I costruttori di presse si devono confrontare con l'aumento della pressione della tecnologia e dei costi: Molti clienti pretendono presse sempre più rapide e precise. L'impiego della strumentazione di misura e prova è la chiave per migliorare le presse. La precisa misurazione della forza è di importanza vitale - ad esempio, utilizzando il metodo estremamente salva-spazio ed altamente accurato della misurazione derivata (shunt) della forza - oltre all'impiego opportuno dell'elettronica di misura intelligente. Ciò consente la facile ed economica riconversione ed aggiornamento delle strutture esistenti.

Più è precisa la forza applicata dalle presse, tanto è maggiore la qualità dei pezzi stampati. Migliorare l'accuratezza delle presse è una delle sfide più importanti per i produttori di presse e macchine di stampaggio. Ed inoltre, il mercato richiede presse più veloci che, nel contempo, offrano una più elevata banda passante per incrementare le quantità prodotte nei sistemi esistenti. Le soluzioni di misura e prova moderne ed intelligenti aiutano i macchinari ad essere più rapidi, migliori e più efficienti.

I fattori chiave per l'impiego di successo della strumentazione di misura e prova sono, fra l'altro: 

  • Misurazione affidabile e precisa della forza la pressa 
  • Impiego di elettronica di misura intelligente per la connessione rapida e facile agli standard della Ethernet Industriale
  • Software di misura professionale per controllare il monitoraggio dei processi di giunzione 

La produzione moderna non può più fare a meno di presse con un'ampia gamma di versioni. I campi di applicazione comprendono le presse per conio monete, le presse per l'assemblaggio di parti di veicoli o merci di largo impiego, oppure presse per le grandi parti metalliche dell'industria automobilistica.

Tuttavia, le dimensioni e le condizioni di esercizio delle presse possono variare fortemente: Le forze esercitate dalla pressa, il numero di corse e la qualità dei prodotti fabbricati durante la procedura di pressatura sono le caratteristiche più importanti per tutti i tipi di presse.

Nelle presse moderne, un sistema elettronico di controllo acquisisce e regola tutti i paraetri della macchina. Nello stesso tempo esso identifica i componenti difettosi e li scarta. Infine registra la produzione ed i periodi di fermo macchina - importanti indicatori dell'efficienza dei processi.

Affidabile misurazione della forza di pressatura

Normalmente, per monitorare le procedure di pressatura si usano le forze o gli spostamenti misurati. Esistono due metodi diversi per monitorare la forza:

  • Misurazione diretta della forza nel flusso di forza dell'utensile di stampaggio 
  • Misurazione derivata (shunt) della forza, ad esempio utilizzando trasduttori di deformazione 

In entrambi i casi, è essenziale che le forze di pressatura siano registrate affidabilmente e rapidamente dai sensori e trasmesse al sistema di controllo della pressa utilizzando un'adeguata elettronica di amplificazione. I sensori e gli amplificatori devono soddisfare requisiti particolarmente elevati in termini di robustezza ed affidabilità operativa. La facilità di montaggio ed integrazione dei componenti nelle macchine esistenti è un fattore critico di cui tener conto nella scelta dell'apparecchiatura di misura e prova.

Entrambi i metodi di misurazione della forza hanno specifici vantaggi e svantaggi. In genere, quando si misura la forza direttamente nel flusso di forza, si deve tenere a mente che il trasduttore è parte integrante dell'utensile, per cui interagisce significativamente con le sue proprietà. Inoltre, ed in particolare con forze elevate, il trasduttore deve avere una forza nominale sufficientemente alta. Tali sensori sono molto pesanti e, non per ultimo, molto costosi. Risulta un forte vantaggio che i trasduttori di forza HBM siano tarati in fabbrica e che perciò non debbano essere tarati nel sistema in cui vengono usati. La forza in N può essere determinata immediatamente dopo il loro assemblaggio. 

