Applicazioni pratiche della ISO/TR 16907, Machine tools Numerical compensation of geometric errors

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Romeo Pippi
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UTENSILI BI-MU 2014 Applicazioni pratiche della ISO/TR

1 Convegno QUALITÀ, SICUREZZA E AMBIENTE: LE NORME A SUPPORTO DELLA COMPETITIVITÀ NEL SETTORE DELLE MACCHINE UTENSILI BI-MU 2014 Applicazioni pratiche della ISO/TR 16907, Machine tools Numerical compensation of geometric errors

2 Sommario Tratteremo brevemente i seguenti argomenti: genesi, natura e scopo del documento ISO TR 16907; benefici potenziali e limiti per l applicazione delle compensazioni; interazione tra gli errori geometrici; propagazione degli errori nel volume di lavoro; la misurazione degli errori geometrici; sequenza per la misurazione e la compensazione degli errori; verifica dell efficacia delle compensazioni applicate; consigli partici. 2

3 Genesi, natura e scopo del documento ISO TR Il documento ISO TR è stato elaborato grazie ad una notevole attività di ricerca sugli errori geometrici delle macchine utensili. Tali attività di ricerca hanno beneficiato di finanziamenti del Settimo Programma Quadro dell Unione Europea [7 PQ/2007/2013], nell ambito delle convenzioni di sovvenzione n. CP-FP [SOMMACT - Self Optimizing Measuring MAChine Tools ] e n. CP-IP [IFaCOM - Intelligent Fault Correction and Self Optimizing Manufacturing systems ]. Il documento non ha carattere normativo ed ha lo scopo di fornire informazioni per la comprensione e l applicazione delle compensazioni numeriche degli errori geometrici delle macchine utensili comprendendo: la terminologia; la rappresentazione di funzioni di errore generate con l applicazione di diversi metodi di misura; l identificazione e la classificazione dei metodi di compensazione attualmente disponibili sui diversi CNC. Il documento è attualmente in attesa della sua traduzione in Francese per poi procedere alla sua pubblicazione. 3

Benefici potenziali per l applicazione delle compensazioni Compensare significa corregge l effetto degli errori geometrici della macchina utensile sulla posizione reale del punto funzionale nel

4 Benefici potenziali per l applicazione delle compensazioni Compensare significa corregge l effetto degli errori geometrici della macchina utensile sulla posizione reale del punto funzionale nel volume di lavoro della macchina. I principali benefici che possono derivare dall applicazione delle compensazioni sono: le compensazioni riducono l effetto degli errori geometrici della macchina utensile sul pezzo lavorato quindi possono contribuire a migliorare la qualità dei prodotti; applicando attività di ri-verifica con corrispondente adattamento delle compensazioni, l accuratezza della macchina utensile può virtualmente essere mantenuta durante il suo intero ciclo di vita; quando la macchina utensile viene utilizzata anche per la misurazione di caratteristiche geometriche del pezzo lavorato, l applicazione delle compensazioni può ridurre significativamente l incertezza di misura. 4

5 Limiti per l applicazione delle compensazioni I principali limiti per l applicazione delle compensazioni sono: la stabilità a lungo termine della macchina non verrà migliorata. Le deformazioni termo-elastiche rimarranno una possibile causa di variazioni geometriche; la ripetibilità del moto degli assi rimarrà il limite alla accuratezza raggiungibile; la compensazione attiva potrebbe richiedere il moto addizionale di assi che sarebbero stazionari in una macchina non compensata (ad esempio per l esecuzione di lavorazioni parallele ad un asse lineare della macchina utensile). Questo potrebbe introdurre errori addizionali, specialmente in presenza di: errori di inversione importanti, limitata risposta all incremento minimo o caratteristiche di precisione variabili con la direzione di moto; tipicamente, la compensazione degli errori angolari corregge la posizione della punta utensile ma non corregge l orientamento funzionale (orientamento relativo tra il lato utensile ed il lato pezzo). 5

6 Gli errori geometrici (ISO Geometric accuracy of machines operating under no-load or quasi-static conditions ) Moti di errore degli assi lineari e degli assi rotativi Errori di posizione relativa e di orientamento tra gli assi (zeri, parallelismi e ortogonalità) 6

7 Interazione tra gli errori geometrici Esistono delle relazioni tra i moti di errore lineare ed i moti di errore angolare. Effetto del beccheggio sull errore di posizione μm/m μm mm mm Key 1 X-axis motion FP1 functional point 1 FP2 functional point 2 d Y-axis coordinate difference between FP2 and FP1 (1 000 mm, for the depicted diagrams) E CX angular error motion (pitch) [µrad] E XX positioning error motion [µm] X -axis coordinates [mm] 2 measured E CX deviations 3 E XX deviations measured at FP1 4 E XX deviations at FP2 (assumed to be affected by 3 and E CX only) 7

