La sonda estensimetrica Renishaw RMP600 si installa in modo semplice sulla macchina utensile per fornire misure precise e accurate anche con stili lunghi.
Protagonista di primo piano nella progettazione e costruzione di sistemi innovativi nell’ambito della metrologia e spettroscopia industriale, Renishaw propone soluzioni avanzate per diversi settori industriali, contribuendo a incrementare la produttività delle imprese manifatturiere: dalla prima sonda a contatto alla testa index motorizzata, dai sistemi modulari per scansioni a quelli ripetibili di cambio stilo, l’azienda permette ai costruttori di macchine e agli utilizzatori finali di valutare efficacemente la qualità dei loro prodotti. Grazie alla tecnologia estensimetrica, particolarmente indicata per un’ampia gamma di applicazioni nell’Aerospace, la capacità di eseguire misure tridimensionali rapide e precise su pezzi da lavorare “in process” è un fattore strategico determinante per rendere omogenei i flussi produttivi. Come affrontare le nuove sfide di un comparto in grado di segnare le frontiere tecnologiche più spinte.
di Fiammetta Di Vilio
Le imprese attualmente si trovano ad operare in contesti ambientali complessi, mutevoli, dinamici, caratterizzati da momenti di forte discontinuità e cambiamento. In tale congiuntura permangono tuttavia alcune fondamentali certezze: una su tutte, l’importanza di investire risorse in ricerca e innovazione. La storia di Renishaw (www.renishaw.it) e della sua evoluzione è scandita da importanti successi in tal senso e da una crescita costante, fondata sulla capacità intrinseca di individuare alcuni obiettivi e realizzarli poi con determinazione e coerenza. Nata nel 1973 sulla scia dell’invenzione della sonda Touch Trigger, progettata proprio per risolvere un problema di misura sul motore di un'aereo, da allora Renishaw ha sempre volato alto, giungendo alla quotazione alla Borsa di Londra nel 1985 e poi all’attuale struttura multinazionale con filiali sparse in tutto il mondo, un'ingente quota di investimenti in R&D e di miglioramento dei processi produttivi. In Italia, l’azienda è attiva con una propria filiale dal 1989: dalla sede di Pianezza, alle porte di Torino, con un team di specialisti di prodotto, venditori e tecnici, si muove sul mercato con un'attenzione particolare verso tutti i suoi clienti, costruttori di macchine e utilizzatori finali.
“Il primo tastatore a contatto, inventato da Sir David McMurtry, Presidente e Amministratore delegato di Renishaw, ha profondamente cambiato l’ispezione post-processing di componenti lavorati”, spiega Enrico Orsi, Product Manager, Additive Manufacturing Products.
“Unitamente alle teste orientabili, tali soluzioni oggi equipaggiano una grandissima parte delle macchine di misura installate nel mondo, stabilendo lo standard industriale dell’accuratezza in quest’ambito; con Revo™, invece, abbiamo ridefinito i criteri di eccellenza per i sistemi di scansione su macchine CMM”, spiega Patrizio Titotto, Product Manager, Machine Tool Products.
“I nostri tastatori, proposti in speciali versioni caratterizzate da elevata resistenza nei confronti degli ambienti aggressivi dell’asportazione truciolo, sono installati anche su macchine utensili. Questi dispositivi contribuiscono a ridurre notevolmente i tempi di lavorazione, aumentando la qualità del controllo sui processi. Forniamo soluzioni automatizzate per il presetting e la verifica dell’integrità degli utensili, l’allineamento dei pezzi e le verifiche durante e dopo la lavorazione”, continua Titotto.
“Grazie alla tecnologia estensimetrica brevettata Rengage™, la sonda a contatto RMP600 si è rivelata particolarmente indicata per i costruttori di macchine utensili e per le aziende che operano nel settore aerospaziale anche nel nostro Paese”, commenta Patrizio Titotto.
“Operiamo in aree ad alto costo e siamo consapevoli che, per produrre in Europa e fronteggiare la concorrenza, dobbiamo lavorare sfruttando la tecnologia e tutte le possibilità che abbiamo di aumentare la velocità in macchina, mantenendo una precisione elevata e controllando il processo. Anche per questo costruiamo tutti i nostri sistemi in casa”, spiega Enrico Orsi, “pertanto siamo noi i primi utilizzatori e sfruttiamo questo ruolo per renderci utili ad altri, raccontare ai nostri clienti i problemi che abbiamo incontrato, come li abbiamo risolti e quali benefici e guadagni abbiamo ottenuto”.