Trasduttore di forza a flangia tipo U5. Il trasduttore si può montare capovolto e, grazie alle flange, è particolarmente facile da usare. Esso è disponibile con forza nominale fino a 500 kN. Si possono misurare sia forze di trazione che di compressione.

In alternativa sono disponibili i trasduttori di deformazione basati sul seguente principio di funzionamento: Ogni pressa utilizza una struttura che viene meccanicamente deformata durante il processo di pressatura. Ciò causa minime deformazioni praticamente non visibili. I trasduttori di deformazione, ad esempio lo SLB700A della HBM, misurano la deformazione la quale è infine proporzionale alla forza di pressatura. Il vantaggio di questo metodo è che si può usare lo stesso trasduttore, indifferentemente dalla potenza di pressatura. La misurazione usando trasduttori di deformazione è un'alternativa molto economica, in particolare per presse ad alte prestazioni. L'accuratezza conseguibile con un trasduttore di forza tarato non si può ottenere utilizzando questo metodo, tuttavia i sensori di deformazione HBM soddisfano facilmente i normali requisiti di accuratezza richiesti dalle applicazioni sulle presse. In ogni caso è necessaria la taratura per determinare la relazione fra il segnale di uscita e la forza applicata.

Tecnologia ad estensimetri o piezoelettrica: quale principio di misura è il più adatto?

Trasduttore piezoelettrico di deformazione CST/300. Il montaggio richiede una sola vite. La tipica sensibilità alla deformazione è di 50 pC/µm/m.

La HBM offre sia i trasduttori piezoelettrici di deformazione (CST/300) che quelli basati sugli estensimetri (SLB700A). In molti casi si possono usare indifferentemente i due tipi di sensori. I sensori piezoelettrici hanno il vantaggio di essere molto compatti ed offrono una sensibilità talmente alta da essere utilizzabili anche per deformazioni molto piccole - ideale con strutture molto rigide. Inoltre il montaggio del sensore richiede una sola vite.

I trasduttori di deformazione basati sulla tecnologia ad estensimetri (ER) sono disponibili anche con elettronica di amplificazione integrata. Questa configurazione è la prima scelta quando sono necessarie soluzioni particolarmente economiche. Inoltre, i sensori ad ER non hanno alcuna deriva, il che facilita i compiti di monitoraggio. Essi consentono anche di monitorare le variazioni di deformazione permanenti della pressa. Con un adeguato cablaggio si possono compensare i momenti flettenti, migliorando così con poco sforzo l'accuratezza di misura.

Uso dei trasduttori di deformazione per compensare i momenti flettenti

Con i trasduttori di deformazione ad estensimetri, i potenziali momenti flettenti si possono facilmente compensare allorché siano coinvolti componenti simmetrici. Per farlo, si devono montare due sensori alla stessa altezza ma contrapposti uno all'altro. La flessione causa che un sensore sia soggetto a deformazione positiva mentre l'altro sensore è soggetto a quella negativa. Collegando i sensori in parallelo, il segnale di uscita risultante è "zero". Tutte le deformazioni agenti sui sensori  nello stesso senso si misurano senza alcun problema. Nelle applicazioni sulle presse, ciò garantisce che vengano misurate solo le deformazioni di trazione e compressione.

I prerequisiti tecnici sono la bassa altezza della struttura e l'uniforme sensibilità dei sensori. Per tale ragione, i sensori di deformazione HBM sono aggiustati alla stessa sensibilità mediante una speciale procedura. Inoltre, la resistenza di uscita è bilanciata, prerequisito per il collegamento in parallelo. È stata scelta la resistenza del ponte di 700 Ohm per prevenire il sovraccarico dell'amplificatore del ponte risultante dalla diminuzione della resistenza totale. Quattro sensori collegati in parallelo hanno la resistenza totale di 175 Ohm. I moderni amplificatori consentono di misurare ed elaborare i segnali di forza o deformazione sia dei singoli sensori o trasduttori che dell'intero collegamento in parallelo.

