INCONTRI INTERNAZIONALI B2B Applicazioni innovative della metrologia per l innovazione di prodotto e di processo

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1 1 INCONTRI INTERNAZIONALI B2B Applicazioni innovative della metrologia per l innovazione di prodotto e di processo Applicazioni metrologiche innovative sulle macchine utensili: la MMT (Measuring Machine Tool) Ing. Gianfranco Malagola Alesamonti Barasso (VA) L azienda 2 Alesamonti è un costruttore di alesatrici, fresatrici e foratrici dal Ha una produzione per commessa su modelli di macchine di tre tipologie: - a montante fisso e tavola mobile; - a montante mobile e tavola fissa; - a montante mobile e tavola mobile. In questi ultimi anni Alesamonti ha cercato di rispondere alle esigenze del mercato migliorando l efficienza delle proprie macchine. Efficienza vuol dire produrre macchine che funzionano sempre ed intervenire rapidamente quando il cliente ha bisogno. Efficienza vuol anche dire porre attenzione al mantenimento delle prestazioni ottimali delle macchine nel tempo attraverso le più efficaci innovazioni di prodotto e di servizio. efficienza + innovazione 1

2 Le macchine utensili per Work Shop 3 Nell ambito dei sistemi di lavorazione Alesamonti produce macchine utensili (MU) per workshop; esse sono sistemi complessi di lavorazione in grado di spostare un utensile in un sistema di coordinate spaziali. Compito di queste macchine è produrre pezzi meccanici complessi e differenziati, generalmente in piccoli lotti, in base a specifiche tecniche definite nel disegno meccanico del pezzo. Varietà di parti SISTEMI DI LAVORAZIONE Work Shop MU a CNC Celle di lavorazione FMC FMS Linee di lav. fless. Linee di lav. rigide Q.tà tot annue Il disegno meccanico contiene tutte le informazioni necessarie alla costruzione del pezzo e per ogni caratteristica geometrica prescrive delle tolleranze che devono essere verificate tramite attività di misurazione. La macchina utensile durante l esercizio Una macchina utensile è un mezzo di produzione che durante il suo ciclo di vita deve essere mantenuto in buone condizioni di efficienza se si vuole che esso possa operare entro i limiti stabiliti dal costruttore. Le macchine infatti degradano le loro prestazioni nel tempo ed inoltre perdono di affidabilità; per questo motivo ogni macchina deve essere periodicamente verificata per sapere esattamente in quale stato si trova e per poter definire gli interventi necessari per mantenere la macchina il più possibile nelle condizioni e nelle prestazioni originarie. Un operatore, per quanto esperto, non può compensare le imprecisioni di lavorazione della macchina tanto più se queste non sono state accuratamente individuate. Per conoscere quindi lo stato della macchina occorre impostare un programma sistematico di controllo periodico dei mezzi di produzione per conoscere in termini reali la potenzialità dei mezzi di produzione e quindi la loro capacità di realizzare quanto prescritto nei disegni. 4 2

