e meno interferenze tra utensili e pezzi.

«La ROBODRILL – continua Seva – è una macchina prodotta, se ricordo bene, dalla prima metà degli anni Settanta. Il fondatore Seiuemon Inaba la chiamava “macchina missionaria”, in quanto destinata a divulgare il verbo (e la tecnologia) del controllo numerico nel mondo. All’inizio la struttura era quanto mai semplice: un trapano a colonna, un motore e un sistema di controllo numerico. Gradualmente, da centro di foratura, se ne è fatto un centro di lavoro verticale. Attualmente, la produzione dei nuovi modelli è pari a circa 5mila esemplari al mese.

Oggigiorno presenta diverse funzioni; una, per esempio, riguarda il monitoraggio dello sforzo nella foratura. Si chiama “AI (artificial intelligence) tool monitor”: andando a leggere le correnti nel motore dell’asse z e analizzandone lo spettro, la macchina, a seguito di un ciclo di lavoro con un utensile nuovo e di un esame dei parametri interessanti allo scopo, stabilisce quando l’utensile non sia più utilizzabile o quando presenti problemi di usura». Progettata per prevenire danni e costosi tempi di inattività, la funzione, nel caso in cui si verifichi una rottura, interrompe automaticamente l’attività della macchina.
«L’operatore definisce quando l’utensile è perfetto – continua Seva -; la macchina memorizza i dati; assume alcuni dati, come quelli relativi alla lettura delle correnti sull’asse z; applica dei filtri e deduce lo stato dell’utensile. Questo è, semplificando il funzionamento. La macchina, grazie a questi algoritmi di analisi, di frequenza, fa una previsione sulla possibile rottura dell’utensile. Si risparmiano soldi e tempo».

Ma è una novità, per FANUC? «Sulle nostre macchine – precisa Seva – il sistema è già operativo. La novità è che è diventato uno standard; in pratica, non è più necessario aggiungere hardware esterno per ottenere questa funzione: con le ultime versioni si utilizza quello della macchina. E ciò grazie a processori di ultima generazione, e a memorie il cui prezzo è decisamente più accessibile, rispetto ad anni fa».

AITDC: “AI Thermal Displacement Compensation”

Altra funzione per macchine utensili legata all’intelligenza artificiale è la “AI Thermal Displacement Compensation”, che assicura una lavorazione precisa in condizioni di dilatazione termica del mandrino autocentrante, vale a dire il dispositivo che permette di serrare e tenere fermo qualsiasi pezzo di forma circolare, quadrata o esagonale. In pratica, la funzione regola il processo di lavorazione per compensare eventuali dilatazioni. Comunque sia, in generale per tutte quelle funzioni di intelligenza artificiali interne alla macchina, l’interconnessione è assai meno rilevante, perché i dispositivi sono dimensionati per assolvere a uno scopo definito e specifico e i dati vengono elaborati “alla fonte”. «Per quasi tutte le funzioni di intelligenza artificiale, l’interconnessione non è più necessaria – continua Seva – visto che sono innestate nel cuore della macchina. Tuttavia, è sempre possibile collegare le macchine in rete e trasferire i dati ad un livello superiore, in vista di una analisi di altro genere».

FIELD: Fanuc Intelligent Edge Link and Drive

n tutto ciò, qual è il ruolo di FIELD, “Fanuc Intelligent Edge Link and Drive”? FIELD è già stato oggetto di analisi da parte di Industria Italiana : consiste in una piattaforma in cui i dati vengono scambiati in tempo reale e senza soluzione di continuità. Tra gli elementi che la definiscono, anche moduli e strumenti almeno in parte già sperimentati nella pratica. Per esempio, il software di gestione “Linki” che registra, classifica, ospita e valuta i dati macchina all’interno del sistema FIELD. Così, è possibile monitorare i segnali che definiscono lo stato di salute della macchina e prendere, nel caso in cui ce ne sia bisogno, adeguate contromisure.