TECNOLOGIE PER COMPETERE
Concentrarsi nella ricerca del miglioramento continuo e perseguire un orientamento fondato su innovazione e qualità sono i fattori principali su cui si basa l’approccio di Renishaw nei confronti di settori strategici come l’industria aerospaziale.
“Abbiamo scelto di portare a titolo d’esempio un caso applicativo di un’azienda americana, Triumph Fabrications, proprio per la portata oggettivamente molto ampia delle soluzioni da noi proposte, considerandole un esempio eccellente di quanto anche la filiale italiana di Renishaw sia in grado di assicurare ai propri clienti. Molti sono infatti i vantaggi derivanti dall’adozione di un sistema d’ispezione”.
“L'innovativa tecnologia Rengage™ incorporata nella sonda estensimetrica RMP600, per esempio, è la scelta giusta per eseguire misure di pezzi su 5 assi per il settore aerospaziale. Grazie al software Renishaw OMV si ottiene un sistema di verifica in macchina avanzato e particolarmente utile quando si lavorano superfici sagomate e forme complesse”, spiega Titotto.
“Il vantaggio della dotazione ‘sonda più software’ consiste nel poter misurare direttamente a bordo della macchina utensile particolari difficilmente misurabili con strumenti tradizionali, anche per la loro complessa movimentazione. Si tratta infatti di macchine molto grandi, con costi di lavorazione decisamente onerosi: ogni risparmio di tempo rappresenta un plus importante. Il software abbinato a un tastatore estensimetrico assicura risultati costanti e coerenti, riducendo la flessione dello stilo per ottenere ispezioni tridimensionali con precisione sub-millesimale su superfici sagomate: è un pacchetto evoluto, al top della soluzione di misura di particolari tridimensionali su macchine utensili, che è ancor più valorizzato se la macchina ha 5 assi, con necessità di misura ancora più avanzate”.
“In Italia sono molte le applicazioni che vantano l’impiego di questa tecnologia. In particolare le imprese che lavorano nell’industria aerospaziale e che richiedono standard di precisione e velocità superiori”, commenta Patrizio Titotto.
“Gli obiettivi di fondo sono, da un lato, ridurre scarti e variabili, e dall’altro, aumentare velocità e precisione, perché una macchina che sta ferma non è produttiva e genera costi. Oggi i clienti hanno esigenze sempre più complesse di produttività e di controllo e le norme impongono la massima tracciabilità dell’intero processo di lavorazione. Renishaw è in grado di far fronte a tali richieste sfruttando tutte le tecnologie e le opportunità disponibili per lavorare con rapidità, qualità e prestazioni superiori”, conclude Orsi.
La tecnologia brevettata Rengage™ consente di effettuare ispezioni in qualsiasi direzione con un’unica calibrazione.
SULLE ALI DELL’INNOVAZIONE
Triumph Fabrications di Shelbyville, Indiana, USA, è specializzata nella produzione di componenti stretch forming per il settore aerospaziale; tutti i pezzi lavorati hanno forme paraboliche, curve composte o forme coniche. La capacità di eseguire misure rapide e precise sui pezzi da lavorare in macchina è una delle principali competenze del reparto CAD/CAM, creato per rendere omogenei i flussi produttivi. L’acquisto di una sonda estensimetrica Renishaw RMP600 si è reso necessario per garantire la coerenza e l’accuratezza delle misure di fori dal diametro ridotto, profili e tolleranze geometriche. L’assenza di lobing e una ripetibilità di 0,25 µm consentono alla sonda estensimetrica di assicurare un’elevata accuratezza di tastatura in qualsiasi direzione e con un solo ciclo di calibrazione.
L’utilizzo di RMP600 in combinazione con il software OMV Pro di Renishaw fornisce alla fresatrice CNC a portale Zimmerman a 5 assi funzionalità simili a quelle di una CMM per la lavorazione di pezzi complessi, con risultati di misura con scarti non superiori a 0,025 mm se confrontati con altri dispositivi. Ciò ha consentito di eliminare in modo quasi completo le operazioni fuori linea, con un significativo risparmio per l’azienda in termini di tempi, errori e problemi di accuratezza che possono sorgere quando un componente ad alto costo viene spostato e riposizionato.
MISURE IN PROCESS
“È preferibile effettuare la misura immediatamente dopo il taglio, piuttosto che spostare il pezzo in una CMM”, commenta Gary Medlock, responsabile dell'area CAD/CAM. “Si tratta di pezzi molto costosi in partenza e il loro valore aumenta dopo ogni operazione. Con alcuni particolari, come lo stampo di forming, le misure in-process ci permettono di avere la certezza che dopo ciascuna fase di lavorazione il pezzo sia conforme alle specifiche”.
