Il Tolerance Management nell Ingegneria di prodotto e di processo. Torino, Centro Congressi Lingotto aprile 2010

Transcript

1 Il Tolerance Management nell Ingegneria di prodotto e di processo Le normative di Geometrical Dimensioning & Tolerancing Prof. Giulio BARBATO Politecnico di Torino DISPEA Prof. Paolo CHIABERT Politecnico di Torino DISPEA

2 Problema Ambienti coinvolti nel controllo geometrico di prodotto. Nominale Reale 2

3 GPS Standards (ISO/TC213) Storia Evoluzione del controllo geometrico di prodotto. 3 Principio di intercambiabilità (Eli Whitney, J.B. Vaquette de Gribeauval) Tolleranze dimensionali (LOEWE, Berlino) Tolleranze geometriche (II World War) ANSI Y14.5 ISO 1101 Geometrical product specifications (ISO/TC213) Artigianato

4 Soluzione Descrizione del controllo geometrico di prodotto. Tolleramento dimensionale Tolleramento geometrico 4

5 Nuove esigenze Globalizzazione, Virtualizzazione, Time to market, Incertezza, Globalization of production systems, products market, information Information technology: CAD, CAE, MRP, ERP, Reduction of time to market Increased quality of products 5

6 La gestione dell informazione L informazione all interno dell azienda Business objects Metadata (STEP, PDM) Enterprise content management Business processes Engineering objects Data (GPS, STEP) Manufacturing planning Engineering processes DATA PROCESSES 6

7 Risultati attesi Un nuovo linguaggio per la gestione del controllo geometrico più ricco, più completo, più preciso, più comprensibile, più semplice, più universale, più flessibile ISO 129 ISO 406 ISO 2692 ISO ISO/TR ISO 1660, 3040 ISO 1101 ISO 5458 ISO/TS 12180, , ISO/TR 5460 ISO 3599, 6909, ISO 463 ISO 3650 serie ISO serie ISO/TS UNI ISO 5459 ISO 4288, ISO 1302 ISO ISO 8785 ISO ISO 3274 ISO 5436 by Eng. Marco Cibien 7

8 Risultati attesi Un nuovo linguaggio per la gestione del controllo geometrico Dominio della specifica Dominio del pezzo Dominio della verifica Size Distance Radius Angle Form line Form surface Orientation Location Circular run-out Total run-out Datums Roughness profile Waviness profile Primary profile Surface defects Edges Product documentation identification codification ISO 129 ISO 406 ISO 2692 Tolerances definitions and values ISO ISO/TR ISO 1660, 3040 ISO 1101 ISO 5458 Definitions for actual features Assessment for the deviation of the workpiece ISO/TS 12180, , ISO 5459 ISO 4288, ISO 1302 ISO ISO 8785 ISO ISO/TR 5460 Measurement equipment requirements ISO 3599, 6909, ISO 463 Calibration requirements ISO 3650 serie ISO serie ISO/TS UNI ISO 3274 ISO 5436 by Eng. Marco Cibien 8

9 Geometrical Product Specifications GPS Specifiche geometriche di prodotto e loro verifica ISO/TC213 ISO/TC213 SCOPE: Standardization in the field of geometrical product specifications (GPS) i.e. macro- and microgeometry specifications covering dimensional and geometrical tolerancing, surface properties and the related verification principles, measuring equipment and calibration requirements including the uncertainty of dimensional and geometrical measurements. 9

10 Strumenti: ISO/TR14638 Geometrical Product Specification Masterplan GLOBAL GPS STANDARD GENERAL GPS MATRIX Chain link number SIZE DISTANCE RADIUS ANGLE Form of a LINE (no datum) Form of a LINE (datum) Form of a SURFACE (no datum) Form of a SURFACE (datum) ORIENTATION LOCATION CIRCULAR RUN-OUT TOAL RUN-OUT DATUMS ROUGHNESS PROFILE WAVINESS PROFILE PRIMARY PROFILE SURFACE DEFECTS EDGES 10 Product documentation indication - codification Definition of tolerances - Theoretical definition and values. Definition for actual features - characteristics or parameter Assessment of workpiece deviation - Comparison...f Measuremnet equipment requirements Calibration requirements - Measurements standards FUNDAMENTAL GPS STANDARD Geometrical characteristics Chain of standards Links in the chain COMPLEMENTARY GPS MATRIX

