Grazie all’Industria 4.0, le aziende hanno abbracciato un’idea molto più estesa della metrologia, non più relegata al solo reparto «controllo qualità» ma integrata nel processo produttivo attraverso la generazione dei dati
di Patrizia Ricci
Negli ultimi anni, con quella che viene definita quarta rivoluzione industriale, abbiamo assistito ad un cambiamento dell’industria grazie al quale le fabbriche sono diventate sempre più automatizzate e interconnesse, basate sui dati e la creazione di valore. Ecco che metrologia e Information Technology dovranno essere sempre più legate tra loro per poter fornire informazioni tempestive e corrette al fine di intervenire sui processi produttivi in chiave di continua ottimizzazione. Punto di partenza per la trasformazione della propria fabbrica in una smart factory, ossia una fabbrica intelligente sono i dati, i Big Data, che permettono non solo di controllare la produzione, ma anche di migliorarla grazie a modelli predittivi. Per ottenere questa mole di dati è quindi fondamentale disporre di un sistema metrologico intelligente e interconnesso. Qual è dunque il contributo che la metrologia può fornire all’industria 4.0? Quali sono i requisiti della metrologia al servizio dell’Industria 4.0 e cosa questo implica in termini di progettazione del processo produttivo e di controllo?
Il contributo della metrologia all’Industria 4.0
Il sistema metrologico intelligente e interconnesso che genera i dati necessari ad attuare la trasformazione in fabbrica intelligente funge da piattaforma tra l’ambiente di produzione reale e la sua raffigurazione virtuale (il gemello digitale). Per generare le quantità e le tipologie di dati necessarie all’Industria 4.0, la metrologia impiegata deve poter soddisfare determinati requisiti. Una delle chiavi dell’Industria 4.0 è la ricerca dello sfruttamento ottimale delle risorse nell’ambiente di produzione, ovvero della maggiore efficienza possibile, che si ottiene riducendo al minimo i tempi di attrezzaggio con impianti flessibili, automatizzando i controlli qualità e ottimizzando la manutenzione con sistemi di automonitoraggio. L’Industria 4.0 tuttavia non si limita a chiedere alla metrologia impiegata nella smart factory, soltanto questi requisiti generici, ma va oltre esigendo una ridotta manutenzione, dati di misura in tempo reale, efficienza economica ed energetica, semplicità di integrazione nella linea di produzione, elaborazione dati e comunicazione integrate, più grandezze di misura in una, automonitoraggio e autoregolazione, elevata stabilità elettrica e meccanica. I sensori devono essere in grado di rilevare i dati in tempo reale e con la minor incertezza possibile, in un formato che possa essere elaborato e trasmesso nell’intero processo, dal sensore al cloud; la tecnologia impiegata deve essere integrabile senza problemi nella linea di produzione, deve potersi auto calibrare e deve richiedere di correggere il processo quando necessario; gli interventi di manutenzione, il fabbisogno energetico e naturalmente i costi dei sensori devono essere ridotti al minimo, pur garantendo un’elevata stabilità e resistenza ai fattori esterni, nella smart factory, infatti, la misurazione avviene sempre più sulla linea, all’interno dei processi produttivi, passando dal controllo a campione sempre più verso quello al 100 percento.
Il materiale di cui sono fatti i gemelli digitali
Il gemello digitale rappresenta la realtà di un prodotto o di un processo sulla base di dati e algoritmi. Un gemello digitale (dall’inglese “Digital Twin”) si riferisce a un modello virtuale di un’entità materiale o immateriale che può essere utilizzato per scopi diversi, per il quale a volte viene impiegato anche il termine “avatar digitale”. Grazie al gemello digitale, i modelli vengono parametrizzati in funzione dei dati reali di produzione. Come interfaccia tra realtà e rappresentazione virtuale, i sistemi di misura cyberfisici con i loro dati sono in grado di offrire la mole necessaria di informazioni. Il gemello digitale tuttavia consente anche associazioni a ritroso per l’adeguamento dei processi di monitoraggio. Grazie al gemello digitale è possibile prevedere eventuali anomalie di un prodotto o processo, da verificare poi in modo mirato sulla base dei dati reali di misura. Una tale misurazione guidata dal modello apporta dinamicità all’intervallo di verifica e apre alla programmazione di controllo, ad esempio per quanto riguarda l’intensità del controllo (ossia la frequenza dei campionamenti). L’ottimizzazione dei processi conseguibile grazie alla presenza di un gemello digitale è un esempio dell’ausilio offerto dalla metrologia, nel contesto di una Smart Factory, e dell’importanza della specifica attività di misurazione. Misurare è conoscere. La metrologia fornisce strumenti per la conoscenza oggettiva con cui poter assumere decisioni consapevoli.
