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Saturday, 18 Agosto 2018
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Un progetto integrato e flessibile a 5 assi per la produzione di ingranaggi conici

Partendo da un’idea del gruppo Hiwin, la società Matrix Machine Tool (Coventry) ha realizzato una macchina destinata alla lavorazione di ingranaggi conici elicoidali di piccole dimensioni. Su questo sistema
i processi sono automatizzati, grazie all’integrazione di magazzino utensili, cambio automatico degli utensili, braccio meccanico e alimentatore.

di YU. M.T.

Aprile 2018

Gli ingranaggi conici elicoidali sono meccanismi particolari da produrre, tanto che pochi sono i costruttori di macchine che dispongono di tutte le attrezzature necessarie per realizzarli. Uno di questi è la società Matrix Machine Tool (Coventry), che ha realizzato un sistema automatizzato (che comprende un CNC sincrono a cinque assi Siemens, un magazzino utensili e un braccio meccanico) adatto sia alla produzione di lotti di grandi quantità sia di quantità diversificate in piccoli lotti. Sebbene sia stato espressamente concepito per il taglio degli ingranaggi, se opportunamente modificato il sistema può essere anche impiegato per la messa a punto dopo la lavorazione a caldo.

Un progetto realizzato a più mani
Il progetto di sviluppare una macchina per la lavorazione sincronizzata a cinque anni nasce da un’idea di Hiwin Technologies Corp in collaborazione con Siemens. A realizzarlo è stata dunque l’inglese Matrix Machine Tool (Coventry) - azienda appartenente al gruppo Hiwin (nome molto noto nel campo dei componenti e delle tecnologie di sistema per il controllo del moto). Con questa macchina è possibile produrre ingranaggi conici elicoidali con modulo massimo 3, con la possibilità di gestire utensili fino a una lunghezza di 100 mm.
La struttura della macchina è la stessa di un centro di lavoro verticale a cinque assi. È previsto l’utilizzo di un portautensili con cono HSK A63, su cui è montato l’utensile di fresatura integrato che sarà poi installato sull’asse della macchina. Disponibile anche il cambio automatico degli utensili.
La macchina è dotata di due motori a trasmissione diretta (motori torque) per l’asse rotativo (asse C) e per l’asse inclinato (asse B) dei pezzi. Anche il braccio meccanico è inserito in maniera ottimale nella struttura della macchina in modo da supportare a pieno la produzione automatizzata.

I punti di forza che identificano il sistema
Numerosi sono i vantaggi dell’utilizzo della macchina realizzata da Matrix Machine Tool (Conventry). Per cominciare, chi decide di produrre solo ingranaggi conici elicoidali può continuare a utilizzare gli utensili di precisione già presenti in azienda, senza così perdere il know how acquisito relativo alla lavorazione.
È possibile anche utilizzare utensili integrati il cui impiego permette di eliminare i tempi solitamente richiesti per l’installazione e la regolazione degli stessi.
Nell’ottica di eliminare il tempo di calibrazione manuale, è disponibile un meccanismo di cambio automatico degli utensili che, prima di cominciare la rettifica della dentatura, monta una sonda per l’allineamento automatico degli ingranaggi. In caso di produzioni di grandi quantità, è anche possibile inserire a magazzino più di un utensile così da non doverlo sostituire durante il processo produttivo.
La macchina dispone inoltre di una sonda per l’allineamento automatico degli ingranaggi che funge anche da strumento ausiliario e che permette di eseguire la misurazione in linea della dentatura, eliminando così la necessità di utilizzare strumenti specifici per il rilevamento.
Altro elemento distintivo che contraddistingue la macchina è la presenza di un motore a trasmissione diretta (torque). Rispetto al movimento con vite senza fine, questo tipo di motore non solo rende la lavorazione più scorrevole, con una risposta più rapida e un miglior controllo multi asse sincronizzato, ma è anche privo dei problemi di regolazione che causano un gioco meccanico e un consumo degli ingranaggi.
In ultimo, non certo per importanza, ricordiamo che la struttura della macchina (molto simile a quella di un qualsiasi centro di lavoro verticale a cinque assi) permette una perfetta integrazione con il braccio meccanico SCARA. In questo modo, oltre a essere automatizzata la lavorazione risulterà anche più economica.

