ИНСТРУМЕНТАЛНА МЕТРОЛОГИЯ
Michael Mariani
За да направите първият компонент прецизно, от
ключово значение е точността на обемното пози-
циониране на машината
Какво е инструментална метрология? Практичес-
кото определение на инструменталната метроло-
гия е следното – това е процес на вникване в
машинната точност чрез измерване. Точността на
машинния инструмент е пряк резултат от това до
колко точно се движи всяка отделна ос, както и са-
мите взаимоотношения между осите. В тази об-
ласт се фокусира “Обемното позициониране“,
което осигурява вникване в цялостната функцио-
налност на машината. Този подход за оценка на
инструменталната екипировка е в рамките на ця-
лата работна зона, като осигурява по-детайлен
поглед върху поведението на машината в сравне-
ние с други техники. Концепцията, използвана от
1985 г. в CMM индустрията вече бавно започва да
се възприема от производителите на инструмен-
тална екипировка. В края на краищата, точността
на позициониране на машината определя възмож-
ностите й за постигане на желаните функционални
толеранси - с други думи производителността й.
В много цехове, проблемите на качеството и про-
изводителността се определят в рамките на самия
завод. Те се превръщат в част от фона, когато
става въпрос за графика, подбора на машините,
както и служителите. Много цехове приемат, че
машината няма да бъде в състояние да поеме
някои отклонения или че са необходими някои три-
кове, за да направи добър детайл. Някои произво-
дители дори са приели, че машината е с
ограничени възможности само в определени об-
ласти на работния обем и те съответно огранича-
ват работата си до тези области.
Много типично за производителите е несъзна-
телно да изразходват значителни ресурси, когато
става дума за точността на машините. Възможнос-
тите за подобряване на производителността, за-
легнали в концепцията за инструменталната
ИНСТРУМЕНТАЛНА
МЕТРОЛОГИЯ
точност може да предоставят значителни предим-
ства. Всеки производител се бори да съкрати пър-
вата част от проверката, да оптимизира бъдещите
толеранси или да премахне излишните вторични
операции, което може да доведе до значителни пе-
чалби, в резултат на повишаване на производител-
ността чрез съсредоточаване върху
инструменталната метрология.
Посредством по-доброто разбиране на грешките
при инструменталната екипировка и технологиите,
към които може да се адресират тези грешки,
много цехове не само ще забележат подобрение в
качеството на техните детайли, но също така ще
се възползват от увеличаване на производител-
ността и от предимствата да бъдат по-гъвкави.
Идеалният вариант за машинна обработка би бил
квадратен детайл с изчистени линии по всяка ос.
Машината ще може да премине през всички пред-
видени точки в пространството по всички оси. Опе-
раторът ще има възможност да зареди програмата
за управление и да знае, че предварително зада-
дените метални части ще бъдат премахнати точно,
както е предвидено, като ще произвеждат геоме-
трии, които са напълно съвместими с матрицата
или твърдотелния модел. При тези условия, може
да се предположи, че каквото и несъответствие в
детайла да се получи, то ще е само функция на
неправилна настройка, складови проблеми или
програмни грешки.
В действителност, обаче, машинната обработка
включва множество променливи, които реално се
намират в границите между идеалния случай, и
това, което действително се случва на ниво цех.
Много цехове са принудени да се справят с про-
бити отвори, които не са с кръгла форма, повър-
хности, които не са плоски и функции, които не са
разположени по най-добрия начин. С опит и уме-
ния, тези проблеми могат да бъдат разрешени
чрез компенсации в пътя на режещия инструмент,
модифициране на програмите на детайлите, заба-
вяне на подаването и скоростите, настройка на
дълбочината на обработка, както и различни други
методи. В резултат на това, машинните грешки са
взети под внимание.
В производствените среди е прието, че ще има
грешки в процеса на машинна обработка и впо-
следствие са разработени инструменти, които да
се справят с тези грешки. Но тези средства се за-
нимават само със симптомите на машинните
грешки, но не и с това къде се коренят причините,
което продължава да бъде огромно недоразуме-
ние.
