HexGem – Compensazione automatica degli errori geometrici nella produzione di CMM

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IL TEMA

INDUSTRIA 4.0

E. Barini, S. Ruffa, G. Chiovarelli, A. Amandola

HexGem – Compensazione automatica degli errori geometrici

nella produzione di CMM

HEXGEM – AUTOMATIC COMPENSATION OF GEOMETRIC ERRORS OF CMM Hexagon Manufacturing Intelligence manufactures coordinate measuring machines (CMMs), that are capable to evaluate size and form tolerances achieving micron accuracies. This metrology performance is possible thanks to the system for detecting and compensating for the geometric errors of CMMs. Two methods are available for error compensation: a direct method requiring the direct measurement of linear and angular errors; an indirect method allowing to obtain the error values measuring one or more quantities, e.g. lengths. The indirect method offers several advantages as compared to the direct method, but it is currently limited by the considerable cost of the equipment, as well as by the measurement procedures that allow full process automation only at the expense of the flexibility of use. To that end, Hexagon has developed a device that overcomes cost and flexibility limitations by using measurement tools whose costs are close to those of the direct compensation tools and allowing full automation of the CMM compensation process and geometric verification process. By easily adjusting to most CMMs and through the high degree of automation, this device has allowed Hexagon to increase its productivity as compared to traditional direct compensation methods.

RIASSUNTO Hexagon Manufacturing Intelligence produce macchine di misura a coordinate (CMM) capaci di verificare tolleranze dimensionali e di forma con valori dell’ordine di grandezza del micrometro. Ciò che permette in maniera determinante tali prestazioni metrologiche è il sistema di rilievo e compensazione degli errori geometrici della CMM. Le metodologie di compensazione degli errori sono due: quello diretto che richiede di misurare direttamente gli errori lineari e angolari e il metodo indiretto, che permette di ricavare i valori degli errori misurando una o più quantità diverse, ad esempio lunghezze. Quest’ultima metodologia, che presenta diversi vantaggi rispetto al metodo diretto, è però a oggi limitata dal costo dell’attrezzatura, dalle procedure di misura che non consentono una completa automazione del processo, a meno di derogare alla flessibilità di utilizzo. In tale contesto, Hexagon ha sviluppato un dispositivo che supera le limitazioni di costo e flessibilità utilizzando strumenti di misura di costi comparabili a quelli utilizzati nei metodi di compensazione diretta, permettendo di automatizzare completamente sia il processo di compensazione che quello di verifica geometrica delle CMM. Grazie alla capacità di adattarsi facilmente alla maggior parte delle CMM e all’alto grado di automazione, questo dispositivo ha permesso ad Hexagon d’incrementare la propria capacità produttiva rispetto ai metodi di compensazione diretti di tipo tradizionale.

LA COMPENSAZIONE GEOMETRICA

I processi produttivi di manifattura e as semblaggio sono intrinsecamente inaccurati e il grado d’inaccuratezza

è, in genere, inversamente proporzionale al costo di produzione. Con un’attenta progettazione le macchine di misura a Coordinate (CMM), al pa - ri delle macchine utensili, possono sì

essere affette da errori geometrici de - rivanti dall’assemblaggio, ma co mun - que dimostrare un comportamento assolutamente ripetibile che si manifesta nella capacità di posizionarsi in un punto nello spazio in maniera sempre uguale. Sfruttando la ripetibilità del comportamento della CMM è possibile superare le inaccuratezze produttive attraverso un processo di rilevamento e correzione a posteriori degli errori geometrici [1, 2]. La procedura di compensazione degli errori geometrici consiste innanzitutto nel descrivere la cinematica della CMM tramite un modello matematico che espliciti la relazione che intercorre tra gli errori geometrici delle varie guide su cui scorrono i carri della mac - china e l’errore di posizione di un punto particolare della CMM. I parametri che definiscono tale modello devono quindi essere rilevati sperimentalmente per poter calcolare, in ogni punto del volume di misura, l’errore di posizione a cui è soggetto il cen tro dell’elemento di contatto dello stilo e applicare l’opportuna correzione a ogni punto misurato dalla macchina. Il risultato che si ottiene può essere descritto immaginando il volume di misura di una CMM, senza alcuna compensazione, come un reticolo re - golare distorto in cui la distanza tra due punti (nominalmente costante) varia in funzione della posizione dei punti stessi (Fig. 1). Dopo aver effettuato la compensazione degli errori di geometria, il reticolo viene corretto co sì che una qualsiasi misura di di -

Hexagon Manufacturing Inelligence, Grugliasco (To) emanuele.barini@hexagon.com suela.ruffa@hexagon.com giuseppe.chiovarelli@hexagon.com andrea.amandola@hexagon.com

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stanza si mantenga costante indipendentemente dalla posizione in cui vie - ne eseguita nel volume e abbia anche un valore accurato e riferito all’unita di lunghezza (Fig. 2). Gli errori rilevati tramite questa procedura sono in genere descritti in forma tabellare e nel loro insieme realizzano la “così detta” mappa di compensazione o mappa d’errore.

