Измерительные технологии подходят к решению потребностей производства
С развитием машиностроения и сопутствующих производств производители вращающихся деталей крупных и средних размеров сталкиваются с повышенными требованиями к параметрам измерения деталей, а именно частоты, измерения параметров и производственной статистики, а также возрастающими требованиями по погрешностям.
Свяжитесь с нами
С развитием машиностроения и сопутствующих производств производители вращающихся деталей крупных и средних размеров сталкиваются с повышенными требованиями к параметрам измерения деталей, а именно частоты, измерения параметров и производственной статистики, а также возрастающими требованиями по погрешностям. Производители ищут достижения в области технологий измерения, увеличивающие скорость измерительного цикла, возможность проверять детали с более высокой точностью и способностью точно измерять геометрические характеристики и параметры деталей форм.
За последние пять лет метрологические технологии прошли большой путь; теперь появились инструменты, соответствующие таким жестким требованиям проверки. Правильное решение, разумеется, зависит от конкретных потребностей клиента. Мы собираемся исследовать три очень разных, но эффективных подхода для точного измерения вращающихся деталей в условиях среднего и крупного производства.
Бесконтактные измерительные центры вращающихся деталей
Производство зубных имплантов является наглядным примером использования оптоэлектронных бесконтактных измерительных систем в промышленности. Изготовители производят "сердечники" зубных имплантов различных размеров и формы на токарных/резьбонарезных станках, подобных токарным ЧПУ в условиях крупносерийного производства. Импланты, также называемые зубными кюветами, представляют собой "запчасти" для человека и поэтому их качество имеет первостепенное значение; все размерные характеристики должны проверяться на 100%-й основе.
Эти детали очень малы, обычно менее 4 мм в диаметре; они имеют большое количество размерных параметров, измерять которые с помощью традиционных измерительных методов, таких как оптические и инструментальные микроскопы или ручные измерительные инструменты (например, микрометры), трудно и затратно по времени. С повышением уровня производства и требований к качеству, а также к разнообразию и объему выпускаемых деталей и ростом количества измеряемых критериев, бесконтактные измерительные системы стали следующим рубежом в метрологии для этой отрасли промышленности.
Сегодня одно бесконтактное автоматическое измерительное устройство профиля вращения, такое как TESASCAN 25, может быть поставлено в ячейку с 2-3 токарными станками ЧПУ, производящими изделия одного типа. Измеряемый объект закрепляется во вращающейся оправке и поворачивается (в случае необходимости), в то время как луч света проецирует профиль на сенсорную матрицу, которая оцифровывает изображение. Затем программное обеспечение измеряет запрограммированные параметры, используя в качестве основы оцифрованное изображение. Типичный цикл времени для измерения 12 размеров на детали занимает 28 секунд. Обычно инженеры-производственники отвечают за программирование деталей, которое выполняется как в режиме действующего производства, так и автономно, а операторы используют систему измерения для автоматической проверки этих деталей. Операторы станков с ЧПУ могут проверять все критические внешние размеры с помощью одного устройства. Профильные устройства, такие как TESASCAN имеют преимущества перед лазерными системами с точки зрения общей точности, скорости и видов измеряемых характеристик.
После того, как все параметры измерены, результаты могут быть показаны совместно в цифровом и графическом формате, с возможностью статистического анализа данных измерения в виде гистограмм, контрольных диаграмм и отчетов. Такая возможность, недоступная при ручных методах проверки, составила статистическую основу для определения трендов производственного процесса и регулирования отдельных станков. Дополнительное преимущество состоит в том, что данные измерений могут отслеживаться вплоть до отдельного станка, для чего используется номер партии деталей или идентификационный номер станка, введенный оператором.
Автоматическое измерение резьбы может выполняться, если на машине установлено поворотное устройство, наклоняющее деталь для более удобного измерения нарезаемой резьбы, которое называется компенсатор угла подъема резьбы.
Другим преимуществом инструмента такого типа является масштабируемость. Если цех, выпускающий детали вращения, имеет возможность изготавливать детали различного размера, можно будет приобрести обрабатывающие центры для деталей вращения, которые пригодны для более крупных деталей; до 500 мм в длину и 80 мм в диаметре. Однако станки такого типа имеют ограничения. Обычно они могут обрабатывать одновременно только одну деталь, которая должна устанавливаться и извлекаться вручную, даже если цикл измерения автоматизирован. Если измеряемая характеристика не видна на профиле (например, профрезованный канал), то такая характеристика не может быть измерена.