Estensimetri installati su un componente simmetrico. La flessione causa il caricamento di ambedue gli SLB700 allo stesso valore assoluto di deformazione, ma con segno opposto. Collegandoli elettricamente in parallelo, non si ha alcun segnale di uscita. La flessione risulta compensata ed il risultato include solo le deformazioni di trazione e compressione.

Come già prima menzionato, è necessario tarare i trasduttori di deformazione per consentire la misurazione della forza.

La procedura di taratura richiede che la forza venga misurata in almeno due gradini di carico; per esempio: forza = zero e forza massima. È importante sapere che non è obbligatorio arrivare a misurare fino alla forza massima. È assolutamente possibile tarare la catena di misura alla metà della forza del processo, specialmente se i requisiti di accuratezza sono bassi.

La procedura è la seguente: 

  • Misurare il segnale di uscita del sensore a forza zero. L'amplificatore non deve essere impostato per l'eventuale scalatura, cioè il segnale di uscita sia visualizzato in mV/V.
  • Misurare il segnale di uscita alla forza usata per la taratura. Anche in questo caso l segnale di uscita deve essere in mV/V.

Ora è facile calcolare la sensibilità della catena di misura:

S = (uscita alla forza di misura - uscita a zero) / (forza di misura - forza a zero)

Usando un sensore piezoelettrico il valore sarà espresso in pC/N.
Usando un sensore ad ER, il valore sarà espresso in mV/V/N.

In molti casi, la sensibilità ad una specifica deformazione diventa accettabile come valore di scalatura per gli strumenti di misura della tecnologia ad ER. Ciò richiede solo che sia noto il segnale di uscita del sensore alla forza nominale. Nello proprio strumento si può assegnare direttamente una coppia di valori della forza e del segnale di uscita. Molti strumenti facilitano tale impostazione richiedendo solo i quattro valori anzi menzionati, inseribili in una tabella:

Forza = 0 N                      Segnale = xy mV/V

Forza = forza misurata    Segnale = AB mV/V

Indi l'amplificatore effettua la configurazione. Infine viene eseguita la scalatura. Questo processo di "auto apprendimento" è implementato nei moderni amplificatori che consentono la taratura automatica.

Sono importanti i seguenti consigli:

  • È sempre raccomandata la verifica, cioè si dovrebbe caricare di nuovo il sistema e confrontare i valori indicati.
  • Caricare tre volte il sistema al massimo carico prima della procedura di taratura, al fine di garantire l'assestamento dei sensori.
  • Per ottenere l'accuratezza ottimale, è ideale misurare esattamente la stessa forza a cui saranno dopo effettuate le rilevazioni in esercizio.

Elettronica integrata od amplificatori intelligenti con pre-elaborazione dei dati di misura?

Trasduttore di deformazione SLB700A/06VA. Il sensore è termicamente compensato ed è ideale per il collegamento in parallelo grazie alla sua elevata resistenza d'ingresso, aggiustamento della sensibilità e resistore di bilanciamento dell'uscita.

Per i semplici compiti di monitoraggio delle presse sono disponibili i trasduttori di deformazione con elettronica integrata; essi forniscono i segnali di uscita in corrente (4 … 20 mA) o tensione (0 … 10 V) con banda passante molto alta (2  kHz, -3 dB). Con essi il sistema di controllo della pressa si deve assumere il condizionamento segnale e l'elaborazione del segnale di misura. Queste sono attività addizionali oltre all'effettiva funzione di controllo della pressa.

L'amplificazione viene aggiustata in linea con l'approccio sopra descritto: Prima viene effettuata la misurazione a carico zero, poi alla forza massima. Con queste due forze si può applicare la tensione all'ingresso di controllo dello SLB. L'amplificazione viene aggiustata automaticamente in modo tale per cui alla forza = 0 corrisponda ad 1 V e la forza massima a 9 V. Si consiglia la scalatura fra il segnale di uscita di 1 e 9 V per consentire la misurazione delle forze sotto il punto zero o quelle sopra la massima forza di "auto-apprendimento". Poiché il campo di uscita è fra 0 e 10 V, il sensore ha una riserva del 10% del campo di misura.

