在机质量控制检测技术

作者：张宪 编译

欢迎访问e展厅 展厅 6 量具展厅 检具, 方箱, 平台/平板, 角尺/平尺, 弯板, ... 在不久的将来，切削加工的质量控制检测可能会以如下方式进行：当机床对工件进行切削加工后，一束激光将对工件进行高速扫描检测，并将测得的尺寸信息下载到机床的CNC数控系统，CNC系统中联接有一个统计过程控制（SPC）软件程序，工件尺寸信息即下载到该程序中。如果任何一个工件尺寸呈现偏离预设公差的趋势，SPC程序将对切削程序作出必要的偏移补偿或向操作者报警。然后SPC程序将向机床的CNC数控程序发出检查刀具的指令，以确定刀具是否已发生崩损或过度磨损。此外，如有必要，机床加工的SPC数据将与一台中心计算机共享，并可传送至整个工厂甚至几千英里以外的某地。以上过程在几秒钟之内即可完成。这种在机质量控制检测（on-machine QC inspection）方法将成为一种效率最高的工件检测方式。 这种检测方式能够实现吗？实际上，除了激光高速扫描检测以外，类似的在机质量控制方式早已存在。 在机质量控制技术的发展 随着在机床上引入测头用于工件位置的检测，在机质量控制技术即已发端。既然用一个测头能够精确地确定工件在夹具中的安装位置，那么为什么不能用它来检测工件尺寸和完成一台坐标测量机（CMM）的功能呢?为实现这一目标，必须有具备SPC/CMM功能并能评定加工机床精度的软件。 那么，为什么要在加工中心上进行质量控制检测呢？让质量控制部门来做这些检测工作而让机床完成更多切削任务不是更好吗？对此问题，美国密歇根州的冲压模具制造商Die Namic Tool & Design公司总裁Robert Whiting先生认为：“在加工中心上完成坐标测量机的检测工作可以解决许多问题。”他举例说，“假设一台冲床的模具在夜班工作时发生损坏，操作工人本可以马上对它进行修复并使冲床重新投入生产运行，但由于此时配置有坐标测量机的质量控制部门已关门下班，无人能对修复后的模具和机床进行精度检定，即使车间里安装了坐标测量机，机床操作工人也无法使用，因为他们通常没有接受过相关技术培训。在此情况下冲床只好关机等待，从而给企业造成经济损失。如果机床本身具有在机CMM检测功能，就可以直接在机床上对新模具或修理后重用的模具进行检测，在质量控制部门的人员到场之前即可完成机床精度检定并重新投入生产。” 为使加工中心能够具备在机质量控制检测功能，首先需要对加工中心的精度和技术支持条件进行检定认证，而且必须符合美国国家标准和技术协会（NIST）制定的可溯源的机床精度检定标准。此外，用接触式测头采集质量控制尺寸数据的精度要受到未知的机床精度的制约，这就意味着工件尺寸的检测精度可能难以满足规定的工件尺寸精度要求。实现数控机床在机质量控制检测需要克服的另一个障碍是确定机床的直线精度和工作空间精度。数控机床的运动相当复杂。例如，机床的每一个运动轴都可能包含6项误差，包括3项直线误差和3项角度误差（倾斜、偏转和滚摆）。对于一台三轴数控机床，就可能包含18项误差，再加上3项垂直度误差，总共可有21项误差。这些误差确定了数控机床的精度。 美国加州Shadow Automation公司副总裁Charles Haddock指出：“通常，不能在加工某个工件的同一台机床上对该工件进行检测，因为机床本身可能存在磨损和损坏，从而导致测得的工件尺寸信息不准确。此外，当机床的运动轴移动时，虽然机床的CNC数控系统可监测出主轴和床身的位置，但安装在主轴上的刀具随运动轴的移动轨迹可能会因为该运动轴存在磨损而出现几千分之一的偏差，从而导致刀具对工件的切削产生误差。随后用测头对工件进行检测时，测头的移动也会产生同样的偏差，这样就无法检测出刀具切削工件的误差，也就无法对其进行误差补偿。” 利用标定机床用的激光测量校准装置可以检测出机床运动轴的误差。ISO标准和NIST标准规定，坐标测量机或类似设备必须使用独立的、可对NIST标准溯源的测量仪器进行校准，为此可采用经NIST认证并附有精度检定证书的精密块规和球杆仪来完成校准工作。此外，检测规范要求被检设备（如数控机床）的精度水平必须达到所适用公差的10倍。 