如果不進行定期檢查和維護, 數控機床會隨著時間的推移逐漸失去定位精度並引入誤差. 為了加工複雜, 高價值的飛機機身組件, BAE Systems藉助無線球杆儀系統來提供所需的機床診斷數據, 從而最大限度地確保產品質量和生產效率.
背景
現代飛機的機身組件製造對精度和品質一致性有著嚴格的要求. 機身組件的預期壽命必須與飛機的預期壽命相匹配, 因此在金屬和複合材料的加工過程中, 確保生產質量和可靠性至關重要.
黎明時分的塞浦路斯阿克羅蒂裡機場, 第11空軍中隊的一架颱風戰機準備起飛 (照片由BAE Systems提供)
全球防務, 航空和安全公司BAE Systems為歐洲颱風戰機(一款雙發動機, 三角翼布局多用途戰鬥機)生產多種關鍵的機身組件. 這款高機動性戰機自2003年服役以來, 已經列入了世界多個國家的空軍序列.
在英國布萊克本附近的薩默斯伯裡機場先進的製造工廠裡, BAE Systems的80多台數控機床正在高速運轉, 生產著颱風戰機和其他飛機所需的多種高價值機身組件.
為了確保零件質量穩定一致, 最大限度減少材料浪費並提高生產效率, 保持五軸機床的性能和產量已成為公司生產線工程師的主要職責之一.
因此, 定期進行數控機床檢測和校準檢查便顯得至關重要. BAE Systems在很早之前便使用了雷尼紹的QC10球杆儀機床診斷系統. 此後, 為了提高靈活性和易用性, 他們又開始啟用第二代無線球杆儀系統.
QC20-W球杆儀系統
如果數控機床的定位性能達到理想狀態, 那麼在任意兩軸組合中, 圓弧插補都會與設定的圓形軌跡完全吻合. QC20-W無線球杆儀可提供比較實際軌跡和設定軌跡的方法, 以此確定是否存在誤差.
用於機床性能診斷的雷尼紹QC20-W無線球杆儀
球杆儀內含高精度線性感測器, 每端各有一個精密球, 分別固定在兩個精密磁力碗座上: 一個磁力碗座安裝在機床工作台上, 另一個安裝在機床主軸上. 在這種布局中, 當數控機床按設定的圓形軌跡運行時, 球杆儀能夠測量半徑的細微變化.
飛行中的歐洲颱風戰機 (圖片著作權所有: BAE Systems)
訊號處理在球杆儀內部進行, 而數據通過無線連接傳輸至個人計算機中. 採集的數據用於計算定位精度(圓度和圓度偏差)的整體性能, 計算方法符合國際標準以及雷尼紹自己的分析報告標準.
球杆儀數據以圖形和數字兩種形式顯示, 可進一步幫助診斷機床誤差. 球杆儀組件包含50 mm, 150 mm和300 mm加長杆, 可用於診斷各種尺寸的數控機床.
挑戰
無論機床的類型, 規格, 工作負荷和使用率如何, 如果不加以維護, 即使是最好的數控機床, 定位精度也可能會隨著時間的推移逐漸下降, 從而產生加工誤差. 組件磨損, 碰撞造成的損壞, 安裝錯誤, 甚至是基座振動和環境溫度的變化都可能對精度造成不利影響.
在零件加工完成後才發現機床問題的代價十分高昂. 在BAE Systems製造的機身組件中, 很大比例都是由鈦合金材料加工製成的. 這種高強度, 輕質, 耐高溫和耐腐蝕的金屬材料價格不菲且日益緊缺, 需要提前一年向供貨商預定才可保障供應.
除了昂貴材料報廢造成的損失外, 機床誤差造成的數控機床加工時間損失更是難以挽回.
一件複雜的鈦合金機身組件一般需要機床加工40個小時. 重複生產出報廢組件會對企業的生產效率造成嚴重影響.
一個典型的例子是, BAE Systems的製造工程師曾發現在眾多的機床中, 有一台機床的加工精度正在緩慢下降, 車間操作人員漸漸對其性能失去了信心. 由于越來越難以生產出達標的零件, 問題機床逐漸被閑置, 而它原來承擔的工作量則被分流到其他機床.
