APPUNTI DI METROLOGIA MECCANICA

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1 APPUNTI DI METROLOGIA MECCANICA Aprile Sala Metrologica 2. Definizione di campioni 3. Strumenti a lettura diretta 4. Strumenti di misura vite micrometrica 5. Strumenti di misura a paragone 6. Strumenti di misura a calibro fisso 7. Strumenti di misura per angoli 8. Strumenti di misura per la finitura superficiale 1/12

2 1. Sala Metrologica La Sala Metrologica (SM) è il luogo in cui si eseguono rilievi dimensionali su componenti meccanici. Normalmente installata nei pressi delle aree di produzione la sua struttura deve essere ben isolata ed esente da vibrazioni e rumori. In essa vi sono custoditi i Campioni di taratura, la strumentazione fissa, un corredo di strumentazione da banco, strumentazione custom per il tipo di produzione, banchi di riscontro/tracciatura e attrezzatura varia. Necessariamente la SM deve essere climatizzata (20 C e 50% umidità) e l'accesso permesso al solo personale coinvolto nel collaudo. L'attività di controllo inizia con la segregazione dei componenti all'interno della SM, fino a quando non raggiungono la temperatura di 20 C, prosegue poi con un primo controllo visivo per poi iniziare le fasi di misura vera e propria che si concludono con la stesura di un Rapporto Dimensionale o Certificato di Collaudo. Il fine ultimo dei queste registrazioni è quello di attestare o meno la conformità (congruenza) tra disegno e oggetto fabbricato, ossia che il componente costruito risponda a tutte le richieste del disegno o della specifica. Questi Certificati, necessari nelle aziende certificate ISO 9000, vengono altresì utilizzati nelle controversie tra committente e fornitore. Una volta emesso il Rapporto di Collaudo il componente esce dalla SM e, a seconda dell'esito dei controlli, segue il processo produttivo in modi diversi: rimesso in produzione, rilavorato perché non conforme oppure scartato perché non le sue non conformità sono irrecuperabili. Sala Metrologica 2/12

3 2. Definizioni di Campioni Campione materiale: strumento per la misurazione, materiale di riferimento o sistema di misurazione destinato a definire, realizzare, conservare o riprodurre una unità oppure uno o più valori noti di una grandezza per trasmetterla per confronto ad altri strumenti per misurazione. Campione Primario: campione nazionale custodito e gestito da un istituto primario di metrologia (Istituto di metrologia "G. Colonnetti"). Campione secondario: campione riferibile a quello primario custodito e gestito da un centro di taratura autorizzato (centri di taratura SIT) Campione di metrologia: campione riferibile a quello primario utilizzabile dalle SM aziendali per la taratura di strumenti e mezzi di controllo. Nota: L'Istituto di metrologia "G. Colonnetti" (IMGC) è stato il più importante istituto italiano di ricerca di base sulle misure meccaniche e termiche. L'istituto ha fatto parte della struttura del CNR fino al 2006, quando è stato istituito l'istituto nazionale di ricerca metrologica (INRiM), nel quale si è fuso con l'istituto elettrotecnico nazionale "G. Ferraris" formando un'unica struttura nazionale destinata alla ricerca metrologica di base.fino al 2006, la legge n.273 del 1991 assegnava all'imgc la funzione di istituto metrologico primario, che si esplicitava nella realizzazione dei campioni nazionali e la disseminazione mediante tarature delle unità di misura di lunghezza, massa, temperatura, angolo e derivate (portata, forza e pressione). L'istituto forniva la riferibilità ai centri SIT, nonché supporto tecnico al SIT stesso. Con la fusione all'interno dell'inrim, quest'ultimo ne eredita le funzioni e le strutture. Fanno parte dei Campioni di Metrologia i Blocchetti Piano Paralleli, le sfere, i cilindri e gli anelli calibrati. I blocchetti piano-paralleli sono prismi in metallo o ceramica aventi due superfici opposte rigorosamente piane e parallele la cui distanza, alla temperatura di riferimento di 20 C, corrispondente alla dimensione nominale incisa sul blocchetto. La loro manipolazione necessita di particolare attenzione: devono essere maneggiati con i guanti, regolarmente puliti e lubrificati al fine di preservare la loro durata. Non devono subire colpi accidentali o essere utilizzati in maniera impropria. Non lasciano mai la SM e regolarmente vengono misurati da un ente esterno (centro SIT) che ne certifica la dimensione. Costituiscono le misure di riferimento per ogni necessità della metrologia, quali la taratura, la verifica e l'azzeramento degli strumenti per misure lineari. La formazione di calibri fissi e l'azzeramento dei micrometri ad arco per interni. Diversamente possiamo trovare anche set di Cilindri o Anelli calibrati utilizzati per la taratura e verifica di micrometri ad espansione e alesametri per misure di fori e parti interne. Blocchetti piano-paralleli Cilindri Calibrati 3/12