Haddock先生说，“一般而言，可用一台直线型激光测量装置对加工中心进行校准，并检测机床每个运动轴的平面度、垂直度、倾斜、偏转和滚摆等误差，为了保证机床加工出精密的工件，就必须进行上述的典型检测校准程序。” 机床空间精度的检测 但是，Haddock指出，上述检测方法并不能确定机床的空间精度，而只能提供机床直线运动轴的精度信息。如果运动轴存在误差，可以通过机床的CNC数控系统进行补偿。虽然这种独立的、实时的线性补偿可使加工误差得到控制，但它并不能使操作者获知机床的实际精度状况。而坐标测量机的强制性质量标准中规定，为了支持用户对质量控制的要求，必须提供准确的CMM实际精度数据。 为了实现在机质量控制检测，就需要检测机床的空间精度。通过检测确定了机床的空间位置误差后，就可以在在机测量软件中生成一张误差修正查询表，据此对机床的位置误差进行补偿。 目前，美国Optodyne公司已开发出一种测量机床空间精度的方法。该公司总裁Charles Wang博士指出：“机床制造商通常采用对机床进行直线（一维）校准的方法来保证零件的加工精度，但是，直线校准法对于保证三维零件的加工精度是不够的。”为此，Optodyne公司开发了采用激光多普勒校准设备的激光矢量（Laser Vector）技术，可实现对机床三维空间精度的检测校准和误差补偿。购置这种操作简便的激光检测设备在经济上其实是相当划算的，因为一台检测设备就可以满足3台或更多数控机床的空间精度常规检测需求。当然，用户也可以雇用专业服务机构来完成机床空间精度的检测。MD Calibrations就是一家为用户提供机床空间精度校准服务的专业公司，它同时也制造空间精度专用检测设备。此外，Renishaw公司、Hoffman Estates公司等也可以提供机床空间精度检测设备及服务。 机床经过空间精度校准和补偿后，其空间位置误差可被制成误差查询表或补偿表，并存入机床CNC数控系统内存中，用于修正测头位置。但是，作为一种具有相当高水平的创新技术，目前只有少数机床的CNC数控系统可以支持这种在机空间精度校准功能。因此，脱机检测校准系统的使用在目前仍有必要，这种系统不仅可以修正测头的空间位置数据，而且可以应用于目前在用的所有数控机床。通过空间位置误差修正，可以消除机床固有的形状和位置误差，实现对加工零件尺寸的精确测量。利用空间位置误差补偿技术，一台数控机床能够达到与坐标测量机一样高的精度水平，可以满足NIST标准规定的4∶1的测量－精度比（gage-accuracy ratio）。 完成了对加工中心的精度检定后，下一步就是选购测头并利用机床主轴的移动对工件进行尺寸测量。许多数控机床在销售时就已随机配置了用于工件定位检测的测头和软件，这些测头和软件支持尺寸测量接口标准（DMIS）规定的工件尺寸检测技术要求。测量完毕后，测得的工件尺寸偏差数据可以通过目前常用的大部分统计过程控制（SPC）软件系统方便地输出并生成质量控制图表。 将一个触发式测头集成到机床测量链中，即可检测出工件或刀具的尺寸。当测头与被测工件接触时，测针发生位移，测头马上产生一个触发信号并将其传送到机床的CNC系统。一旦测头与工件接触发讯，CNC程序即可获知相应的位置信息并将其存储起来。Haddock先生说：“测头不是别的，就是一个发讯开关。但测头如何实现测量触发时的开和关，却可以有各种不同的原理和方式，例如可采用红外光触发等。在评价或选择在机质量控制检测用的测头时，最重要的性能指标是重复性，在选购测头之前必须进行认真测试和比较。” 在机质量控制检测软件 在加工中心上实现在机质量控制检测的另一个重要条件是配置可从测头获取尺寸测量数据并通过数据处理实现加工质量控制的软件。Haddock先生指出，多年来，测量软件一直是在机质量控制检测面临的真正问题。由于在加工中心上配置具有CMM功能的测量软件非常昂贵，因此只有那些拥有许多数控机床的大型企业有能力支付这笔费用。 虽然测头制造商向终端用户提供的测量软件通常只用于采集工件尺寸数据，而不具备完整的统计过程控制（SPC）或CMM式测控能力，但Marposs公司提供的一种名为“Instant Productivity Cycle”的软件却可以将测头采集到的工件尺寸数据用于控制刀具偏移以补偿刀具磨损，这一过程既可由操作者手动完成，也可通过与机床CNC连接而自动完成。