3 Gli errori ed i limiti operativi della macchina utensile Una macchina utensile nell ambito di un processo di produzione può essere correttamente utilizzata se si conoscono i suoi errori ed i suoi limiti operativi. Gli errori che la macchina presenta sono relativi a: - geometrie strutturali delle guide (rettilineità, parallelismi e perpendicolarità) - geometrie dei suoi assi di rotazione (rotondità, ondeggiamento, ecc.); - accuratezza dei suoi sistemi di misura - efficienza dei suoi sistemi di interpolazione Questi errori sono in genere valutabili tramite collaudi in relazione alle norme ISO 230. I limiti operativi sono riferiti a: - condizioni ambientali in cui la macchina opera per quanto riguarda la loro stabilità nel tempo e la loro uniformità spazio; - caratteristiche del processo di lavorazione in relazione alla tipologia degli utensili impiegati ed alle caratteristiche metallurgiche e strutturali del pezzo da sottoporre a lavorazione; - condizioni di piazzamento e di staffaggio del pezzo da lavorare. Sia gli errori che i limiti operativi sono elementi che, in base alla loro variabilità, riducono le precisioni di lavorazione che la macchina avrebbe se la sua geometria fosse perfetta e se i processi di lavorazione non introducessero errori difficili da tenere sotto controllo come quelli termici o di deformazione. 5 La produzione di pezzi meccanici complessi in piccoli lotti 6 Quando poi si entra nelle problematiche della produzione di pezzi meccanici complessi in piccoli lotti occorre ricordare alcune tipiche criticità di questi processi: - difficoltà e complessità dello staffaggio del pezzo sulla tavola; questa operazione può richiedere anche parecchie ore ed è di fondamentale importanza per la buona riuscita della lavorazione; - complessità del ciclo di lavorazione che può richiedere molti utensili, attrezzature particolari e tempi di lavorazione che possono arrivare anche a parecchi giorni/macchina; - difficoltà a mantenere condizioni ambientali stabili ed uniformi i per tutto tt il tempo di lavorazione. Risulta quindi importante durante o al termine del ciclo di lavorazione effettuare delle attività di controllo per verificare la conformità dei pezzi prodotti alle specifiche di disegno. 3

4 Generalmente quando si parla di pezzi meccanici complessi la verifica di conformità alle specifiche avviene tramite macchine di misura a coordinate (CMM) che, lavorando in ambienti controllati e in regime di riferibilità metrologica, sono in grado di misurare le caratteristiche geometriche del pezzo e consentire la verifica delle tolleranze dimensionali e di forma. Quindi il pezzo prodotto dalla macchina utensile deve essere trasportato sulla CMM. La verifica del pezzo (Offline part inspection) 7 Nella verifica di un pezzo meccanico complesso su di una CMM occorre considerare che: - può essere necessario un tempo considerevolmente lungo per togliere gli staffaggi del pezzo sulla macchina utensile (specie per i controlli interoperazionali) e per stabilizzarlo prima di portarlo nell ambiente di misura della CMM; - è necessario avere una CMM con dimensioni compatibili con il pezzo da misurare (problema particolarmente sentito per pezzi complessi di grandi dimensioni); diversamente è necessario trasportare il pezzo all esterno presso un centro di controllo (con problemi logistici ed ambientali) - se il pezzo dopo la misurazione risulta non conforme alle specifiche ed è necessario rilavoralo sulla macchina utensile, occorre verificare la disponibilità della macchina utensile e ristaffare il pezzo in macchina; - occorre definire un part-program di misura ed una strategia di misura. Inefficienze del sistema produttivo 8 L intero processo di produzione di pezzi meccanici complessi in piccoli lotti presenta quindi delle evidenti inefficienze che si possono così riassumere: - grande dispendio di tempo dovuto a ripetuti staffaggi e spostamenti dei pezzi; - onerosi investimenti in macchine di misura di grandi dimensioni con conseguenti costi per la realizzazione di ambienti di misura condizionati; - elevati tempi totali di produzione del pezzo quando sono richiesti controlli interoperazionali i e finali anche inrelazione ai tempi di stabilizzazione i term. del pezzo; - elevata probabilità di produrre pezzi non conformi (scarti) se non si eseguono accurati controlli interoperazionali; -elevaticosti di movimentazione dei pezzi tenendo conto che spesso le aziende che producono non hanno a disposizione CMM idonee e quindi le verifiche del pezzo devono essere fatte presso sale metrologiche esterne; ciò ha conseguenze negative sulla mobilità, sulla sicurezza e sull ambiente; -elevatitempitempi morti sulle macchine utensili in attesa del risultato del controllo. Questo ed altro creano inefficienze i nel sistema produttivo industriale che si trasformano in mancanza di competitività quando si opera in mercati globalizzati ove è necessario ridurre al minimo i costi della manodopera non specializzata (manodopera comunque ad alto costo nel mondo occidentale) ed i costi della qualità (misurazioni, controlli, scarti). L ideale sarebbe misurare direttamente il pezzo in macchina. 4

