满足生产车间的测量需求
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用于生产车间的测量仪器必须对车间操作环境下的各种干扰因素(包括切屑、冷却液及其他对测量精度具有潜在影响的杂质、脏物等)具有防护能力。
用于最高精度尺寸测量的成熟技术往往都应用于与实验室类似的环境中。采用电容、电感、光学和超声波传感原理的测量仪器并不少见,这些仪器的测量对象大到大型光学棱镜工件,小到微型电子元件。激光测头、白光测头、具有微小触测力的“羽毛测头”等都已被应用于各种特定的测量用途。
但是,与在实验室环境中不同,用于生产车间的测量仪器必须对车间操作环境下的各种干扰因素(包括切屑、冷却液及其他对测量精度具有潜在影响的杂质、脏物等)具有防护能力。虽然坐标测量机(CMM)已不再局限于只在洁净的计量室中使用,但许多传统观念仍然根深蒂固。
Helmel公司(Helmel Engineering Products Inc.)的Art Whistler说,“将坐标测量机嵌入生产线中需要改变原有的模式,这不仅因为坐标测量机是作为固定资产而不是作为消耗品列入预算购买的,而且因为它们必须与制造工程紧密结合,并将其整合到生产计划之中。”
Whistler指出,坐标测量机的适用性已经过了“车间强化”,以适应生产现场的苛刻环境。“这些坐标机通常采用具有较高可靠性和耐用性的机械式轴系,对导轨、轴系、电机和刻度尺都采取了保护、隔离或其他防护措施。这些坐标机不需要单独的房间或隔离罩,但为了获得较好的测量结果,必须进行清洁处理以及对发热进行冷却或补偿,对脏物和温度进行有效控制。这些测量系统可以与自动加工甚至工艺控制集成到一起,同时可以为任何人提供所需要的全部数据输出。”
将坐标测量机引入车间使用户能够充分利用其传统优势。“坐标机是可编程的,因此对于任何批量的产品(甚至对于混合式生产)都具有很好的测量柔性,”Whistler说,“它们是真正的三维测量仪器,能按照GD&T标准分析完整的三维关系和条件。作为一种自动化测量系统,坐标机的测量数据具有精确性和可重复性,不会受操作者的人为影响,并且提供信息的速度很快。”此外,当引入新产品或新程序时,可对坐标测量机进行重新编程,以处理新的测量参数。

Microgage桌面型坐标测量机(Helmel公司)