Оптические системы
Для условий массового производства одним из первых преимуществ оптических измерительных технологий является высокая пропускная способность, как это можно видеть на примере производства клапанов автомобильных двигателей. Например, при производстве традиционными средствами сбор измерительных данных для клапана может занимать до часа или более. Кроме того, время проверки не включает в себя обработку и статический анализ данных, необходимые для большинства таких компонентов. С внедрением быстродействующих оптических измерительных систем весь процесс проверки может быть сокращен и будет занимать от пяти до десяти минут на деталь.
Деталь, подобная клапану, также имеет специфические формы и радиусные переходы, требующие проверки. Еще раз скажем, оптические технологии измерения дают правильное решение. Используя инструменты расчета профиля, задачи измерения сложных кривых сводятся к анализу простых контуров. Еще более упростить использование вычислительных инструментов можно путем сравнения детали с контрольным чертежом САПР с помощью программного пакета, такого как PC-DMIS Vision. С помощью нескольких простых шагов 3D модель совмещается с физической деталью, позволяя измерить сложный профиль по отдельным точкам. Такой процесс можно использовать для многих типов деталей, таких как мелкие компоненты медицинской техники с погрешностью профиля, измеряемой в микронах, или электронные компоненты с измерением зазоров и высоты на субмикронном уровне.
Существует множество других типов деталей, идеально пригодных для оптической метрологии. Обычно данные о детали получаются за секунды и при загрузке- разгрузке на паллету, минимизирующим участие оператора в погрузо-разгрузочных операциях. Параметры расположения и формы могут быть измерены на основе собранных данных. Ценовой диапазон таких систем обычно зависит от производительности, скорости и точности, что в совокупности позволяет получать системы на любой бюджет. Оптические системы, такие как Brown & Sharpe Optiv 1 Classic, соответствуют бюджету начального уровня. На другом конце ценового диапазона система Brown & Sharpe Optiv 3 Performance дает высокую работоспособность при субмикронных погрешностях. Оптическая метрология может заслуженно называться микрометрологическим инструментом будущего.
И мир оптической метрологии продолжает развиваться. Появление интерактивных мультисенсорных систем поистине революционизировало трехмерные измерения, выполняемые оптическими системами. Различные датчики составляют строительные блоки, позволяющие расширять или наращивать оптическую систему. В качестве таких блоков могут быть даже контактные датчики, такие как контактные щупы, снижающие погрешности до нескольких микрон и обеспечивающих шарнирное соединение в случае необходимости. Шарнирные соединения позволяют выполнять измерения параметров деталей, не совпадающих соосно с оптическим датчиком. Кроме того, бесконтактные датчики, такие как лазерные сканирующие датчики и сканеры белого света, могут довести точность до субмикронных уровней, а в некоторых особых случаях -- до уровней ангстремов. Лазеры обеспечивают избирательное измерение форм, используя вращающиеся или качающиеся датчики, работающие в реальном времени. Технология белого света идеально подходит для очень миниатюрных форм, таких как небольшие ступени и трехмерные формы. Взаимодействие этих датчиков в сочетании с оптическим дает непревзойденные преимущества в скорости и гибкости оптических систем.
Системы контактных датчиков
Последние решения для обрабатывающего производства имеют высочайшую производительность и позволяют устанавливать измерительные контактные датчики непосредственно на токарный станок. Использование такой системы приносит свои плоды. Davromatic Precision Ltd., Rugby, Великобритания, второй по величине поставщик для аэрокосмической, оборонной промышленности и тяжелого машиностроения. Ежедневно компания, будучи производителем прецизионных деталей вращения, сталкивается с проблемой балансировки. С одной стороны, им необходимо производить прецизионные детали, обрабатываемые на токарных и фрезерных станках с точностью +/- 8 микрон. С другой стороны, им необходимо снижать затраты до минимума. Инвестиции в фрезерно-токарный центр с встроенным контактным датчиком оказались наиболее экономически эффективными инвестициями.
В условиях массового производства любой перерыв в работе и каждая ручная регулировка токарного станка оказывает влияние на производительность и прибыльность. Чтобы гарантировать качество деталей в жестких границах допусков и предотвратить дрейф производственного процесса, возникла необходимость использовать метрологическую станцию для непрерывного контроля и регулировки параметров станков.
Davromatic внедрил у себя инфракрасную систему с контактным датчиком производства компании M&H Inprocess Messtechnik GmbH, что позволило проверять контуры деталей, обрабатываемых на токарно-винторезных станках, не вынимая деталь из противошпинделя станка. Контактный датчик установлен на крепежном кронштейне, смонтированном рядом с главной шпиндельной головкой, чтобы перемещать обрабатываемую деталь для измерения габаритов щупом с помощью противошпинделя.