Questo compito è svolto, in termini di manutenzione preventiva, da Zero Down Time, in sigla ZDT; si tratta di un modulo sperimentato con successo nell’industria automobilistica. Tra gli elementi caratteristici di FIELD, va annoverata la circostanza che si tratta di una piattaforma orientata sull’Edge computing, e quindi di un’architettura orizzontale attivata vicino alla fonte dei dati. Si riduce al minimo il volume e il costo della condivisione dei dati; anzi, buona parte di quelli generati a livello di produzione è processata in loco. Si fornisce al cloud una connessione sicura.

«Più che un sistema operativo – afferma Seva – FIELD è un costituito da una parte hardware, con una funzionalità diretta all’elemento industriale; e permette alle macchine di essere collegate. Inoltre è una architettura che consente anche a terze parti di accedere a dati interni della macchina per sviluppare nuovi funzioni, inizialmente non previste. Applicazioni che interagiscono con i nostri controlli numerici. Si tratta di una considerevole apertura per FANUC, la cui politica per anni è stata contraddistinta da una stringente riservatezza. Ora l’azienda diventa un mondo aperto, soprattutto verso i sistemi di gestione della fabbrica».

Un approccio aperto

In pratica, mentre prima un’azienda terza, che avesse voluto utilizzare il sistema numerico FANUC, avrebbe dovuto realizzare un’applicazione sul proprio sistema sfruttando i driver dell’azienda giapponese, ora l’azienda terza può direttamente creare app in grado di interagire con il sistema FANUC. Hardware aggiuntivo, poi, viene applicato solo quando sia strettamente necessario. «D’altra parte la regola di progetto del fondatore Inaba – chiarisce Seva – era quella di utilizzare il minor numero di componenti possibili: quello che non c’è non si rompe, diceva. E quello che c’è è più affidabile». Ma quando si è sentita l’esigenza di un approccio più aperto? «Due o tre anni fa – afferma Seva – quando è stato reso disponibile hardware più potente. Prima era adeguato ai compiti istituzionali, diciamo così: muovere assi, spostare prodotti, fare delle lavorazioni meccaniche. Con il rapido incremento della capacità di calcolo, si sono aperte nuove possibilità». Ma che cosa si può fare di diverso, adesso? «Come si è detto, si tratta soprattutto di monitorare la salute dell’utensile e della macchina».

In effetti, il tema dell’analisi predittiva è cruciale. Il fermo delle macchine, infatti, comporta sia un costo operativo legato alla perdita di produzione che un costo di ripristino funzionale.«Anche per noi cambia tutto, con la predittiva – afferma Seva -; mentre prima FANUC forniva, con messaggi sullo schermo di controllo, indicazioni di manutenzione periodica, correlate al tempo di utilizzo di una macchina, adesso, con i grandi volumi di dati che si possono elaborare grazie a nuove capacità di calcolo, si riesce ad essere molto più precisi. Arrivano messaggi come: il ventilatore che lavora sull’asse Y ha un comportamento anomalo, meglio chiamare la manutenzione per una verifica».

ROBOSHOT e ROBOCUT

Altre macchine utensili sono ROBOSHOT e ROBOCUT. La prima «utilizza la tecnologia di precisione CNC all’avanguardia tipica delle operazioni di tornitura e fresatura e la applica allo stampaggio a iniezione elettrica». La funzione AI Mould Protection di ROBOSHOT misura la pressione sullo stampo e impedisce che il morsetto si chiuda se dovesse ostruirsi. La seconda è una macchina per elettroerosione a filo. La funzione di posizionamento intelligente consente di essere rapidamente operativi grazie al risparmio di tempo ottenuto dalla macchina per misurare riferimenti geometrici sul pezzo.

Quanto ai Robot, il gran numero di modelli impedisce una trattazione unitaria. Secondo l’azienda, tuttavia, quello collaborativo CR-35iA «amplia i confini dell’interazione tra robot e uomo. Dotato di protezione anti-incastro e ricoperto di gomma morbida, il robot CR-35iA lavorerà a fianco degli umani senza la necessità di dispositivi di sicurezza aggiuntivi. Gli operatori possono guidarlo, programmarlo o semplicemente spostarlo».

