Analisi dell'affidabilità di un robot da cucina per il suo miglioramento

Studiare l'affidabilità di un sistema è legato alla disponibilità di dati relativi ai suoi guasti ed alla sua "manutenzione incidentale". Questi dati non sono facilmente disponibili in quanto le aziende tendono a segretarli per la tutela del prodotto, ma l'analisi di affidabilità e lo studio dei guasti dei sistemi possono essere utilissimi per migliorare i prodotti, specie se questi sono oggetti di largo uso, e possono essere un utile esempio per modelli analitici da estendere ad altro.

Quando nel 2008 è iniziata una ricerca relativa alla analisi della affidabilità di sistema e miglioramento del prodotto dal punto di vista dell'aumento della stessa, si riconobbe che sarebbe stato complesso avere a disposizione serie di dati di guasto su sistemi specifici. Poiché si voleva studiare la questione su sistemi con rilevante diffusione, di uso comune, onde poterne analizzare le caratteristiche di affidabilità "in grande", si pensò di studiare prodotti di design per avere campioni significativi.

Pertanto, è stato analizzato un robot da cucina, assai diffuso ed ambito, caratterizzato da grande diffusione e costo non maggiore di 1.500,00 euro, fabbricato su brevetto di una grossa azienda europea, operante in tutta Europa, e commercializzato in Italia attraverso una rete di incaricati operante al di fuori di catene commerciale ed assistito da una rete di centri di assistenza. Mediante check-list, sono stati raccolti dati per la ricerca relativa al prodotto entrato in commercio nel 2005, e sviluppato poi fino allo scorso 2014. È stato individuato un campione di circa 20.000 unità, nel Centro Italia, ed entro questo sono stati presi 6.500 apparecchi, venduti fra gli inizi del 2005 ed il 2014. Fra gli inizi del 2012 e l'inizio del 2014, il Fabbricante ha realizzato circa 1.784.000 apparecchi, commercializzati in Italia, ma assemblati in Francia in uno stabilimento visitato nel 2006 per raccogliere dati.

Descrizione del sistema 

Il prodotto si presenta compatto e in un solo corpo esiste il basamento con il gruppo motore, la base di ancoraggio e la piastra di riscaldamento a resistenza.

Nella Fig. 1 compare la rappresentazione schematica dell'apparecchio, mentre nella Fig. 2 viene mostrato lo schema funzionale, utile poi per la costruzione della cosiddetta funzione di struttura dell'apparecchio che compare nella Fig. 3 e che serve a studiare l'affidabilità.

Dati sul sistema

L'apparecchio ha una potenza elettrica variabile da 500 a 1.000 W, con una escursione di velocità delle lame da 100 a 10.200 giri/min. Il sistema di riscaldamento ha una escursione da 37 °C e sino a 100 °C, mediante piastre scaldanti poste nel basamento ed a ganascia alla base del contenitore. La presenza dei corpi scaldanti nel piano di riferimento della bilancia potrebbe essere stato causa dei molti guasti che hanno caratterizzato la bilancia in molti casi.

L'apparecchio consta dei seguenti sistemi: 1) apparato motore elettrico (con un inverter per un'ampia regolazione della velocità delle "lame"); l'apparato motore è in basso e stabilizza la base d'appoggio; l'apparecchio presenta vibrazioni che possono aver provocato alcuni guasti a carico di parti disegnate difettivamente; il sistema di sensori, l'alloggiamento per la scheda di controllo e la bilancia e la plancia con i comandi, con le manopole di regolazione, led di segnalazione e quadro a led con i dati di temporizzazione, di peso e di senso di rotazione sono nel copro 2) scheda elettronica di controllo e regolazione; 3) sensori di temperatura e termostato; 4) bilancia con sensibilità di 5-10 g; 5) cilindro-contenitore in acciaio inox Cr/Ni 18-10 AISI-SAE 312 con coperchio a tenuta d'aria e guarnizione in plastica indurita e teflon.

La scheda di regolazione e controllo contiene i seguenti sottosistemi; a) sistema sensori-trasduttori di temperatura; b) sistema sensori di peso; c) sistema dei sensori di velocità e senso del moto del gruppo-lame; d) sistema di controllo dell'inverter. L'apparecchio di successo, continua ad averne e con una adeguata riprogettazione potrebbe avere minor costi manutentivi.

Il modello di analisi

Grandezze di riferimento

È stato fatto riferimento a un modello analitico così strutturato. Il tasso di guasto e l'MTBF (Mean time between failure - tempo medio fra i guasti) sono stati applicati entro il periodo di riferimento del singolo anno solare, impiegando il criterio di IRESON [Grant W. (1966): Reliability Handbook, New York, McGraw- Hill Book Company, (estratto) pp. 2-2/11-21] per la sua semplicità applicativa.

Ovviamente, tra tasso di guasto e MTBF vale la relazione (1):

mtbf = 1/ ? (1)

essendo ? il tasso di guasto espresso come numero di guasti nel periodo di riferimento.

Dalla relazione detta discende poi la valutazione dell'affidabilità R(t) legata all'MTBF (m) che si esprime come nella relazione (2):

R(t) = e (-t/m) (2)

ove "t" è la variabile temporale.

In alternativa, la funzione R(t) potrebbe essere valutata su base probabilistica mediante la probabilità attesa "P" di guasto, nella ipotesi che si abbiano dati del genere

R(t)* = 1 -P (3)

La funzione di struttura è essenzialmente di tipo "serie", per un apparecchio con bassissima "ridondanza" per ovvi problemi di costo.

Pertanto, essa, per la linea d'assi "alimentazione-inverter-motore-agitatore", diventa

?1 =1 - X1X3X4X5 (4)

dove le grandezze indicate con "X" sono le funzioni di struttura dei singoli componenti e come da Fig. 3.

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Giovanni Maria De Pratti

Ingegnere meccanico, tutor Università degli Studi di Roma "La Sapienza" - DIMA