La metrologia ottica e tattile nell’Industria 4.0
All’interno dei moderni ambienti di produzione, a seconda dell’applicazione, il metodo di misura ottimale vede spesso la sovrapposizione della tecnologia ottica a quella tattile. Nella maggior parte dei processi di misura ottici, grazie all’elevata densità possibile dei punti di misura, vengono generati e visualizzati già oggi grandissime quantità di dati e quindi è possibile tendere ai modelli virtuali di cui abbiamo parlato. Gli strumenti ottici utilizzano la tecnologia della Computer Vision in sostituzione dei trasduttori a contatto fisico. I sistemi di visione artificiale sono composti da una o più telecamere e da un sistema di elaborazione delle immagini acquisite tramite software dedicati. La telecamera è il trasduttore. In pratica si tratta di un tastatore «virtuale» di misura, in cui l’analisi software delle immagini acquisite permette di identificare le coordinate di punti appartenenti alla superficie dell’oggetto senza alcun tipo di contatto tra l’oggetto e lo strumento. Le tecniche di acquisizione possono essere sia bidimensionali (2D) che tridimensionali (3D). Le macchine di misura vengono identificate con la sigla OMM (Optical Measuring Machine), un termine molto generico che comprende tutti gli strumenti che sfruttano sistemi ottici per effettuare rilievi dimensionali di un oggetto. La caratteristica che accomuna tutti gli strumenti è il concetto di misura contact-less (senza contatto). Nelle O-CMM (Optical-CMM), tramite l’utilizzo di assi cartesiani si genera un movimento relativo tra oggetto e telecamera. Nelle CMM (Coordinate Measuring Machine) la telecamera sostituisce il tastatore. Gli strumenti a contatto sfruttano trasduttori a contatto fisico per la determinazione di punti sulla superficie del misurando. Nella metrologia tattile, il tastatore di misura è il trasduttore utilizzato nella misura a contatto. Il contatto tra il tastatore ed il misurando permette la determinazione di punti sulla superficie dell’oggetto. Grazie alla riconducibilità dei parametri alle norme DIN, nonché all’elevata precisione di misura e risoluzione, la metrologia tattile rappresenta per molte applicazioni ancora una metodologia vincente. Un ulteriore vantaggio è che, per il metodo tattile, la presenza di eventuali caratteristiche ottiche complesse come la lucentezza non rappresenta un problema. Nel caso di superfici impegnative, infatti, quando vi sono rifessi o tratti lucidi, la metrologia ottica fino a qualche tempo fa poteva incontrare qualche limite, oggi tuttavia superato grazie ad alcune soluzioni di visualizzazione immagini che riescono a compensare questo svantaggio del software. Non da ultimo, per le attività di misura standard i sistemi tattili possono risultare più convenienti da acquistare rispetto ad esempio ai sensori a fibra ottica. La sfida per l’Industria 4.0, in particolare nella metrologia tattile, è quella di integrare i dati di misura isolati nel contesto del prodotto complessivo e colmare le lacune rispetto al modello. Non da ultimo, rispetto al metodo ottico, la metrologia tattile richiede molto più tempo a causa della necessità di un contatto meccanico con l’oggetto di prova. Questo contatto meccanico può provocare inoltre danni a oggetti sensibili, il che rende necessario rilavorare il prodotto nella fase successiva. Ad ogni modo, NON esiste la macchina di misura perfetta. Il compito del metrologo è anche quello di definire il miglior strumento da utilizzare per ogni specifica applicazione.
