ITTO930971A1 - Metodo di misura dimensionale e campione di riferimento per l'attuazione di tale metodo. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Metodo di misura dimensionale e campione di riferimento per l'attuazione di tale metodo"
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ai metodi di misura, nei quali viene misurata una grandezza dimensionale di un pezzo da controllare ed il valore misurato viene quindi confrontato con il valore di una grandezza dimensionale corrispondente di un campione di confronto, per rilevare un eventuale valore di scostamento.
Nelle applicazioni metrologiche vi ? l'esigenza di poter disporre di sistemi che migliorino la risoluzione e l'accuratezza delle misure. Un'altra esigenza importante ? la riproducibilit? di una misura: questa permette, dato un campione di riferimento, di rileggere, in determinate condizioni fisiche ed ambientali al contorno, le caratteristiche del campione stesso con una incertezza nota.
Cos?, ad esempio, vengono fatti circolare tra gli istituti aderenti al B.I.P.M. (Bureau International des Poids et Misures) ed i laboratori accreditati, "campioni circolanti" che hanno lo scopo di valutare la capacit? dei laboratori di riprodurre le grandezze caratteristiche del campione .
In generale l'incertezza totale nella misura di un campione dipende dal contributo di ciascuna componente che interviene nel processo di misura, secondo relazioni note.
Sicuramente una componente fondamentale che interviene nel processo di misura ? la temperatura. Variazioni di un grado di temperatura su un campione di lunghezza 100 mm, di acciaio, portano ad un allungamento di 0,00115 mm. Tali variazioni avvengono secondo andamenti tipici della trasmissione del calore con costanti di tempo varie che dipendono dalle caratteristiche fisicoambientali del laboratorio.
Estendendo queste ultime considerazioni ad ambienti diversi da quelli di laboratorio, quali ad esempio quelli di officina nell'ambito del controllo di qualit? dei prodotti, si intuisce come sia critico il fattore temperatura laddove le variazioni sono ben superiori al grado.
E ' noto come in ambienti di produzione vengano eseguiti controlli percentuali significativi sui particolari lavorati, in modo sia manuale sia automatico.
E' anche noto che tali controlli vengono eseguiti sulle strumentazioni confrontando la misura effettuata sul pezzo con quella eseguita ciclicamente sui campioni di confronto di cui la strumentazione ? dotata. Tali campioni, definiti anche come "campioni di azzeramento", sono intesi a definire, realizzare, conservare o riprodurre uno o pi? valori noti per trasmetterli per confronto ad altri. Ora, poich? il campione di azzeramento ? certificato ad una temperatura di 20 ? C sui valori nominali, nei metodi di misura dimensionale tradizionali si confrontano le misure relative nell'ipotesi che i particolari sottoposti al controllo ed il campione di azzeramento abbiano il medesimo coefficiente di dilatazione termica.
Questo ? quanto lo stato dell'arte nella metrologia di officina prevede attualmente. Le apparecchiature impiegate utilizzano normalmente sistemi ad elaboratore, il cui software pu? anche prevedere implementazioni che tengono conto degli andamenti di temperatura. Tuttavia, tali accorgimenti non sono in generale del tutto ottenere un valore di misura sostanzialmente assoluto,
confrontare detto valore di misura sostanzialmente assoluto con il valore misurato di detto campione di confronto e determinare da tale confronto un parametro indicativo della dilatazione termica relativa,
- utilizzare tale parametro per correggere il suddetto eventuale scostamento fra i valori delle grandezze dimensionali misurate rispettivamente del pezzo da controllare e del campione di confronto.
In pratica, il metodo secondo l'invenzione si basa su una metodologia di misura a "doppio confronto" mediante il quale, attraverso la comparazione fra il campione di confronto e il campione di riferimento a basso coefficiente di dilatazione termica, si pu? conoscere la dilatazione relativa e rapportarla alle letture eseguibili sui particolari da controllare, in modo da dedurre la loro dimensione come se fosse effettuata a 20? C in un ambiente a temperatura controllata.
Il metodo di misura secondo l?invenzione rende pi? stabili dal punto di vista dimensionale i processi produttivi, limitandone le derive e tagliando notevolmente i tempi di controllo (abbattimento dei tempi di stabilizzazione affidabili, e per tale motivo essi in pratica non vengono quasi mai impiegati negli ambienti di officina .
Lo scopo della presente invenzione ? quello di fornire un metodo di misura del tipo definito all'inizio, che consenta di ovviare ai suddetti inconvenienti e che permetta un nuovo approccio semplificato, sia nella misura di confronto sia in quella assoluta, anche in ambienti a temperatura non controllata.
