Monitoraggio online della superficie durante la filettatura a vortice
Progetto di ricerca dell’IFW per la determinazione della qualità superficiale già durante il processo di filettatura a vortice.
La filettatura a vortice è un processo ampiamente utilizzato per la produzione di filettature. In questo contributo viene presentato lo sviluppo di una procedura per determinare la qualità superficiale già durante il processo di filettatura a vortice. Tale procedura è sviluppata congiuntamente dall’Istituto per la Tecnologia di Produzione dell’Università di Hannover e da Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG nell’ambito di un progetto di cooperazione.
Le trasmissioni a vite alimentano, nel vero senso della parola, l’economia. Esse si impiegano nelle loro diverse forme, ad esempio nelle macchine utensili, nei veicoli, nonché nella tecnologia di sollevamento e trasporto. Per garantire il loro funzionamento, le trasmissioni a vite sono soggette a strette tolleranze di fabbricazione. Oltre al rispetto delle tolleranze geometriche, la garanzia di una superficie con proprietà tribologiche definite è indispensabile per l’applicazione efficiente di una trasmissione a vite.
La geometria delle filettature ha una forte influenza sull’area di applicazione della trasmissione a vite. Ad esempio, le filettature trapezoidali vengono utilizzate per il movimento di carichi elevati, poiché grazie ai profondi fianchi filettati possono essere trasmesse grandi forze. Se il carico è elevato solo in una direzione, come ad esempio nelle presse a vite, vengono impiegate filettature a sega. La produzione di filettature trapezoidali e a sega avviene solitamente tramite il processo di filettatura a vortice. Le ragioni sono, da un lato, le tipicamente basse dimensioni dei lotti e, dall’altro, le favorevoli proprietà superficiali ottenute attraverso questo processo.
In Immagine 2 è rappresentata la cinetica del processo di filettatura a vortice. Durante il processo produttivo, la qualità della superficie ottenuta tramite filettatura a vortice è determinata principalmente dallo stato di usura e dalla precisione posizionale delle lame. Tuttavia, il monitoraggio dell’usura dell’utensile o della superficie durante il processo non è attualmente possibile. Da un lato, il fianco filettato è di difficile accesso a causa della sua posizione e, dall’altro, la rotazione di utensile e pezzo durante il processo rende complicata l’acquisizione dei dati di misura.
Per questi motivi, il controllo della qualità superficiale in macchina avviene attualmente solo in via campionaria, basandosi sull’esperienza del personale. Al fine di evitare scarti e garantire un’elevata qualità delle trasmissioni a vite, è quindi previsto, in un progetto congiunto tra la Bornemann Gewindetechnik GmbH e l’Istituto per la Tecnologia di Produzione e le Macchine Utensili (IFW) della Leibniz Università Hannover, lo sviluppo di un sistema di misurazione per il monitoraggio parallelo del processo della qualità superficiale delle filettature trapezoidali.
Il processo di filettatura a vortice
Per l’analisi dell’attività di misurazione occorre innanzitutto considerare la cinematica del processo produttivo. Nella filettatura a vortice, la superficie filettata viene realizzata attraverso un movimento combinato del rotore dell’utensile e del pezzo lavorato (cfr. Immagine 2). Sull’utensile rotante sono solitamente presenti da tre a otto lame, distribuite uniformemente lungo il perimetro, che riproducono il profilo di una filettatura.
Oltre alla cinematica del processo produttivo, l’applicazione finale influisce anche sulla scelta del metodo di misurazione. Poiché, in condizioni ottimali, il contatto tra madrevite e vite filettata avviene lungo l’intero fianco filettato, è necessaria l’acquisizione dell’intera superficie filettata per poter valutare la qualità.
La rotazione del pezzo durante il processo esclude sia i metodi tattili che quelli ottici con un’area di misura ridotta per la rilevazione della superficie, poiché, per acquisire l’intero fianco, sarebbe necessario un movimento aggiuntivo del sensore. Un metodo di misurazione adeguato deve permettere la rilevazione dell’intero fianco filettato in un’unica operazione. A tal fine, è prevista l’impiego di una telecamera industriale monocroma.
