Motion Control

Produzione intelligente di ingranaggi conici

0
126
Fig. 1 - Immagine della macchina.

Hiwin Technologies Corp. ha avviato una collaborazione con Siemens per la progettazione di una macchina per la lavorazione sincronizzata a cinque assi di ingranaggi conici elicoidali. 

Fig. 1 – Immagine della macchina.

Gli ingranaggi conici elicoidali sono componenti particolari, tanto che pochi sono i produttori che possiedono le attrezzature adatte per realizzarli. In questo articolo si presenta un modello di macchina per la produzione di ingranaggi conici elicoidali, che adotta un controller sincrono a cinque assi della Siemens, affiancato da un magazzino utensili e un braccio meccanico, per fornire agli utenti una soluzione automatica, facile da usare e adatta alla produzione sia in quantità sia diversificata in piccoli lotti. La sua funzione principale è il taglio degli ingranaggi, anche se, seguendo le modifiche proposte, sarà anche utilizzabile per la messa a punto dopo la lavorazione a caldo. Si tratta pertanto di una soluzione innovativa per la produzione di ingranaggi conici elicoidali di alta precisione.

Progetto integrato e flessibile a cinque assi

Il rapido sviluppo della tecnologia di sincronizzazione multi-asse lascia prevedere che in futuro essa occuperà una posizione dominante nel mercato.

Fig. 2 – Portautensili HSK A63.

Tale consapevolezza, unita a uno spirito di servizio al cliente, ha spinto Hiwin Technologies Corp. ad avviare una collaborazione con Siemens per la progettazione di una macchina per la lavorazione sincronizzata a cinque assi. Tale progetto, realizzato dalla Matrix Machine Tool (Coventry) LTD., facente parte del gruppo Hiwin, si concretizzerà in una macchina sincronizzata penta-assiale per la produzione di ingranaggi conici elicoidali con modulo massimo 3 mm e utensili max.100 mm (fig.1).

Fig. 3 – Asse B / asse C con motore Torque.

La struttura è la stessa di un centro di lavoro verticale a cinque assi. Utilizza un porta utensili HSK A63, su cui è assicurato l’utensile di fresatura integrato (v. fig. 2) che verrà poi installato sull’asse della macchina; è anche dotata di cambio automatico degli utensili.

Fig. 4 – Braccio meccanico (Hiwin/SCARA RS406).

La macchina monta 2 motori a trasmissione diretta (cosiddetti MOTORI TORQUE) per l’asse rotativo (asse C) e per l’asse inclinato (asse B) dei pezzi, come illustrato in fig. 3.

Anche il braccio meccanico (fig. 4) è inserito perfettamente nell’apparecchio (fig. 5) in modo da supportare a pieno la produzione automatizzata.

Fig. 5 – Integrazione perfetta tra SCARA e la macchina.

Un sistema intelligente per la lavorazione degli ingranaggi conici

  1. Utensile di fresatura che permette a chi vuole produrre solo ingranaggi conici elicoidali di continuare a utilizzare gli utensili di precisione su cui aveva investito in precedenza, senza perdere il know how acquisito riguardo alla lavorazione.
  2. Utensili integrati che eliminano i tempi altrimenti necessari per l’installazione la regolazione degli stessi.
  3. Meccanismo di cambio automatico degli utensili, che prima di cominciare la rettifica della dentatura monta una sonda per l’allineamento automatico degli ingranaggi, eliminando il tempo necessario per la calibrazione manuale. Con produzioni in grandi quantità, è anche possibile inserire nel magazzino più di un utensile per non doverlo sostituire nel mezzo del processo produttivo.
  4. La sonda per l’allineamento automatico degli ingranaggi può anche fungere da strumento ausiliario per effettuare la misurazione in linea della dentatura, eliminando la necessità di utilizzare strumenti specifici per il rilevamento.
  5. Rispetto al movimento con vite senza fine, il motore a trasmissione diretta “Torque” 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 gioco meccanico e consumo degli ingranaggi.
  6. La struttura del centro di lavoro verticale a cinque assi permette un’integrazione perfetta con il braccio meccanico SCARA, rendendo la lavorazione automatizzata anche più economica.

Un software di facile approccio

Oltre a creare una macchina estremamente user-friendly, Matrix ha voluto rendere di facile utilizzo anche l’interfaccia del software, con il quale l’utente prenderà subito dimestichezza. L’applicativo per la produzione di ingranaggi conici elicoidali permette di effettuare simulazioni al computer per sapere in anticipo quale sarà l’andamento delle pressioni di contatto sui denti (contact pattern). Il software, programmato secondo il processo produttivo della fig. 2, si avvia con la schermata illustrata in fig. 6.

Fig. 6 – Schermata di immissione dei dati sugli ingranaggi.

Immissione 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, successivamente si entra nella schermata di disegno della superficie (fig. 7).

Dopo aver premuto Default, il software calcola i dati relativi agli utensili e al contact pattern.

Fig. 7 – Progettazione grafica del contact pattern.

In questa fase, 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 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, per permettere al software di calcolare le impostazioni meccaniche del nuovo percorso di lavorazione in modo da arrivare alla posizione desiderata. Segue una schermata della posizione regolata (fig. 8).

Fig. 8 – Risultato della regolazione automatica del contact pattern.

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 (fig. 9).

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…

Qui, c indica le coordinate dell’asse c, il resto degli assi vanno rappresentati con diversi polinomi e dipendono dalle impostazioni della macchina.

Fig. 9 – Rettifica della ruota dentata dopo la lavorazione a caldo.

Successivamente, si procede alla valutazione dei punti superficie dell’ingranaggio per mezzo dello specifico misuratore. Nel caso che l’utente non lo possedesse, Matrix fornisce anche un modulo per la misurazione in linea per permettere di calcolare la superficie direttamente sulla macchina (fig. 10). Una volta terminata questa operazione, il file generato verrà letto dal software di Matrix, che mostrerà l’errore di superficie (fig. 11).

Fig. 10 – Misurazione in linea.

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) per 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 (fig. 12).

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 così:

Funzione target: f = Ʃn i=1  ei2 + T2

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.

Fig. 11 – Rappresentazione dell’errore di superficie.

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.

Risultato dopo la correzione automatica della superficie.

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.

Conclusione

Partendo dalle necessità del cliente, Matrix Machine Tool (Coventry) LTD. ha sviluppato un sistema produttivo specifico per gli ingranaggi conici elicoidali di piccole dimensioni, facilitando la produzione diversificata in quantità limitate. Si tratta di una lavorazione automatizzata efficace ed economica grazie all’integrazione di magazzino utensili, cambio automatico degli utensili, braccio meccanico e alimentatore, il tutto accompagnato da un’interfaccia user-friendly di facilissimo utilizzo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Richiedi maggiori informazioni










Nome*

Cognome*

Azienda

E-mail*

Telefono

Oggetto

Messaggio

Ho letto e accetto l'informativa sulla privacy*

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here