Secondo l'invenzione, un metodo di misura dimensionale del tipo definito all'inizio ? essenzialmente caratterizzato dal fatto che il campione di confronto ? di un materiale coerente con quello del pezzo da controllare ed avente sostanzialmente il medesimo coefficiente di dilatazione termica, e dal fatto che il metodo comprende inoltre le fasi di:
predisporre un campione di riferimento costituito da un materiale a basso coefficiente di dilatazione termica, sostanzialmente trascurabile nella direzione della grandezza dimensionale da misurare,
misurare la grandezza dimensionale corrispondente di tale campione di riferimento per trasferimenti di uomini e mezzi in sale a temperatura controllata, ecc.).
Benefici particolari si possono ottenere per azzeramenti e linearizzazioni di strumentazioni ottiche o con encoder lineari. Ulteriori benefici si ottengono evidentemente per confronti di lunghezze in laboratorio.
Il materiale del campione di riferimento per l?attuazione del metodo secondo l'invenzione pu? essere un metallo tipo "INVAR" (leghe con contenuto di nichel del 37%), quarzo, o pi? convenientemente un materiale composito includente una matrice di resina polimerica e fibre di carbonio stratificate.
La resina ? convenientemente una resina epossidica, e le fibre dei vari strati presentano angoli di orientazione diversi, convenientemente sfalsati di 10? fra ogni strato e quello contiguo, fra 0 e 90?.
Allo scopo di garantire un'elevata durezza superficiale nei punti di contatto, nonch? un'elevata resistenza all'abrasione, il blocco del campione di riferimento ? vantaggiosamente sottoposto ad un trattamento di ricopertura superficiale consistente nell'apporto di materiali ceramici oppure di grafite pura, per spessori di qualche decimo di millimetro.
L'invenzione verr? ora descritta dettagliatamente con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, che mostrano schematicamente diverse tipologie ipotizzabili per il campione di riferimento utilizzato nel metodo di misura. In particolare:
la figura 1 ? una vista schematica in elevazione frontale di un primo campione di riferimento in forma di blocchetto piano-parallelo,
la figura 2 ? una vista in sezione secondo la linea IT-II della figura 1,
la figura 3 mostra in elevazione un secondo campione di riferimento per il controllo di diametri esterni,
la figura 4 ? una vista in pianta dall'alto secondo la freccia IV della figura 3,
la figura 5 ? una vista in elevazione di un terzo campione di riscontro per il controllo di diametri interni,
la figura 6 ? una vista in sezione secondo la linea VI-VI della figura 5, e
la figura 7 ? una vista in elevazione di un quarto campione di riferimento per il controllo di diametri e rasamente.
Il metodo di misura dimensionale basato sul principio del "doppio confronto" secondo l'invenzione prevede la coesistenza di due campioni di azzeramento, aventi entrambi la medesima configurazione geometrica del pezzo da controllare. Il primo campione, denominato "campione di confronto", ? di un materiale coerente con quello dei pezzi da controllare, ovvero avente sostanzialmente il medesimo coefficiente di dilatazione termica.
Il secondo campione, denominato "campione di riferimento", ? di un materiale a coefficiente di dilatazione termica estremamente basso, ed in pratica trascurabile nella direzione della grandezza dimensionale da misurare.
Con l'ausilio di apparecchiature di misura convenzionali, alla portata del tecnico del ramo e per brevit? non descritte in dettaglio, si procede dapprima alla misura di una grandezza dimensionale (normalmente una lunghezza) del pezzo da controllare, ed il valore misurato viene confrontato con il valore della grandezza dimensionale corrispondente del campione di confronto, in modo da rilevare un eventuale valore di scostamento.
Il valore della grandezza dimensionale del campione di confronto viene quindi confrontato con il valore della grandezza dimensionale corrispondente del campione di riferimento, che corrisponde ad un valore di misura sostanzialmente assoluto in quanto non influenzato dalla temperatura ambientale .
A seguito di tale confronto viene determinato un parametro indicativo della dilatazione termica relativa del campione di confronto, e tale parametro viene utilizzato per correggere l'eventuale scostamento rilevato fra i valori delle grandezze dimensionali misurate rispettivamente del pezzo da controllare e del campione di confronto.
In pratica dunque, attraverso il confronto fra i due campioni ? possibile conoscere la dilatazione termica relativa e rapportarla alle letture eseguite sui pezzi da controllare, in modo da dedurre la loro dimensione come se fosse effettuata in un ambiente a temperatura controllata a 20?C.