Come dimostrazione di funzionalità, sono stati acquisiti con la telecamera filetti con superfici conformi ai requisiti (i.O.) e filetti con superfici non conformi (n.i.O.). In Immagine 3 sono rappresentate le immagini delle superfici di un filetto trapezoidale TR 65×7 e di un filetto trapezoidale TR 80×10. A causa delle differenti caratteristiche superficiali, il comportamento riflettente delle superfici è molto variabile, e la distribuzione dei livelli di grigio dell’immagine varia di conseguenza con la qualità superficiale.
Dall’istogramma rappresentato schematicamente è evidente che l’ampiezza del valore massimo si riduce in modo significativo nei filetti con superficie n.i.O. rispetto a quelli con superficie i.O. Per filettature di diverse dimensioni, la variazione del massimo in scala di grigi risulta differente. Per poter sfruttare il comportamento riflettente modificato per il monitoraggio della superficie, è pertanto necessario poter definire il confine tra superficie i.O. e n.i.O. anche per diverse dimensioni filettate.
Sfide dovute alle condizioni di acquisizione
L’applicazione dell’elaborazione delle immagini nel processo produttivo richiede una distinzione sicura e ripetibile tra superfici n.i.O. e i.O. Per consentire una differenziazione precisa, è necessario identificare e analizzare le variabili influenti durante l’acquisizione delle immagini.
Le variabili influenti sull’immagine acquisita sono rappresentate in un diagramma di Ishikawa (Immagine 4). L’obiettivo (in rosso) dell’elaborazione delle immagini è la rugosità. Le variabili regolabili (in verde) durante l’acquisizione, come ad esempio il tempo di esposizione e la direzione di esposizione, devono essere impostate in modo tale da produrre un’immagine chiara della superficie, in presenza di condizioni al contorno (in arancione) come la velocità di rotazione del pezzo. Le condizioni al contorno che non possono essere compensate attraverso le variabili regolabili devono essere mitigate mediante altre misure, ad esempio l’incapsulamento della telecamera per proteggerla dallo sporco.
Le variabili influenti identificate sono state studiate in un setup sperimentale su una macchina utensile, per poter regolare in modo il più possibile controllato le variabili regolabili. Con le immagini acquisite, è attualmente in fase di sviluppo un algoritmo di elaborazione basato sulle differenze dei livelli di grigio delle superfici.
Prospettive
Basandosi sulla regolazione controllata delle variabili, attualmente viene sviluppato un setup di misurazione ottimizzato per il processo. Grazie a questo sistema, è garantito che l’algoritmo possa essere impiegato durante il processo di filettatura a vortice. Il sistema presentato per il monitoraggio della superficie costituisce parte integrante di un sistema di controllo qualità applicato alla filettatura a vortice. Nel prossimo step, il sistema presentato insieme a un ulteriore sistema per l’acquisizione dei parametri geometrici delle filettature sulla macchina per filettatura a vortice verrà messo in funzione. Successivamente, verrà sviluppato un algoritmo di controllo qualità per la valutazione online della qualità basata sui dati di misura. In seguito, lo stato di qualità così determinato servirà come base per formulare raccomandazioni operative per gli operatori.
Ringraziamenti
Il progetto di ricerca “Online-Qualitätsüberwachung beim Gewindewirbeln – Quali-Wirb” è finanziato dal Ministero Federale dell’Economia e della Protezione del Clima (BMWK) nell’ambito del Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM), a seguito di una delibera del Bundestag tedesco, e supervisionato dall’Associazione per la Ricerca Industriale “Otto von Guericke” (AiF). L’IFW e il partner di cooperazione Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG ringraziano per il supporto finanziario offerto in questo progetto.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
Institute of Production Engineering and Machine Tools (IFW)
Leibniz University Hannover