2.1 Considerazioni sullo stato dell’arte dei sistemi di
misura per il ritorno elastico
Dall’analisi dello stato dell’arte, proposto nel paragrafo 1.3 , sugli apparati e metodi per la misura “online” del ritorno elastico nel caso di tubi piegati, emergono alcune considerazioni fondamentali per lo sviluppo di questo lavoro di tesi:
1) Non viene proposto, in letteratura, alcun metodo di misura applicabile sia al processo di “draw bending” che di “roll bending”. È netta anzi, la distinzione tra i due processi, tra i modi in cui si manifesta il ritorno elastico e tra gli approcci proposti nell’affrontare il problema della misura.
2) In tutti i casi proposti il sistema di misura è posizionato esternamente al tubo e le misurazioni sono effettuate sul diametro esterno e non sull’asse dello stesso. L’angolo è sempre ricavato indirettamente da misure di distanza, forza o contatto.
3) Le soluzioni basate sul calcolo dell’orientazione relativa dei tratti rettilinei agli estremi della piega e sul calcolo del raggio di curvatura tramite misure di distanza esterne al tubo, sono state ampliamente esplorate e rivisitate negli anni, al passo con l’evoluzione delle tecnologie disponibili per i sistemi di misura.
4) Tra i due, il processo di “roll bending” è sicuramente il più problematico da affrontare dal punto di vista della misurazione dello “springback”, difatti l’approccio proposto alla soluzione del problema è unico.
5) In molti casi i sistemi di misura proposti non tengono conto del fatto che il processo di piegatura dei tubi eseguito su macchine a controllo numerico è un processo altamente automatizzato, in cui non vengono eseguite pieghe singole, ma serie di pieghe che richiedono continue riorientazioni non solo del tubo, ma dell’intero gruppo matrici e l’utilizzo di entrambi i metodi di piegatura sullo stesso componente.
2.2 Confronto con l’azienda e difficoltà riscontrate in
ambiente industriale.
Dopo aver sviluppato la parte introduttiva e aver analizzato le soluzioni presenti in letteratura è stato organizzato un incontro con dei rappresentati dell’area tecnica dell’azienda di riferimento BLM GROUP s.p.a., per avere un confronto con chi per lavoro affronta questi problemi ed ha esperienza dei problemi applicativi che questi sistemi incontrano in ambiente industriale. Sia loro che i loro competitor hanno sviluppato negli anni diversi sistemi di misura “online” per il ritorno elastico, basati sugli approcci presenti in letteratura, ma pochi hanno ottenuto successo dal punto di vista commerciale.
Attualmente nelle piegatrici prodotte dall’azienda è introdotto un sistema di misura integrato, per il ritorno elastico nell’operazione di “draw bending”, del tutto simile alla soluzione brevettata nel 1994 “Bend correction apparatus and method” (11), illustrata in Fig. 1-32, in cui
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un sensore ad effetto Hall immerso nella “clamping die” rileva la presenza e la distanza del tubo dalla matrice.
Si tratta quindi di un sistema che misura il ritorno elastico integrando le misure del sensore con il sistema di posizionamento della macchina, totalmente gestito dal software della macchina, semplice da utilizzare, economico e che non richiede particolare manutenzione o esperienza da parte dell’operatore.
Questo sistema è utilizzabile solamente nel processo di “draw bending”. Altri sistemi di misura provati dall’azienda sono stati :
a) Caratterizzazione del ritorno elastico tramite misura delle forze gioco, adottando una logica simile a quella illustrata nel paragrafo 1.3.4 in merito al brevetto del 1998 “ Method and apparatus for bending an elongated member to a target angle” (14). Le componenti di attrito, tra macchina e tubo e anche tra gli organi stessi della macchina introducono degli errori sulle misurazioni di forza, per cui queste non sono più correlabili al solo fenomeno del ritorno elastico.
b) Misura a monte del gruppo matrici, seguendo lo stesso approccio illustrato nel paragrafo 1.3.3. Anche questo approccio si è rivelato fallimentare, la presenza del mandrino nel tubo ne varia inevitabilmente la rigidezza e introduce altri effetti che portano il ritorno elastico a manifestarsi in maniera diversa, quindi la misurazione non è attendibile.
c) Misura del ritorno elastico tramite sistemi di visione, mediante telecamere e marker posti sul tubo. Questa strada fattibile dal punto di vista tecnologico si è rivelata inapplicabile in ambiente industriale. Un sistema simile oltre ad essere costoso e a richiedere competenze specialistiche agli operatori prevede che la macchina sia posta in un ambiente a luce controllata, per un volume di lavoro pari al volume della macchina, che nel caso di pieghe successive su tubi lunghi diversi metri può essere molto ampio e variabile con la geometria finale.
d) Misura del ritorno elastico tramite misura delle distanze con sistemi laser, con un approccio simile a quanto brevettato nel 1967 “Metal forming machine” (5), ma con l’utilizzo di sistemi laser a triangolazione in luogo dei tastatori meccanici. Anche questo approccio è fattibile dal punto di vista tecnico, nonostante alcuni problemi legati alla misurazione di distanze con sistemi laser su componenti metallici riflettenti a superficie curva. Sistemi laser però sono costosi e limitano la lunghezza minima del tratto rettilineo adottabile tra due pieghe successive. Non presentano vantaggi quindi rispetto al sistema a correnti parassite attualmente utilizzato.