Al contrario dei sensori convenzionali con elettronica integrata, questo amplificatore consente che sia sempre disponibile all'uscita il campo massimo, indipendentemente dalla deformazione della macchina. Con una bassa risoluzione dei successivi gradini di carico, questo è un vantaggio da non sottovalutare.

"L'auto-apprendimento" (Teach-In) viene lanciato da un impulso di controllo è può perciò essere automatizzato. Indifferentemente da ciò, il punto di misura può essere posto a zero. Nel caso di caduta della tensione di rete, resta memorizzata la configurazione dell'amplificatore.

Le crescenti esigenze dei moderni sistemi di monitoraggio delle presse

Negli ultimi anni, i requisiti degli operatori delle presse sono diventati sempre più stringenti. Oltre alla riduzione dei costi, l'attenzione è sul miglioramento della qualità e l'incremento delle cadenze di produzione. Inoltre, sono richiesti l'allungamento della vita operativa e la riduzione degli intervalli di manutenzione. L'unico modo di soddisfare queste richieste è l'impiego di moderni amplificatori di forze e spostamento o di angolo di rotazione.

Questi amplificatori sono caratterizzati da un'estrema immunità alle interferenze, ben oltre a quella dei requisiti delle norme in vigore. Inoltre, questi amplificatori offrono la pre-elaborazione dei dati di misura. Perciò alleviano l'operato dei sistemi di controllo a valle, migliorando rispettivamente l'affidabilità del sistema e minimizzando i tempi di fermo macchina. Gli amplificatori sono di uso universale. Gli strumenti possono essere muniti dell'appropriato numero di moduli di misura, a seconda delle dimensioni della pressa ed al numero e tipo dei sensori di misura. Infine, gli amplificatori possono essere flessibilmente muniti anche delle schede di uscita del segnale. I costi di investimento sono significativamente ridotti e la sostituzione in caso di guasto è molto facile. Il sistema di amplificatori che soddisfa perfettamente tutti questi requisiti è il sistema industriale PMX.

La superiore immunità alle interferenze fornisce valori di misura affidabili

Il segnale dell'amplificatore di misura a frequenza portante maschera sistematicamente le interferenze.

L'amplificatore può essere "aggiornato" ad ogni cambiamento dei requisiti di monitoraggio delle presse. Nel caso più comune, viene usato il modulo amplificatore estremamente affidabile PX455 a frequenza portante per acquisire forze e deformazioni. Durante le misurazioni a frequenza portante, il segnale di misura viene campionato a 19,2 kHz, modulato alla frequenza portante, indi amplificato e poi demodulato. Questo metodo consente di ottenere bande passanti di 2 kHz e, nel contempo, di prevenire il trasferimento di segnali di rumore come quello della rete e le interferenze causate da grandi motori elettrici o convertitori di frequenza. Ciò incrementa sostanzialmente la vita operativa delle macchine.

Di quanta intelligenza si ha bisogno?

Con cadenza di campionamento di 19,2 kHz per canale di misura, i canali interni di calcolo dell'amplificatore PMX consentono di acquisire ed elaborare rapidamente tutti i segnali di misura della pressa. L'elevata cadenza di campionamento permette l'acquisizione affidabile di picchi di forza fino a 50 µ/s. Questi valori di picco sono usati per la garanzia della qualità ed il controllo della pressa. I canali interni di calcolo consentono di acquisire in tempo reale le forze totali e differenziali delle presse multi-colonna. Ciò, a sua volta, permette al sistema di controllo della macchina di monitorare rispettivamente lo stato e la qualità dei cuscini da imbutitura o delle presse.

