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uando qualche anno fa Bonfi glioli ri-duttori ha avviato il progetto fi nalizzato a migliorare l’affi dabilità e la precisio-ne degli strumenti di calcolo, le pos-sibili potenzialità degli strumento non erano ancora del tutto chiare. Oggi, dopo circa due anni di utilizzo e con-solidamento degli strumenti, si posso-no trarre i consuntivi dei risultati rag-giunti e puntare agli obiettivi futuri. Un unico strumento di calcolo ade-guatamente complesso per le esigen-ze della Ricerca e Sviluppo, ma con un interfaccia idonea all’utilizzo da parte di centinaia di utenti nella re-te tecnico-commerciale worldwide di Bonfi glioli; oltre 40.000 calcoli ese-guiti negli ultimi 24 mesi su centinaia di confi gurazioni diverse di prodotto.

Metodologia tradizionale di calcoloL’aumento della gamma dei prodotti Bonfi glioli, nelle innumerevoli confi gu-razioni, l’elevato numero di componenti

meccanici nella catena di trasmissione della potenza (ingranaggi, alberi, cu-scinetti, accoppiamenti albero/mozzo), la necessità di dover utilizzare diverse normative e standard internazionali di calcolo e verifi ca sempre in evoluzione, ha via via reso sempre più comples-sa la gestione dei programmi e meto-di di calcolo. Prima dell’avvio di questo nuovo processo, la metodologia utiliz-zata per analizzare le prestazioni di ri-duttori industriali era basata sull’impie-go di tool di calcolo sviluppati tramite molteplici programmi e linguaggi infor-matici differenti. Per ogni elemento del-la “catena cinematica” erano stati svi-luppati programmi dedicati che non dialogavano tra di loro, di conseguen-za unire i reciproci effetti per comporre il riduttore richiedeva un grande sfor-zo, un lavoro lento e soggetto a facili er-rori (ad esempio convenzioni e sistemi di riferimento diversi per ogni ambien-te di calcolo). Ogni operazione di ma-nutenzione e aggiornamento era diffi -

coltosa e poco effi ciente. La valutazio-ne delle prestazioni complete di un sin-golo riduttore (coeffi cienti di sicurezza ingranaggi, alberi e accoppiamenti, du-rata cuscinetti) richiedeva lunghi tem-pi e impegno di professionisti del cal-colo e simulazione. L’utilizzo era quin-di riservato a un’utenza specializza-ta sia sul prodotto, sia sulle metodolo-gie e norme di calcolo. La divulgazio-ne all’esterno era preclusa e soprattut-to pericolosa, in quanto i tool di calcolo potevano lavorare solo con il database dei dati costruttivi dei prodotti, collega-to al programma stesso (e scarsamen-te proteggibile).

Evoluzione dello strumento di calcolo utilizzato Il progetto è stato sviluppato all’inter-no della divisione Power Transmission Solutions di Bonfi glioli che gestisce la gamma più ampia di moto-riduttori: ri-duttori ad assi paralleli, ortogonali, epi-cicloidali, vite senza fi ne.

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NELL’ATTUALE EPOCA INDUSTRIALE 4.0, PARLARE DI STRUMENTI DI CALCOLO POTREBBE SEMBRARE UN TEMA UN PO’ DATATO, MA QUANDO SI VUOLE GESTIRE CON LO STESSO STRUMENTO DI CALCOLO MIGLIAIA DI POSSIBILI CONFIGURAZIONI DI PRODOTTO, CENTINAIA DI UTENTI, AGGIORNAMENTI PRESSOCHÉ SETTIMANALI DEI MODELLI DI CALCOLO, INNUMEREVOLI NORMATIVE E STANDARD INTERNAZIONALI E QUASI INFINITE CONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO DEI PRODOTTI, ALLORA VI SONO TUTTI I PRESUPPORTI PER CENTRARE GLI OBIETTIVI DI “INDUSTRIE 4.0”.

Matteo Zucchini R&D Bonfi glioli Riduttori

nella simulazione dei riduttoriAffi dabilità e fl essibilità

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Fig. 4 - Prove di impronta di contatto sul fi anco denti di ingranaggi conici.