4 3. Strumenti a lettura diretta Strumenti a nonio Il nonio è costituito da due scale graduate lineari una delle quali è fissa e l'altra è mobile. La scala fissa e graduata in unità fondamentali (millimetri): la scala mobile è graduata in maniera diversa dalla fissa con lo scopo di ottenere varie sensibilità nella misura. Calibro a corsoio: Il più comune strumento a nonio è il calibro a corsoio. E' uno strumento portatile da banco ed è utilizzato per misura di interni, esterni e profondità. Si caratterizza oltre che dalla sua precisione (0,05 e 0,02 mm) dal campo di misura e dalle sue dimensioni. Il più classico è quello da 150 mm. Sono molto diffusi quelli a lettura digitale. Schema del calibro a corsoio Calibro da 150 mm ventesimale Lettura del nonio Lettura digitale Truschino - Altimetro a nonio: Il truschino a nonio è uno strumento usato per eseguire le tracciature su pezzi meccanici. Lo si usa solitamente su di un piano di riscontro. Sostituendo l'utensile per tracciare con un comparatore a quadrante lo si trasforma in altimetro. In questa configurazione si possono rilevare distanze tra il pezzo ed il banco di granito, usato come superficie di riferimento, su cui è appoggiato il pezzo. Ormai quasi tutti gli altimetri anno la lettura digitale. Assieme al calibro e al micrometro, l'altimetro e banco di riscontro rappresentano il corredo minimo per qualsiasi tipo di Sala Metrologica. Truschino a nonio Altimetro digitale su banco di granito 4/12

5 4. Strumenti a vite micrometrica Il principio di funzionamento della vite micrometrica sfrutta la caratteristica fondamentale dell'organo cinematico formato dall'accoppiamento vite-madrevite. La vite, di passo noto, porta ad un suo estremo un tamburo graduato diviso in parti uguali. La madrevite è fissa e la vite, ruotando, trasla di una quantità pari ad un passo ad ogni giro del tamburo. Di conseguenza il numero di giri del tamburo, o una sua frazione, definisco lo spostamento assiale della vite ovvero la distanza tra l'incudine (fisso) e l'asta (mobile) di fatto la misura. Micrometro per interni/esterni:i più importanti strumenti a vite micrometrica sono i micrometri. Sono strumenti portatili. Si dividono in due categorie: per interni (fori) e per esterni (alberi). Tipicamente hanno un campo di misura da zero fino a oltre 1500 mm ad incrementi di mm. Hanno precisioni di 0,01 mm, 0,005 mm 0,001 mm. Si possono trovare in confezioni singole o anche in confezioni di più pezzi per coprire un'ampia gamma di dimensioni. Micrometro per esterni 5. Micrometro per interni Strumenti a calibro fisso Sono strumenti costruiti per una dimensione fissa o registrabile che non viene modificata nel corso della misura. Solitamente vengono forniti in corredi di più dimensioni. Calibri a forchetta/tampone: I calibri fissi sono strumenti da banco portabili e debbono presentare in ogni caso un lato passa per il controllo della dimensione limite massima dell'albero o della dimensione minima del foro, un lato non passa per la dimensione minima dell'albero o della dimensione massima del foro. Con lo stesso principio si trovano anche i calibri passa/non passa anche per le filettature. Calibro a forchetta Calibro a tampone 5/12