Figura 1 – Volume di misura di una CMM senza compensazione geometrica

Figura 2 – Volume di misura di una CMM compensata per gli errori di geometria

I METODI DI RILEVAMENTO DEGLI ERRORI GEOMETRICI

Il rilevamento dei parametri del mo - dello può essere fatto secondo due approcci differenti: l’approccio diretto e quello indiretto. Nell’approccio di retto gli errori geometrici di ciascun as se della CMM vengono misurati di - rettamente in termini di rotazioni e spo stamenti; nell’approccio indiretto i parametri del mo dello vengono otte-

nuti indirettamente tramite la misura di altre grandezze. Per la misura di - retta degli errori di geometria, si utilizzano generalmente strumenti quali livelle elettroniche e laser interferometrici; questi ultimi devono essere equipaggiati con ottiche speciali a - datte al rilevamento di rotazioni e/o spostamenti ortogonali rispetto alla di rezione del fascio laser. Recentemente sono stati sviluppati sistemi ottici in gra do di rilevare direttamente e contemporaneamente più errori geometrici alla volta. Questi sistemi, assolutamente validi e interessanti, hanno ancora delle li - mitazioni per quanto riguarda la lunghezza dell’asse che è possibile compensare e l’errore di misura che non lo rende adatto a tutte le applicazioni che un costruttore di macchine di misura si deve trovare a fronteggiare. Per la mi sura degli errori di geometria di tipo indiretto, i metodi attualmente più diffusi si basano sulla misura di lunghezze che sfruttano strumenti basati su laser interferometrici radicalmente modificati per essere adattati alle necessarie condizioni operative [3].

HEXGEM LA COMPENSAZIONE GEOMETRICA SECONDO HEXAGON

HexGem è un sistema di compensazione indiretto basato sulla misura di lunghezze tarate tra di loro indipendenti. Nato da una collaborazione tra He - xagon e l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) di Torino, sotto il nome di GEMIL [4, 5], il metodo è stato brevettato congiuntamente [6] e poi ingegnerizzato e sviluppato nelle sue caratteristiche da Hexagon per adattarlo e applicarlo alla propria gamma di CMM e ai propri ambiti produttivi.

I COMPONENTI DEL SISTEMA

Il sistema è costituito da tre elementi essenziali: – un laser interferometrico trasmesso

per mezzo di fibra ottica che realizza le lunghezze tarate; – un’attrezzatura per poter orientare il raggio automaticamente nel volume di misura; – un SW sviluppato da Hexagon che permette la gestione della CMM, dello strumento campione e degli al - goritmi per la generazione della map - pa di compensazione. A meno del sistema laser, tutte le componenti SW ed HW sono state ideate e sviluppate internamente al gruppo Hexagon. Il laser interferometrico è un sistema commerciale sviluppato e migliorato dal produttore in partnership con He - xagon, in particolare con la divisione che si occupa dello sviluppo dei sistemi di misura non a contatto. La caratteristica principale del sistema laser è, oltre alla sua compattezza, quello di poter inviare il fascio laser attraverso una fibra ottica fino a un collimatore dal quale il raggio viene indirizzato ver so il bersaglio di cui si vuole conoscere la distanza. Il collimatore è posto alla fine della catena cinematica della CMM, vicino a quello che viene indicato come TCP (Tool Center Point) ossia il punto di riferimento per la compensazione degli errori geometrici. Una testa di misura orientabile è stata op portunamente modificata per poter ospitare il collimatore permettendo di orientare il raggio laser in opportune di rezioni lungo le quali saranno misurate un numero ben definito di distanze realizzate tra il collimatore movimentato dalla CMM, e dei retro riflettori posizionati sulla tavola di misura della macchina. Il SW supervisiona tutte le fasi della compensazione: gestisce il laser in - terferometrico, comanda la CMM col legandosi al suo controllo automatico, verifica la bontà delle misure effettuate sia per la parte relativa al laser che per quanto riguarda la macchina, esegue i calcoli per la stima della mappa di errore a partire dalle misure effettuate e gestisce la parte relativa alla verifica dell’efficacia della compensazione degli errori geometrici della mac china compensata.