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La prima fase è stata quella di racco-gliere e razionalizzare i fogli di calcolo in un unico ambiente di lavoro e con un unico linguaggio di programmazione, tramite l’utilizzo di software commer-ciale di provata affi dabilità (KISSsys). Lo sviluppo del software e l’aggiorna-mento delle norme viene così deman-dato al fornitore, in modo da liberare ri-sorse interne all’azienda, per concen-trarsi sulla vera creazione di valore ov-vero l’ aumento delle prestazioni del prodotto grazie ad un maggiore gra-do di precisione e affi dabilità degli stru-menti di calcolo conseguente ad una affi nata correlazione tra prove speri-mentali e calcolo. Importanti sono sta-ti gli investimenti di Bonfi glioli nella for-mazione del personale e nella realizza-zione dei modelli di calcolo e nella veri-fi ca e validazione dei risultati. Un unico database alimenta così un unico sof-tware, snellendo e velocizzando il pro-cesso di dimensionamento e verifi ca. Su un disco di rete, accessibile solo da-gli utenti dell’uffi cio tecnico si trovano i fi les con i modelli dei riduttori suddivi-si per tipologia (assi paralleli, ortogona-li, epicicloidali, viti senza fi ne) (Fig. 1). Con lo stesso fi le di “assieme” sono gestiti riduttori di grandezza e rappor-to differente per una migliore gestione dei calcoli relativi alle diverse geometrie

di alberi, cuscinetti e ingranaggi. L’atti-vità ha comportato l’introduzione del-le più moderne metodologie di calco-lo, supportate da norme di internazio-nali ISO 6336, ISO 10300, ISO 281, DIN 743, DIN 6892, ISO/TR 14179. Per completare l’affi dabilità del nuovo processo, si è resa necessaria una ca-pillare e metodica attività di correlazio-ne tra lo strumento di calcolo e le rela-tive normative internazionali con i test sperimentali sui diversi prodotti di rife-rimento all’interno della vasta gamma prodotto.

Test sperimentaliLe normative di calcolo internazionali (ISO/AGMA/DIN) permettono un cer-to grado di libertà nella scelta di alcuni parametri specifi ci per il calcolo delle prestazioni dei componenti meccanici. Partendo da questa constatazione, si è reso necessario eseguire alcune prove sperimentali fi nalizzate ad individuare i corretti valori da utilizzare nel calco-lo dei riduttori Bonfi glioli. Prove di fatica su ingranaggi conici ipoidi per determi-nare il “fattore di vita” ZNT (ad esempio, curve di fatica a pitting), Fig. 2.Prove di bilancio termico per la verifi ca della corretta funzionalità del riduttore anche ad elevate temperature di regi-me (es. certifi cazione ATEX per diver-

Fig. 1 - Modello epicicloidale serie 300 alimentato dal database di fi le KISSsoft Bonfi glioli.

Fig. 2- Prove di fatica su ingranaggi ipoidi.

Fig. 3 - Prove termiche su riduttori ad assi paralleli HDP.

se tipologie di riduttori (Fig. 3). Prove su ingranaggi conici a spirale per valu-tare l’evoluzione dell’impronta di con-tatto e determinare il fattore di distri-buzione del carico sul fi anco dente KHβ-be (Fig. 4).

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Fig. 6 - Interfaccia WEB per l’inserimento dei dati di calcolo di un riduttore ortogonale A.

Fig. 7 - Report di calcolo con targhetta ATEX.

Interfaccia per Sales DepartmentIl server web è accessibile all’utente, generalmente un tecnico commerciale della rete vendita Bonfi glioli, tramite indirizzo https. L’esigenza nasce nel caso in cui il cliente richieda la valutazione specifi ca di un particolare riduttore soggetto a condizioni operative differenti da quelle normalmente rappresentate nei cataloghi di prodotto. L’utente inserisce le sue credenziali (utente e password) e accede ad una struttura ad albero che riporta l’elenco di tutti i modelli di calcolo (riduttori) disponibili sul portale.Dopo aver selezionato la voce che interessa, compare una maschera di interfaccia (HMI) (Fig. 6) nella quale fi nalizza la scelta del riduttore (dimensione e rapporto di riduzione) e compila tutti i dati applicativi: è possibile impostare velocità di rotazione, coppia o potenza da trasmettere, durata richiesta per la verifi ca di ingranaggi e alberi, forze radiali e/o assiali agenti sugli alberi di ingresso e uscita del riduttore e loro posizione nello spazio, tipologia di lubrifi cante per la verifi ca a pressione di contatto degli ingranaggi, duty cycle descritti in frequenza di applicazione, coppia e numero di giri, posizione

e confi gurazione di accessori di fi ssaggio del riduttore per calcolare coerentemente le reazioni nel caso di montaggio pendolare.È disponibile un’ampia scelta di normative di calcolo per valutare la prestazione di ingranaggi cilindrici e conici secondo ISO e AGMA, al fi ne di rispondere in maniera veloce ed effi cacie ai criteri di verifi ca richiesti dal Cliente. Oltre alla tradizionale verifi ca meccanica, è possibile eseguire la valutazione termica del riduttore, secondo normativa ISO/TR 14179 e valutazioni sperimentali svolte in azienda. In questo caso l’utente dovrà impostare ulteriori dati di input necessari a questo scopo, ovvero temperatura ambiente, posizione di montaggio, luogo di installazione, percentuale di funzionamento oraria e altitudine. Infi ne, per alcune tipologie di modelli di calcolo, è disponibile la verifi ca del riduttore per ambienti potenzialmente esplosivi “ATEX”: essa sfrutta la combinazione dei risultati delle verifi che meccanica e termica, valutando se il riduttore soggetto a particolari condizioni operative non supera i limiti termici previsti dalla direttiva.

