Un programma CNC può essere verificato alla perfezione e tuttavia non funzionare se la configurazione fisica non corrisponde alle ipotesi su cui si basa. La sonda del mandrino fornisce i controlli che collegano il processo programmato a ciò che si trova effettivamente all’interno della macchina.

Ad esempio: un percorso utensile può essere corretto, la strategia “ CAM ” può essere ottimizzata, il codice G può essere verificato rispetto a un gemello digitale accurato e ogni utensile può essere controllato rispetto alla geometria programmata…

E poi viene caricato il pezzo sbagliato. Il pezzo potrebbe essere sovradimensionato, ruotato di 90 gradi o appoggiato su un truciolo. Potrebbe essere stato montato un sistema di serraggio errato. Una ganascia della morsa potrebbe aver afferrato una filettatura prima dell’altra. Potrebbe essere stato impostato un offset del pezzo mentre era ancora attiva una vecchia trasformazione delle coordinate.

La simulazione non è in grado di rilevare nulla di tutto ciò. Verifica il processo che le è stato fornito, partendo dal presupposto che la configurazione reale corrisponda a quella digitale.

Una sonda a mandrino verifica tale ipotesi.

In CloudNC, la sonda viene utilizzata in quattro aree principali:

1. Verifica della configurazione prima dell'inizio della lavorazione
2. Monitoraggio del processo durante la produzione dei componenti
3. Definizione dei sistemi di riferimento e misurazione di elementi complessi
4. Verifica della taratura delle macchine, in particolare sulle macchine a cinque assi

Nel loro insieme, questi controlli riducono il rischio di collisioni, rottura degli utensili, rottamazione dei componenti e lunghi periodi di fermo macchina non programmati.

Ecco il nostro processo di analisi, in dettaglio:

1. Verificare la configurazione prima di procedere al taglio

Un ciclo di verifica della configurazione dovrebbe verificare se la macchina dispone del materiale grezzo e dei dispositivi di serraggio.

A seconda del lavoro, ciò può comportare la verifica di:

• Altezza, lunghezza e larghezza del pezzo grezzo
• Orientamento azionario
• Direzione delle fibre del materiale
• Posizionamento nella morsa o nel dispositivo di fissaggio
• Altezza del montante e del supporto
• Sede secondaria
• Orientamento della mandibola
• Materiale disponibile attorno al componente finito

Si tratta di controlli semplici, ma consentono di individuare una vasta gamma di errori pratici.

Articolo errato e orientamento errato

Un operatore potrebbe selezionare una billetta destinata a un altro pezzo oppure caricare una billetta rettangolare con un orientamento errato. Il materiale può inoltre presentarsi di dimensioni superiori o inferiori a quelle previste oppure con forma non squadrata.

Per i componenti aerospaziali, anche la direzione delle fibre del materiale può risultare determinante. Un modo per ridurre il rischio consiste nel specificare dimensioni asimmetriche delle billette, in modo che il materiale grezzo non possa essere facilmente caricato nella direzione sbagliata. La misurazione con sonda conferma poi che le dimensioni previste siano effettivamente presenti.

Ciò garantisce una doppia protezione: il supporto è progettato per facilitare il corretto caricamento, mentre la macchina verifica che il caricamento sia corretto prima dell'inizio del taglio.

Errori di posizionamento e di serraggio dei pezzi

Il pezzo grezzo giusto può comunque trovarsi nel posto sbagliato.

Alcune parti vengono posizionate intenzionalmente lontano dal centro della morsa a causa della corsa della macchina, di un bordo preparato, di una sezione a sbalzo o di un assetto composto da più parti. La routine di sondaggio deve verificare la posizione prevista, anziché dare per scontato che ogni pezzo debba essere centrato rispetto a quanto è stato programmato.

Esistono anche cause meno evidenti di errore di posizione.

Le ganasce autocentranti si autocentrano solo quando entrambe le ganasce si innestano correttamente. Se un lato si innesta con un passo di filettatura in anticipo rispetto all’altro, la morsa potrebbe serrare saldamente il pezzo, spostandolo però di un millimetro o più.

Un pezzo grezzo può anche scivolare verso l'alto su una ganascia, cadere in un gradino o appoggiarsi su detriti. Se il pezzo è stato tagliato ad angolo, stringere la morsa può causarne l'inclinazione. Ciò modifica la posizione del pezzo sia sull'asse Z che su quello orizzontale.

A un controllo visivo, il pezzo potrebbe comunque sembrare accettabile. La sonda trasforma questi errori di regolazione, che passano inosservati, in scostamenti misurabili.

Variazioni impreviste delle scorte modificano le condizioni

I percorsi utensile ad alte prestazioni dipendono da un innesto controllato.