Методите за измерване на грешки се базират на
различни теории и способи за събиране на инфор-
мация, което основно се използва за изчисляване
на 3-D точността на машинния инструмент. Мето-
дите се различават по отношение на нивото на
сложност и пълнотата на събраната информация.
Много хора имат практически познания по отноше-
ние на инструменталните грешки, базиращи се на
това, което са предприемали в миналото и са
склонни да не забелязват други, по-малко ди-
ректни грешки или погрешно да отбелязват да-
дено несъответствие в следствие на метрологична
грешка. Всъщност има много повече от шест
грешки, които могат да бъдат приписани на всяка
от машинните оси: три транслационни и три рота-
ционни, както и грешки в разположението на осите
една спрямо друга (XY, YZ, ZX). За три-осен обра-
ботващ център, това означава наличие на 21 по-
тенциални източници на грешка. Това е
най-широко приетата гледна точка по отношение
на обемната точност и измерването на тези
грешки, включващо използването на лазерни ин-
терферометри, които да направят измервания на
предварително определени точки по всяка ос и
после се сравнят измервания с номинала.
Нетният ефект от всички тези грешки е, че премах-
ването на материал чрез върха на инструмента не
е точно там, където е зададено от командите. В
някои случаи разликата между програмираните и
реални размери е пренебрежимо малка, но когато
обработвате детайли с особено строги толеранси
(като отвори за болтове при свързване), тези
грешки, може да превърнат детайла в такъв, който
може да носи пари или производствени отпадъци,
които ще ви изядат печалбата.
Ако операцията е повтаряща се, като например да
се направят корекции на инструменталния път, то
тя е ясна и бърза. Въпросът е, колко струват тези
корекции/повторения като цена на труд, мате-
риали, машини и капацитет? Колко мостри на де-
тайли са обработени? Колко часа за допълнително
програмиране ще са необходими? Колко машинно
време/капацитет се използва? Колко календарно
време се губи? Ако отговорите на някои от тези въ-
проси са предпоставка за значителни годишни
разходи или създават ограничения по отношение
на капацитета на ключовите машинни инстру-
менти, се съсредоточете върху главната причина,
като използвате машинната метрология.
Няма съвършено обработен детайл, при обработ-
ката на всички машинни детайли се допускат
грешки, предизвикани от извъртане и подравня-
ване, които биха довели до несъвместими резул-
тати в работната зона. Едно предизвикателството,
стоящо пред повечето производствени звена, е да
се открият тези области в рамките на работната
зона, в които могат успешно да се направят детай-
лите. Super tuning се фокусира върху оптимизи-
ране на ключовите грешки при закръгленията, ба-
зирани на специфичния структурен дизайн на
машината, което води до последователно позицио-
ниране в рамките на цялата работна зона.
В TechSolve Inc. се използва Smart Machine Platform
Initiative (SMPI) – програма, която се стреми
да прилага различни технологии за постигане на
целта на - “First Part Correct”. Една от областите,
обект на изследването е инструменталната метро-
логия. Метрологията може да идентифицира и да
коригира инструменталните грешки, които имат
значително влияние върху възможността да се на-
прави детайла правилно от първия път. Independent
Quality Lab (IQL) бе подкрепена от TechSolve
при извършване на първоначалните измервания
на тестовата база на SMPI на HMC 35 машинен
център, след което извършва сериозна настройка
на машината, както и измерване на постигнатите
разлики в производителността.
Какво е супер тунинг? Той настройва действител-
ната геометрия на машината на ниво микрони
след като инструментът вече е прикрепен към пода
с изключително силни епоксидни продукти. След
като машината вече е застопорена, се използват
няколко инструмента (като например, лазерни ин-
терферомер, керамични квадрати и електронни
нива) с цел механично и електронно определяне
на грешки в рамките на машинния инструмент.
Тези измервания позволяват да се настрои маши-
ната, така че да се намалят грешките.
Първата стъпка от процеса е настройка на маши-
ната. Критичният момент е да се уверим, че е за-
стопорена на точното място и да се анализират
параметрите на обработка на материалите, достъп
до електрически табла, облекло и други проблеми.