Per rendere più immediata la compilazione dei dati, la maschera presenta liste, campi numerici con range di valori prefi ssati e fi gure. Ne deriva un’ampia personalizzazione dei parametri di calcolo, al fi ne di descrivere in maniera coerente l’applicazione del cliente.È ora possibile eseguire il calcolo che viene così elaborato dal server:• avviamento del processo kisssys.

exe e caricamento del fi le associato all’interfaccia web,

• compilazione dei campi del fi le con i valori presenti nell’interfaccia web,

• esecuzione della funzione di calcolo,• generazione del report di risultati in

formato pdf che viene visualizzato nell’interfaccia web e può essere scaricato.

Nel report sono riassunti tutti i dati di input, le normative di calcolo impostate e i risultati delle verifi che svolte (coeffi cienti di sicurezza di ingranaggi e alberi, durate cuscinetti, coeffi cienti di sicurezza per accoppiamenti albero-mozzo). Tutti i calcoli eseguiti vengono salvati nella pagina personale dell’utente e possono essere richiamati successivamente nel caso sia richiesta

una qualche modifi ca. Tale funzionalità è particolarmente utile nel caso di verifi ca non soddisfacente: il report indica quale elemento della catena cinematica non risulta idoneo in ragione dei limiti prefi ssati, di conseguenza l’utente accede nuovamente al calcolo precedentemente eseguito e modifi ca uno o più parametri (coppia/velocità/carichi). In questo modo è possibile individuare per quale condizione applicativa i coeffi cienti di sicurezza risultino compresi nei valori ammissibili. Se l’utente ha eseguito un calcolo ATEX, il report presenterà anche il fac-simile della targhetta da applicare sul riduttore (Fig. 7). Questa immagine è utilizzabile dal commerciale per formalizzare l’offerta ed è inviabile contestualmente al reparto produzione che la può realizzare. Il tempo richiesto all’utente per compilare i dati e al server per eseguire il calcolo mediamente non supera complessivamente un paio di minuti.Per alcuni utenti che lavorano a stretto contatto con clienti del settore navale e per i quali è necessario documentare il prodotto presso enti certifi catori (DNV, ABS, ecc…), è prevista un’autorizzazione differente che permette di generare report di calcolo dettagliati. In questo modo per i principali elementi che trasmettono la coppia (ingranaggi, alberi…) il report riporta tutti i fattori di calcolo e i limiti di fatica considerati, al fi ne di dimostrare in maniera chiara come si è arrivati al risultato fi nale (coeffi ciente di sicurezza). L’amministratore può richiamare qualsiasi calcolo e report realizzato dagli utenti, in modo da controllare gli accessi ma anche di affi nare il calcolo direttamente su KISSsys se necessario.Questo è realizzabile tramite la completa tracciabilità di tutti i calcoli eseguiti e la sincronizzazione dei due server (web e R&D).

Incremento dell’affi dabilità dello strumento di calcoloL’adozione del nuovo strumento di calcolo, la correlazione con prove sperimentali e l’analisi delle norma-tive di calcolo internazionali, ha de-terminato il raggiungimento di una serie di risultati, tra cui una miglior individuazione delle prestazioni dei

componenti critici dei riduttori e la possibilità di interventi mirati di otti-mizzazione. In ambiente KISSsys è stato sviluppato un applicativo per il calcolo automatico del catalogo (mi-gliaia di calcoli sviluppati in alcuni giorni di “tempo macchina” invece di settimane di “tempo uomo”) e a partire dall’anno 2013, si è applicato

questo processo ad alcuni prodotti:• riduttori epicicloidali serie 300, con un incremento medio della coppia no-minale del 6% rispetto all’analisi pre-cedente;• riduttori ad assi paralleli ed ortogona-li HDP e HDO, con un incremento me-dio della coppia nominale del 10% ri-spetto all’analisi precedente.