In genere, la fresatrice viene utilizzata per lavorare fogli di metallo con uno spessore compreso fra 0,635 mm e 3,18 mm sui quali si devono produrre fori e asole. Tali pezzi vengono fissati in vuoto. I fori hanno le dimensioni tipiche delle applicazioni aeronautiche, comprese fra 2,5 mm e 9,5 mm, e vengono eseguiti con accuratezze di 0,05 mm, con tolleranze posizionali effettive che vanno da 0,30 mm a 0,71 mm.
“Misuriamo le dimensioni del foro e la posizione reale utilizzando il metodo di ispezione a doppio contatto, con la sonda RMP600 dotata di uno stilo in tungsteno o acciaio inox da 1 mm, di una prolunga da 50 mm”, spiega Medlock. “Preferiamo la sfera in tungsteno perché ci consente di andare in profondità all’interno del foro. Con un orientamento accurato, questa sfera permette di misurare tutto. La prolunga da 50 mm non riduce l’accuratezza della sonda RMP600, la mantiene distante dal pezzo da lavoro per ridurre i rischi di collisioni e, in caso di danni, può essere sostituita con una spesa contenuta. Viene utilizzata l’ispezione a doppio contatto perché le calibrazioni sono effettuate alla stessa velocità adottata nel software, per cui tempi e angoli sono già definiti”.
L’IMPORTANZA DELLA CALIBRAZIONE
La calibrazione è un elemento chiave dei successi ottenuti da Triumph, perché consente di ottenere risultati di ispezione estremamente affidabili. “Se non vi sono contrattempi, calibriamo la macchina una volta all’anno, con un laser e un sistema ballbar”, racconta Medlock. “Inoltre, la macchina è dotata di una piccola sfera di calibrazione che utilizziamo una volta la settimana. Tali risultati vengono tracciati su un istogramma, insieme a tutti i dati raccolti negli ultimi due anni, in modo da avere un immediato riscontro visivo di eventuali trend in via di sviluppo. Disponiamo di un manufatto tracciabile con cono, sfera, fessure e altri elementi, che sottoponiamo a ispezione ogni volta che modifichiamo un componente del nostro programma di controllo qualità”.
La sonda RMP600 è particolarmente indicata per misure su macchine 5 assi, anche con stili molto piccoli grazie alla bassa forza di contatto.
I VANTAGGI DELL’APPLICAZIONE
Triumph dispone di due fresatrici a portale Zimmerman. La più recente è un modello FZ-30 costruito nel 2008 e dotato di un sistema CNC Siemens 840D. Tale macchina ha gli assi lineari X,Y, Z rispettivamente di 6 x 2,8 x 1,5 m, l’asse A da 110° e l’asse C da 360°. Il mandrino dispone di una potenza massima di 40 kW e una coppia di 48 Nm, con una velocità massima di 25.000 giri/min. In tutto lo stabilimento è in funzione un sistema di controllo della temperatura. “La fresatrice ha un’accuratezza volumetrica di 0,1 mm. Poiché si tratta di una macchina molto usata e di grandi dimensioni, tale risultato non ha nulla da invidiare ai valori tipici di una CMM”, afferma Medlock. “Se non avessimo la sonda, nostra unica alternativa sarebbe portare ogni pezzo nella sala CMM, misurarlo e riposizionarlo in macchina”. “Dovremmo aggiungere un canale di controllo o un altro elemento simile per avere la certezza che tutte le impostazioni siano identiche alla prima e ciò comporterebbe un maggiore costo, per non parlare della perdita di un’intera giornata per completare il ciclo di ispezione. Questi ritardi e l’incertezza derivante da ogni nuova impostazione non sarebbero accettabili all’interno di un processo. Mediamente, il nostro ciclo di ispezione è simile a quello produttivo, ma si tratta di un’approssimazione, perché l’ispezione dei pezzi con pochi elementi risulta molto più rapida. Ad esempio, l’ispezione di un foro non richiede più di 8 s”. Un altro fattore da non trascurare è la programmazione di modelli e geometrie. “Per ottenere processi corretti, tutti gli elementi devono essere sul pezzo”, prosegue Medlock. “Di solito partiamo da un file STEP che viene importato nel software OMV Pro per la creazione fuori macchina del programma d’ispezione. Il software simula il programma per rilevare eventuali rischi di collisione e include una funzione che consente di orientare automaticamente la sonda nella posizione di misura più adeguata, senza indicare manualmente l’angolo richiesto. Gli elementi sono misurabili in molti modi diversi: per esempio, è possibile misurare un foro come se fosse un cerchio oppure un cilindro”.
