Massima precisione nei giunti per le macchine CNC

Le macchine CNC rappresentano il cuore dell’industria manifatturiera di oggi e domani. Rispondono, infatti, all’esigenza di gestire la produzione in modo flessibile, con sistemi intelligenti non più centralizzati, ma integrati localmente nelle macchine; è così possibile creare produzioni basate sull’innovazione, e non finalizzate solo ad abbattere i costi. I giunti sono una parte fondamentale della loro ingegneria, in grado di contribuire alla loro produttività e affidabilità.

di Stefano Vinto

Precisione, affidabilità, programmabilità ed elevata produttività sono i plus delle macchine a controllo numerico che rappresentano il cuore dell’industria manifatturiera di oggi e di domani. L’uso diffuso e i continui miglioramenti delle macchine utensili CNC hanno un impatto significativo sulla produttività dell’industria manifatturiera. L’avvento dell’Industria 4.0 richiede oggi un ulteriore progresso di queste macchine.

Industria 4.0 e sistemi di produzione ciberfisici

L’Information Technology, o IT, ha portato a progressi significativi e alla trasformazione radicale dell’industria manifatturiera su scala mondiale. L’impiego dei computer nei dispositivi smart ha determinato una sempre più crescente esigenza di servizi e infrastrutture nel settore IT, che sono forniti attraverso reti come i cloud. Questi dispositivi smart risultano sempre più interconnessi sia tramite reti wireless locali, sia tramite Internet. Nella cosiddetta quarta rivoluzione industriale l’avvento della IoT e della Ios ha reso possibile la creazione di risorse e servizi in rete per l’intero processo di produzione, dando origine alle Fabbriche Intelligenti (Smart Factories) e alle Fabbriche del Futuro (Factories of the Future).
Nel settore della produzione, i sistemi di produzione ciberfisici (CPPS o Cyber-Physical Production Systems) hanno un ruolo fondamentale.
Un sistema CPPS comprende generalmente macchinari smart, sistemi di stoccaggio e altri stabilimenti di produzione. Con i sistemi CPPS, la produzione può essere programmata in maniera più flessibile ed efficiente.

L’evoluzione delle macchine utensili e l’introduzione dei linguaggi CNC

Le macchine utensili vennero alla luce nel momento in cui il percorso dell’utensile fu guidato dalla macchina utensile stessa, sostituendo quello imposto dalla mano umana. Le prime macchine a controllo numerico (CN) furono sviluppate presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) nella seconda metà degli anni ‘40, a seguito di alcune attività di ricerca legate alla realizzazione dei componenti di un nuovo aeroplano progettato dalla Lockheed. Tali attività portarono all’adattamento delle macchine convenzionali al controllo numerico. Nei decenni successivi allo sviluppo delle prime macchine CN presso il MIT, iniziò lo sviluppo dei primi linguaggi di programmazione del controllo numerico. Tra questi, il più comunemente usato fu il G – code, che venne standard e approvato come norma EIA RS-274-D; tale norma fu poi quasi interamente trascritta nello standard ISO 6983. Tale linguaggio viene attualmente usato anche nelle più avanzate macchine CNC, con poche differenze ed aggiornamenti da parte dei produttori dei sistemi di controllo. L’avvento stesso del linguaggio ha così determinato, grazie anche ai progressi nei computer iniziati negli anni ‘70, l’introduzione delle macchine utensili CNC. In una moderna macchina CNC, un microcomputer immagazzina i programmi di lavorazione preparati in precedenza dall’operatore e controlla il funzionamento della macchina stessa. Gli ulteriori sviluppi delle macchine CNC hanno poi consentito di realizzare insiemi di macchine collegate tra loro, controllate da un unico computer centrale al fine di realizzare programmi di lavorazione coordinati. Tale soluzione, oltre a fornire uno dei presupposti per l’introduzione delle Macchine Utensili 4.0, ha dato origine ai sistemi a Controllo Numerico Diretto (Direct Numerical Control o DNC). Le moderne macchine CNC risultato ora componenti essenziali dei Sistemi di Produzione Flessibili (Flexible Manufacturing System o FMS) o delle Celle di Produzione Flessibili (Flexible Manufacturing Cell o FMC), soluzioni che consentono alti livelli di flessibilità sia nella produzione di massa che in quella di piccoli lotti. Le Macchine CNC moderne hanno anche radicalmente mutato l’ambito degli strumenti di progettazione, dando origine ai sistemi CAPP (Computer Aided Process Planning) e CAM (Computer Aided Manufacturing).