11 Strumenti: ISO Principio di dualità tra le attività di progettazione e di misurazione. Nominal model Skin model Physical model Measured model 11

12 Strumenti: ISO Definizione degli elementi geometrici. Class of Symmetry C i (i=1,...,7) Group of Simmetry G i Reference Set R i dim(g i ) 1. Spherical G 1 =SO(3) Point 3 2. Cylindrical G 2 =T(1) SO(1) Straight line 2 3. Planar G 3 =T(2) SO(1) Plane 3 4. Helicoidal G 4 =T(1) SO(1) pitch μ 0 Helix 1 5. Axial G 5 =SO(1) Point Straight line 1 6. Prismatic G 6 =T(1) Straight line Plane 1 7. Trivial G 7 =I 3 Point Straight line Plane 0 12

13 Strumenti: ISO Incertezza estesa. Example by Johan Dovmark TOTAL F=5 20 N CORRELATION COMPLIANCE F MEASUREMENT SPECIFICATION METHOD IMPLEMENTATION 13

14 Strumenti: ISO Incertezza di correlazione D F Force, F [N] CORRELATION METHOD TOTAL MEASUREMENT COMPLIANCE IMPLEMENTATION SPECIFICATION Example by Johan Dovmark 8,01 8,02 8,03 8,04 8,05 8,06 8,07 8,08 8,09 8,1 Diameter, D [mm] 14

15 Strumenti: ISO Incertezza di specifica.? D F Example by Johan Dovmark LSL USL Specification uncertainty CORRELATION METHOD TOTAL MEASUREMENT COMPLIANCE IMPLEMENTATION SPECIFICATION 15

16 Strumenti: ISO Incertezza di misura. Example by Johan Dovmark D F TOTAL CORRELATION COMPLIANCE MEASUREMENT SPECIFICATION METHOD IMPLEMENTATION LSL USL 16

17 Risultati attesi Uno strumento per il controllo della geometria del prodotto lungo il suo ciclo di vita Progettazione Lavorazione Verifica Operatore funzionale Idea Operatore di specificazione Dualità Operatore di verifica Rilascio Incertezza: correlazione + specificazione + misura 17

18 Tolleranze-incertezze Applicazione della normativa sulla valutazione dell incertezza alla progettazione La valutazione dell incertezza di misura, ben descritta nella UNI CEI ENV 13005:2000 Guida all'espressione dell'incertezza di misura e, nello specifico ambito GPS ISO Geometrical Product Specifications (GPS) -- Inspection by measurement of workpieces and measuring equipment -- Part 2: Guide to the estimation of uncertainty in GPS measurement, in calibration of measuring equipment and in product verification È una tecnica semplificata di applicazione della statistica a processi basati su dati non noti con certezza. Praticamente su tutto, quindi, come verrà mostrato in una applicazione di analisi delle tolleranze. 18

19 Tolleranze-incertezze Il caso studiato: ingranaggi conici 19

20 Tolleranze-incertezze Specifiche funzionali Tra le molte specifiche funzionali che devono essere rispettate, viene presa qui in considerazione, a scopo dimostrativo, la necessità di coincidenza dei vertici dei due ingranaggi conici entro 0.05 mm Tale specifica può essere raggiunta imponendo opportune tolleranze ad alcune parti del complessivo 20

21 Tolleranze-incertezze Tolleranze 21

22 Tolleranze-incertezze Tolleranza Al solo scopo di maggior chiarezza nella presentazioni qui viene preso in considerazione il posizionamento del solo ingranaggio verticale: D11 (T11) D12 (T12) D21 (T21) D22 (T22) B12 B22 BV 22

23 Tolleranze-incertezze Tolleranza In dipendenza delle forze in gioco e del recupero dei giochi la posizione finale potrebbe essere quella descritta in figura. Il valore dell eccentricità E può essere calcolato con semplici considerazioni geometriche: (T11+T12)/2 (T21+T22)/2 To B22 B12 Bv (Ts+Th)/2 E = ( T11+ T12) ( T11+ T12) ( T 21+ T 22) ( Ts + Th) To Dh Bv B22 B12 E 23