Il programma di ispezione viene eseguito nel CNC per raccogliere i dati di misura che sono successivamente valutati fuori linea con il software OMV, tramite algoritmi di tipo CMM. Il software confronta i dati di misura con il file modello/mappa e produce rapporti grafici e numerici. Il software indica le deviazioni dai valori nominali e produce un grafico per mostrare i vari intervalli.
Un’applicazione guidata GD&T del software OMV aiuta i programmatori a creare gli elementi standard del rapporto sulla base di simboli riconosciuti a livello internazionale. In questo modo è possibile eseguire confronti fra le misure del disegno e quelle prodotte dalla macchina. “Al momento utilizziamo perpendicolarità, angolarità, profilo superficie e posizione reale”, spiega Medlock.
LA TECNOLOGIA ESTENSIMETRICA
A differenza di una normale sonda per macchine utensili, la RMP600 estensimetrica non deve essere calibrata per ciascun vettore e ciò consente di ridurre considerevolmente i tempi ciclo. “Misuriamo da tutti i vettori, perché si tratta di un’applicazione a 5 assi”, continua Medlock. “Grazie al sistema di misura estensimetrico di RMP600, otteniamo la stessa ottima lettura a prescindere dalla direzione di arrivo dello stilo. Quando si lavora su 5 assi, la sonda viene utilizzata con orientamenti inusuali e la sfera può essere toccata da qualsiasi direzione. Abbiamo constatato che quando misuriamo qualcosa con RMP600, otteniamo le stesse identiche letture nel caso di una ri-misurazione. Fra le molte capacità di RMP600, siamo riusciti a dimostrare che è possibile misurare il vero diametro di fori di piccole dimensioni tramite uno stilo da 1 mm”.
RMP600 è molto diversa da una normale sonda per macchine utensili, perché il meccanismo di rilevamento brevettato Rengage™ elimina il lobing, un errore tipico di tutte le sonde convenzionali. Se il lobing è eccessivo e sufficientemente alto da impattare sull’accuratezza delle misure, diventa necessario compensarlo calibrando la sonda insieme a ciascun vettore di misura. Ciò richiede un ciclo di calibrazione complesso e la gestione di molte correzioni. Tutto questo viene eliminato da RMP600. Il metodo estensimetrico misura la forza del contatto applicata allo stilo e genera un segnale quando la soglia di trigger viene superata. Ciò consente basse forze di tastatura, una minore deflessione dello stilo, ripetibilità submicron (0,25 µm 2s), assenza di lobing e una reale capacità di misura tridimensionale. La sonda RMP600 garantisce prestazioni di metrologia superiori, soprattutto su superfici 3D che richiedono molte direzioni di rilevamento e nelle operazioni di allineamento, in cui i vettori potrebbero non essere noti. La logica interna della sonda è in grado di determinare se il segnale arriva da un contatto con la superficie del pezzo o se è provocato da un evento casuale, e in questo modo elimina i rischi di falsi contatti imprevisti causati da urti e vibrazioni.
UNO STRUMENTO IDEALE
“È importante ricordare che l’accuratezza della sonda dipende dalle prestazioni della macchina”, dice Medlock. “Con la nostra conoscenza delle capacità della macchina, delle sue condizioni e della storia della calibrazione, possiamo affermare che un’ispezione eseguita su questa macchina equivale a un’ispezione con una CMM. La macchina viene testata e calibrata utilizzando gli stessi parametri delle nostre CMM ed è in grado di ispezionare senza difficoltà i profili dei pezzi con un’accuratezza di 0,38 mm. Possiamo verificare le prestazioni metrologiche mediante l’ispezione di un manufatto di dimensioni note, contenente tutti gli elementi che si possono trovare nei pezzi da lavorare. Grazie all’elevata accuratezza della macchina e alla sua capacità di utilizzare i 5 assi, la sonda estensimetrica si è dimostrata lo strumento ideale per tutte le operazioni di misura”.
Renishaw ha inventato la prima sonda a contatto per macchine utensili negli anni ’70. Il successo di questo prodotto innovativo, basato su un principio a resistenza cinematica, ha garantito all’azienda una posizione di leadership mondiale nella progettazione, produzione e supporto di prodotti di misura dimensionale.