Macchine utensili ciberfisiche: integrazione verticale e orizzontale

Le Macchine Utensili 4.0 definiscono una nuova classe di Macchine Utensili, così come i sistemi CPPS visti in precedenza. Tali sistemi sono contraddistinti dall’essere smart, ben connessi, ampiamente accessibili, con maggiore adattività ed autonomia. Con le Macchine Utensili 4.0 è possibile conseguire sia l’integrazione verticale che quella orizzontale. I sistemi di produzione ciberfisici comprendono macchinari smart, sistemi di stoccaggio e impianti di produzione che dispongono di integrazioni end-to-end basate su tecnologie ICT. Le macchine utensili ciberfisiche (Cyber-physical Machine Tools o CPMT) rappresentano un elemento essenziale dei sistemi CPPS. Sono costituite dall’integrazione di una macchina utensile, dei processi di lavorazione, dei sistemi di calcolo e di collegamento in rete; i computer integrati e i collegamenti in rete consentono di monitorare e controllare i processi di lavorazione, con circuiti di feedback grazie ai quali i processi di lavorazione possono influenzare i calcoli e viceversa.
Le macchine utensili caratterizzate dall’integrazione verticale supportano l’integrazione digitale end-to-end attraverso tutto il processo di ingegnerizzazione, comprendendo le fasi di progettazione, programmazione dei processi, produzione e assemblaggio. Affinché tutto ciò possa essere realizzato, è necessario disporre di un ambiente di produzione interno basato sui modelli, i quali: sono parte integrante dei riferimenti tecnici; evolvono attraverso tutte le fasi di produzione; sono integrati attraverso tutte le discipline coinvolte nello sviluppo del prodotto (ad esempio, progettazione, programmazione dei processi, lavorazione e ispezione). Le macchine utensili caratterizzate dall’integrazione orizzontale sono quelle che presentano un elevato grado di interconnessione sia tra di loro, sia con altri impianti e risorse di produzione (ad esempio robot industrial, nastri trasportatori, sistemi di misura sul posto e sistemi informatizzati di controllo della produzione e dei processi di business rilevanti dell’azienda, rispettivamente chiamati MES ed ERP).
I principali requisiti per il conseguimenti degli opportuni livelli di integrazione orizzontale sono due: la tipologia delle comunicazioni macchina-macchina ha la necessità di evolvere da un modello basato sulla sintassi a uno basato sulla semantica; le macchine utensili devono poter acquisire dati precisi ed affidabili dalle macchine e/o dai loro componenti. Tali dati possono essere misurati direttamente dai sensori o acquisiti dai sistemi di controllo. Le Macchine Utensili 4.0 saranno quindi macchine utensili smart con funzionalità di auto diagnosi, auto manutenzione e auto ottimizzazione.

Il ruolo del fornitore di giunti

I requisiti che un fornitore di componenti deve soddisfare per servire al meglio le esigenze dei costruttori di centri di lavoro e macchine utensili sono molteplici: riveste particolare importanza la precisione, poiché i risultati ottenuti con motori lineari sono difficili da superare. Risulta quindi fondamentale l’accuratezza dei processi e la riduzione dei margini di tolleranza. Nello specifico dei giunti, questi devono essere versatili, con tolleranze e cinematiche adattabili alle caratteristiche fisiche delle macchine. Inoltre, per far fronte alla sempre maggior efficienza richiesta dalla crescente competitività, è necessario che siano resistenti, per sopportare le velocità di taglio e movimento degli assi sempre più elevate; infine è necessaria una notevole resistenza all’usura e alle variazioni di temperatura lungo l’intero ciclo di vita dell’impianto. Queste caratteristiche sono tutte presenti nei giunti a soffietto in acciaio inox della serie BK prodotti da R+W Italia. Si tratta di giunti molto robusti in grado di lavorare a un alto numero di giri, quindi a velocità elevata. Sono inoltre precisi, resistenti alle sollecitazioni, all’usura e alle variazioni di temperatura: qualità che li rendono adatti ad assecondare le dinamiche particolarmente elevate delle macchine a CNC. I giunti BK a soffietto metallico, precisi e senza gioco, presentano un basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita e soprattutto l’elevata affidabilità. Oltre ai giunti a soffietto metallico, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, come i giunti ad elastomero della serie EK, i limitatori di coppia della serie SK e i giunti con allunga della serie ZA e EZ.
I giunti a elastomero della serie EK combinano elevata flessibilità e buona resistenza. Smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi. Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fa le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni. I limitatori di coppia SK, assolutamente privi di gioco, permettono di proteggere il sistema motore in caso di sovraccarico, scollegandolo dalla parte condotta nel giro di pochi millisecondi. Estremamente precisi, trasmettono la coppia con gande accuratezza e intervengono solo in caso di effettiva necessità. Inoltre consentono un riarmo semplice e rapido non appena viene rimossa la causa del sovraccarico. I giunti con allunga della serie ZA-EZ, infine, sono ideali per collegamenti con grandi distanze assiali, spesso presenti nelle macchine da imballaggio. Sono facili da montare e smontare senza che occorra muovere o allineare gli elementi da collegare. R+W ha in assortimento giunti con allunghe fino a 6 metri, che non necessitano di supporto intermedio. Disponibili in versioni speciali per quanto riguarda materiali, tolleranze, dimensioni e prestazioni, i giunti con allunga R+W, se ben dimensionati e montati correttamente, non hanno alcuna necessità di manutenzione e una durata praticamente infinita.