6 6. Strumenti a Paragone Per misure particolari, per accuratezza o per estensione della misura, si utilizzano degli strumenti che sfruttano un sistema di amplificazione meccanico, ottico o elettronico. Tipicamente sono strumenti da laboratorio e talvolta portatili. Nella maggior parte dei casi necessitano di alimentazione elettrica o a batteria. Strumenti ad amplificazione meccanica Questi strumenti trasformano e amplificano un movimento lineare, tramite semplici meccanismi, in un indicazione analogica su di un quadrante. Il Comparatore a quadrante è il più comune e semplice degli strumenti ad amplificazione meccanica. Il suo funzionamento sfrutta il movimento lineare un un alberino, guidato e tenuto in posizione da una molla, il quale porta nella sua parte centrale una dentatura in cui si impegnano uno o più ingranaggi, questi muovendosi spostano una lancetta su di un indicatore a quadrante. La risoluzione tipica dei comparatori è 0,01 mm, frequenti anche quelli a risoluzione 0,001 mm. Vengono caratterizzati, oltre che per la loro precisione, dal valore della loro corsa e dal tipo di quadrante. Frequentissimo trovare quelli a quadrante digitale. Principio di funzionamento Comparatore a quadrante Strumenti ad amplificazione ottica Tipicamente sono strumenti da laboratorio, sono costituiti da una struttura completa di tavola porta pezzo e di schermo su cui viene proietta l'immagine dell'oggetto da misurare illuminato da una sorgente di luce ed ingrandito da una serie di lenti. Il valore della misura viene letta sullo schermo e non sul pezzo. Il Proiettore di profili è utilizzato per misure bi-dimensionali (piano x y) L'immagine di un oggetto viene proiettata su di uno schermo portante un reticolo di misura. La tavola porta pezzo, muovendosi, trascina il pezzo rispetto alla sorgente luminosa contestualmente anche la sua immagine si muove sullo schermo sul quale si esegue la misura. Lo spostamento della tavola porta pezzo viene letto dagli encoder lineari. La risoluzione degli encoder e gli ingrandimenti ottici utilizzati nelle lenti determinano la precisione della misura. Si posso eseguire osservazioni in diascopia (solo i bordi del pezzo -silhouette), episcopia (quando si rileva per riflessione l'intera superficie dell'oggetto) o la combinazione delle due. Proiettore di Profili 6/12