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LA PROCEDURA DI COMPENSAZIONE

La procedura di compensazione è composta da poche fasi: data una CMM con una certa dimensione, prima di operare su macchina occorre definire quante distanze debbano essere misurate, lungo quali direzioni e con quale attitudine della testa orientabile tali da permettere di ottenere una mappa di errore valida e accurata. Tale operazione viene eseguita utilizzando un software di simulazione proprietario che permette di eseguire una compensazione virtuale della CMM simulando sia gli errori di misura che gli errori geometrici. Il risultato di questa fase è la definizione delle distanze, delle linee lungo le quali misurarle e delle attitudini della testa orientabile da utilizzare durante la misura. In ag - giunta viene fornita una stima dell’accuratezza

della compensazione degli errori geometrici sotto forma di un test di performance ISO 10360-2 completamente simulato. L’operatore di macchina, guidato dal software, posiziona i retro riflettori sulla tavola di misura della CMM, esegue l’allineamento delle linee definite in fase di progettazione e lancia il ciclo di misura. La macchina si posiziona nel primo pun to lungo una linea laser ove effettua un azzeramento del laser, poi si muo ve verso il successivo punto di misura lungo la linea definita dal laser. La di - stanza tra questo secondo punto e il primo viene rilevata dalla macchina e confrontata con quella realizzata dal laser interferometrico; questa operazione viene eseguita per un preciso numero di distanze lungo ogni linea di misura, per un opportuno

numero e una ben studiata disposizione delle linee di misura fino a ottenere un numero di dati sufficienti da poter essere processati e ottenere una mappa di errore adeguata alle caratteristiche metrologiche della CMM. La Fig. 3 illustra i componenti del sistema: l’operatore attrezza la macchina

Figura 3 – Componenti del sistema HexGem: Testa orientabile (A), Collimatore (B), Fibra ottica (C), Retro-riflettori (D)

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montando una testa orientabile (A) che porta al suo estremo il collimatore del fascio laser (B), collegato alla fonte laser tramite una fibra ottica di tipo standard (C) che permette al fascio laser di essere orientato in tutto il volume di misura in maniera completamente automatica. Il laser utilizza dei retro riflettori (D); questi vengono posizionati tramite un’apposita attrezzatura dall’operatore guidato in maniera intuitiva dal SW di compensazione. In aggiunta a queste fasi è possibile sfruttare un allineamento automatico che permette all’operatore di registrare solo il primo punto che definisce una linea di misura mentre il secondo viene appreso dalla macchina in automatico. Rispetto a una modalità di compensazione di tipo diretto, in cui la bontà dei rilevamenti può essere controllata, ri levamento dopo rilevamento, nel ca - so di un sistema di misura automati co è necessario implementare degli al - goritmi diagnostici che avvertano, mo - difichino o fermino l’esecuzione delle misure. La diagnostica opera a livelli differenti: nel primo, che riguarda la misura delle distanze, il software ha implementato un algoritmo che valuta la bon tà dell’acquisizione verificando la stabilità della macchina e quella dei valori di distanza letti dal laser. Il criterio è tale da auto-adattarsi con lo scopo di non bloccare un processo di compensazione per pochi dati da ritenere errati ma che non influenzerebbero in maniera determinante la generazione della mappa di errore. Nel secondo livello viene data un’indicazione sulla bontà della mappa generata dal software utilizzando una statistica che permette di valutare co - me l’algoritmo abbia analizzato i dati fornitigli. Un terzo livello consente di valutare la bontà della compensazione misurando delle lunghezze e valutandone la rispondenza a specifica, senza dover effettuare delle misure con la compensazione degli errori geometrici attivi. La Fig. 4 mostra alcuni degli strumenti diagnostici implementati nel software HexGem. Alla fine del processo di compensa-

Figura 4 – Finestra diagnostica del software HexGem con la valutazione della linea di misura 4. A sinistra è riportato l’andamento dell’errore lungo la corsa al netto di una pendenza generalizzata dell’errore. A destra si nota il diagramma della ripetibilità dei punti misurati in funzione della corsa di andata o ritorno

[1] Sartori S., Zhang GX (1995) Geometric error measurement and compensation of machines, Annals of the CIRP 44(2):599-609. [2] H. Schwenke, W. Knapp, H. Haitjema, A. Weckenmann, F. Delbressine, Geometric error measurement and compensation of machines – An update, CIRP Annals, Volume 57, Issue 2, 2008, Pages 660-675. [3] H. Schwenke, M. Franke, J. Hannaford, H. Kunzmann, Error mapping of CMMs and machine tools by a single tracking interferometer, CIRP Annals, Volume 54, Issue 1, 2005, Pages 475-478. [4] A. Balsamo, P. Pedone, E. Ricci, M. Verdi, Low-cost interferometric compensation of geometrical errors, CIRP Annals, Volume 58, Issue 1, 2009, Pages 459-462. [5] P. Pedone et al., E. Audrito, A. Balzione,

svolto in maniera completamente non presidiata, sono disponibili diagnostiche con differenti livelli di dettaglio adatte a descrivere la situazione della compensazione di ogni singola macchina ai vari enti aziendali (operatore, responsabile, qualità R&D). Il processo può quindi essere ripetuto o modificato tramite una simulazione per meglio adattare la procedura e il pattern di misura alla particolare macchina.

