Assieme della macchina, vista isometrica frontale con sistema di riferimento relativo.
L’espansione del mercato delle macchine utensili prodotte in Italia per i mercati esteri spinge i costruttori del nostro Paese a progettare soluzioni sempre più innovative che possano confrontarsi con successo con le alternative concorrenziali straniere. La PEAR di Firenze e l’Università degli Studi di Perugia hanno condotto uno studio per la valutazione virtuale delle prestazioni di macchinari per l’asportazione di truciolo.
di Luca Landi, Simone Lucentini (*)
La PEAR di Firenze (www.pear.it) e il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Perugia (www.dii.unipg.it) hanno condotto uno studio impostando un metodo per la valutazione virtuale delle prestazioni di macchinari per l’asportazione di truciolo. In particolare, è stata studiata una fresatrice a 3 assi per lavorazioni di altissima precisione, che dovrà, nel contempo, eseguire lavorazioni di tornitura utilizzando lo stesso elettromandrino. Le due lavorazioni, che dovranno essere garantite dalla macchina, hanno necessità progettuali molto differenti, e l’approccio tipico della progettazione di una macchina utensile effettuata con logiche di “worst case” non era utilizzabile.
Esempio di rimozione small features nel supporto motore, confronto tra geometria di produzione e modello per FEM.
LE ANALISI PRELIMINARI
Al fine di analizzare il comportamento statico e dinamico della macchina utensile, i modelli CAD 3D dei macchinari sono stati prima elaborati con Design Modeler, il modulo di ANSYS Workbench (www.ansys.com) che permette una veloce preparazione delle matematiche CAD per la successiva analisi. In una seconda fase, sono stati simulati i comportamenti complessivi della macchina attraverso ANSYS Mechanical che, lavorando su diversi set di parametri, ha portato alla comprensione dei fenomeni che regolano le prestazioni della macchina stessa. I risultati sono stati poi facilmente mappati graficamente per essere di immediata lettura sia per i progettisti che per personale non tecnico. Infine, grazie a quanto emerso dall’analisi, è stato possibile concentrare la progettazione su alcune parti risultate critiche, migliorando, con azioni mirate, le prestazioni della macchina sia in campo statico che dinamico.
Le analisi sono state lanciate in modo sistematico e automatico, impostando l’ordine di tipo ottimizzato fra quelli disponibili nell’apposito modulo Workbench. Si è scelto di utilizzare un particolare tipo di grafico a barre che consente di visualizzare fino a tre parametri di input e uno in uscita, e di rappresentare lo spostamento del punto di lavorazione (uscita) in funzione dei tre valori delle corse (ingressi). Il grafico ottenuto è a quattro dimensioni: negli assi cartesiani orizzontali sono riportati corsa X e corsa Y (ossia le traslazioni imposte come parametri nel design modeler), mentre l’asse verticale rappresenta lo spostamento risultante al punto di lavorazione, dovuto alla forza FX applicata e ottenuto con la probe.
Vincoli interni (bushings). Vista laterale della testa e del supporto a croce. In blu sono evidenti le sfere di influenza dei vincoli e uno dei sistemi di riferimento relativi.
L’OTTIMIZZAZIONE DEL COMPORTAMENTO
L’ottimizzazione del comportamento statico/dinamico di una macchina utensile non può prescindere dalla determinazione degli elementi strutturali che influenzano maggiormente la rigidezza globale della macchina in ogni condizione. La comprensione degli elementi critici è effettuata tramite una serie di analisi effettuate primariamente nel punto di corse già definito come “punto critico”.
L’analisi di sensitività è stata quindi effettuata per gli elementi che dimostrano avere la cedevolezza maggiore, ossia le viti a ricircolo di sfere (parametri concentrati), i pattini (bushing) e le guide, ed altri elementi strutturali come i supporti dei motori che fungono anche da supporto per le viti. In una macchina correttamente progettata, la cedevolezza relativa alla struttura stessa deve essere trascurabile rispetto agli altri componenti.
Dopo le analisi sui componenti principali della struttura si è passati all’ottimizzazione dei componenti considerati, spesso a torto, minori. Per la ricerca presente, tra i componenti strutturali di ingombro limitato ottimizzabili, quello che più si dimostra deformabile è il supporto motore dell’asse Y, il quale riceve le azioni assiali della vite a ricircolo di sfere posta tra montante e bancale. Tali forze generano una flessione della struttura le cui conseguenze sono un aumento dello spostamento del punto di lavorazione, con una diminuzione della precisione della macchina.
Su “piccoli” componenti come questi è necessario andare ad utilizzare tecniche di sotto modellazione per prevederne in modo accurato il comportamento in seguito a modifiche strutturali anche notevoli. Le comparazioni sono presentate al progettista sulla base di semplici istogrammi e lui è in grado di giungere in pochi secondi alla scelta della soluzione ottimale, basandosi anche su valutazioni di tipo economico.
Per la caratterizzazione del comportamento globale della macchina sono state effettuate delle analisi modali comparative fra il progetto iniziale e quello modificato sulla base di quanto esposto fino ad ora. Nel caso particolare delle macchine per asportazione di truciolo, le “modali” servono anche a tarare sulle giuste frequenze i tappetini smorzanti che spesso sono posti sotto al basamento per isolare la macchina dal pavimento di officina.
Masse concentrate imposte e molle parametriche che simulano la vite dell’asse Y nell’ingrandimento in alto a destra.
LA COMBINAZIONE CAD-FEM E IL DOE
Lo studio condotto mostra come sia sempre più necessario, nel panorama di progettazione e produzione moderno, avere a disposizione sistemi software in grado di integrarsi e scambiare dati in modo efficiente ed a prova di errori. In particolare, si è mostrato come sia utile impiegare una combinazione di CAD-FEM e altri strumenti di analisi multi obiettivo quali il DOE per ottenere modelli che permettono di svolgere un elevato numero di analisi con un intervento limitato da parte del progettista. Un modello così composto, sebbene complesso da impostare in prima analisi, è uno strumento versatile per qualunque tipo di macchinario, e permette di conoscere in modo dettagliato il comportamento complessivo del proprio prodotto, ancora prima di costruire il primo prototipo. Per un’azienda innovativa, l’adozione di questi strumenti, se correttamente utilizzati, si traduce in una riduzione significativa del time to market di nuovi prodotti ottimizzati e ad alte prestazioni, che non necessiteranno di importanti correzioni e che saranno all’avanguardia nel mercato.
(*) L’ingegner Luca Landi e l’ingegner Simone Lucentini lavorano presso l’Università di Perugia. Un particolare ringraziamento va alla PEAR di Firenze per il supporto durante la ricerca.
Aspect Ratio della mesh.
Visualizzazione DPs rappresentati in tre piani verticali di lavorazione di 9 posizioni ciascuno. In alto il sistema di riferimento per le corse degli assi-macchina.
Progetto Workbench. Si notano i 7 casi di carico, i fogli di calcolo collegati in ingresso ed uscita ed il modulo per il DOE.
Spostamento del punto di lavoro dovuto ad FX, 27 DPs.
Grafico della sensitività alle accelerazioni in funzione della rigidezza delle viti.
Istogramma dello scostamento percentuale tra configurazione irrigidita ed originale.
Campo di spostamenti del supporto motore Y, nel caso di AY, vista laterale; a destra, sotto-modellazione con simulazione di bulloni precaricati e zanche di ancoraggio al bancale in Celith.
Istogramma comparativo di varie modifiche strutturali possibili sul supporto motore asse Y.
Primo modo proprio della fresa non modificata vincolata sul basamento.