7 Strumenti ad amplificazione elettrica Sfruttano la trasformazione di un movimento meccanico in un segnale elettrico. Si compongono tipicamente delle seguenti parti: un trasduttore elettrico destinato a trasformare una grandezza meccanica in una elettrica, un amplificatore di segnale, uno strumento indicatore ed eventuali organi ausiliari. Come trasduttori oggi vengono usati comunemente dei sistemi a lettura ottica chiamati encoder. Encoder lineari: sono costituite da un corpo, montato sulla parte fissa, completo di sorgente luminosa e fotocellula, e da superficie micro-forata montata sulla parte mobile. Questa muovendosi permette o meno alla luce di raggiungere la fotocellula. L'elaborazione dei segnali dalle fotocellule daranno la posizione della parte mobile rispetto quella fissa. Tipicamente si adotta una riga ottica per asse di misura. I comparatori digitali utilizzano una riga ottica, i proiettori di profili ne utilizzano due, ed infine le macchine di misura a coordinate ne utilizzano tre. Encoder angolari: funziona con lo stesso principio della riga ottica solo che viene impiegato per le misure angolari. La fascia ottica micro forata viene montata su di un settore circolare. Tipicamente vengono utilizzati su strumenti come i Teodoliti elettronici e più recentemente sui bracci di misura PCMM (Portable Coordinate Measuring Machine). Le Macchina di Misura a Coordinate (Coordinate Measuring Machine CMM) ha tipicamente un'installazione fissa in sale dedicate (SM). Si compone di un banco, su cui si appoggia l'oggetto da misurare, e poi di un portale che scorre sopra l'oggetto da misurare. Sulla traversa del portale è articolata una colonna che sostiene la testa di misura. Un sistema ad aria compressa garantisce l'assenza di attrito tra i movimenti reciproci di portale e banco. Le più piccole sono manuali, ma la maggior parte sono motorizzate e controllate da un telecomando. Le CMM si classificano per il volume di misura e per il tipo di struttura (a portale, a colonna, etc...). Le più piccole hanno un volume di misura di 0,6x0,6x0,6 mt, ma le più grandi possono avere addirittura banchi lunghi 5-10 metri. La misura avviene per contatto a punti discreti, ma anche per scansione continua, si raccolgono quindi notevoli quantità di punti per ogni singola misura che vengono poi elaborati da appositi software. La testa di misura, che porta una sonda di rubino (ne esistono svariate forme e dimensioni) viene fatta avvicinare al pezzo fino al contatto della sonda con la superficie. Al momento del contatto vengono registrate le posizioni degli encoder dei 3 assi da un PC che ne calcola poi la coordinata riferita ad un opportuno sistema di riferimento. Software dedicati gestiscono macchina e i dati. La precisione di queste macchine è garantita da strutture molto imponenti e stabili, spesso sono costruite con banchi e colonne di granito. Le CMM di fascia alta possono raggiungere precisioni molto spinte talvolta inferiore ad 1 µm. La testa di misura articolata garantisce una certa flessibilità alla macchina altrimenti, per eseguire un rilievo completo (il lato appoggiato al banco risulta poco accessibile), il pezzo deve essere girato. Esempi di installazione di CMM 7/12

8 La Macchina di Misura a Coordinate Portabile (Portable Coordinate Measuring Machine PCMM), è uno strumento di misura a coordinate portatile molto flessibile, viene comunemente chiamato braccio di misura per la sua forma antropomorfa. Tipicamente viene classificato in base al raggio della sfera che può coprire il movimento circolare il suo braccio, alla sua precisione e per i suoi gradi di libertà (6 o 7 dof). La misura si esegue portando la sonda a contatto della superficie e acquisendo poi il punto. La precisione della misura dipende oltre che dall'operatore anche dalla qualità degli encoder angolari installati in ogni giunto del braccio. Non raggiunge la precisione di una CMM fissa, comunque le più moderne raggiungono i 0,02 mm di precisione a punto fisso. A differenza degli strumenti di misura che sfruttano un il laser il bracco raggiunge e misura facilmente i punti nascosti (specialmente punti interni) senza il cambio di stazione della strumento. Nel caso di oggetti molto grandi le sue dimensioni ridotte permettono agevoli cambi di stazioni di misura attorno al pezzo. Essendo trasportabile ed è quindi facilmente utilizzabile in officina. Si possono misurare i pezzi sulle macchine utensili, durante le fasi di fabbricazione, senza dover smontare il pezzo. Può essere anche attrezzato con una sonda il laser scan con la quale si possono rilevare di superfici complesse (doppia curvatura) in pochissimo tempo. Viene frequentemente utilizzata anche per rilievi tipicamente non meccanici...arte, storia e non solo. 8/12