8 Propagazione degli errori nel volume di lavoro Dopo aver misurato gli errori geometrici di ogni asse della macchina, occorre capire l effetto di ogni singolo errore sulla posizione relativa tra l utensile e il pezzo nelle direzioni X, Y e Z; tale effetto viene chiamato errore volumetrico del punto funzionale e rappresenta in pratica lo scostamento tra la posizione reale dell utensile rispetto al pezzo e quella ideale definita dal controllo numerico nel volume di lavoro della macchina. ASSE X Errore e/o Compensazione Macchine tipo MAF45, AT120 e macchine a montante mobile Effetto nella direzione dell asse: X Y Z E AX f(z) ; f(off.z) f(y) ; f(off.y) E BX f(z) ; f(off.z) f(off.x) E CX f(y) ; f(off.y) f(off.x) E XX E YX E ZX f(x) f(x) f(x) ESEMPIO: Il rollio dell asse X (E AX ): - non ha effetto sull asse X; - provoca un errore nella direzione dell asse Y che è funzione della posizione dell asse Z ed è anche funzione dell offset della punta utensile nella direzione Z (ovvero è anche funzione della lunghezza utensile); -provoca un errore nella direzione dell asse Z che è funzione della posizione dell asse Y ed è anche funzione dell offset della punta utensile nella direzione Y. 8

di lavoro della macchina utensile (o nel volume di lavoro di interesse) e

9 Propagazione degli errori nel volume di lavoro Sommando gli effetti di ogni singolo errore nelle direzioni X, Y e Z posso stimare gli errori nel volume di lavoro della macchina utensile (o nel volume di lavoro di interesse) e quindi valutare le componenti dell errore volumetrico lungo gli assi X, Y e Z. 9

10 La misurazione degli errori geometrici Per la misurazione degli errori geometrici, possiamo applicare la strumentazione tipicamente utilizzata per il collaudo geometrico della macchina utensile ma occorre considerare i punti seguenti: in principio le misurazioni dovrebbero essere realizzate in differenziale in modo da misurare l effettivo errore tra la parte che rappresenta l utensile e la parte che rappresenta il pezzo. Un supporto regolabile per appoggiare una livella sul lato utensile può rivelarsi molto utile. il segno degli errori deve essere definito applicando le prescrizioni della ISO 841 Numerical control of machines Coordinate system and motion nomenclature che prevede sempre il moto relativo tra un utensile mobile ed un pezzo supposto fermo; quando l asse in esame muove il pezzo, il segno degli errori deve essere invertito 10

Sequenza per la misurazione e la compensazione degli errori Si ricorda che, per ogni asse, è indispensabile procedere alla misurazione e compensazione

11 Sequenza per la misurazione e la compensazione degli errori Si ricorda che, per ogni asse, è indispensabile procedere alla misurazione e compensazione degli errori angolari prima di procedere alla misurazione e compensazione degli errori di traslazione (rettilineità su due piani e errore di posizione). 11

12 Verifica dell efficacia delle compensazioni La compensazione degli errori angolari degli assi lineari interviene sulla posizione relativa tra l utensile ed il pezzo ma non modifica gli errori angolari stessi. Occorre, per ogni errore angolare, pianificare e realizzare misurazioni aggiuntive atte a verificare l efficacia dell applicazione delle compensazioni come nell esempio sottostante, relativo all asse X di una alesatrice. Errore Descrizione Strumento per la misurazione E AX Rollio Livella Metodo di verifica della compensazione Misura della planarità di moto sul piano XY o ZX (ad esempio con HAMAR laser) E BX Imbardata Laser interferometrico con ottiche angolari Due misurazioni di posizione X, a due posizioni sfalsate lungo l asse Z E CX Beccheggio Livella Due misurazioni di posizione X, a due posizioni sfalsate lungo l asse Y 12

13 Qualche consiglio pratico Gli errori angolari sono molto più importanti degli errori lineari e l esperienza insegna che occorre tenere sotto controllo gli errori che sono riferibili alla gravità (ovvero misurabili con una livella) come ad esempio il rollio ed il beccheggio per l asse X di un alesatrice. Per assi di medie dimensioni, nel progettare il numero di passi di misura, considerare inizialmente otto passi che possono agevolmente essere ridotti a quattro per verifiche veloci (anche con il pezzo montato, se necessario) Per la compensazione delle ortogonalità occorre privilegiare: l ortogonalità ed il parallelismo tra gli assi di moto lineare e l asse di rotazione del mandrino, l ortogonalità tra l asse di rotazione di eventuali tavole girevoli (ad esempio l asse B di un alesatrice) ed il piano di moto corrispondente (ZX nel caso dell alesatrice). 13

14 Grazie per l attenzione! g.malagola@alesamonti.com 14

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