Un software di facile approccio
Oltre a creare una macchina estremamente user-friendly, Matrix Machine Tool (Coventry) ha sviluppato un’interfaccia software particolarmente intuitiva. L’applicativo per la produzione di ingranaggi conici elicoidali permette di effettuare simulazioni al computer in modo da sapere in anticipo quale sarà l’andamento delle pressioni di contatto sui denti (contact pattern). Il software si avvia con una schermata di inserimento dei dati degli ingranaggi. Si passa quindi all’inserimento di nome (ID), numero dei denti (Tooth Number), modulo (Module), larghezza del dente (Face Width), angolo spirale (Spiral Angle), senso della spirale (Hand of Spiral), angolo di pressione (Pressure Angle), angolo tra gli assi (Shaft Angle). Premendo Default Design è possibile calcolare tutti i dati dell’ingranaggio, e successivamente si entra nella schermata di disegno della superficie.
Dopo aver premuto Default, il software calcola i dati relativi agli utensili e al contact pattern.

Con la simulazione di accoppiamento viene generato il contact pattern
Il contact pattern viene calcolato per mezzo di una simulazione. Secondo il principio di accoppiamento delle ruote dentate, si può ottenere il movimento dell’utensile sul sistema di coordinate del pezzo da lavorare, per poi sapere con precisione la forma lavorata in uscita per mezzo dell’accoppiamento e dell’equazione di ingranamento (mesh equation), insieme alla posizione della superficie da conoscere. A quel punto il contact pattern si ottiene effettuando una simulazione di accoppiamento.
In questa particolare schermata, l’utente può regolare in larghezza la punta dell’utensile (Point Width) per controllare il gioco meccanico tra gli ingranaggi, oppure può trascinare direttamente la forma rossa esagonale sul contact pattern, premendo il tasto Adjust, in modo da permettere al software di calcolare le impostazioni meccaniche del nuovo percorso di lavorazione così da arrivare alla posizione desiderata.
Una volta completata questa operazione, si trasferisce il rapporto di movimento relativo tra utensile e pezzo al sistema di coordinate della macchina, ottenendo così il percorso di lavorazione effettivo. Ciò permetterà di generare automaticamente il programma di controllo numerico (NC), che la macchina utilizzerà per la lavorazione effettiva.
Il percorso di lavorazione sopra illustrato si può rappresentare con i seguenti polinomi:

X=x0+x1    *c+x2*,    c-2.+ x3*,    c-3.…
Y=y0+y1    *c+y2*,    c-2.+ y3*,    c-3.…
Z=z0+z1    *c+z2*,    c-2.+ z3*,    c-3.…
B=b0+b1    *c+b2*, c-2.+ b3*,      c-3.…

In questo caso, c indica le coordinate dell’asse c, il resto degli assi vanno rappresentati con diversi polinomi e dipendono dalle impostazioni della macchina.
Successivamente, si procede alla valutazione dei punti superficie dell’ingranaggio per mezzo dello specifico misuratore. Nel caso in cui l’utente non lo possedesse, Matrix fornisce anche un modulo per la misurazione in linea che permette di calcolare la superficie direttamente sulla macchina. Una volta terminata questa operazione, il file generato verrà letto dal software di Matrix, che mostrerà l’errore di superficie.
In questa fase, l’errore è generato principalmente dalla morsa, dall’installazione, dal consumo degli utensili, dalle misure degli utensili, ecc. Sarà sufficiente seguire le indicazioni fornite dal software per la correzione (Correct) in modo da ottenere il nuovo percorso di lavorazione e il nuovo programma NC. Le nuove impostazioni correggeranno l’errore di superficie, mostrando su schermo il risultato previsto dopo tale operazione.

Un nucleo di calcolo matematico intelligente
Per realizzare la regolazione automatica dell’errore, il software di Matrix utilizza il metodo di ottimizzazione del progetto.
Il problema di ottimizzazione del progetto si rappresenta come di seguito:
Funzione target: dove ei  è il valore di errore di ogni punto di misurazione, n è il numero di punti di misurazione e T è l’errore di spessore.
Condizioni di restrizione: nessuna.
Variabili del progetto: tutti i dati del polinomio del percorso di lavorazione, x0, x1, x2, x3, y0, y1, y2, y3, z0, z1, z2, z3, b0, b1, b2, b3…
Successivamente, si applica la differenziazione parziale o la differenza finita alla funzione target con le variabili del progetto, in modo da sapere come migliorare la funzione cambiando le variabili. I metodi più semplici sono il Metodo della Discesa più Ripida o il Metodo del Gradiente Coniugato. Una volta ottenuta la tendenza del cambiamento, bisogna calcolare la quantità di cambiamento per mezzo di metodi quali Ricerca di Intervalli Uguali, Ricerca della Sezione Aurea, Interpolazione Polinomiale ecc. Con una serie di iterazioni si riuscirà a diminuire l’errore di superficie e di spessore.

QUALIFICA AUTORE
YU. M.T. lavora presso la società Matrix Machine Tool (Coventry).

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