5 Perché è difficile misurare il pezzo in macchina (online part inspection)? 9 Affinché il risultato di una misurazione sia valido e possa essere utilizzato correttamente, esso deve essere ottenuto seguendo scrupolose regole sia sulla gestione degli strumenti sia sui metodi adottati per misurare. In particolare lo strumento deve essere in stato di taratura. La taratura dello strumento conferisce al risultato della misurazione la proprietà della riferibilità consistente nel poterlo riferire a campioni appropriati, generalmente nazionali o internazionali, attraverso una catena ininterrotta i tt di confronti tuttitti aventi incertezza dichiarata. Quindi se si vuole misurare il pezzo in macchina ed ottenere misure riferibili è necessario tarare la macchina utensile. 3 1 Campioni nazionali 2 λ K Tarare una macchina utensile richiede una strumentazione costosa, tempi lunghi ed andrebbe eseguita prima di ogni misurazione, stante i continui cambiamenti dello stato della macchina Perché è difficile misurare il pezzo in macchina? 10 Inoltre se il risultato di una misurazione serve per prendere delle decisioni sulla conformità o non conformità del pezzo alle specifiche è necessario conoscere l incertezza della misura ed applicare la UNI EN ISO al fine di definire la zona di sicura conformità. Calcolare l incertezza di misura di una macchina utensile può essere molto complesso in relazione alla conoscenza dei suoi errori e delle altre grandezze di influenza (ambiente, operatore, ecc.) Un caso particolare è la misura per comparazione con un artefatto identico al pezzo (master workpiece). In questo caso molti problemi metrologici possono essere risolti ma questa tecnica è difficilmente applicabile a pezzi meccanici complessi prodotti in piccoli lotti. 5

6 Perché è difficile misurare il pezzo in macchina? 11 Quindi è necessario ricordare che la prassi di mettere un tastatore sulla macchina utensile per effettuare misurazioni assolute ha senso solo se si è tarata la macchina utensile (o se si effettua una verifica delle prestazioni in relazione ad un errore massimo ammesso) e se si è in grado di valutare l incertezza del processo di misurazione. Inoltre occorre essere sicuri che gli errori geometrici della macchina siano stabili ovvero non abbiano variazioni causate dalle attività di lavorazione della macchina dopo l ultima taratura. La ISO Il problema di utilizzare una macchina utensile per effettuare misurazioni è da tempo dibattuto in ambito ISO; su questo argomento nel 2007 è stato emesso un working draft nell ambito della famiglia di norme ISO 230 Test code for machine tool. La ISO/WD Test code for machine tools Part 10: determination ti of the measuring performance of a numerically controlled machine tool ha quindi lo scopo di verificare le prestazioni metrologiche di una macchina utensile a controllo numerico quando viene equipaggiata con un sistema tastatore. La norma identifica i seguenti campi applicativi: - misure delle caratteristiche degli utensili (raggio, lunghezza, offset); - misure del posizionamento dell utensile prima della lavorazione; - misure del posizionamento del pezzo prima della lavorazione; - misure delle caratteristiche del pezzo dopo la lavorazione quando è ancora in macchina. Risulta quindi evidente l interesse del mondo industriale a semplificare i processi produttivi portando sulla macchina utensile anche le attività di misurazione. 6