Измерение критически важных размеров, таких как наружный диаметр, длина, ширина шестигранных сечений и фрезерованных поверхностей выполняется за считанные секунды, и поскольку процедура измерения выполняется на противошпинделе, она может выполняться также и на основном шпинделе, что еще больше снижает влияние на производительность.
Davromatic также получил дополнительные выгоды от данной системы, а именно контроль износа инструментов и преждевременного выхода из строя. Некоторые, используемые на производстве сплавы особенно влияют на непоследовательный неравномерный износ инструмента, что вызывало быстрый дрейф погрешностей. Проверка каждой детали позволила контролировать эту ситуацию в реальном времени, благодаря чему инструментальные пластинки можно заменять до того, как большое количество дорогого материала уйдет в брак и будет потеряно производственное время.
В целом, возможность автоматически проверять 100% продукции и проводить регулировку станков без остановки процесса производства позволило Davromatic увеличить производительность примерно на 20%, сократив при этом брак практически до нуля.
Этот сценарий показывает чрезвычайно успешный результат внедрения встроенных измерений. Тем не менее, эта технология имеет несколько серьезных ограничений. Во-первых, этот метод использует контактный датчик, и все измеряемые детали должны допускать касание к ним. В зависимости от детали, некоторые ее параметры могут быть очень маленькими для измерения контактным способом, кроме того контактный датчик одного размера не может адекватно проверить все параметры, подлежащие инспекции. Сложная геометрическая форма может оказаться за гранью возможностей таких систем. Второе, такая система не имеет независимой проверки качества детали. Если погрешность вносит сам станок, то результаты могут быть сомнительными. Некоторые программы качества или клиенты требуют независимой проверки результатов. Одним из возможных вариантов может быть использование контактной измерительной системы для контроля и управления производством в сочетании с автономными средствами конечной проверки.
Взгляд вперед
Хорошие новости состоят в том, что имеется большой выбор инструментов для проверки деталей вращения, от автономных до встроенных в процесс и даже гибридных технологий, объединяющих в себе разные технологии и оборудование.
В заключение можем сказать, что с развитием и расширением производства цилиндрических деталей появляется множество разнообразных метрологических систем, отвечающих требованиям контроля качества и конкретным бюджетным ограничениям для конкретных отраслей промышленности. Все, начиная от винтов для остеосинтеза до арматуры и пластиковых деталей, может быть измерено с высокой уверенностью и надежностью. Да, современные производственные стандарты требуют высокой скорости и точности, и производители средств измерения готовы предложить приемлемые решения. Окончательным результатом может стать существенное сокращение времени проверки и улучшенное управление процессом -- оба этих фактора очень важны для производителя.
За последние пять лет метрологические технологии прошли большой путь; теперь появились инструменты, соответствующие таким жестким требованиям проверки. Правильное решение, разумеется, зависит от конкретных потребностей клиента. Мы собираемся исследовать три очень разных, но эффективных подхода для точного измерения вращающихся деталей в условиях среднего и крупного производства.
Бесконтактные измерительные центры вращающихся деталей
Производство зубных имплантов является наглядным примером использования оптоэлектронных бесконтактных измерительных систем в промышленности. Изготовители производят "сердечники" зубных имплантов различных размеров и формы на токарных/резьбонарезных станках, подобных токарным ЧПУ в условиях крупносерийного производства. Импланты, также называемые зубными кюветами, представляют собой "запчасти" для человека и поэтому их качество имеет первостепенное значение; все размерные характеристики должны проверяться на 100%-й основе.
Эти детали очень малы, обычно менее 4 мм в диаметре; они имеют большое количество размерных параметров, измерять которые с помощью традиционных измерительных методов, таких как оптические и инструментальные микроскопы или ручные измерительные инструменты (например, микрометры), трудно и затратно по времени. С повышением уровня производства и требований к качеству, а также к разнообразию и объему выпускаемых деталей и ростом количества измеряемых критериев, бесконтактные измерительные системы стали следующим рубежом в метрологии для этой отрасли промышленности.
Сегодня одно бесконтактное автоматическое измерительное устройство профиля вращения, такое как TESASCAN 25, может быть поставлено в ячейку с 2-3 токарными станками ЧПУ, производящими изделия одного типа. Измеряемый объект закрепляется во вращающейся оправке и поворачивается (в случае необходимости), в то время как луч света проецирует профиль на сенсорную матрицу, которая оцифровывает изображение. Затем программное обеспечение измеряет запрограммированные параметры, используя в качестве основы оцифрованное изображение. Типичный цикл времени для измерения 12 размеров на детали занимает 28 секунд. Обычно инженеры-производственники отвечают за программирование деталей, которое выполняется как в режиме действующего производства, так и автономно, а операторы используют систему измерения для автоматической проверки этих деталей. Операторы станков с ЧПУ могут проверять все критические внешние размеры с помощью одного устройства. Профильные устройства, такие как TESASCAN имеют преимущества перед лазерными системами с точки зрения общей точности, скорости и видов измеряемых характеристик.