След като позицията на машината вече е опреде-
лена, пода трябва да бъде почистен и подготвен,
старите OEM подложки, трябва да бъдат заменени
с нови, а мострите да са поставени около всеки
тампон.
След като машината е била поставена на подхо-
дящото място, трябва да бъдат направени някои
измервания. Independent Quality Labs използват
ASME B5.54 стандартите, за да обявят целия тест
за изпълнен. Едновременно с това, се събира ин-
формация за всяка от геометричните грешки на
машината, включително реакция и възстановя-
ване на грешки. След като тази стъпка е завър-
шена, може да се вземат решения относно
качеството на машинните средства, не само от
гледна точка на настройката, но и по отношение
на основните компоненти, които не могат да се
представят и специфицират точно.
Машината може да бъде настроена да намали или
елиминира грешките, ако те са количествени. Въ-
преки, че процедурата за промени е много точна,
идеята е ясна. Всички корекции се правят на под-
ложки на пода. Промишлени епоксидни смоли за-
крепват подложките здраво на мястото им, но
всички имат винтове за корекция, които могат да
бъдат използвани буквално, за да се обърне рам-
ката на машината в подходящата позиция. Един
добре обучен техник трябва да бъде в състояние
да направи необходимите настройки на машината,
което значително ще намали много от грешките,
открити в първоначалното измерване. След като
процесът super tuning е завършен, може да се из-
върши периодичен тест за идентифициране на
промени, като част от плановия график за преван-
тивна поддръжка на машината.
Преди тестовия уред SMPI да бъде подложен на
super tuning, тестът е извършен до изходно състоя-
ние на машината. Констатациите при тестовете по-
казват, че са налице значителни проблеми при
перпендикулярното разположение на Х и Y осите
на машината, а също така, че има голяма нужда
от подобрение. Тези проблеми влияят върху въз-
можността да се обработват детайлите в рамките
на изискваните спецификации, което е от същест-
вено значение за “First Part Correct” философията.
Въпреки това, тази машина не беше в толкова
лошо състояние, колкото хиляди нови машини,
които са закупени и продадени в САЩ и пуснати
да произвеждат компоненти за големите произво-
дители. Позволявайки на машинния инструмент да
остане в състоянието, в което е бил, гарантирате,
че всички тези проблеми, породени от други про-
изводители ще се превърнат в част от ежедне-
вието на TechSolve testbed.
Съгласно предварително споразумение между
страните, компонент от тестовите уреди, дълга над
300-мм, би причинила проблеми при поддръжката
на функции, които изискват строга спецификация
на позициите не повече от ± 0,037 мм. За произ-
водствените звена, този вариант ще бъде причина
за голям процент скрап, кръпки при ЦПУ програ-
мата и постоянно регулиране на ръкохватката да
вземе част в рамките на спецификацията.
В случая с тестовете при Tech-Solve, Inc., super tu
ning подобрява обемното позициониране на ма-
шина с до 230% (± 0,016 мм) и намалява ефекта
от ъглови грешки в работен обем от 270%. След
super tuning, машината вече може да се позицио-
нира 2-3 пъти по-добре, отколкото можеше преди
това. Повторяемостта и обратната реакция също
бяха подобрени от 170% респективно на 270%,
което води до значително по-стабилни и точни ма-
шини.
Машинната производителност е мярка на способ-
ността на машината да създаде желаната геоме-
трия в рамките на изискваните толеранси през
известен период от време. Машината трябва най-
напред да бъде в състояние да създаде желаната
геометрията. След това, тази геометрия, трябва да
бъде в рамките на изискванията за допустимо от-
клонение. Постигането на желаните толеранси из-
исква комбинация от точност и повторяемост. В
повечето случаи, инструментите имат по-добра
повторяемост, отколкото точност на позициони-
ране. Въпреки това, пропускайки тази приблизи-
телно еднаква целева група, всеки път ще доведе
до лоша индустриална практика. Поради липсата
на официално оправдание за корекции/подобре-
ния, много оператори на машини и инженери-тех-
нолози продължават да работят с нищожната
точност на машините си. Въпреки направените
подобрения в точността на машините, може да има
каскаден ефект върху производителността.