7 Un progetto di ricerca: la MMT 13 Trasferire le capacità metrologiche di una CMM su di una macchina utensile potrebbe sicuramente portare grandi vantaggi al processo produttivo (inline part inspection). La MMT (Measuring Machine Tool) è proprio questo. MMT Alesamonti sta lavorando per un progetto di ricerca che coinvolge centri di ricerca italiani ed europei per definire questa nuova tipologia di macchina in grado di rivoluzionare i concetti organizzativi della produzione industriale. Le basi concettuali della MMT Una macchina utensile è concettualmente composta da tre carri che si muovono nello spazio. Assimilando questi tre carri a dei corpi rigidi che si muovono lungo una retta possiamo ritenere che il loro movimento sia affetto da sei errori per carro e cioè: - errore di perpendicolarità dell asse rispetto al piano formato dagli atri due assi; - errore di rettilineità nel piano orizzontale; - errore di rettilineità nel piano verticale; - errore angolare di beccheggio; - errore angolare di rollio; - errore angolare di imbardata. Quindi sei errori per ogni asse portano ad un modello di 18 errori a cui vanno aggiunti i tre errori di linearità dei sistemi di misura sugli assi. La presenza di questi errori geometrici fa in modo che esista un errore nel posizionamento del punto centrale dell utensile (TCP: Toool Central Point). yaw pitch rol l 7

8 Le basi concettuali della MMT 15 Una MMT è in grado di riconoscere e valutare i sei errori geometrici ed i tre errori di linearità per ogni asse grazie ad un sistema di artefatti metrologici già presenti nella struttura della macchina (taratura online). Questi artefatti sono riferibili ai campioni nazionali o internazionali e quindi, correggendo i sei errori per ogni asse tramite un software di compensazione volumetrica si è in grado di correggere il posizionamento del centro dell utensile e quindi di riportarsi in una condizione ideale. Se in questa condizione si pone un tastatore di misura sul mandrino della macchina è possibile effettuare misurazioni riferibili in quanto gli errori di posizionamento del centro dell utensile sono stati compensati e comunque verificati essere entro i limiti massimi ammessi. Inoltre la MMT, conoscendo anche le proprie condizioni termiche in relazione alla temperatura ambiente, è in grado di compensare le proprie deformazioni termiche e quelle del pezzo. Con la conoscenza degli effetti delle grandezze d influenza sul processo di misurazione, si è in grado di calcolare l incertezza di misura con cui lavora la MMT e fornire un corretta valutazione della conformità del pezzo eseguito alle specifiche prescritte applicando la norma UNI EN ISO Modalità operative della MMT 16 Le modalità di funzionamento di una MMT consentono le seguenti attività: - all accensione della macchina si attiva un ciclo di verifica degli errori geometrici (check iniziale) che consente di valutare se la macchina lavorerà entro gli errori massimi assegnati dal costruttore; in caso contrario viene attivato un processo di tele-assistenza che consente al costruttore di collegarsi direttamente con il sistema di controllo della macchina e verificare in tempo reale eventuali problemi della macchina; - se il controllo iniziale ha dato esito favorevole, la MMT inizia la lavorazione del pezzo in relazione al partprogramm acquisito tramite CAD; - se, dopo una fase di lavorazione, è richiesto un controllo interoperazionale la MMT effettua la taratura online, riconosce i propri errori ed il proprio stato termico ed attiva il software di compensazione degli errori; utilizzando un tastatore esegue la misura della caratteristica del pezzo e verifica la sua conformità alle specifiche tenendo conto della sua incertezza di misura; - nel caso il pezzo risultasse non conforme alle specifiche la MMT verifica la possibilità di attivare un processo di rilavorazione del pezzo modificando il part-programm e richiamando nuovi utensili o accessori. ISDN 8

