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Antonio Lanzotti » 5.Introduzione alla progettazione delle tolleranze: dall'intercambiabilità alla qualità


Obiettivi della lezione

La produzione industriale è affetta da variabilità naturale delle parti e, di conseguenza, anche degli assiemi. Per garantire l’intercambiabilità tra le parti fin dall’inizio della Rivoluzione Industriale sono stati assegnati intervalli di tolleranza da controllare in fase di collaudo.
La lezione mostra come il concetto di progettazione delle tolleranze sia evoluto nel concetto di Progettazione Robusta nell’ottica di approccio nota come Ingegneria della Qualità. Inoltre mostra come a partire dai requisiti funzionali possano essere definite le caratteristiche chiave dell’assieme, Key Characteristics-KCs, cui assegnare le tolleranze.
I requisiti funzionali richiedono attenzione poiché essi sono critici per le prestazioni, la sicurezza, o le regolazioni ed essi possono non essere raggiunti a causa della variabilità.

Intercambiabilità e funzionalità

Variazione ammissibile di una caratteristica geometrica.

Variazione ammissibile di una caratteristica geometrica.


Tolleranze

Le tolleranze assicurano l’intercambiabilità nella produzione industriale ed il rispetto di condizioni funzionali imposte dai progettisti che possono non essere ottenute a causa della variabilità delle parti.

Le tolleranze assicurano l'intercambiabilità nella produzione industriale ed il rispetto di condizioni funzionali imposte dai progettisti che possono non essere ottenute a causa della variabilità delle parti.


Dalle tolleranze alla Qualità

L’intervallo di tolleranza definisce due livelli di qualità per la parte: accettabile e non accettabile.

L'intervallo di tolleranza definisce due livelli di qualità per la parte: accettabile e non accettabile.


Perdita di Qualità

Funzione perdita, giudizi di qualità dell’utente e definizione del livello accettabile minimo della prestazione.

Funzione perdita, giudizi di qualità dell'utente e definizione del livello accettabile minimo della prestazione.


Caratteristiche critiche o robuste

Funzione perdita per una dimensione “critica” (in alto) e una dimensione “robusta” (in basso) per la soddisfazione dell’utente e limiti di tolleranza.

Funzione perdita per una dimensione "critica" (in alto) e una dimensione "robusta" (in basso) per la soddisfazione dell'utente e limiti di tolleranza.


Ciclo di Shewart – Ciclo di Deming

Ciclo di Shewart e ciclo di Deming (PDCA) come filosofia di approccio alla definizione, applicazione, verifica e modifica delle tolleranze.

Ciclo di Shewart e ciclo di Deming (PDCA) come filosofia di approccio alla definizione, applicazione, verifica e modifica delle tolleranze.


Progettazione robusta

Le tre fasi della progettazione robusta.

Le tre fasi della progettazione robusta.


Progettazione robusta

Schema logico della fasi della progettazione robusta con particolare riferimento alla progettazione delle tolleranze.

Schema logico della fasi della progettazione robusta con particolare riferimento alla progettazione delle tolleranze.


Diagramma p della progettazione robusta

La progettazione robusta richiede la definizione esplicita dei fattori di progetto, di disturbo e della prestazione o risposta del sistema.

La progettazione robusta richiede la definizione esplicita dei fattori di progetto, di disturbo e della prestazione o risposta del sistema.


Funzione di trasferimento

La relazione φ può essere:

  • Analiticamente nota in modo implicito od esplicito
  • Ingegneristicamente calcolata mediante codici di calcolo
  • Sperimentalmente valutata

In relazione al grado di conoscenza che l’ingegnere ha della funzione di trasferimento è possibile ottenere le 3 seguenti situazioni:

  1. conoscenza completa
  2. conoscenza parziale
  3. assenza di conoscenza

Combinazione ottimale di parametri di progetto

Due combinazioni di valori nominali dei fattori di progetto realizzano la prestazione obiettivo y0.

Due combinazioni di valori nominali dei fattori di progetto realizzano la prestazione obiettivo y0.


Problema diretto – Verifica delle tolleranze

Problema diretto: valutazione della differente sensibilità della prestazione finale alle variazioni prefissate dei parametri intorno al valore nominale.

Problema diretto: valutazione della differente sensibilità della prestazione finale alle variazioni prefissate dei parametri intorno al valore nominale.


Problema inverso – Sintesi delle tolleranze

Problema inverso: valutazione dell’ampiezza della tolleranza dei parametri intorno al valore nominale per ottenere un’ampiezza prefissata (Ty) della prestazione finale.