Le figure allegate mostrano schematicamente diverse possibili tipologie del campione di riferimento.
Nel caso delle figure 1 e 2, tale campione di riferimento ? costituito da un blocchetto di riscontro 1 di forma quadrangolare, a facce piane e parallele, costituito preferibilmente da un materiale composito includente una matrice di resina polimerica incorporante fibre di carbonio stratificate, secondo la tecnologia di produzione che verr? descritta nel seguito.
Le superfici di contatto fra il blocchetto 1 e l'apparecchiatura di misura, costituite nella fattispecie dalle facce laterali superiore ed inferiore, sono ricoperte con sottili strati 2, 3 di materiale ad elevata durezza superficiale e ad elevata resistenza all'abrasione. Tale materiale, il cui spessore pu? essere dell'ordine di qualche decimo di millimetro, pu? essere un materiale ceramico (quale CR2 O3, Zr O2,...ecc.), oppure grafite pura, applicato mediante processi di ricopertura superficiale convenzionali.
Il secondo campione di riferimento indicato con 4 nelle figure 3 e 4 ? formato da una piastra del medesimo materiale composito, avente due lati opposti 5, 6 convessi, con profilo ad arco di cerchio, ricoperti superficialmente con gli stessi materiali ad elevata durezza superficiale e ad elevata resistenza all'abrasione descritti in precedenza. Il campione di riferimento 4 ? utilizzabile per il controllo di diametri esterni.
Il terzo campione di riferimento, indicato con 7 nelle figure 5 e 6, presenta una forma generale a piastra quadrangolare con un'apertura centrale 8 avente due lati opposti concavi 9, 10 con forma geometrica ad arco circolare. Anche in questo caso la piastra 7 ? dello stesso materiale composito, e le superfici 9 e 10 sono rivestite con il medesimo materiale ad elevata durezza e resistenza all'abrasione.
Infine, il quarto campione di riferimento indicato con 11 nella figura 7 ? formato con superfici laterali cilindriche e superfici frontali piane per il controllo rispettivamente di diametri e rasamente L1...L3. Anche in questo caso il corpo del campione di riferimento 11 ? dello stesso materiale composito, e le superfici di contatto laterali e frontali sono rivestite superficialmente con il medesimo materiale ad elevata durezza e resistenza all'abrasione.
Il materiale composito resina epossidica-fibre di carbonio ? dotato di un coefficiente di dilatazione termica assai basso (sostanzialmente compreso fra 3 e , il quale consente l'ottimizzazione delle prestazioni del campione di riferimento secondo una sola direzione principale che coincide con quella di misura.
Il trattamento di ricopertura superficiale nelle zone di contatto con le apparecchiature di misura, realizzato con l?apporto di ossidi ceramici o grafite pura, deve essere in grado di conferire a tali superiici una durezza elevata (HRc=64).
In generale, le piastre dei campioni di riferimento illustrati vengono preparate utilizzando pre-impregnati (pre-preg tipo Tenax o texi-preg), cio? fibre incorporate nella resina polimerizzata in cui ? presente l'indurente, con un contenuto controllato di resina compreso fra il 40 ed il 50%, preferibilmente prossimo al 45% in peso. La lastra di materiale composito presenta caratteristiche di unidirezionalit? con una struttura simmetrica e bilanciata, ottenuta attraverso la sovrapposizione di pre-preg di spessore dell'ordine di 0,15 mm sovrapposti con diversi angoli di orientazione delle fibre (0?, ? 20 ?, ? 30?, ...90?).
L'azione termofisica di pressione e temperatura determina il consolidamento del pre-preg. Nel ciclo di produzione vengono essenzialmente distinte le fasi di deposizione da quelle di polimerizzazione. Nella fase di deposizione si ha il posizionamento degli strati di fibre contenuti nel pre-preg secondo lo schema voluto ed ottimizzato per ottenere le caratteristiche fisiche progettate. Nella seconda fase si ha l?indurimento della resina e la piastra prende la forma finale.
Per ottenere gli spessori voluti, ad esempio dell'ordine di 9 mm, le lastre di materiale polimerizzato di spessore circa pari a 4,5 mm vengono unite mediante incollaggio meccanico con un termoindurente .
Il ciclo di polimerizzazione avviene in autoclave a pressioni di 8-9 bar e in tre fasi termiche successive: riscaldamento fino a 120? a velocit? di circa 4?C/l'; fase a temperatura costante a 120? per 90' a 8 bar e raffreddamento con uguale velocit?.