После того, как все параметры измерены, результаты могут быть показаны совместно в цифровом и графическом формате, с возможностью статистического анализа данных измерения в виде гистограмм, контрольных диаграмм и отчетов. Такая возможность, недоступная при ручных методах проверки, составила статистическую основу для определения трендов производственного процесса и регулирования отдельных станков. Дополнительное преимущество состоит в том, что данные измерений могут отслеживаться вплоть до отдельного станка, для чего используется номер партии деталей или идентификационный номер станка, введенный оператором.
Автоматическое измерение резьбы может выполняться, если на машине установлено поворотное устройство, наклоняющее деталь для более удобного измерения нарезаемой резьбы, которое называется компенсатор угла подъема резьбы.
Другим преимуществом инструмента такого типа является масштабируемость. Если цех, выпускающий детали вращения, имеет возможность изготавливать детали различного размера, можно будет приобрести обрабатывающие центры для деталей вращения, которые пригодны для более крупных деталей; до 500 мм в длину и 80 мм в диаметре. Однако станки такого типа имеют ограничения. Обычно они могут обрабатывать одновременно только одну деталь, которая должна устанавливаться и извлекаться вручную, даже если цикл измерения автоматизирован. Если измеряемая характеристика не видна на профиле (например, профрезованный канал), то такая характеристика не может быть измерена.
Оптические системы
Для условий массового производства одним из первых преимуществ оптических измерительных технологий является высокая пропускная способность, как это можно видеть на примере производства клапанов автомобильных двигателей. Например, при производстве традиционными средствами сбор измерительных данных для клапана может занимать до часа или более. Кроме того, время проверки не включает в себя обработку и статический анализ данных, необходимые для большинства таких компонентов. С внедрением быстродействующих оптических измерительных систем весь процесс проверки может быть сокращен и будет занимать от пяти до десяти минут на деталь.
Деталь, подобная клапану, также имеет специфические формы и радиусные переходы, требующие проверки. Еще раз скажем, оптические технологии измерения дают правильное решение. Используя инструменты расчета профиля, задачи измерения сложных кривых сводятся к анализу простых контуров. Еще более упростить использование вычислительных инструментов можно путем сравнения детали с контрольным чертежом САПР с помощью программного пакета, такого как PC-DMIS Vision. С помощью нескольких простых шагов 3D модель совмещается с физической деталью, позволяя измерить сложный профиль по отдельным точкам. Такой процесс можно использовать для многих типов деталей, таких как мелкие компоненты медицинской техники с погрешностью профиля, измеряемой в микронах, или электронные компоненты с измерением зазоров и высоты на субмикронном уровне.
Существует множество других типов деталей, идеально пригодных для оптической метрологии. Обычно данные о детали получаются за секунды и при загрузке- разгрузке на паллету, минимизирующим участие оператора в погрузо-разгрузочных операциях. Параметры расположения и формы могут быть измерены на основе собранных данных. Ценовой диапазон таких систем обычно зависит от производительности, скорости и точности, что в совокупности позволяет получать системы на любой бюджет. Оптические системы, такие как Brown & Sharpe Optiv 1 Classic, соответствуют бюджету начального уровня. На другом конце ценового диапазона система Brown & Sharpe Optiv 3 Performance дает высокую работоспособность при субмикронных погрешностях. Оптическая метрология может заслуженно называться микрометрологическим инструментом будущего.
И мир оптической метрологии продолжает развиваться. Появление интерактивных мультисенсорных систем поистине революционизировало трехмерные измерения, выполняемые оптическими системами. Различные датчики составляют строительные блоки, позволяющие расширять или наращивать оптическую систему. В качестве таких блоков могут быть даже контактные датчики, такие как контактные щупы, снижающие погрешности до нескольких микрон и обеспечивающих шарнирное соединение в случае необходимости. Шарнирные соединения позволяют выполнять измерения параметров деталей, не совпадающих соосно с оптическим датчиком. Кроме того, бесконтактные датчики, такие как лазерные сканирующие датчики и сканеры белого света, могут довести точность до субмикронных уровней, а в некоторых особых случаях -- до уровней ангстремов. Лазеры обеспечивают избирательное измерение форм, используя вращающиеся или качающиеся датчики, работающие в реальном времени. Технология белого света идеально подходит для очень миниатюрных форм, таких как небольшие ступени и трехмерные формы. Взаимодействие этих датчиков в сочетании с оптическим дает непревзойденные преимущества в скорости и гибкости оптических систем.