要解決面臨的這些難題, 需要定期檢查數控機床的性能. 保持機床的定位精度對於確保質量和生產效率而言至關重要.
解決方案
為了協助定期進行數控機床的性能診斷, BAE Systems以前使用雷尼紹的QC10球杆儀系統來識別特定的機床性能誤差.
雷尼紹QC20-W球杆儀
現在BAE Systems開始使用第二代QC20-W無線球杆儀, 還啟動了一項涵蓋整個工廠的預防性維護計劃, 規定每周, 每月和每年對所擁有的60多台數控機床進行定期檢查.
通過詳細解析所有機床的QC20-W診斷數據趨勢, BAE Systems制定了一套可靠的誤差範圍基準, 以此對所有機床的性能進行快速檢查, 並允許操作人員做出 '繼續/不宜繼續' 使用機床的決定. 一旦數控機床定位精度出現任何大於30 µm的圓度誤差, 就需要立即展開調查.
接受過球杆儀培訓的機床操作人員可高效率地使用QC20-W運行診斷檢查, 這意味著這些檢查可以利用生產間隙完成, 這對產量幾乎不會造成任何影響.
同時BAE Systems還確定了球杆儀測試組件與數控機床的最佳數量比例. 這一比例為1:15, 這意味著在某一時刻, 有一撞球杆儀可離開工廠前往專業機構做年度校準檢查, 而其他球杆儀則可同時對車間內的不同機床執行性能檢查.
憑藉在不同類型的機床上使用QC20-W球杆儀所獲得的知識和經驗, BAE Systems現在能夠更深入地研究上文所述的那台實際上已退出生產序列的問題機床.
BAE Systems使用球杆儀觀察到了一個200 μm的XY圓度誤差. 他們使用球杆儀診斷軟體, 確定機床的主要故障模式為伺服不匹配造成的, 隨後占第二位的誤差源為較大的反向間隙誤差. BAE Systems維護工程師通過優化X軸驅動參數糾正了伺服不匹配問題, 然後他們使用球杆儀再次進行檢查, 以量化調整後獲得的改進.
然而再次檢查的結果顯示, 即使伺服不匹配已被消除, 機床仍存在嚴重誤差, 工程師們接下來又使用球杆儀和傳統量規進行了檢查和測量, 發現誤差是由於X軸的滾珠絲杆磨損造成的. 翻新滾珠絲杠並重設反向間隙補償值後, 機床這次達到了30 μm的XY圓度要求, 並重新加入了生產序列.
BAE Systems專業製造工程師Jim Walsh評論道: '使球杆儀檢測成為機床狀態檢查不可或缺的一部分, 這不僅有助於確保零件質量穩定一致, 對於那些曾被認為是已無法勝任工作的機床, 球杆儀還可幫助我們令其重新煥發活力. '
他繼續道: '使用球杆儀的診斷軟體可以自動分析結果並診斷誤差, 這意味著機床操作人員再也無鬚根據原理和公式費力地自己計算數據的真實含義, 確定問題的發生位置以及查找補救措施了. 這在實際生產中將節省大量的時間. '
結果
BAE Systems在加工高價值飛機機身組件的過程中面臨著諸多挑戰, 而將QC20-W無線球杆儀系統納入專門的數控機床預防性維護計劃, 則是其應對這些挑戰邁出的有益一步.
BAE Systems員工Jim Walsh正在使用雷尼紹QC20-W球杆儀
雷尼紹也在不斷更新球杆儀診斷軟體的功能, 在新版軟體的幫助下, BAE Systems旨在減少材料浪費和提高生產效率的主動性維護計劃將增添新的活力. 在萌芽階段便可找出導致機床誤差的根本原因, 不必到問題實際發生時措手不及.
過去, 漫長且代價昂貴的機床檢查和維修工作將導致出現大量的機床停機時間, 令企業難以承受;而現在, BAE Systems的機床誤差診斷幾乎瞬間便可完成, 這使得停機時間大幅減少. 此外, 藉助球杆儀診斷數據, 企業不再單純依賴機床製造商的服務和支援來解決相關問題.
藉助於雷尼紹球杆儀的診斷, 一台故障數控機床重新煥發活力, 車間生產效率和質量合規方面也取得了重大進展, 這令BAE Systems受益頗多.
詳情請訪問www.renishaw.com.cn/calibration