9 Il teodolite è costituito essenzialmente da una base, un'alidada e da un cerchio graduato orizzontale ed uno verticale. La base è dotata di una livella e di viti per regolare la verticalità dell'asse principale dello strumento. L'alidada è montata sulla base in modo da poter ruotare attorno all'asse verticale ed a sua volta è munita di un cannocchiale che ruota su un asse orizzontale. I cerchi graduati orizzontale e verticale sono solidali rispettivamente al basamento o all'alidada e all'asse di rotazione del cannocchiale. Le condizioni per cui il teodolite si dice rettificato sono: assi a due a due ortogonali tra loro; assi che si intersecano in un unico punto, detto centro strumentale. Inoltre, prima di effettuare le misure, è necessario centrare la bolla della livella, cioè far sì che la tangente centrale della livella, (una fiala di vetro a forma di calotta sferica o a forma toroidale riempita parzialmente di liquido, in modo da formare nella parte alta una bolla d'aria) sia parallela alla retta di appoggio. Questo permette di ottenere la precisione necessaria nelle misure topografiche. Nei moderni teodoliti elettronici gli angoli dei due cerchi vengono letti da due encoder angolari mentre il distanziometro laser dello strumento ne misura la distanza. I punti misurati vengono letti da un PC ed elaborati da software dedicati. Tipicamente viene impiegato per misure di aree molto vaste come terreni (geodesia) oppure per oggetti molto grandi (edifici, strade, impianti industriali). Una campagna di misure con il Teodolite può comprendere molte stazioni di misura, da ognuna dalle quali si eseguono i rilievi. Nella serie di punti rilevati sono presenti alcuni rilevati della stazione precedente al fine di poter collegare ogni stazione alla precedente. Metodi di calcolo posso così riferire le misure di tutte le stazioni ad un unico sistema di riferimento. Per ogni punto vengono registrati due angoli (uno verticale e uno orizzontale) e una distanza. Software dedicati trasformano poi i dati rilevati in angoli e distanze in coordinate cartesiane o polari. Schema di funzionamento Teodolime elettronico moderno Esempio di applicazione in cantiere navale Campagna di misura con teodolite 9/12

10 Il Laser Tracker (LT) è uno strumento di misura portatile molto versatile e preciso che sfrutta il principio di funzionamento dell'interferometro di Michelson. E' costituito tipicamente da una colonna in metallo sulla cui sommità è articolata una testa portante al suo interno encoder, motori e specchi. Nella colonna invece è alloggiato l'interferometro che genera il raggio laser. L'elettronica di controllo e l'alimentazione dei motori sono tipicamente sistemati in un box esterno. Software dedicati ne gestiscono il funzionamento e la raccolta dei dati. Il raggio laser prodotto dall'interferometro colpisce lo specchio della testa che lo indirizza sul riflettore (Corner Cube Reflector CCR) posto su di una alloggiamento sullo strumento. Sollevato dalla base dall'operatore viene trascinato con la mano fino al punto di misura. Durante il tragitto la testa motorizzata dello strumento segue il percorso del riflettore misurandone in continuo la posizione. L'interferonetro misura la distanza e gli encoder gli angoli verticale e orizzontale. A monitor si possono seguire gli spostamenti del CCR nello spazio che il software ha trasformato in coordinate cartesiane o polari. Per questa sua caratteristica,definita Tracking, viene utilizzato per lo studio di traiettorie spaziali (robotica o cinematismi complessi) e per il posizionamento dei oggetti in posizioni specifiche con precisioni molto spinte (componenti per acceleratori di particelle). Le condizioni ambientali e le distanze tra CCR e LT ne determinano la precisione in quanto il raggio laser, durante la misura, attraversa l'aria che è tipicamente instabile. Per misure molto vicine allo strumento le precisioni possono arrivare, negli ultimi modelli, a ± 15 µm. La limitazione più evidente per questo tipo di strumenti è la misura dei i punti nascosti (non sulla traiettoria del laser). Tale limitazione viene oggi aggirata attrezzando lo strumento con delle probe (sonde) che pur rimanendo in vista della testa articolata vanno a toccare, tramite delle aste molto rigide, i punti non visibili. Altrimenti, come col teodolite, si eseguono i rilievi in più stazioni. Il cambio di stazione spesso introduce un degrado della precisione della misura. Gli ultimi modelli dei LT si caratterizzano per le ridotte dimensioni a tutto vantaggio della portabilità. Principio dell'interferometro Schema funzionamento Laser Tracker Laser Traker LTD 500 prodotto dalla Leica Laser Tracker prodotto dalla FARO 10/12