RISULTATI OTTENUTI

HexGem è orientato alla Smart Factory in cui si automatizzano i processi e si aumenta la capacità produttiva. La sua notevole flessibilità, determinata dal fatto che possa essere integrato su un’ampia gamma di macchine, ha portato a un’accelerazione dello sviluppo del sistema centrale che gestisce i processi, la diagnostica e il sistema qualità, con una forte sinergia uo - mo-macchina riducendo notevolmente il lead time. HexGem ha rivoluzionato il modo di lavorare.

POSSIBILI AREE DI SVILUPPO

HexGem è un metodo di compensazione del tutto generale che può essere adattato a macchine di misura cartesiane con diversa cinematica: pila-

stri, cantilever, tavola mobile, bracci orizzontali o alla correzione della geometria dei centri di lavoro. Anche la fase di verifica della conformità a specifica secondo le norme internazionali potrebbe essere svolta utilizzando questo sistema che garantirebbe un’elevata automazione ed eventualmente la ricompensazione automatica della macchina nel caso questa non fosse conforme alle specifiche. Durante l’installazione di CMM accoppiate l’una con l’altra, ad esempio nel caso di bracci orizzontali, una fase delicata, in genere causa di un notevole dispendio di tempo, è quella relativa al posizionamento del le macchine. Questo dev’essere eseguito in maniera accurata, con tolleranze del decimo di millimetro in alcuni casi, utilizzando tecniche che fanno riferimento più alla carpenteria che alla metrologia. HexGem, opportunamente mo - dificato nel SW potrebbe essere sfruttato per facilitare questa operazione.

BIBLIOGRAFIA

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samo, Compensation of CMM geometrical errors by the GEMILtechnique: experimental results, CIRP Annals Manufacturing Technology 63 (2014) 489-492. [6] A. Balsamo, M. Verdi, 2014, Method for determining geometrical errors in a machine tool or measuring machine, patent EP199060.

Emanuele Modesto Ba rini, Laurea in Ingegneria Meccanica e dottorato in Metrologia presso il Politecnico di Torino, è Metrology Specialist nel dipartimento di R&D presso He - xagon Manufacturing intelligence dal 2008. All’interno del gruppo di Metrologia e Test si oc cupa della verifica delle performance dei pro totipi, dello sviluppo e della validazione di algoritmi di compensazione geometrica e termica. Nel progetto HexGem ha coordinato il gruppo di lavoro internazionale che ha sviluppato gli algoritmi per la compensazione e la diagnostica. È sostituto del responsabile del centro di taratura LAT 066 presso Hexagon Manufacturing Intelligence.

Suela Ruffa, Laurea in Ingegneria Matematica e dottorato in Ingegneria dei Sistemi per la Produzione Industriale presso il Politecnico di Torino, è Metrology Specialist nel dipartimento di R&D presso Hexagon Manufacturing Intelligence dal 2014. Nel gruppo Metrologia e Test si occupa principalmente di modellizzazione matematica degli errori geometrici delle macchine, simulazione numerica nonché di integrazione su macchina di nuovi tastatori. Nel progetto HexGem ha lavoro allo sviluppo di algoritmi per la compensazione e la diagnostica ed ha partecipato attivamente alla fase d’introduzione del nuovo prodotto nel ciclo produttivo di Hexagon Manufacturing Intelligence.

Giuseppe Chiovarelli è dipendente Hexagon Manufacturing Intelligence dal 1999 con una parentesi di 5 anni alla Wilcox Associates, azienda proprietaria del software di misura PC-DMIS. In Hexagon ha sviluppato la sua carriera con una progressiva crescita di ruolo e responsabilità. Dal 2015 si occupa, all'interno del dipartimento d’Ingegneria di Produzione, di software e metrologia e di tutti i progetti legati alla Smart Factory e al miglioramento della produttività.

Andrea Amandola, Dr. Magistrale in Fisica delle Tecnologie Avanzate (Università di Torino Scienze M.F.N.) è R&D Project Manager presso Hexagon Manufacturing Intelligence dal 2016. All’interno di Hexagon si occupa principalmente della gestione di progetti internazionali nell’ambito della ricerca e sviluppo e PLM. Nel progetto HexGem ha proseguito e finalizzato le attività in essere guidando la sua implementazione negli stabilimenti produttivi del gruppo.