Trucchi e segreti dei riferimenti (datum)

Tutte le novità della nuova norma ISO 5459:2024 sui riferimenti (datum).

di Stefano Tornincasa

Si è più volte ribadito nelle precedenti rubriche che il riferimento o datum sia un elemento geometrico astratto, ottenuto attraverso un procedimento matematico di associazione col datum feature, cioè viene associata alla superfice reale (estratta e filtrata) un elemento ideale (piano, punto o linea) usando un algoritmo di approssimazione. Lo scopo principale è quello di identificare uno o più sistemi di riferimento cartesiani, con l’obiettivo fondamentale di orientare e localizzare le zone di tolleranze tridimensionali.

La nuova norma ISO 5459 dedicata ai datum è stata pubblicata nel 2024 e ha introdotto moltissime novità riguardanti i riferimenti, chiarendo molti dubbi e rendendo la normativa abbastanza coerente coi i principi della norma americana ASME Y14.5:2018. Di seguito sono riassunti i cambiamenti più significativi e importanti.

Indicazione nel disegno degli assi cartesiani tramite riferimenti

Le norme americane avevano introdotto questa possibilità già dal 2009 per rendere più semplice il processo di verifica del componente con macchine CMM. Nel mondo ISO, gli elementi di posizione (situation features) del sistema di datum sono costituiti da un piano (corrispondente al datum primario), una retta (l’intersezione tra questo piano e il piano corrispondente al datum secondario) e un punto (l’intersezione tra la retta del datum secondario e il piano corrispondente al datum terziario) che consentiranno di definire un sistema di coordinate cartesiane. In pratica, è possibile indicare nel disegno di un componente un sistema di coordinate destrorso che può essere dedotto dai datum specificati secondo queste regole:

1. L’origine delle coordinate coincide con l’elemento di posizione punto (situation feature).
2. Un asse viene allineato con l’elemento di posizione linea.
3. L’altro asse viene allineato al piano.
4. La label (X, Y o Z) del sistema di coordinate non ha alcun legame con la gerarchia dei datum.

Come è illustrato in figura 1, il sistema di coordinate viene indicato nel disegno con la sigla CS (Coordinate System) seguita da un numero se sul componente vengono specificati più sistemi. Nel disegno è inoltre obbligatorio indicare la sequenza dei datum usata per definire ogni sistema di riferimento. La figura 2 mostra gli elementi di posizione (situation features) che definiscono i due sistemi di riferimento.

Specifica nel disegno degli elementi di posizione (punti, linee e piani) tramite riferimenti

Nel caso di geometrie complesse e per evitare problemi di interpretazione nel processo di verifica, è possibile rappresentare nel disegno gli elementi di posizione (punto [PT], linea [SL] o piano [PL], con l’obiettivo di rendere più semplice l’individuazione del sistema di coordinate. Il punto viene rappresentato con un simbolo a croce, la linea con un tratto lungo e due trattini brevi (9.2 della ISO 128:2022) e un piano con un rettangolo i cui lati sono rappresentati con la stessa linea 9.2. La figura 3 mostra alcuni esempi di indicazione degli elementi di posizione sia per una rappresentazione bidimensionale che tridimensionale. Si noti che è anche possibile specificare la sequenza dei datum in modo indiretto, novità introdotta dalla nuova norma ISO 5459.

Specifica dei riferimenti con dimensione fissa o variabile

Quando il riferimento è un elemento con dimensione (feature of size, assi e piani mediani), è possibile specificarlo a dimensione fissa o variabile, usando modificatori.

Le figure 4 e 5 mostrano due diversi esempi di applicazione dei nuovi modificatori: nella figura 4, i datum B e C vengono specificati a dimensione variabile [SV] (il simbolo potrebbe essere omesso perché è anche un default). Nel processo di verifica, i due riferimenti sono utilizzati a una qualsiasi dimensione, nel range delle rispettive tolleranze dimensionali. Il datum B potrebbe essere simulato dall’asse di un cilindro espandibile (dimensioni variabili). Il datum C è invece simulato dal piano mediano di due elementi prismatici accoppiati alle due facce del pezzo alla minima distanza possibile.

Nel disegno della figura 5 viene usato il modificatore [SF] seguito da un numero che indica il diametro del cilindro simulatore (datum B) o la distanza fissa dei due elementi prismatici (datum C). Si può facilmente intuire che il datum a dimensione fissa renda possibile un guadagno in termini di tolleranza di posizione se i due elementi vengono prodotti a dimensioni vicine al minimo materiale.

Cambiamento del default per la definizione del datum primario

Il procedimento di associazione di default per la definizione del datum primario secondo lo standard ISO 5459:2011 era il procedimento denominato minimax vincolato. Significa cioè utilizzare un piano che riducesse al minimo la distanza massima assoluta tra il datum e il datum feature. La nuova normativa del 2024 prevede invece come procedura di default l’algoritmo “piano dei minimi quadrati col vincolo esterno”. Con essa si minimizza la somma dei quadrati delle distanze tra il piano candidato e il datum feature (fig. 6). Questa regola è in perfetta armonia con la norma ASME Y14.51 del 2019.

Chiarimenti sull’orientamento e posizione dei datum

Per definizione, gli elementi di riferimento localizzano tutte le altre entità, per cui è auspicabile che non siano localizzati. Pertanto, secondo la nuova ISO 5459, le regole e le definizioni utilizzate per definire un sistema di datum indicano che:

• la feature associata utilizzata per definire un datum secondario ha il suo orientamento vincolato al riferimento primario, senza vincoli di posizione;
• la feature associata utilizzata per definire un riferimento terziario ha il suo orientamento vincolato ai riferimenti primario e secondario, senza vincoli di posizione.

Nella pratica

In termini pratici, le ISO consentono di definire tre riferimenti tra loro perpendicolari, definiti solo in orientamento, mentre le norme ASME consentono anche di localizzare il datum secondario e terziario. Nella figura 7 il piano mediano dell’asola è referenziato come datum C e localizzato con una tolleranza di simmetria rispetto al datum B. Poiché per default le norme ISO non consentono di localizzare i datum, il datum C è referenziato solo in orientamento e non in posizione. Quindi il sistema di riferimento si orienta con un asse parallelo al piano mediano, ottenendo la configurazione A (si trascura la simmetria, ma rimane il parallelismo).

Se si vuole evitare questo problema, si aggiunge una nota in vicinanza del cartiglio (es. “Datum feature association subjected to orientation and location constraints”) per cui il sistema di riferimento avrà un asse perfettamente collineare col piano mediano dell’asola (configurazione B). Un altro esempio è riportato in figura 8. Il datum C può essere vincolato solo in orientamento rispetto ai datum A e B, per cui ha una distanza variabile dall’asse B. Il sistema di riferimento ha quindi un asse orientato dal piano associato al datum feature C.