Качество - цена.
Addressing Machine Tool Errors
За да направите първият компонент прецизно, от ключово значение е точността на обемното позициониране на машината
Michael Mariani
Какво е инструментална метрология? Практическото определение на инструменталната метрология 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 самите взаимоотношения между осите. В тази област се фокусира "Обемното позициониране", което осигурява вникване в цялостната функционалност на машината. Този подход за оценка на инструменталната екипировка е в рамките на цялата работна зона, като осигурява по-детайлен поглед върху поведението на машината в сравнение с други техники. Концепцията, използвана от 1985 г. в CMM индустрията вече бавно започва да се възприема от производителите на инструментална екипировка. В края на краищата, точността на позициониране на машината определя възможностите й за постигане на желаните функционални толеранси - с други думи производителността й.
В много цехове, проблемите на качеството и производителността 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 трикове, за да направи добър детайл. Някои производители дори са приели, че машината е с ограничени възможности само в определени области на работния обем и те съответно ограничават работата си до тези области.
Много типично за производителите е несъзнателно да изразходват значителни ресурси, когато става дума за точността на машините. Възможностите за подобряване на производителността, залегнали в концепцията за инструменталната точност може да предоставят значителни предимства. Всеки производител се бори да съкрати първата част от проверката, да оптимизира бъдещите толеранси или да премахне излишните вторични операции, което може да доведе до значителни печалби, в резултат на повишаване на производителността 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 производителността 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 предвидени точки в пространството по всички оси. Операторът ще има възможност да зареди програмата за управление и да знае, че предварително зададените метални части ще бъдат премахнати точно, както е предвидено, като ще произвеждат геометрии, 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 пробити отвори, които не са с кръгла форма, повърхности, които не са плоски и функции, които не са разположени по най-добрия начин. С опит и умения, тези проблеми могат да бъдат разрешени чрез компенсации в пътя на режещия инструмент, модифициране на програмите на детайлите, забавяне 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 впоследствие са разработени инструменти, които да се справят с тези грешки. Но тези средства се занимават само със симптомите на машинните грешки, но не и с това къде се коренят причините, което продължава да бъде огромно недоразумение.
Методите за измерване на грешки се базират на различни теории и способи за събиране на информация, което основно се използва за изчисляване на 3-D точността на машинния инструмент. Методите се различават по отношение на нивото на сложност и пълнотата на събраната информация.
Много хора имат практически познания по отношение на инструменталните грешки, базиращи се на това, което са предприемали в миналото и са склонни да не забелязват други, по-малко директни грешки или погрешно да отбелязват дадено 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 ротационни, както и грешки в разположението на осите една спрямо друга (XY, YZ, ZX). За три-осен обработващ център, това означава наличие на 21 потенциални източници на грешка. Това е най-широко приетата гледна точка по отношение на обемната точност и измерването на тези грешки, включващо използването на лазерни интерферометри, 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 премахването 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, материали, машини и капацитет? Колко мостри на детайли 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 въпроси са предпоставка за значителни годишни разходи или създават ограничения по отношение на капацитета на ключовите машинни инструменти, се съсредоточете върху главната причина, като използвате машинната метрология.
Няма съвършено обработен детайл, при обработката на всички машинни детайли се допускат грешки, предизвикани от извъртане и подравняване, които биха довели до несъвместими резултати 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 детайлите. Super tuning се фокусира върху оптимизиране на ключовите грешки при закръгленията, базирани на специфичния структурен дизайн на машината, което води до последователно позициониране 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 метрология. Метрологията може да идентифицира и да коригира инструменталните грешки, които имат значително влияние върху възможността да се направи 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 действителната 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 интерферомер, керамични квадрати и електронни нива) с цел механично и електронно определяне на грешки в рамките на машинния инструмент. Тези измервания позволяват да се настрои машината, така че да се намалят грешките.
Първата стъпка от процеса е настройка на машината. Критичният момент е да се уверим, че е застопорена 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 определена, 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 подходящото 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 информация за всяка от геометричните грешки на машината, включително реакция и възстановяване грешки. След като тази стъпка е завършена, 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. Въпреки, че процедурата за промени е много точна, идеята е ясна. Всички корекции се правят на подложки на пода. Промишлени епоксидни смоли закрепват подложките здраво на мястото им, но всички имат винтове за корекция, които могат да бъдат използвани буквално, за да се обърне рамката 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 извърши периодичен тест за идентифициране на промени, като част от плановия график за превантивна поддръжка на машината.
Преди тестовия уред SMPI да бъде подложен на super tuning, тестът е извършен до изходно състояние на машината. Констатациите при тестовете показват, 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 възможността да се обработват детайлите в рамките на изискваните спецификации, което е от съществено 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 производители. Позволявайки на машинния инструмент да остане в състоянието, в което е бил, гарантирате, че всички тези проблеми, породени от други производители ще се превърнат в част от ежедневието 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 производствените звена, този вариант ще бъде причина за голям процент скрап, кръпки при ЦПУ програмата и постоянно регулиране на ръкохватката да вземе част в рамките на спецификацията.
В случая с тестовете при Tech-Solve, Inc., super tuning подобрява обемното позициониране на машина 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 позиционира 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 машини.
Машинната производителност е мярка на способността на машината да създаде желаната геометрия 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 отклонение. Постигането на желаните толеранси изисква комбинация от точност и повторяемост. В повечето случаи, инструментите имат по-добра повторяемост, отколкото точност на позициониране. Въпреки това, пропускайки тази приблизително еднаква целева група, всеки път ще доведе до лоша индустриална практика. Поради липсата на официално оправдание за корекции/подобрения, много оператори на машини и инженери-технолози продължават да работят с нищожната точност на машините си. Въпреки направените подобрения в точността на машините, може да има каскаден ефект върху производителността.