11 7. Strumenti per la misura degli angoli A misura diretta Il goniometro a nonio è lo strumento portatile tipico per eseguire una misura diretta di un angolo su di un oggetto. La lettura si esegue come quella del calibro a nonio, ma le scale indicano gradi e sottomultipli di gradi. Il clinometro (o tiltmetro) è lo strumento per la misura dell'inclinazione di un corpo o di una superficie. È costituito da una parte fissa e da una mobile. Tipicamente poco preciso sfrutta la gravità terrestre per mantenere orizzontale una delle parti mentre con l'altra, appoggiata all'oggetto, determina l'angolo. Diffusi ormai anche quelli digitali. Misure di angoli Goniometro analogico Clinometro a gravità A misura indiretta Le livelle a bulbo sono strumenti destinati a rilevare la posizione angolare di una superficie rispetto al piano orizzontale definito dalla forza di gravità terreste. Si compongono di un bulbo toroidale, portante una scala graduata e quasi completamente riempito di alcool, fissato su un base metallica lavorata. Una volta appoggiata la livella su di una superficie la bolla d'aria si posizionerà sempre sulla posizione più alta del bulbo, la sua posizione rispetto alla scala graduata del bulbo, indicherà il valore di inclinazione. Principio di funzionamento Livella a bulbo prismatica quadra 11/12

12 Livella a bolla prismatica quadra Livella sferica (Bull Eye) L'Autocollimatore è uno strumento da laboratorio che viene utilizzato principalmente per eseguire rilevi di angoli tra superfici. Si compone di due parti: un cannocchiale che porta al suo interno una sorgente luminosa e un reticolo; e da una parte mobile attrezzata con uno specchio su cui viene proiettato il reticolo del cannocchiale. L'elettronica di controllo e il display per le letture sono sistemate in un box esterno. Una volta posizionato e fissato il cannocchiale si posiziona poi lo specchio, di fronte al cannocchiale, sulla superficie da misurare in modo da ottenere di ritorno la riflessione del reticolo nel cannocchiale stesso. Agendo sulla superficie su cui è appoggiato il supporto mobile, si dovrà far coincidere il reticolo riflesso con quello proiettato. Al raggiungimento della sovrapposizione le la superficie dello specchio risulterà essere perfettamente ortogonale all'asse del cannocchiale. L'autocollimatore permette quindi di rilevare angoli molto piccoli ed in maniera molto accurata tra superfici, oppure ne permette il loro posizionamento reciproco con un'elevata precisione. Viene utilizzato per il posizionamento di lenti o sistemi ottici nella nelle Beam Lines di acceleratori di particelle. Principio di funzionamento dell' Autocollimatore 8. Autocollimatore elettronico moderno Strumenti per la misura delle finitura superficiale Tutte le superfici degli organi meccanici, ottenute per asportazione di truciolo laminate o fuse hanno delle finiture superficiali caratteristiche derivanti principalmente dai parametri di lavorazione. Siccome la finitura superficiale è strettamente collegata alla funzionalità degli organi meccanici, risulta necessario determinarne il suo valore già in fase di progetto. A lavorazione conclusa si esegue così la misura della rugosità superficiale col fine di verificarne la conformità al disegno. La misura della rugosità si esegue utilizzando un Rugosimetro. Il suo funzionamento è molto simile al principio di funzionamento dei giradischi di vinile. La differenza sostanziale sta nel fatto che la puntina (pick-up) non entra nel solco per seguirlo, ma lo attraversa perpendicolarmente. Al pick-up viene quindi imposto un movimento verticale, dovuto alla morfologia dei solchi e questo, trasformato in segnale elettrico da un trasduttore, viene inviato ad un indicatore analogico/digitale come valore di rugosità. Si dividono in rugosimetri da banco e portatili. Capita spesso che organi di grandi dimensioni non possono essere montati su quelli da banco. Rugosità superficiale Tipi di Rugostro 12/12