24 Valore eccentricità e sua incertezza Tabella incertezza Variabile x j Non Statistici Parametri assegnati Simbolo Valore Note a j k a ν j n d n r u²(x j ) c i =Δy/Δx u j ²(y) u 4 j (y)/ν j T11 5.0E E E E E E-27 T12 1.3E E E E E E-25 T21 5.0E E E E E E-25 T22 1.3E E E E E E-24 Ts 0.0E E E E E E-21 Th 0.0E E E E E E-21 To 1.0E E E E E E-28 Dh 1.8E E E E E E-41 B22 1.3E E E E E E-38 Bv 2.3E E E E E E-37 B12 1.1E E E E E E-35 y -2.86E-05 m Varianza di y, u²(y ) 3.8E E-21 Incertezza tipo di y, u(y) 1.9E-05 Limite tollerato 5.0E-05 Gradi di libertà di y, ν(y) 66 Eccentricità attesa 7E-05 Livello di fiducia 95% Rischio di eccedere 13% Fattore di copertura (t di Student) 2.0E+00 Incertezza estesa U(y) 3.9E-05 m 24

25 Valore eccentricità e sua incertezza Tabella incertezza Variabile x j Non Statistici Parametri assegnati Simbolo Valore Note a j k a ν j n d n r u²(x j ) c i =Δy/Δx u j ²(y) u 4 j (y)/ν j T11 5.0E E E E E E-27 T12 1.3E E E E E E-25 T21 5.0E E E E E E-25 T22 1.3E E E E E E-24 Ts 0.0E E E E E E-22 Th 0.0E E E E E E-22 To 1.0E E E E E E-28 Dh 1.8E E E E E E-41 B22 1.3E E E E E E-38 Bv 2.3E E E E E E-37 B12 1.1E E E E E E-35 y -2.86E-05 m Varianza di y, u²(y ) 1.3E E-22 Incertezza tipo di y, u(y) 1.2E-05 Limite tollerato 5.0E-05 Gradi di libertà di y, ν(y) 80 Eccentricità attesa 5E-05 Livello di fiducia 95% Rischio di eccedere 3% Fattore di copertura (t di Student) 2.0E+00 Incertezza estesa U(y) 2.3E-05 m 25

26 Conclusioni Conclusioni L applicazione delle tecniche di valutazione dell incertezza all analisi delle tolleranze consente di individuare immediatamente quali siano le tolleranze critiche, quali quelle eccessive e che miglioramenti portano le modifiche che possono essere proposte. È un valido strumento di supporto al progettista che può così controllare le sue ipotesi di lavoro. Un supporto, sia chiaro, solo parziale, valido solo se guidato da chi abbia la visione più ampia del problema e tenga presente l insieme delle specifiche funzionali ed i collegamenti con i limiti tecnologici e le implicazioni di costo legati all imposizione delle tolleranze. 26

27 Valore eccentricità e sua incertezza Tabella incertezza Variabile x j Non Statistici Parametri assegnati Simbolo Valore Note a j k a ν j n d n r u²(x j ) c i=δy/δx u j ²(y) u 4 j (y)/νj T11 5.0E E E E E E-27 T12 1.3E E E E E E-25 T21 5.0E E E E E E-25 T22 1.3E E E E E E-24 Ts 0.0E E E E E E-21 Th 0.0E E E E E E-21 To 1.0E E E E E E-28 Dh 1.8E E E E E E-41 B22 1.3E E E E E E-38 Bv 2.3E E E E E E-37 B12 1.1E E E E E E-35 y -2.86E-05 m Varianza di y, u²(y) 3.8E E-21 Incertezza tipo di y, u(y) 1.9E-05 Limite tollerato 5.0E-05 Gradi di libertà di y, ν(y) 66 Eccentricità attesa 7E-05 Livello di fiducia 95% Rischio di eccedere 13% Fattore di copertura (t di Student) 2.0E+00 Incertezza estesa U(y) 3.9E-05 m 27