Software metrologici
Il software è probabilmente la ragione principale per cui molti utenti di CMM decidono di aggiornare le proprie macchine: è l’aspetto con cui devono interagire quotidianamente. Una programmazione lenta, un’esecuzione imprecisa dei programmi, i rapporti di difficile comprensione e sistemi operativi ormai obsoleti possono danneggiare la produttività. I moderni software metrologici sono studiati per utilizzare al meglio le funzioni CAD, che consentono di eseguire rapide programmazioni fuori linea con dati nominali e di tolleranza che arrivano direttamente dal modello. I rapporti sono grafici e non tabulari, per facilitare la lettura dei dati di misura e consentire di decidere e agire di conseguenza. Sono inoltre disponibili funzioni che migliorano le prestazioni, come ad esempio una sofisticata mappatura degli errori e la compensazione termica. I software per la gestione e l’analisi dei dati devono necessariamente essere facili da utilizzare, intuitivi e, per quanto possibile, personalizzabili secondo le esigenze dei clienti e dei settori applicativi, al fine di trasferire e condividere le competenze di metrologia anche nei reparti produttivi. Attualmente sul mercato esistono release contenenti nuovi strumenti e tecnologie che aiutano gli utilizzatori di macchine di misura ad acquisire, valutare, gestire e presentare informazioni di produzione direttamente fruibili in modo più efficace, offrendo a ogni realtà il massimo valore. Sempre più spesso il software metrologico deve essere considerato un investimento per il futuro in quanto garantisce la compatibilità con i sensori più avanzati e con tutte le novità prodotte nel campo delle tecnologie di controllo, fra cui i sensori più innovativi che consentono di effettuare misure di superficiale su macchine di misura. Nel contesto economico attuale l’aggiornamento può costituire una soluzione economica e utile per l’ambiente. È noto infatti che la struttura di una macchina di misura non è soggetta a grande usura e può rimanere funzionale per molti anni. Tuttavia, a volte, le macchine di misura a coordinate di vecchia generazione, se non sono aggiornate in modo da tenere il passo con le nuove esigenze di misura, possono trasformarsi in colli di bottiglia. I recenti sviluppi tecnologici nei settori dei sensori, controlli e software metrologici hanno notevolmente aumentato le prestazioni delle moderne macchine di misura. Queste innovazioni non dipendono dalla struttura della macchina e possono essere implementate anche su macchine di vecchia generazione, offrendo oggi l’opportunità di trasformare le vecchie macchine di misura per aumentare accuratezza, rapidità e automazione, sfruttare nuove funzioni e godere di tutti i vantaggi della programmazione CAD. Ad esempio, le misure effettuate utilizzando 3 o 5 assi in movimento simultaneo consentono anche alle macchine di vecchia generazione di misurare con più rapidità, misurare più punti, con più accuratezza, e su più elementi, grazie alle infinite possibilità di posizionamento del sensore che garantiscono una flessibilità senza precedenti. La scansione a 5 assi è particolarmente adatta per la misura di pezzi complessi, che attualmente richiedono tempi di ciclo lunghi, oppure per misurare componenti di grandi dimensioni quando la produttività è un fattore prioritario. In altri casi l’aggiornamento a un sensore di scansione a 3 assi o a una sonda con modulo di cambio stilo può portare significativi vantaggi in termini di produttività e automazione, mantenendo bassi i costi. Di seguito alcune tra le più importanti aziende del settore presentano i propri prodotti e le applicazioni più innovative.
Lo sfogliabile completo
Ingegnere civile e PhD in Meccanica delle Strutture, ha svolto attività di ricerca nel campo della Meccanica della Frattura presso l’Università di Bologna e l’Imperial College di Londra. Appassionata di tecnologia e meccanica, con circa 15 anni di esperienza come redattrice e responsabile di redazione di riviste tecniche, da alcuni anni collabora con le riviste di Quine Business Publisher del settore Industry e Building, come autrice di articoli e approfondimenti tecnici.