È possibile programmare un percorso di fresatura dinamico o trocoidale per ottenere una profondità di taglio radiale ridotta e costante. Se la billetta è più grande del previsto ed è stata inoltre caricata in modo decentrato, la prima passata potrebbe incontrare una quantità di materiale di gran lunga superiore a quella che la fresa avrebbe dovuto asportare.

Lo stesso problema si verifica anche in Z. Un’operazione di spianatura programmata per un taglio di 3 mm potrebbe doverne eseguire uno di 6 mm, poiché il pezzo è più spesso di quanto specificato oppure è stato installato un riser errato.

Tra i possibili risultati figurano:

• Inserti o corpi delle frese rotti
• Contatto del supporto con il calcio
• Carico eccessivo sul mandrino
• La barra viene estratta dalla morsa
• Danni al mandrino o alla macchina

Un approccio pratico consiste nel definire un limite massimo di stock e un limite massimo di posizione. Il ciclo di sondaggio conferma che la billetta reale rimanga all’interno di tale intervallo.

La prima operazione di lavorazione può quindi portare la superficie esterna del pezzo grezzo a una condizione nota prima che abbiano inizio i percorsi utensile sensibili all’innesto. Una volta che il pezzo grezzo è stato normalizzato, ogni fresa incontra la quantità di materiale prevista dalla strategia “ CAM ”.

Controlla prima Z

La prima mossa esplorativa dovrebbe di solito verificare il limite massimo della posizione da una posizione sicura.

In questo modo è possibile individuare rapidamente errori gravi quali:

• Uno spessore errato della barra
• Il montante sbagliato
• Un'impostazione errata dell'offset di lavoro
• Uno spostamento attivo delle coordinate
• Una parte del carico era notevolmente superiore al previsto

Un montante da 100 mm installato al posto di uno da 60 mm dovrebbe essere individuato mediante una passata di sondaggio protetta, anziché con una fresa o un mandrino che si muove alla velocità di lavorazione.

2. Monitorare il processo durante la produzione dei componenti

Il controllo di configurazione protegge l'avvio del processo. Il controllo in corso d'opera protegge il resto del lotto.

Un processo convenzionale può prevedere che un operatore esegua la lavorazione di un componente, lo rimuova, lo misuri manualmente e regoli un offset. Questo metodo funziona durante la fase di collaudo, ma offre una protezione limitata tra un’ispezione e l’altra.

L'usura degli utensili, i danni ai taglienti, le variazioni di temperatura e di materiale possono far sì che una caratteristica esca gradualmente dai limiti di tolleranza. Il controllo in corso di lavorazione consente alla macchina di rilevare tale spostamento prima che venga prodotta una grande quantità di pezzi difettosi.

Controlli di idoneità

La strategia di controllo in corso di lavorazione più semplice consiste in una verifica della tolleranza.

La macchina esegue la misurazione di un foro, una parete, un risalto o una superficie critica e confronta il risultato con i limiti definiti. La produzione prosegue fintanto che la caratteristica rimane entro i limiti accettabili. Se il valore misurato esula dall'intervallo consentito, la macchina attua una risposta prestabilita.

A seconda dell'attrezzatura, potrebbe:

• Interrompere il circolo vizioso
• Contrassegnare il pezzo per il controllo
• Rimuovere il pallet dalla linea di produzione
• Carica un altro lavoro
• Contrassegna uno strumento come non disponibile
• Richiamare uno strumento correlato
• Avvisare un operatore

Si consideri un ciclo di lavorazione non presidiato di 200 componenti. Se una caratteristica del quinto pezzo esce dai limiti di tolleranza, l’interruzione della lavorazione in quel momento consente di salvaguardare i restanti 195 pezzi grezzi e le ore di lavorazione ad essi associate.

Lasciare che l'intero lotto venga lavorato crea un problema ben più grave. Ogni pezzo deve essere ispezionato, la parte difettosa potrebbe richiedere una rilavorazione e alcuni componenti potrebbero aver già subito ulteriori operazioni. In molti casi, la parte non può essere recuperata affatto.

Compensazione automatica dell'usura

La sonda può essere utilizzata anche per aggiornare automaticamente le correzioni relative all’usura degli utensili.

Un tipico processo a ciclo chiuso potrebbe:

1. Lavorare meccanicamente la superficie
2. Pulire la superficie di misurazione
3. Esplora la funzionalità
4. Calcolare la deviazione dal valore nominale
5. Applicare una piccola correzione dell'usura
6. Continuare fino a quando l'utensile non raggiunge un limite di usura prestabilito
7. Interrompere l'operazione o passare a uno strumento analogo

In questo modo è possibile mantenere una caratteristica vicina al valore nominale per tutta la durata di un lungo ciclo di produzione.