SmartScope Flash 302多传感测头测量机(OGP公司)
在占地费用较高的车间,大尺寸坐标测量机存在一定的缺陷。Helmel公司通过提供各种尺寸范围的机械轴系坐标测量机,很好解决了这一问题。Helmel最新开发的Microgage是一种小型固定桥式坐标测量机(见图1),其行程范围为152mm×228mm×127mm,整体尺寸比一张406mm×609mm的桌面还小。这种测量机非常适合放电加工、医用设备和燃油喷射系统小型零件的测量。
在将测量视为精益制造和加工流程的组成部分时,需要考虑的一个重要问题是如何正确选用测量设备。OGP公司(Optical Gaging Products Inc.)的Fred Mason解释说,“试想一下一只足球与一个手表零件在测量范围上的差异。当考虑制造环境中的测量时,评估每种测量设备与工件设计公差相关的测量能力始终至关重要。在确定如何测量工件时,常常是基于已有的测量设备,而不是根据测量要求来配置坐标测量机,这样不仅有可能测量能力不匹配,而且过多的测量任务在一台测量机上排队等候也可能造成流程瓶颈。”
Mason建议选用考虑了工件特定尺寸范围的测量机以及能够提供有用的测量数据、合适的分辨率和测量精度的多传感测头测量系统。OGP公司的SmartScope Flash 302多传感测头测量机(见图2)可组合使用多种传感测头,通过一次安装完成对一个工件所有必需的测量。包括使用多种传感测头(某些测头的使用和更换可以无需操作者干预)在内的自动测量程序能够大大提高测量效率。SmartScope Flash的视频测头可以搜寻确定边缘(甚至包括无实体边界的边缘,如一种颜色与另一种颜色的交界处);TTL激光测头能够测量高精度的表面轮廓(这些轮廓可用CAD文件中的曲面非均匀有理B样条(NURBS)和其他样条表示);而接触式测头可以进入用视频测头或激光测头不易测量的表面区域进行触测。
该测量机的机械结构设计将决定不同测头的测量性能和测量重复性。Flash 302的高架桥式结构可在X-Y轴组件上移动,它作为在独立的Y轴上方的一个组件,跨骑在一对落地轴上。Flash 302的结构设计使其能支持测量复杂零件的专用微型测头的使用。
随着对车间工件尺寸非接触测量技术提供商CogniTens公司的并购,海克斯康测量集团Hexagon Metrology)的品牌集群继续扩展。目前,该集团旗下已有Brown & Sharpe、DEA、Leitz、Leica Geosystems、Sheffield、Romer、PC-DMIS、Tesa和最新加入的CogniTens等著名测量品牌。
海克斯康集团(Hexagon AB)CEO兼总裁Ola Rollen表示,“并购CogniTens使海克斯康集团获得了在高速、非接触、车间环境测量和扫描细分领域的新技术。可以预期,CogniTens的三维测量产品与Leica Geosystems的激光跟踪仪技术以及Romer的关节臂测量机技术相结合,将使海克斯康在快速增长的钣金非接触测量市场所有细分领域的地位得到加强。”
海克斯康测量集团的William Fetter 解释说,“CogniTens技术是一种结构白光测量技术,它能够获取工件的图像,提供工件轮廓的快速三维表达。该技术可集成到自动化加工单元中,并用于工件的三维轮廓测量,例如,当汽车白车身缓慢通过生产线时获取其相关尺寸信息。换句话说,它可以被集成到制造环境之中。”
Fetter说,“我们刚刚推出了一种1.2m便携式测量臂——Romer Infinite 5012。它可以在加工循环过程中进入立式加工中心的工作罩内进行快速检测。其他可能的应用还包括在需要的任意位置进行台式测量、CAD模型比对、桌面工程,以及在机床内部进行快速尺寸测量等。”
Infinite 5012测量臂的特点是具有无线通讯(WIFI)功能和采用板载电池驱动(以实现无电源线的便携性)。此外,自动测头检测功能使其能快速更换测头而无需重新校准;其应用软件包包括PCDMIS Portable、DOCS和Delcam PowerInspect。
利用海克斯康的PC-DMIS NC软件,可以用标准的G和M格式创建检测路经,以二维和三维CAD模式离线开发、测试和调整数控检测程序,而不需要中断数控机床的加工。生成的测量数据可在无需操作者干预的情况下被自动采集和评定,测量结果信息能以最适合用户要求的文件格式进行传输。当工件在机床上进行加工时,用户可以利用过程控制反馈功能监控加工过程,将对工件的测量结果与CAD模型进行比对,并利用内置的统计过程控制(SPC)模块跟踪和评定所有加工过程。

Opticline非接触式CNC轴类测量系统(Hommel-Etamic公司)
对于轴类零件的亚微米级尺寸与形位公差,生产车间似乎并不是最有利的测量环境。Hommel-Etamic公司的Opticline非接触式CNC轴类测量系统(见图3)是一种测量柔性很高的系统,它适合检测直径0.2~480mm、长度1~2500mm的轴类零件,测量精度可达±1µm。这种光学测量机可用于检测医用零件、航空航天、汽车等行业以不同批量生产的各种复杂零件(如人造髋关节、轴系、涡轮叶片等)。Opticline既可用于生产车间有人值守的统计过程控制(SPC)检测站,也可用于生产现场全自动加工系统的100%全数检测。
Opticline轴类测量系统的检测对象包括齿轮轴、凸轮轴、曲轴、关节轴和发动机阀等。光学测量头通过一次扫描,即可测出工件的轮廓、直径、长度、圆度、同心度、圆锥度、角度、平面度、平行度、偏心、冲程、螺纹等参数。该系列测量机的典型应用包括制造检测、自动刀具修正、尺寸测量、原型样板测量、机床安装等。
Opticline根据投影原理对工件进行光电扫描。由于获得的测量值具有高分辨率,因此可对工件的完整轮廓进行高精度评定。在工件旋转运动的过程中,也可以记录其外轮廓数据,从而实现动态测量。如果没有现成的测量程序,可以对工件加载,然后对其进行完全扫描,并将扫描数据储存在程序存储器中;然后根据产品的技术规范(如名义值和公差)确定被测工件的特征。在5分钟之内,就能够创建一个具有大约20个特征的新的标准检测规划。
为了满足制造商对具有高水平测量精度和测量重复性的经济型车间用三坐标测量机的迫切需求,德国Wenzel公司(Wenzel GmbH)和美国Xspect公司(Xspect Solutions Inc.)推出了X-Checker系列三坐标测量机。X-Checker测量机的设计采用了用矿物树脂浇铸的X型机座,其设计目标是在环境条件变化很大的生产车间进行测量。该测量机将稳定性好的花岗岩零部件与无摩擦轴系和气动平衡系统相结合,实现了稳定一致的测量重复性和再现性(gage R&R)。
X-Checker测量机既可使用触发式测头(如Renishaw公司的TP20和TP200测头),也可使用扫描式测头(如SP25扫描测头)。该机配备了OpenDMIS CAD软件,允许采用CAD模型进行坐标机编程和报告测量结果。X-Checker的最大三维测量速度可达700mm/sec,最大加速度为2m/sec2;(X,Y,Z)测量范围为750mm×1000mm×50mm。