Il controllo del coefficiente di dilatazione termica avviene mediante misure interferometriche laser note di risoluzione sufficiente (circa 10-8m/m) .
Il calcolo del coefficiente di dilatazione termica ? basato, secondo metodologie convenzionali, sulla teoria dell'elasticit? dei laminati piani compositi multistrato (teorie di Halpin e Pagano; espressione di Duhamel-Neumann della legge di Hook).
Le caratteristiche elastiche del composto sono riassunte in quanto segue:
dove: E = modulo di Young; v = modulo di Poisson.
Sebbene la struttura di materiale composito (resina epossidica-fibre di carbonio) sia da considerarsi preferita, i campioni di riferimento utilizzabili nel metodo di misura secondo l'invenzione potrebbero essere di materiali diversi, purch? a basso coefficiente di dilatazione termica, come ad esempio materiali metallici denominati "INVAR" (leghe con contenuto di nichel dell'ordine del 37%), quarzo o materiali compositi diversi.
Apparir? evidente da quanto precede che il metodo di misura secondo l'invenzione, attuabile sia in ambito metrologico di laboratorio sia in ambienti di produzione per il controllo di qualit? dei prodotti, consente di procedere a verifiche dimensionali estremamente accurate ed affidabili, senza alcuna necessit? di controllo della temperatura ambiente.
Claims (14)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo di misura, in cui viene misurata una grandezza dimensionale di un pezzo da controllare, ed il valore misurato viene confrontato con il valore di una grandezza dimensionale corrispondente ad un campione di confronto per rilevare un eventuale valore di scostamento, ed in cui il confronto ? influenzato dalla temperatura ambientale, caratterizzato dal fatto che il campione di confronto ? di un materiale coerente con quello del pezzo da controllare ed avente sostanzialmente il medesimo coefficiente di dilatazione termica, e dal fatto che comprende inoltre le fasi di: predisporre un ?campione di riferimento (1; 4; 7; 11) costituito da un materiale a basso coefficiente di dilatazione termica, sostanzialmente trascurabile nella direzione della grandezza dimensionale da misurare, misurare la grandezza dimensionale corrispondente di tale campione di riferimento per ottenere un valore di misura sostanzialmente assoluto, confrontare detto valore di misura sostanzialmente assoluto con il valore misurato di detto campione di confronto, e determinare da tale confronto un parametro indicativo della dilatazione termica relativa, utilizzare tale parametro per correggere il suddetto eventuale scostamento fra i valori delle grandezze dimensionali misurate rispettivamente del pezzo da controllare e del campione di confronto.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il campione di riferimento (1, 4, 7, 11) ? costituito da un corpo di materiale composito includente una matrice di resina polimerica e fibre di carbonio stratificate con angoli di orientazione diversi fra gli strati contigui .
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la resina ? una resina epossidica.
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il corpo del campione di riferimento ? sottoposto ad un trattamento di ricopertura per il suo indurimento superficiale.
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il trattamento di ricopertura prevede l'apporto di materiale ceramico.
- 6. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il trattamento di ricopertura prevede l'apporto di grafite pura.
- 7. Campione di confronto a basso coefficiente di dilatazione termica utilizzabile per l'attuazione del procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ? costituito da un corpo di materiale composito includente una matrice di resina polimerica e fibre di carbonio stratificate con angoli di orientazione diversi fra gli strati contigui.
- 8. Campione di confronto secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la resina ? una resina epossidica.
- 9. Campione di confronto secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il corpo ? sottoposto ad un trattamento di ricopertura per il suo indurimento superficiale.
- 10. Campione di confronto secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il trattamento di ricopertura prevede l'apporto di materiale ceramico.
- 11. Campione di confronto secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il trattamento di ricopertura prevede l'apporto di grafite pura.
- 12. Campione di confronto secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il contenuto di resina ? compreso fra 40 e 50% in peso, ed ? preferibilmente dell'ordine del 45%.
- 13- Campione di confronto secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il corpo presenta una struttura simmetrica e bilanciata formata dalla sovrapposizione a strati di pre-impregnati di spessore compreso fra 0,1 e 0,2 min, preferibilmente pari a 0,15 mm, sovrapposti con fibre a diversi angoli di orientamento, fra 0? e 90?, sostanzialmente dell'ordine di ? 10? per ciascuno strato contiguo.
- 14. Campione di confronto secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che presenta un coefficiente di dilatazione termica sostanzialmente compreso fra 3 eIl tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.
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