Diagnostica preventiva della pressa

Oltre all'acquisizione dei valori dei picchi di forza si possono monitorare i limiti di allarme. Ciò consente di rilevare in anticipo se le forze esercitate dalla pressa si stiano spostando al di fuori del campo di tolleranza e/o se abbiano già raggiunto un livello che richieda il fermo della macchina per proteggerla da eventuali danni. Come tutti i segnali calcolati nel PMX, anche questi valori vengono determinati in tempo reale, cioè ad intervalli di 50 microsecondi. Questo è essenziale per garantire il rapido arresto di emergenza. Tuttavia, esistono altri metodi per la diagnostica preventiva della pressa. Vengono installati degli accelerometri per misurare le vibrazioni della pressa. Le vibrazioni sono causate dal gioco e dall'usura dei cuscinetti dei componenti meccanici. Esse sono accettabili entro i limiti specificati. Solo quando le vibrazioni diventano talmente alte da danneggiare i cuscinetti, esse devono essere rilevate ed indicate. Di nuovo, l'amplificatore PMX è usato per analizzare e rilevare i valori limite perché esso possiede moduli amplificatori adeguatamente rapidi. Lo stesso avviene per l'acquisizione delle temperature nelle presse o nei sistemi di raffreddamento.

Per l'acquisizione di qualità dei dati, la HBM fornisce il software catman. Il PMX dispone di una interfaccia di sistema Ethernet per la connessione, ad esempio, ad un PC Windows. Essa viene usata per registrare tutti i segnali di misura e della macchina. Queste registrazioni possono venir archiviate od utilizzate per il backup. Gli strumenti di visualizzazione offrono opzioni versatili e dettagliate per l'indicazione e l'analisi dei segnali della pressa già durante la sua configurazione. Il software possiede anche le funzioni per impostare l'attivazione dei trigger e salvare le misurazioni solo se capitano dei guasti. 

Quale forma di automazione si può scegliere?

Nel nucleo di calcolo del PMX sono disponibili tutti i segnali in tempo reale. Da esso, i valori possono essere inviati al sistema di controllo della pressa, ad esempio in modo analogico mediante il modulo di uscita PX787 con tensioni di uscita di ±10 V. Il modulo di uscita PX878 possiede anche uscite digitali rapide in grado di segnalare e trasmettere i valori limite entro un millisecondo. Tuttavia, i moderni sistemi di controllo delle presse dispongono sovente di un controllore logico programmabile (PLC). Qui, i segnali sono trasmessi mediante bus di campo  standardizzati. Ciò offre due vantaggi importanti.

Da un lato è necessario solo un cavo del bus, il che riduce sostanzialmente l'impegno di cablaggio. Dall'altro, oltre ai segnali di misura, dall'amplificatore al sistema di controllo si possono trasmettere insieme i dati diagnostici, consentendo così un veloce monitoraggio preventivo della macchina. Un ulteriore vantaggio dell'amplificatore PMX è che al suo interno si possono immagazzinare fino a 1000 serie di parametri, richiamabili quando serve. Ciò consente l'adattamento della pressa a nuovi compiti, virtualmente senza alcuna perdita di tempo.

Concetti per il servizio e la manutenzione intelligenti

Il PMX presenta molteplici meccanismi per la diagnostica ed il controllo della manutenzione. In primo luogo, la plausibilità di tutti i segnali dei sensori e dei componenti interni dello strumento viene verificata permanentemente. Ciò consente la segnalazione diretta dei sensori difettosi, rotture dei cavi o strumenti difettosi nel sistema di controllo della pressa. L'impostazione di valori limite e bande di tolleranza nel PMX permette di identificare e segnalare le deviazioni dalla tendenza già prima che la macchina venga danneggiata o sia costretta a fermarsi. In caso di guasti, è possibile rilevare se il PMX è operativo o no (Live-Bit), consentendo la rapida risoluzione del problema. Ciò significa che il PMX visualizza simultaneamente i segnali di forza mediante numerose uscite analogiche. Questo consente agli ingegneri di servizio in loco della pressa di utilizzare la strumentazione di misura a portata di mano per determinare se i segnali sono ancora disponibili come richiesto. Ciò consente l'ulteriore limitazione dei guasti del sistema di controllo.

