La scelta della cremagliera è fondamentale per la precisione e l‘efficienza delle macchine moderne con corse lunghe, nei sistemi a portale o dove sono richiesti requisiti di tolleranza stretta. Il Metodo ATLANTA sostituisce la scelta tradi- zionale delle classi di qualità con una selezione basata sui dati di cremagliere misurate con precisione. Questo white paper mostra come possano essere significativamente ridotti gli errori di passo complessivi, migliorata l‘accuratezza di assemblaggio e come si creino nuove opportunità di progettazione.
White paper ATLANTA
CREMAGLIERE NELL‘ERA DELL‘INDUSTRIA 4.0
Le cremagliere sono da decenni elementi centrali della tecnologia lineare. Consentono la conversione precisa del moto rotatorio in moto lineare e sono impiegate in innumerevoli macchine e sistemi. Tuttavia, nonostante la maturità di questa tecnologia, la sua applicazione pratica incontra regolarmente limiti tecnici, soprattutto per le corse lunghe. Un problema cruciale risiede nell‘accumulo delle tolleranze di produzione, in particolare del cosiddetto Errore di Passo Totale (Total Pitch Error – TPE). Questo valore descrive la deviazione del passo effettivo dei denti lungo la lunghezza della cremagliera rispetto al passo teorico ideale.
Il TPE può essere positivo o negativo e varia a seconda della qualità della cremagliera stessa:
– per la classe 5, l‘errore di passo totale ammissibile è di soli ±0,030 mm/m;
– per la classe 10, questo può arrivare fino a ±0,200 mm/m.
Queste deviazioni si accumulano lungo più cremagliere, cosa evidente soprattutto nelle lunghe corse. Nella pratica, questo può portare i fori di montaggio della cremagliera a deviare progressivamente dalla foratura nel basamento della macchina, causando un disallineamento.
Con l‘avvento dell‘Industria 4.0 e del concetto di gemello digitale (Digital Twin), si è verificato un cambio di paradigma. Noi di ATLANTA sfruttiamo queste possibilità per caratterizzare ogni singola cremagliera e rendere disponibili i relativi dati per la pianificazione, l‘assemblaggio e la manutenzione.
I risultati sono:
- un livello di precisione finora irraggiungibile in questo campo;
- nuove applicazioni per la progettazione degli assi lineari, come i sistemi a portale;
- soluzioni su misura per lunghe corse.
Tradizionalmente le cremagliere vengono selezionate in base alle classi di qualità (ad esempio, Q6, Q8, ecc.), presupponendo che si comportino in modo identico all‘interno della stessa classe.
Esempio di una corsa di 6m utilizzando cremagliere da 1m, qualità 6, modulo 4
| Numero di cremagliere | : | 6 |
| TPE nominale | : | 0,034mm |
| Errore di giunzione tipico | : | 0,025mm |
Calcolo della massima deviazione possibile:
numero di cremagliere × TPE nominale + numero di giunzioni × errore di giunzione tipico
= 6 × 0.034 mm + 5 × 0.025 mm = 0.329 mm ≤ deviazione massima ammissibile dell‘applicazione
Come da esempio, per determinare il TPE massimo possibile di un asse, si moltiplica l‘errore di passo della cremagliera (in base alla classe di qualità scelta) per il numero di cremagliere utilizzate. Inoltre è necessario considerare i potenziali errori dei giunti.
Si ottiene così un valore massimo teorico che, nello scenario peggiore, rappresenta la deviazione massima ammissibile.
Fig. 1 Intervallo di incertezza (scenario peggiore)
Nella pratica: all‘aumentare della corsa e del numero di cremagliere aumenta il margine di incertezza in fase di assemblaggio. Di conseguenza, i fori delle cremagliere e quelli montaggio, previsti nel basamento della macchina, potrebbero non allinearsi; nei casi estremi il montaggio diventa impossibile. I progettisti spesso sono costretti a ricorrere a classi di qualità superiori e significativamente più costose per evitare questi rischi.
Per superare queste limitazioni, abbiamo rivisto dalle fondamenta l‘approccio tradizionale e abbiamo applicato sistematicamente il concetto di Digital Twin alle cremagliere.
Il Digital Twin è una replica virtuale di un componente reale dove tutti i dati geometrici e di qualità rilevanti sono disponibili in for- mato digitale. Per ATLANTA questo significa non limitarsi a produrre semplicemente le cremagliere, ma a fornire per ognuna un profilo digitale contenente le caratteristiche di produzione individuali. Queste informazioni sono rese disponibili lungo l‘intero ciclo di vita del prodotto, dalla progettazione all‘assemblaggio, fino alla manutenzione.
Fig. 2 Processo di misurazione di una cremagliera ATLANTA
3.1 Implementazione:
Ogni cremagliera riceve un numero di serie univoco e un codice a matrice per l‘identificazione; al termine della produzione ogni cremagliera viene misurata con precisione; vengono registrati i valori individuali del TPE e ulteriori parametri geometrici; il TPE viene quindi archiviato digitalmente nel Cloud ATLANTA. I progettisti e il personale di manutenzione possono accedere a questi dati in qualsiasi momento tramite l‘applicazione web-based ATLANTA ProductScan, utilizzandoli direttamente nelle attività di selezione, progettazione o assistenza.
Anziché lavorare con valori ipotetici o tabulati, sono ora disponibili i dati di misurazione effettivi di ogni singola cremagliera. La funzione ATLANTA Mapping permette di ordinare automaticamente le cremagliere in modo che possano essere combinate nella sequenza ottimale. I valori del TPE con deviazioni positive e negative vengono disposti in modo da compensarsi a vicenda. Il risul- tato è un ordine di assemblaggio definito e ottimizzato per l‘applicazione. Questo riduce drasticamente la deviazione complessiva sulle corse lunghe, consentendo un risultato finora irraggiungibile.