Questo vantaggio è particolarmente evidente nei materiali che consumano rapidamente i taglienti, tra cui il titanio, l’acciaio inossidabile duplex e l’alluminio ad alto contenuto di silicio. Un utensile può continuare a tagliare per molte pezzi anche se le sue dimensioni subiscono variazioni dell’ordine di diversi micron. La compensazione automatica consente di sfruttare al massimo la vita utile dell’utensile senza che il processo esca dai limiti di tolleranza.

La logica di correzione richiede limiti ben definiti. La macchina dovrebbe effettuare solo piccole regolazioni plausibili entro un intervallo di usura totale prestabilito. Un risultato eccessivo o incoerente dovrebbe determinare l'arresto della macchina piuttosto che una modifica automatica dell'offset.

Pulire prima di effettuare la misurazione

Una sonda può misurare solo la superficie con cui entra in contatto.

Trucioli, bave e liquido di raffreddamento possono causare letture errate. Ciò è ancora più importante quando la misurazione viene utilizzata per aggiornare l'offset di un utensile.

La pulizia dovrebbe quindi precedere il ciclo di sondaggio. Per pulire l'elemento prima che il risultato venga accettato, è possibile utilizzare aria attraverso il mandrino, liquido di raffreddamento, un utensile di pulizia o misurazioni ripetute.

Questo non eliminerà ogni possibile fonte di contaminazione, ma migliora notevolmente l'uniformità delle misurazioni.

L'analisi approfondita supporta il processo di ispezione

La misurazione automatica fornisce un feedback sul processo. L’ispezione formale continua comunque ad avere un ruolo importante.

La caratteristica viene misurata dalla stessa macchina che l'ha prodotta, utilizzando lo stesso sistema cinematico e termico. Il risultato dipende dalle condizioni e dalla calibrazione della macchina, della sonda e dello stilo.

Restano comunque valide l’ispezione iniziale, la misurazione con macchina a misura coordinata (CMM) e i requisiti di qualità specifici del cliente. Il controllo in corso di lavorazione garantisce un monitoraggio continuo tra queste fasi di ispezione e fornisce al team di produzione un preavviso tempestivo quando il processo inizia a subire variazioni.

3. Definire i punti di riferimento e misurare le caratteristiche complesse

L'impostazione dell'offset di lavoro è l'applicazione più comune di un tastatore da mandrino, ma il suo valore va ben oltre il semplice risparmio di qualche minuto rispetto all'uso di un comparatore.

La misurazione con sonda consente di definire il sistema di coordinate in base alle caratteristiche di riferimento effettive del componente.

Impostazione dal componente

Un componente può essere caricato in una posizione allineata approssimativamente e misurato in sede.

Due punti di contatto lungo un bordo possono definire l'allineamento angolare. Un foro, una sporgenza, un piano o un angolo possono definire le restanti coordinate di riferimento.

Ciò risulta utile quando si lavora con sistemi di serraggio modulari. Un programmatore potrebbe essere in grado di utilizzare una piastra a matrice, morsetti e perni già esistenti, anziché progettare e lavorare un dispositivo di serraggio dedicato. L’operatore carica il pezzo entro un intervallo accettabile e la routine di sondaggio ne calcola la posizione precisa.

Ciò riduce il tempo impiegato:

• Progettazione di apparecchi di illuminazione
• Ricerca del materiale per gli impianti fissi
• Programmazione e lavorazioni meccaniche: sistemi di serraggio dei pezzi
• Registrazione manuale dei componenti
• Allineamento dei componenti tramite pressione
• Adeguamento delle impostazioni per compensare piccole variazioni di carico

Inoltre, semplifica il lavoro richiesto alla macchina. L'operatore può caricare il pezzo e impostare un punto di riferimento iniziale standard, mentre il programma esegue l'allineamento di precisione.

Protezione dagli errori di stato di controllo

Le macchine a cinque assi ricorrono spesso a rotazioni e traslazioni delle coordinate per gestire diversi orientamenti di lavorazione.

Se una di queste trasformazioni rimane attiva mentre un operatore azzerano l'offset di lavoro, il nuovo punto di riferimento potrebbe subire uno spostamento considerevole. Una traslazione di 200 mm in background può causare un errore di 200 mm nella configurazione successiva.

Il programma potrebbe quindi tentare di lavorare a una profondità molto inferiore rispetto alla sommità effettiva della billetta.

Un'operazione di sondaggio precoce con l'asse Z consente di verificare direttamente la presenza di questo tipo di errore. La macchina confronta la posizione prevista della superficie con quella effettiva prima di azionare l'utensile da taglio.

Misurare caratteristiche difficili da ispezionare manualmente

Alcune figure geometriche sono difficili o impossibili da misurare in modo affidabile con gli strumenti manuali convenzionali.

Un esempio è una forma cilindrica parziale costituita da due archi corti posizionati uno di fronte all'altro. Potrebbe non esserci una superficie continua sufficiente affinché un micrometro per fori riesca a ottenere un contatto stabile a tre punti. Una misurazione lineare a due punti fornisce una distanza, ma non determina con precisione né il diametro né il centro della forma.