用于车间现场的GageMax三维测量机(Zeiss公司)
欧洲汽车制造商已经从卡尔蔡司公司(Carl Zeiss IMT Corp.)开发的GageMax三维测量机(见图4)的测量能力和测量柔性中受益。位于德国Duren的Visteon工厂每天要生产几千个小齿轮和传动轮,该厂一年多来,在锥齿轮加工现场直接使用GageMax进行测量(无需控制环境条件的防护罩)。对加工完毕的锥齿轮的质量检测分别由各加工机床的操作者进行抽检。Visteon工厂的GageMax测量策略已经达到了其他产品(尤其是原型产品)能够达到的必需的测量柔性。这种测量规划要求将修正值直接传输到加工机床上。测量数据由qsSTAT和Zeiss Calypso软件存储和评定。使用情况证明,GageMax测量机对温度、振动和生产环境常见的脏物不敏感。
在大众汽车萨克森公司(Volkswagen Saxony GmbH)位于德国Chemnitz的发动机工厂,Zeiss测量机(2台GageMax和3台带有手动和自动装载系统的CenterMax测量机)的使用已经将传统测量任务的一部分转移到了生产人员身上。
根据工件的全部品种规格,需要采用两种测量系统:GageMax测量机(测量范围500mm×700mm×500mm)适合测量平衡轴壳体和气缸前盖;CenterMax测量机(测量范围900mm×1200mm×700mm)适合测量气缸曲柄轴箱和气缸体盖。在紧急情况下,这两种测量系统可以互换使用。
利用Calypso软件可以实现系统集成,当测量机进行加工过程监测时(需要比早期的测量策略处理更多的信息),这一点显得尤其重要。此外,Zeiss测量机的测量柔性使其能够实现快速、无故障的工艺转换和工艺优化。
Starrett公司(L.S. Starrett Co.)生产的电子卡尺和电子千分尺性能不断改进,以适应最严苛的生产环境。797系列电子卡尺采用了IP65级防护,可以耐受冷却液、水、灰尘、脏物和切屑等的影响。根据IEC529设备防护等级的规定,“IP65”代表防止灰尘和微粒进入的能力为“6”,对一个喷嘴从任意方向持续喷水3分钟的防护能力为“5”。797系列电子卡尺满足德国标准DIN962对直线精度的要求,其分辨率为0.01mm。
795和796系列电子千分尺达到了IP67级防护标准,可适用于苛刻的车间环境。除了可防范冷却液和水以外,还可以免受切屑、污渍、灰尘和其他杂质的影响。“IP67”是指防止灰尘和微粒进入的能力为“6”,在规定压力和时间条件的水中防止水浸入影响的能力为“7”。795和796系列电子千分尺的分辨率为0.001mm,精度达到±0.002mm。
Helmel公司的Art Whistler对传统的车间测量装置评述道,“在目前的实际生产中,常见的做法是依靠功能性量规(如环规、塞规、卡规等)来检查工件的合格性(go/no-go);用手持量具(如卡尺、千分尺等)来获取实际的特征测量值;用夹持式检具来检测工件的特征形状以及相互位置关系(如平面度、径跳、同心度等)。”
Whistler指出,“这些传统的尺寸检测手段既有利也有弊。合格性检查可以剔除不合格工件,但无法获得可供统计分析和工艺管理的测量数据。此类量具通常成本低廉,检测速度快,但仅局限于离散特征的检测,并容易磨损,需要定期检定。手持量具如今正在数字化,并且可将测量数据反馈到记录装置中,以供统计过程控制(SPC)分析和存档,尽管许多用户仍在采用可能会引入误差的手工记录方式;由于手持量具容易受到使用者操作技术的影响,因此其测量重复性不高,而且通常局限于每次只能评定一个尺寸;虽然测量成本较低,但量具的磨损仍然是一个问题,定期检定也至关重要。夹持式检具需要专门设计和制造,并且通常需要高精度的调试标准件,而且标准件本身也必须进行检定,因此测量成本较高,辅助时间也可能较长;当工件设计发生变化时,可能还需要重新设计制造检具,从而增加成本,并可能延误工期。此类检具可以采用刻度盘指针式(不能输出测量结果),但大多数检具集成了线性差动变压器(LVDT)或采用了气动量规,可将测量结果转换为数字信号输出。虽然在频繁使用较长时间后夹具可能会出现磨损,但总的来说,此类检具具有较好的适应性、耐用性和重复性。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2008年第2期
上载于:2009-8-28 9:41:21

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