9 Modalità operative della MMT 17 - alla fine del processo di lavorazione la MMT ripete l operazione di taratura online, compensa gli errori rilevati e verifica tutte le caratteristiche del pezzo sottoposte a tolleranza, emettendo un rapporto di conformità del pezzo alle specifiche con garanzia di riferibilità ai campioni nazionali o internazionali; - periodicamente la MMT è in grado di attivare un processo di manutenzione preventiva e predittiva, esaminando ogni possibile degrado delle sue caratteristiche meccaniche ed anticipando o posticipando le attività di manutenzione in funzione delle analisi effettuate. In questo modo la MMT rende disponibile al gestore della produzione le reali prestazioni della macchina in termini di accuratezza di lavorazione, consentendo di orientare la produzione dei pezzi coerentemente con le tolleranze richieste. Una ipotesi di fabbrica del futuro 18 modelli di cono oscenza determinare le reali prestazioni delle macchine utensili nelle diverse condizioni operative e, grazie alle funzioni integrate di controllo della qualità del pezzo, reagire alle variabili di processo adattando il ciclo di lavorazione, le attrezzature ed eventualmente riconfigurare la produzione su altre macchine valutate idonee allo scopo sviluppare modelli di manutenzione preventiva e predittiva basandosi sulle informazioni geometriche, termiche e funzionali provenienti dalle MMT (teleservice) rivoluzionare la logistica dei materiali ed i layout di fabbrica integrando produzione e controllo ottimizzare il progetto della macchina in relazione alle informazioni sulle deformazioni rilevate sperimentalmente (OEM) costruire data base tecnologici sugli errori di lavorazione in grado di guidare gli operatori alle rilavorazioni dei pezzi (in modo automatico o manuale) bus per informazioni inerenti lo stato geometrico, termico e funzionale della macchina e del pezzo prodotto alesatrici centri di lavoro rettifiche torni MMT (Measuring Machine Tool) level for variable small batch production 9

10 Conclusioni 19 La ricerca finalizzata alla realizzazione di una MMT porterà quindi i seguenti vantaggi per il sistema industriale: - miglioramento delle lavorazioni grazie ad un accurato controllo del deterioramento delle prestazioni della macchina tramite periodiche attività di verifica; - miglioramento del layout di fabbrica con snellimento dei percorsi dei materiali; - riduzione del tempo totale di produzione attraverso la completa integrazione delle attività di lavorazione e misurazione nel ciclo di produzione; - riduzione dei tempi morti sulla macchina utensile derivanti dalle attese delle verifiche dimensionali e geometriche nel reparto di Controllo Qualità con conseguente raggiungimento della saturazione della macchina; - riduzione degli scarti di produzione attraverso controlli interoperazionali che riducono l accumulo degli errori durante il ciclo di lavorazione; - riduzione del carico di lavoro del reparto di Controllo Qualità che può dedicarsi ad attività metrologiche più accurate; - riduzione delle attività di rilavorazione del pezzo intervenendo immediatamente all insorgere del problema; - riduzione dei costi di logistica e trasporto dei pezzi che non possono essere controllati internamente quando le dimensioni del pezzo eccedono le capacità interne di controllo; questo significa minor consumo di combustibili, minor consumo di energia elettrica per carri ponte, minor consumi di imballi per il trasporto; - attivazione di una politica di manutenzione preventiva e predittiva per ridurre il deterioramento della macchina. Bibliografia 20 G. Malagola, A. Ponterio, La metrologia dimensionale per l industria meccanica, Edizioni Augusta, Torino ( G. Malagola, Misurare per mantenere, Manutenzione, Tecnica e Management, Anno X, 11/2003 G. Malagola, A. Ponterio, La valutazione sperimentale dell incertezza di misura in ambito industriale, Tutto_Misure 01/2003 G. Malagola, A. Ponterio, La misura dei diametri interni ed esterni nell industria meccanica, Tutto_Misure 02/2003 G. Branca, G. Malagola, Problematiche di misura dell umidità relativa Dossier Manutenzione Civile Manutenzione, Tecnica e Management 04/2005 Malagola G., Ponterio A., Determinazione dell incertezza strumentale in funzione dell errore massimo ammesso II Congresso Italiano di Metrologia & Qualità Milano 2001 G. Malagola, A. Ponterio, Valutazione della incertezza di misura con calibri a corsoio, Tutto_Misure 1/