Tuttavia, il PMX offre ulteriori meccanismi per la manutenzione intelligente. Oltre alla parametrizzazione e visualizzazione degli strumenti mediante il web server interno, è anche possibile trasmettere i dati da visualizzare mediante la rete della macchina o quella aziendale, poiché per la trasmissione viene utilizzato il protocollo standard Ethernet TCP-IP. A condizione che siano disponibili le misure di sicurezza quali i firewall e l'accesso di servizio con il protocollo SNMP, la diagnostica mediante il PMX è possibile perfino sotto forma di manutenzione remota in tutto il mondo. I tre livelli di gestione utente PMX, assicurano che tutti gli utenti possano operare coi ed impostare i dati di loro esclusiva competenza. L'operatore del sistema può poi decidere se sia necessario il costoso intervento del service dalla sede centrale o se, per risolvere il problema, sia sufficiente l'intervento dei tecnici di servizio locali.

Indicazione chiara e concisa dei valori di misura di tutti i canali. Gli errori di produzione vengono visualizzati immediatamente.

Si possono aggiornare gli impianti esistenti con i sistemi di controllo della pressa?

In generale, tutte le presse possono essere aggiornate con i moderni sistemi di monitoraggio della HBM. Il potenziamento e l'ammodernamento ha particolarmente senso in tempi di difficile congiuntura economica. Non solo migliora la qualità dei prodotti fabbricati, ma si prolunga sostanzialmente anche la vita operativa della pressa. La HBM offre know-how tecnico per trovare la posizione ottimale di installazione dei trasduttori di forza o deformazione determinandola mediante analisi FEM. Essi differiscono per ogni pressa dipendendo dalla struttura e, successivamente, sono decisivi per la significatività dei dati di misura. Inoltre, gli ingegneri di servizio della HBM sono esperti qualificati nell'installazione degli estensimetri sulle presse o nel montaggio di completi trasduttori di deformazione. La HBM si offre anche a gestire la preparazione e dirigere il progetto, dall'integrazione della strumentazione elettrica al collegamento del bus di campo e relativa documentazione. Se la catena di misura dovesse essere tarata, o successivamente ritarata, gli ingegneri di servizio HBM sono pronti ad effettuare la taratura in loco ed a fornire la relativa documentazione.

Conclusioni

L'integrazione dei moderni sistemi di monitoraggio basati sulle apparecchiature di misura e prova, sono la chiave per incrementare l'accuratezza e la produttività delle presse. La misurazione precisa delle forze della pressa è di vitale importanza - ad esempio utilizzando trasduttori di forza installati direttamente nel flusso di forza, oppure trasduttori di deformazione per la misurazione indiretta con la forza derivata (shunt).

L'impiego dei sistemi di amplificatori allo stato dell'arte offre la connessione comoda e conveniente ai comuni standard di Ethernet Industriale ed i sistemi di controllo sono un altro fattore cruciale per i moderni sistemi di monitoraggio delle presse. I principali costruttori in tutto il mondo ripongono la loro fiducia nelle apparecchiature di misura e prova della HBM per migliorare le prestazioni e la prontezza operativa delle loro presse.

Gli autori:
Michael Guckes / Thomas Kleckers

Monitoraggio del processo con amplificatori di misura convenzionali, alta cadenza di scarti dovuta alle imprecisioni di misura
Incremento dell'efficienza col PMX, resa ottimale grazie ai precisi risultati di misura

Trasduttori di deformazione della HBM

Amplificatore industriale PMX

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