该软件将来甚至可以对机床的热膨胀变形进行补偿。 另一种可供选用的测量软件是Shadow Automation公司开发的“Metrolosys”软件。“这种检测软件能将任何一台数控机床转化为一台坐标测量机，”Haddock先生说，“制造商可以利用该软件实现加工前、加工中和加工后的质量控制，可以对机床设计、CNC编程和安装过程中产生的关键误差进行‘飞行（on-the-fly）’测量。此外，由于数控机床的加工范围较大，因此可在机床上完成对许多超出CMM测量范围的大型工件的检测。终端用户可以利用该软件创建一个完整的工件几何尺寸和公差检测程序，并根据CNC机床上触发测头的检测数据直接生成GD&T（Geometric Dimensioning and Tolerancing，几何尺寸和公差）检测报告。” Metrolosys测量软件是为在机检测被加工零件而开发的一种基于CAD的编程和报告系统，它采用DMIS编程语言，可使一台CNC数控铣床快速具备CMM测量能力，适用于任何配备了测头的CNC数控铣床。该测量软件可提供独立的空间误差测绘功能和先进的高速触测方式，并可自动生成检测G代码。用户可以很容易地为离线机床编制一个检测程序，操作者运行程序并将检测结果发送回质量控制部门，即可自动创建出符合ASMEY14.5标准的GD&T检测报告。 在机质量控制应用实例 早在十多年前，Pratt & Whitney公司位于康涅狄格州的喷气发动机制造厂就已开始在加工机床上检测和验证工件。决定开展此项工作基于许多因素，但主要的动力来源于在最短时间内加工出100％合格零件的客观需求。不同的校准、探测和程控技术使实现这一目标成为可能。 Pratt公司的生产负责人Jeff McCoy先生说，公司制造的大型喷气发动机的密封度对发动机前部、中部和后部的尺寸精度要求很高，典型的加工公差为±0.005″。此外，公司还生产钛合金、Waspoloy和Hastex高温镍基合金以及不锈钢材质的大型航空零件。在对机床进行精度认证时，Pratt公司实际上并非按照现行GD&T标准的质量保证要求，对所有加工机床均按已100％加工完毕工件的测量要求进行精度检测，而是也对当前正在加工的工件直径尺寸范围进行检测。对于具有不同直径尺寸的不同工件，都必须对相应的机床加工范围进行精度验证。对机床的精度验证每6个月进行一次。 McCoy先生说，该公司原来是在三坐标测量机或计量室检测仪器上对加工过程中的工件进行质量管理检测，但这种检测方式存在不足之处。例如，在加工一件贵重工件时，在完成半精加工后需要对工件尺寸进行测量，并根据刀具磨损量或工件的尺寸偏差调整机床。由于存在许多变数的影响，机床有可能并不是在所要求的正确位置对工件进行切削。当操作者用测量仪器对工件进行检测后，如果需要在机床上进行刀具补偿，操作者可能向机床数控装置输入0.010″（而不是真正需要的0.001″）的补偿量，其后果将造成可能价值10万美元的工件完全报废。 为弥补这一不足，该公司已使用在机测头来检测正在加工的工件，该测头能够在机床上对刀具补偿量进行自动更新。实际上，该公司是利用机床软件的macros命令和经过改进的机床自动检测软件在机床CNC数控系统中对测头检测进行编程。采用这种在机检测技术后，为公司节省了大量的费用。 为了最大限度地提高工件加工质量，利用在机检测技术既可以在质量控制部门（计量室）之外对批量加工的工件进行检测，也可以在质量控制部门内通过遥控操作进行检测。在支持相同加工要求的前提下，在机检测技术为质量控制部门提供了一种新的检测手段，将对工件的测量延伸到了车间现场，可使CNC数控机床在无需坐标测量机的条件下实现对加工工件的精度校验。为了改进加工工艺，在机检测技术的应用已日益增多，它除了可在提高加工能力、降低生产成本上发挥重要作用外，同时还具备其它许多优势，如缩短加工周期、提高装夹速度、校验刀具以及对刀具磨损进行补偿等。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/12/2006)