Una sonda a mandrino è in grado di acquisire più punti lungo gli archi disponibili. Il software di controllo o di misurazione può quindi calcolare il centro e il raggio più adatti, utilizzando un approccio simile a quello impiegato nelle strategie di ispezione delle macchine di misura a coordinate (CMM).

La macchina è già dotata di un sistema di movimento ripetibile attorno al componente. La sonda rende tale sistema utilizzabile non solo per la lavorazione, ma anche per la regolazione e la misurazione del processo.

4. Verifica della cinematica a cinque assi

Su una macchina a cinque assi, anche la misurazione con sonda è una fase importante per mantenere la relazione tra gli assi lineari e quelli rotativi.

Le posizioni del centro di rotazione e i parametri cinematici possono variare a causa della temperatura, dell’attività di lavorazione, delle collisioni e del normale funzionamento della macchina. Se tali variazioni non vengono rilevate, la macchina potrebbe produrre singole superfici precise che, tuttavia, non combaciano tra loro quando vengono lavorate da orientamenti diversi.

Tra i sintomi più comuni figurano:

• Passaggi tra le facce indicizzate
• Differenze di posizione dopo un movimento rotatorio
• Caratteristiche che si allineano in un orientamento ma non in un altro
• Parti che risultano conformi al controllo ma non superano l’ispezione esterna

I sistemi di controllo moderni possono utilizzare una sonda per mandrino e un artefatto calibrato per verificare e aggiornare le condizioni cinematiche della macchina. Il processo manuale equivalente prevede il montaggio di un blocco di riferimento, l'individuazione di diverse superfici, il calcolo degli errori e l'inserimento manuale delle correzioni.

I cicli automatizzati rendono il controllo più veloce, più riproducibile e più facile da eseguire regolarmente.

In un’operazione a cinque assi, la sonda del mandrino fa parte dell’attrezzatura necessaria per garantire l’affidabilità delle trasformazioni di coordinate della macchina.

Gli aspetti economici della prospezione

Una routine di controllo approfondita allunga la durata del ciclo. Su una linea di produzione stabile e ad alto volume, dotata di sistemi di serraggio dedicati, tale tempo dovrebbe essere riesaminato e ottimizzato.

Il calcolo assume caratteristiche diverse in un contesto caratterizzato da un’elevata varietà di prodotti.

Una macchina può eseguire decine di lavorazioni non correlate tra loro nel corso di un turno, ciascuna con una billetta, un dispositivo di fissaggio, un montante e una struttura di riferimento diversi. Ogni nuova configurazione rappresenta un’ulteriore occasione in cui può insinuarsi un piccolo errore.

Bastano pochi minuti di analisi per proteggersi:

• Un corpo di fresa del valore di centinaia di sterline
• Un set completo di inserti
• Una billetta di alto valore
• Ore di lavorazione già dedicate al componente
• Un mandrino che costa decine di migliaia di sterline
• Capacità produttiva di un macchinario del valore di centinaia di migliaia
• Ogni lavoro in sospeso a causa di un macchinario guasto

Il costo della riparazione rappresenta solo una parte della spesa complessiva. I tempi di fermo macchina incidono sulle date di consegna, sugli impegni nei confronti dei clienti e sul grado di utilizzo dell’intero stabilimento.

O, in altre parole, più ci si avvicina alla parte superiore della macchina, più diventa costoso romperla.

Uno stilo costa meno del corpo della sonda. Il corpo della sonda costa meno del mandrino. Una buona progettazione del processo individua gli errori a livello del componente meno costoso possibile.

Collegamento del processo digitale alla macchina

CAM, la simulazione e la verifica del codice G consentono di creare un modello altamente accurato del processo di lavorazione previsto. I controlli relativi alla gestione degli utensili consentono di verificare che la fresa prevista sia presente e che la sua lunghezza misurata corrisponda a quella indicata nel programma.

L'incertezza che rimane riguarda la configurazione fisica.

La macchina deve ancora verificare che:

• È stata caricata la barra corretta
• Il titolo si trova nella posizione prevista
• Il serraggio del pezzo è corretto
• Il sistema di coordinate attivo corrisponde al pezzo
• Le caratteristiche critiche rientrano nei limiti di tolleranza
• La macchina stessa rimane correttamente calibrata

La misurazione con il mandrino consente di effettuare tali controlli.

Se utilizzato in modo sistematico, diventa un elemento fondamentale della garanzia di qualità del processo. Previene arresti imprevisti evitabili, supporta la produzione in autonomia, riduce gli scarti e offre ai produttori una maggiore certezza che il processo di lavorazione effettivo corrisponda a quello verificato.

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