Fig. 3 Andamento dell‘errore di passo totale (TPE) di cremagliere non ordinate (rosso) e ordinate (verde) su un asse lungo 25 metri. La linea blu indica lo scenario peggiore per cremagliere Q6 non misurate o sconosciute.
Consente nuove opportunità per i costruttori di macchine, permettendo di progettare assi lineari con maggiore precisione e migliore allocazione dei costi.
Fig. 4 Dati di una cremagliera presenti sul Cloud ATLANTA
Selezione mirata dei componenti basata su dati di misurazione reali
I progettisti possono selezionare il componente ottimale senza doversi affidare esclusivamente a classi di qualità superiori e cos-
tose. Conoscendo i valori esatti del TPE è possibile effettuare una selezione ottimale in funzione dei requisiti di sistema.
Certezza nella pianificazione e assemblaggio semplificato
La numerazione eseguita in fabbrica e i dati delle cremagliere disponibili sul cloud consentono una sequenza di montaggio definita e ottimizzata; si eliminano le regolazioni che richiedono tempo in cantiere; i fori di montaggio e i punti di fissaggio possono essere preparati con precisione.
Manutenzione efficiente e riduzione dei tempi di fermo impianto
In caso di manutenzione, è possibile ordinare e installare cremagliere di ricambio con valori TPE identici (“cloni“), riducendo al minimo le regolazioni e diminuendo significativamente i tempi di inattività.
Estensione delle applicazioni e risparmio sui costi
Compensando il TPE lungo le corse lunghe, i progettisti possono affidarsi esclusivamente ai sistemi elettromeccanici per ottenere la precisione richiesta. Sistemi di posizionamento aggiuntivi più complessi potrebbero non essere più necessari, riducendo così i costi e consentendo di estendere gli assi in modo flessibile senza perdita di precisione.
Sistemi a portale (Gantry)
I sistemi a portale sono composti da due assi paralleli, normalmente sincronizzati, che muovono con precisione una traversa. Con la funzione GANTRY presente nell‘applicazione digitale di ATLANTA, è possibile selezionare due linee di cremagliere le cui curve TPE siano le più compatibili tra loro. Questo approccio minimizza le differenze tra il lato sinistro e quello destro, consentendo un assemblaggio quasi privo di stress, una maggiore precisione e una maggiore durata del sistema.
TPE Definito – Soluzioni su misura per corse lunghe
Un vantaggio rilevante del Metodo ATLANTA è la selezione mirata delle cremagliere per applicazioni a corse lunghe. Dal database delle misurazioni di precisione delle cremagliere vengono selezionate combinazioni i cui valori di TPE si compensano a vicenda. L‘ottimizzazione tiene conto sia delle deviazioni tra le cremagliere sia dell‘andamento degli errori all‘interno della singola cremag- liera.
Il nostro partner di lunga data, Vansichen Linear Technology (nota in Germania come SimKon by Vansichen), è un esempio em- blematico. L‘azienda belga è specializzata in assi lineari per robotica e sistemi a portale e ha realizzato oltre 1000 progetti.
Per un cliente doveva realizzare un asse di traslazione robotizzato lungo 25 metri, con i seguenti requisiti:
- Massima precisione sull‘intera distanza;
- Assenza di tecnologia di misurazione aggiuntiva;
- Ottimizzazione economica dei componenti.
Implementazione con il Metodo ATLANTA:
- Scelta di cremagliere: modulo 4, qualità 8;
- Scansione del codice a matrice della cremagliera con l‘ATLANTA Mapping Tool prima dell‘assemblaggio;
- Importazione dei valori TPE dal Cloud ATLANTA;
- Definizione dell‘ordine di assemblaggio ottimizzato per minimizzare le deviazioni complessive.
Risultato:
l‘errore totale massimo su 25 m è stato ottimizzato entro i 70 μm con cremagliere qualità 8; se si fosse utilizzato un assemblaggio casuale delle medesime cremagliere ATLANTA si sarebbe ottenuto un errore di 140 μm.
Ad esempio, per qualsiasi produttore, l‘incertezza della stessa linea realizzata con cremagliere di qualità 4 è di 375 μm.
Fig. 5 L‘asse robotizzato lungo 25 m di Vansichen Linear Technology
In questo modo la deviazione complessiva è stata quasi dimezzata senza ricorrere a sistemi di misurazione aggiuntivi, semplicemente attraverso l‘uso intelligente dei dati digitali delle cremagliere: oltretutto si è potuto ottenere questo risulta- to utilizzando cremagliere in qualità 8 (vedere grafico Fig. 3).
Mentre il metodo tradizionale seleziona le cremagliere in base alla classe di qualità e le assembla in ordine arbitrario, il Metodo ATLANTA si basa sulla caratterizzazione di ogni cremagliera e sull‘ottimizzazione del piano di assemblaggio.
Con questo approccio, il TPE (Errore Passo Totale) può essere drasticamente contenuto sulle lunghe corse senza dover ricorrere a cremagliere più costose di classe di qualità superiore. Analizzando sistematicamente i dati di misurazione e combinando in modo intelligente le cremagliere già prodotte il Metodo ATLANTA permette di raggiungere un nuovo livello di precisione meccanica supportato digitalmente, efficiente nei costi e orientato all‘applicazione.
ATLANTA è il partner ideale per lo sviluppo di applicazioni lineari orientate al futuro, non è un comune fornitore di cremagliere.
