Applicazioni pratiche della ISO/TR 16907 "Numerical - 29.BI-MU

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
Gianfranco MALAGOLA
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.
Convegno QUALITÀ SICUREZZA E AMBIENTE, 2014 -10-03
Gianfranco MALAGOLA
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Genesi, natura e scopo del documento ISO TR 16907
Il documento ISO TR 16907 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 229112-2 [SOMMACT - Self Optimizing
Measuring MAChine Tools – www.sommact.eu ] e n. CP-IP 285489 [IFaCOM - Intelligent Fault
Correction and Self Optimizing Manufacturing systems – www.ifacom.org ].
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.
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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.
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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).
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Gli errori geometrici (ISO 230-1 “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)
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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
mm
μm
Key
1
FP1
FP2
d
ECX
EXX
X
2
3
4
mm
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X-axis motion
functional point 1
functional point 2
Y-axis coordinate difference between FP2
and FP1 (1 000 mm, for the depicted
diagrams)
angular error motion (pitch) [µrad]
positioning error motion [µm]
-axis coordinates [mm]
measured ECX deviations
EXX deviations measured at FP1
EXX deviations at FP2 (assumed to be affected
by 3 and ECX only)
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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
EAX
f(Z) ; f(off.Z)
EBX
f(Z) ; f(off.Z)
ECX
f(Y) ; f(off.Y)
EXX
f(X)
EYX
EZX
f(Y) ; f(off.Y)
f(off.X)
f(off.X)
f(X)
f(X)
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ESEMPIO:
Il rollio dell’asse X (EAX):
- 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 .
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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.
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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
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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).
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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
Metodo di verifica della compensazione
EAX
Rollio
Livella
Misura della planarità di moto sul piano
XY o ZX (ad esempio con HAMAR laser)
EBX
Imbardata
Laser interferometrico
con ottiche angolari
Due misurazioni di posizione X, a due
posizioni sfalsate lungo l’asse Z
ECX
Beccheggio
Livella
Due misurazioni di posizione X, a due
posizioni sfalsate lungo l’asse Y
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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).
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Grazie per l’attenzione!
Gianfranco MALAGOLA
[email protected]
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