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Ottimizzazione del supporto tecnico alla rete commercialeLo strumento fino ad ora descritto resta comunque un software inter-no molto sofisticato e quindi riserva-to ad un’utenza estremamente spe-cializzata.Il passo successivo è stato quello di condividere la nuova piat-taforma software all’esterno dell’ R&D, mettendo a disposizione della rete tecnico-commerciale “world wi-de” di Bonfiglioli, un’interfaccia web a supporto della selezione e calcolo del prodotto. Il punto di forza è stato quello di uti-lizzare come motore di calcolo il me-desimo software e lo stesso databa-se; da sottolineare che i modelli di calcolo sono gli stessi sia che venga-no usati in R&D sia che vengano ri-chiamati da utenti web, opportuna-mente autorizzati. Ne consegue un aggiornamento in tempo reale nel caso di manutenzio-ne e/o implementazione di nuovi mo-delli di calcolo o dei dati di prodot-to. L’architettura del sistema preve-de l’esistenza di due aree (applicati-vo web e ufficio tecnico), che devo-no essere necessariamente collega-te tra di loro. Esse hanno caratteristiche differen-ti, in particolare il requisito del web è quello di avere accesso ai dati in modo semplice e fruibile, viceversa in area tecnica si ha a disposizione un ampio database contenete tut-ti i dettagli dei riduttori (geometrici, prestazionali…) che rappresentano il know how aziendale da mantene-re riservato. Il flusso di lavoro è rap-presentato in Fig.5. Il cliente fornisce al commerciale i dati dell’applicazione che vuole rea-lizzare. Il commerciale si collega al-la pagina web del portale protetto da un protocollo di crittografia, sele-ziona il riduttore più opportuno per l’applicazione, inserisce i dati rice-vuti dal cliente (coppia, velocità, ca-richi esterni, cicli di carico) e invia la richiesta di calcolo al server web, che lo esegue in alcuni minuti e pro-

duce il report dei risultati in formato pdf, già pronto per essere scarica-to, stampato e consegnato al cliente con l’offerta del riduttore. In questo modo è assicurata la si-curezza del database in quanto il server web, posto in un’area protet-ta, lavora solo come un “pre e post processing”, mentre il client (il com-merciale) non può accedere ai dati sensibili (geometria, materiali, crite-ri di verifica).L’amministratore, che lavora in R&D ha il completo controllo e il monito-raggio di tutti gli utenti e accessi. Tut-ti i calcoli (configurazione, condizio-ni di carico e risultati) sono archivia-ti nel server web, e possono essere successivamente ricaricati dall’uffi-cio tecnico per eventuali analisi di dettaglio (esempio: certificazione di prodotto). Il database del server web è alimentato da un processo di sin-cronizzazione con il server usato in ufficio tecnico. All’interno della rete locale azienda-le (identificata dal riquadro rosso e protetta dal firewall), sono stati re-alizzati i modelli di calcolo, utilizzati regolarmente con l’applicativo in lo-cale. È stato configurato un server web in DMZ (cioè separato dall’uffi-cio tecnico tramite firewall e protet-to verso l’esterno dal protocollo crit-tografato https). Il personale dell’R&D si è occupa-to di predisporre l’elenco dei ridutto-ri disponibili e di configurare le ma-schere di interfaccia utente.

ConclusioniL’adozione di un nuovo processo di calcolo in Bonfiglioli ha portato di-versi benefici in area R&D, tra cui un incremento delle prestazioni del pro-dotto grazie ad una maggiore affida-bilità e precisione dello strumento di analisi e una sensibile riduzione dei tempi di esecuzione del calcolo. I risultati di questo sviluppo sono stati presentati anche al recente congres-so sugli ingranaggi VDI International Gear Conference 2015 a Monaco di Baviera, riscuotendo grande interes-

se da parte degli operatori presenti. Il sistema Bonfiglioli denominato “PTS Tools”, basato su KISSsys web, ha di-mostrato fin da subito di essere par-te del panorama di strumenti di Indu-stria 4.0, con oltre 40.000 calcoli nei primi due anni di vita, effettuati onli-ne da ogni regione del pianeta, dai tecnici della rete Bonfiglioli.

Le sue funzionalità saranno a bre-ve ulteriormente potenziate con l’in-troduzione di un hardware più per-formante per affrontare elaborazio-ni sempre più sofisticate, che inclu-dono anche l’analisi termica e lunghi spettri di carico e un numero sempre crescente di utenti. Contemporaneamente proseguono le attività di integrazione con altri si-stemi gestionali aziendali per arriva-re ad una completa integrazione col “configuratore prodotto”. La struttura del portale consentirà inoltre un approccio a differenti livel-li di utilizzatori e alla selezione del ri-duttore suggerita in base all’applica-zione. Nel frattempo, altre divisioni del gruppo Bonfiglioli stanno popo-lando il portale con nuovi prodotti e funzionalità.

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Fig. 5 - Flusso del calcolo su web e in ufficio tecnico.

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