Системы контактных датчиков
Последние решения для обрабатывающего производства имеют высочайшую производительность и позволяют устанавливать измерительные контактные датчики непосредственно на токарный станок. Использование такой системы приносит свои плоды. Davromatic Precision Ltd., Rugby, Великобритания, второй по величине поставщик для аэрокосмической, оборонной промышленности и тяжелого машиностроения. Ежедневно компания, будучи производителем прецизионных деталей вращения, сталкивается с проблемой балансировки. С одной стороны, им необходимо производить прецизионные детали, обрабатываемые на токарных и фрезерных станках с точностью +/- 8 микрон. С другой стороны, им необходимо снижать затраты до минимума. Инвестиции в фрезерно-токарный центр с встроенным контактным датчиком оказались наиболее экономически эффективными инвестициями.
В условиях массового производства любой перерыв в работе и каждая ручная регулировка токарного станка оказывает влияние на производительность и прибыльность. Чтобы гарантировать качество деталей в жестких границах допусков и предотвратить дрейф производственного процесса, возникла необходимость использовать метрологическую станцию для непрерывного контроля и регулировки параметров станков.
Davromatic внедрил у себя инфракрасную систему с контактным датчиком производства компании M&H Inprocess Messtechnik GmbH, что позволило проверять контуры деталей, обрабатываемых на токарно-винторезных станках, не вынимая деталь из противошпинделя станка. Контактный датчик установлен на крепежном кронштейне, смонтированном рядом с главной шпиндельной головкой, чтобы перемещать обрабатываемую деталь для измерения габаритов щупом с помощью противошпинделя.
Измерение критически важных размеров, таких как наружный диаметр, длина, ширина шестигранных сечений и фрезерованных поверхностей выполняется за считанные секунды, и поскольку процедура измерения выполняется на противошпинделе, она может выполняться также и на основном шпинделе, что еще больше снижает влияние на производительность.
Davromatic также получил дополнительные выгоды от данной системы, а именно контроль износа инструментов и преждевременного выхода из строя. Некоторые, используемые на производстве сплавы особенно влияют на непоследовательный неравномерный износ инструмента, что вызывало быстрый дрейф погрешностей. Проверка каждой детали позволила контролировать эту ситуацию в реальном времени, благодаря чему инструментальные пластинки можно заменять до того, как большое количество дорогого материала уйдет в брак и будет потеряно производственное время.
В целом, возможность автоматически проверять 100% продукции и проводить регулировку станков без остановки процесса производства позволило Davromatic увеличить производительность примерно на 20%, сократив при этом брак практически до нуля.
Этот сценарий показывает чрезвычайно успешный результат внедрения встроенных измерений. Тем не менее, эта технология имеет несколько серьезных ограничений. Во-первых, этот метод использует контактный датчик, и все измеряемые детали должны допускать касание к ним. В зависимости от детали, некоторые ее параметры могут быть очень маленькими для измерения контактным способом, кроме того контактный датчик одного размера не может адекватно проверить все параметры, подлежащие инспекции. Сложная геометрическая форма может оказаться за гранью возможностей таких систем. Второе, такая система не имеет независимой проверки качества детали. Если погрешность вносит сам станок, то результаты могут быть сомнительными. Некоторые программы качества или клиенты требуют независимой проверки результатов. Одним из возможных вариантов может быть использование контактной измерительной системы для контроля и управления производством в сочетании с автономными средствами конечной проверки.
Взгляд вперед
Хорошие новости состоят в том, что имеется большой выбор инструментов для проверки деталей вращения, от автономных до встроенных в процесс и даже гибридных технологий, объединяющих в себе разные технологии и оборудование.
В заключение можем сказать, что с развитием и расширением производства цилиндрических деталей появляется множество разнообразных метрологических систем, отвечающих требованиям контроля качества и конкретным бюджетным ограничениям для конкретных отраслей промышленности. Все, начиная от винтов для остеосинтеза до арматуры и пластиковых деталей, может быть измерено с высокой уверенностью и надежностью. Да, современные производственные стандарты требуют высокой скорости и точности, и производители средств измерения готовы предложить приемлемые решения. Окончательным результатом может стать существенное сокращение времени проверки и улучшенное управление процессом -- оба этих фактора очень важны для производителя.