Non viene invece adottato alcun sistema di misura “online” del ritorno elastico nel caso di “roll bending” e l’azienda ha confermato come gli approcci tentati fino ad ora non siano stati efficaci e commercialmente apprezzati.
L’azienda ha confermato inoltre, che i sistemi laser o video proposti sul modello dei brevetti presentati nella sezione 1.3.5, non hanno trovato una buona risposta in ambiente industriale per il costo eccessivo della strumentazione, per la loro complessità, la bassa flessibilità operativa, per la mancanza delle necessarie competenze sui sistemi di misura richieste in genere agli operatori che utilizzano queste macchine, ma soprattutto per la scarsa significatività della misura del raggio di curvatura della piega nel processo di “roll bending”.
Misurare soli tre punti del profilo della curva per poi risalire al raggio di curvatura è un approccio che fornisce informazioni incomplete. Il profilo di una curva non è costituito da un unico arco di cerchio, ma da tre tratti almeno, poiché il tratto iniziale di attacco e finale di disimpegno hanno raggi di curvatura diversi rispetto al tratto centrale e questa è una caratteristica intrinseca del processo produttivo. La reale geometria del tratto curvo può essere meglio interpretata nella sua interezza da una curva polinomiale più che da un arco di cerchio, nonostante teoricamente e dal disegno CAD sia generalmente interpretata come tale. Quindi
51 non solo la misura di tre punti fornisce informazioni incomplete sulla reale geometria del tratto deformato, ma manca in genere anche un reale riferimento con cui confrontare tali dimensioni.
Perché un sistema sia apprezzato in ambiente industriale, oltre a fornire delle misurazioni utili e corrette deve essere semplice da utilizzare, integrato con il software della macchina e possibilmente economico.
L’approccio più seguito da chi utilizza queste macchine, nell’aggiustare i parametri del processo di “roll bending”, è ancora del tipo “trial and error”, basato su misurazioni “offline” della geometria del tubo. Nella pratica industriale si misurano gli angoli di piega con un incertezza sull’ordine del decimo di grado.
Un altro fatto emerso dall’incontro è come in ambiente industriale questi sistemi di misura del ritorno elastico siano necessari soprattutto per i tubi di diametro e spessore maggiore, piuttosto che per i tubi di piccole dimensioni. Questo perché le tolleranze usualmente prescritte per i tubi di dimensioni maggiori sono più restrittive, mentre per i tubi di piccolo diametro e spessore sono più ampie. Quest’ultimi infatti possono essere facilmente deformati manualmente in fase di assemblaggio, nel caso in cui gli accoppiamenti con le altri parti non siano perfetti.
2.3 Scelta del sistema di misura
Alla luce di quanto emerso nel confronto con l’area tecnica dell’azienda è evidente come l’approccio classico al problema della misurazione “online” del ritorno elastico nel caso di “roll bending” sia del tutto inadeguato. Anche il fatto che non esista un unico sistema valido per entrambe le tecnologie di piegatura suggerisce la possibilità di cambiare approccio rispetto a quanto già tentato in letteratura.
Da qui l’idea di utilizzare un sistema di misura solidale al tubo, in grado di seguirne le variazioni di movimento e orientazione.
Poiché all’interno del tubo è presente un mandrino flessibile, che ne segue le deformazioni durante l’operazione di piegatura, l’idea iniziale è quella di strumentare il mandrino stesso o di inserire con esso nel tubo una sonda, in grado di rilevare le variazioni angolari o di spostamento subite nel tempo. Gli strumenti adatti a questo compito potrebbero essere dei sistemi inerziali formati da giroscopi e accelerometri.
Se la piattaforma inerziale va inserita all’interno del tubo, è evidente come un fattore chiave nella scelta dello strumento siano le dimensioni, che dovranno essere il può ridotte possibile per poterlo inserire anche nei tubi dal diametro interno minore.
Per questo motivo la scelta è ricaduta sull’utilizzo di accelerometri e giroscopi realizzati con tecnologia “MEMS” o “Micro electro-mechanical system”. Come dice l’acronimo stesso, questi sistemi vantano dimensioni estremamente ridotte e sono quindi ideali per le nostre esigenze.
Il lavoro di tesi prosegue dunque nello sviluppo di una piattaforma inerziale, per valutarne le caratteristiche e verificare la compatibilità di un simile strumento con le nostre esigenze di misura.
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