Impiego di strumentazione laser nel collaudo geometrico di

VI CONGRESSO NAZIONALE DI MISURE MECCANICHE E TERMICHE
Impiego di strumentazione laser nel collaudo geometrico di
macchine utensili in ambienti debolmente controllati
Federico Benini, Giacomo Gelmi, Andrea Magalini, David Vetturi
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università degli Studi di Brescia
via Branze 38 – 25123 Brescia
[email protected], [email protected]
Keywords. Collaudo geometrico, incertezza di misura, interferometria.
Sommario.
Nell’ambito della produzione e commercializzazione di macchine utensili il collaudo riveste
importanza fondamentale. Attraverso tale operazione è infatti possibile, per il committente,
accertarsi del rispetto da parte della macchina fornita dei requisiti stabiliti di comune accordo
con il produttore e descritti nella specifica tecnica d’ordine concordata. Nel caso di aziende
produttrici di macchine utensili di grandi dimensioni su commessa, si dimostra
particolarmente critica la fase di collaudo geometrico e dimensionale degli elementi
meccanici costitutivi. A tale proposito, infatti, la necessità di accettare prescrizioni di
tolleranza estremamente restrittive è, ad oggi, sempre più pressante a causa delle richieste di
mercato, che devono essere esaudite al fine di mantenere un adeguato livello di competitività.
L’esasperazione delle prescrizioni di tolleranza comporta da un lato il bisogno di migliorare le
tecniche realizzative e, dunque, le precisioni ottenibili mediante lavorazione meccanica, e,
dall’altro, la necessità di poter effettuare le misurazioni necessarie in fase di collaudo con
livelli d’incertezza adeguati allo scopo. A questo proposito, con riferimento a [1], è evidente,
infatti, che l’incertezza associata alle misure ottenibili non possa raggiungere livelli che la
rendano confrontabile con gli intervalli di tolleranza prescritti, pena la non possibilità di
stabilire la conformità di un elemento alle richieste prescritte. È altrettanto chiaro che questo
punto diventa cruciale se si considera l’ambito del collaudo di macchine utensili di grandi
dimensioni, nel quale i livelli di incertezza associati alle misure risultano necessariamente più
elevati rispetto al caso di macchine di taglia più ridotta. Attualmente è convinzione comune,
per quanto concerne il citato settore industriale, che le richieste di collaudo in termini di
prescrizioni di tolleranza possano essere effettivamente verificate, impiegando metodi basati
sull’interferometria laser. È tuttavia bene rammentare che, seppur è assodato che mediante
tale tipologia di strumenti sia possibile ottenere livelli di incertezza decisamente ridotti
nell’utilizzo in sala metrologica, altrettanto non si può affermare nel caso essi vengano
impiegati per compiere verifiche dimensionali e geometriche in reparto di produzione (dove
normalmente si effettua il collaudo delle macchine utensili, i cui elementi costitutivi, date le
grandi dimensioni, non possono essere ispezionati in sala metrologica), ambiente che di per sé
è non controllato in termini di gradienti termici, umidità e vibrazioni.
Il presente contributo è teso ad illustrare una ricerca, condotto in collaborazione con l’azienda
INNSE Berardi di Brescia, volta ad esaminare criticamente le effettive prestazioni, in termini
di incertezza di misura, che ci si possono attendere dall’impiego di interferometri laser in
ambiente non controllato, in particolare riguardo a verifiche di rettilineità verticale ed
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orizzontale effettuate su guide di macchine utensili, secondo le prescrizioni di norma vigenti
[2].
Inizialmente è stata condotta una campagna di sperimentazione preliminare per valutare la
variabilità delle letture offerte dallo strumento a disposizione a fronte dell’imposizione di una
disposizione di riferimento per l’interferometro e lo specchio riflettente impiegati. Si è
riscontrato che il passaggio dalla sala metrologica al reparto comporta un drastico incremento
di tale variabilità. In questa fase inoltre è stata analizzata l’influenza sulle prestazioni di
misura di diversi fattori, fra i quali: il tempo di rilevamento impostato per lo strumento, la
distanza fra interferometro e specchio riflettente, l’eventuale presenza di fenomeni di
microrotazione che interessino quest’ultimo elemento. Infine è stato costruito un diagramma
di taratura per l’utilizzo in ambiente non controllato dello strumento. In una seconda fase, in
accordo con le norme vigenti [3,4] è stata valutata l’incertezza associata alla rilevazione di
profili (rettilineità) mediante l’impiego del citato strumento interferometrico; data le
caratteristiche del problema in esame e l’intrinseca non linearità del modello di misura
adottato per la definizione del profilo, si è preferito procedere mediante analisi numerica della
propagazione delle incertezze, attraverso il metodo Monte Carlo, secondo quanto suggerito
dalla bozza di supplemento alla Guida ISO all’Espressione dell’Incertezza di Misura,
recentemente proposta dalla Joint Committee for Guides in Metrology [5].
I risultati ottenibili in termini di errore di rettilineità, secondo la definizione data in [1],
ovvero di scostamento dalla linearità del profilo rilevato, sono stati confrontati con quelli
ricavati su uno specifico elemento meccanico con metodologie tradizionali quali l’impiego di
livella elettronica e microscopio a sdoppiamento d’immagine. Da tale analisi sperimentale
comparativa emerge che l’impiego di strumentazione interferometrica non consente di
ottenere sensibili miglioramenti in termini di incertezza di misura, in particolare rispetto al
caso di utilizzo della livella elettronica.
Ringraziamenti.
Gli autori intendono ringraziare INNSE-BERARDI S.p.A. ed in particolare l’Ing. A. Sironi.
Bibliografia.
[1] UNI EN ISO 14253-1:2001: Specifiche geometriche dei prodotti (GPS) - Verifica mediante
misurazione dei pezzi e delle apparecchiature per misurazioni - Regole decisionali per provare la
conformità o non conformità rispetto alle specifiche. UNI, 2001.
[2] UNI ISO 230-1:2003: Codice di prova per le macchine utensili - Precisione geometrica delle
macchine utensili in funzionamento a vuoto o in condizioni di finitura. UNI, 2003.
[3] ISO 230-9: Test code for machine tools - Part 9: Estimation of measurement uncertainty for
machine tool tests according to series ISO 230, basic equations (Draft). ISO, 2004.
[4] UNI CEI ENV 13005:2000: Guida all’espressione dell’incertezza di misura. UNI, 2000.
[5] Guide to the expression of uncertainty in measurements – Supplement 1: numerical methods for
the propagation of distributions (provisional draft). BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, and
OIML, 2004.
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