Piano Calenda : anche il retrofitting va in iperammortamento

 A latere, Seva ha reso alcune dichiarazioni sul contesto industriale italiano, di cui tenere conto in vista dell’applicazione del Piano Calenda. «Mi rendo conto che il territorio sconta una certa arretratezza, e che quindi non mancano complicazioni; ma il passaggio alla digitalizzazione dei processi industriali va fatto. O ci si dà da fare adesso, anche sotto la spinta degli sconti fiscali offerti dal decreto, o si perde il treno». Peraltro, non è necessario cambiare tutto il parco macchine. «Si può procedere con gradualità – afferma Seva – anche se sostituire tutte le macchine sarebbe l’ideale».

Un’altra possibilità è il retrofitting (o retrofit): consiste nell’aggiungere nuove tecnologie o funzionalità ad un sistema vecchio, prolungandone la vita utile e migliorandone le performance. Potrebbe essere la chiave di volta per PMI sottocapitalizzate. «È una considerazione pratica che abbiamo fatto per la prima volta quattro anni fa, qui in FANUC. Eravamo entrati in contatto con una azienda che faceva retrofit: acquisiva macchine usate, le metteva a posto dal punto di vista meccanico, e inseriva un controllo numerico aggiornato ai tempi. Con un costo pari a circa un terzo rispetto ai modelli più moderni, riusciva ad avere macchine concorrenziali per prestazioni. L’azienda peraltro aveva iniziato ad innestare robot nelle macchine. Con quest’ultimo passaggio, si otteneva un ulteriore salto di qualità: non solo macchine moderne; ma anche una macchine automatiche, in grado di lavorare a prescindere da un presidio umano. Insomma: macchina, più elettronica, più automazione. Partendo da qualcosa di non più utilizzato: il risultato era notevole.

È ciò che accade poi nel mondo dell’aerospace. Lì, per problemi di certificazioni relative alla macchina e al processo, si fanno tanti retrofit. Sono disponibili macchine di 20 anni fa, meccanicamente perfette; ci si limita a cambiare l’elettronica. È un esempio che può essere replicato. Le piccole e medie aziende italiane, possono agire in questo senso. Io penso che il decreto Calenda stia facendo ragionare le aziende proprio su temi come questo. D’altra parte, nella circolare esplicativa della Agenzia delle Entrate si menziona il retrofit, per indicarne l’ammissibilità in vista delle deduzioni fiscali. Insomma, anche il retrofit va in iperammortamento».

Direttamente al cliente finale: dall’artigiano alla multinazionale

Ma chi sono i clienti di FANUC in Italia? «C’è l’artigiano con una sola macchina e c’è la multinazionale». E con le piccole e medie imprese, quali difficoltà si incontrano nel proporre la trasformazione contemplata dal decreto Calenda? «Le PMI non operano sulla scorta di una vera e propria pianificazione – continua Seva -: agiscono solo quando sono sicure di avere un ritorno dall’investimento. La macchina si compra quando arriva la commessa. E quando arriva la commessa, la PMI ha fretta. Le grosse aziende, invece, pianificano, e quindi hanno tempi diversi».

Peraltro, molte PMI sono talora spaventate dal carattere largamente interpretativo del decreto. «Sarebbe auspicabile – termina Seva – che l’Agenzia delle Entrate desse vita ad un albo dei certificatori, destinati ad applicare gli standard dell’ente. Altrimenti si resta in un contesto troppo aleatorio. Va però sottolineato che le PMI hanno compreso i concetti generali relativi all’Industria 4.0. Aziende che sono sopravvissute alla crisi, alle difficoltà degli ultimi anni, sono riuscite a passare la nottata innovando e esportando. E anzi, attualmente si assiste ad un sostenuto reshoring. È un fenomeno evidentissimo. Comunque sia, chi è sopravvissuto si è guardato attorno, e sa bene quanto sia importante la trasformazione digitale».

Nota: (¹) in matematica, l’analisi di Fourier è lo studio del modo in cui le funzioni generali possono essere rappresentate o approssimate da somme di funzioni trigonometriche più semplici. In ingegneria, il processo di decomposizione di una funzione in componenti oscillatori è spesso chiamato analisi di Fourier, mentre l’operazione di ricostruzione della funzione da questi pezzi è conosciuta come sintesi di Fourier. Nel caso di specie, si intende identificare un profilo ideale, approssimandosi al quale si ottimizza la performance.