Problema inverso: valutazione dell'ampiezza della tolleranza dei parametri intorno al valore nominale per ottenere un'ampiezza prefissata (Ty) della prestazione finale.


Progettazione robusta di una superficie di contatto

  • RF (requisito funzionale) = contatto/appoggio
  • DP (parametri di progetto) = lati e raggio
  • Y0= area obiettivo (strategia: centrare l’obiettivo e minimizzare la variabilità)
  • Vincoli=nessun vincolo di forma; costo equivalente per forme regolari

Diagramma p

Progettazione robusta della forma di un appoggio.

Progettazione robusta della forma di un appoggio.


Concetto di progettazione robusta

La stessa prestazione obiettivo si ottiene con diverse combinazioni di parametri di progetto relative a tre architetture di prodotto.

La stessa prestazione obiettivo si ottiene con diverse combinazioni di parametri di progetto relative a tre architetture di prodotto.


Progettazione robusta: Quadrato vs Rettangolo

Ipotesi: parità di costo. 
Tre valori diversi dei fattori di progetto realizzano il valore ideale della risposta.

Ipotesi: parità di costo. Tre valori diversi dei fattori di progetto realizzano il valore ideale della risposta.


Intervallo di tolleranza simmetrico (+/- 1)

Casi limite: prestazione minima e massima ottenibili a causa delle variazioni dei parametri di progetto.

Casi limite: prestazione minima e massima ottenibili a causa delle variazioni dei parametri di progetto.


Progettazione robusta: Quadrato vs Rettangolo

Sensibilità della prestazione alla variazione dei parametri di progetto (il quadrato è più robusto).

Sensibilità della prestazione alla variazione dei parametri di progetto (il quadrato è più robusto).


Progettazione robusta: Quadrato vs Cerchio

Sensibilità della prestazione alla variazione dei parametri di progetto (il quadrato è più robusto).

Sensibilità della prestazione alla variazione dei parametri di progetto (il quadrato è più robusto).


Progettazione robusta: caso studio

La progettazione robusta può garantire maggiore qualità, a parità di costo del ciclo di vita, investendo in progettazione.

La progettazione robusta può garantire maggiore qualità, a parità di costo del ciclo di vita, investendo in progettazione.


I materiali di supporto della lezione

A. Lanzotti, “Progettazione Robusta di un elicottero di carta”, Atti del IX Convegno Nazionale ADM, Caserta, 1995, pp. 631-641.

A. Lanzotti, Asegnacion de tolerancia geometrica, in: La Interpretacion y la aplicacion de las tolerancias geometricas en el desarrollo de productos para la automocion, ISBN 84-607-0222-7, Cap.6, pp. 155-171, Geaca, Cluster de empresas de Automacion de Galicia, Vigo, 1999.

A. Lanzotti, S. Patalano, J. Serrano Mira, Cadenas de cotas y reparto de tolerancias, Capitulo II, Acotación Funcional, Ed. INGEGRAF, Bilbao, isbn: 84-95809-03-6, dep. Leg. BI-1169-01, 21-37, 2001.

A. Lanzotti, G. Monacelli, V. Petrella, A. Salerno, Validazione sperimentale di modelli virtuali per la gestione delle tolleranze di sottosistemi complessi dell'autoveicolo, Capitulo XI, Acotación Funcional, Ed. INGEGRAF, Bilbao, isbn: 84-95809-03-6, dep. Leg. BI-1169-01, 225-236, 2001.

A. Lanzotti, S. Patalano, G. Podda, Quotatura funzionale e quotatura secondo ASME: scelta dello schema di quotatura, Capitulo XII, Acotación Funcional, Ed. INGEGRAF, Bilbao, isbn: 84-95809-03-6, dep. Leg. BI-1169-01, 237-253, 2001.

Caputo F., Lanzotti A., Serrano J., A New Feature Based Approach To Functional Dimensioning And Optimum Tolerancing, FEATS 2001, ISBN 1-4020-7327-5, Valenciennes, Francia.

Logothetis N., Wynn H.P., Quality through design, 1989, Clarendon Press.

V. Srinivasan, ISO deliberates Statistical Tolerancing, in A. ElMaraghy (editor), Geometric design Tolerancing: Theories, Standards and Applications, Chapman & Hall, London, 1998.

P. Erto, Probabilità e Statistica per le Scienze e l'Ingegneria (III ed), Mc Graw Hill, 2008, Italia.

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