机床质量控制正处于一场深刻变革的风口浪尖。德国 Aalen 的 AfM Technology 产品经理兼应用工程师 Steffen Hailer 表示，即将发布的 ISO 标准 (ISO 230-13) 将定义机床的校准过程，以便其质量部门可以接受探测测量。
这并不意味着机床将始终与典型的 CMM 一样准确。但生产和 QC 部门将使用相同的语言，并且机器测量值将可用于 QC。这反过来又在更好的过程控制和更低的质量成本方面提供了优势。
API 的 Active Target，右边，是一个电动反射器，它允许激光跟踪器从一个角度精确测量机器的工具尖端位置单一仪器位置。从那里，加州计算可以使多轴机床的体积精度提高四到五倍（图片由 Automated Precision Inc 提供）体积误差补偿 (VEC) 可能是使机床执行可接受的 QC。但即使您仍然使用离线设备进行最终检测（通常情况如此），VEC 中的最新方法也提供了确保生产复杂零件的高精度的最佳途径。
例如，位于马里兰州罗克维尔的 Automated Precision Inc. (API) 运营经理 Art Kietlinski 表示，该公司的薪酬方案将使多轴机床的体积精度提高四到五倍，有时甚至提高更大的改进。 “通常，我们可能会看到一台机器在校准前工具尖端的最大体积误差为 0.3 至 0.5 毫米。然后在校准之后，我们可能在 0.075 左右。在五轴 m机器，我们正在研究并改进所有 43 个可能的错误。” [有关 43 种可能的机床偏差的解释，请参阅制造工程，2019 年 6 月，“通过高级校准和优化保持机器的可靠性”。]
API 通过将激光跟踪器与他们所谓的相结合来做到这一点他们的 Active Target，产品管理和营销副总裁 Ron Hicks 解释道。 “Active Target 是一个安装在主轴上的小型电动反射器。它允许激光跟踪仪从单个仪器位置准确测量机器的刀尖位置。” Hicks 指出，这很重要，因为 VEC 过程在测量过程中实时移动主轴通过机器的所有轴。使用标准的激光跟踪器反射器是不可能的，因为光束会在整个机器体积的不同点处被打断。希克斯补充说，“不像骗局传统的激光工艺，我们的系统不必与机床的主轴对齐。这在速度和准确性方面具有显着优势……我们已经能够在一天内补偿两台机器。”
API 的系统测量“所有可能的机器姿势”，Kietlinski 补充道，因此在大型机器体积（例如 10 m），它可能会绘制多达 250 个点。从那里，专有软件为计算每个轴的必要误差校正的多项式生成系数。正如 Kietlinski 解释的那样，这是复杂的数学运算，因为“误差不一定是线性的。您最终可能会得到一个必须求解的二阶或三阶多项式。”
Northrop Grumman 在加利福尼亚州帕姆代尔的工厂是几个成功案例之一，Hicks 说。该工厂使用大型五轴龙门机床对整个 F-35 机身进行所有修整和钻孔，并且每年进行 API 访问在每台机器上执行 VEC。同时，Kietlinski 说，洛克希德马丁公司和以色列航空航天公司在水平机翼部分进行机加工，API 也提供服务。
有限制。最近对一家生产高质量工具、原型和小批量生产组件的密歇根公司的访问引入了一个警示说明。
了解限制
Kietlinski 叙述说，密歇根公司邀请 API在已经根据 21 误差图进行 VEC 的五轴机器上展示他们的设备，“这是大多数机器和 CMM 的标准。”正如 Kietlinski 解释的那样，“所有这些校准都假设机器具有刚体，这意味着所有角度误差在该轴穿过体积的整个过程中都是相同的。因此，例如，无论 X 轴在体积中的哪个位置运行，如果我要测量俯仰、偏航和滚动误差，我都会得到相同的角度数据。但情况并非总是如此在这些更大的机器上。”他说，这通常是因为铁轨不平行。这会对机器及其驱动系统产生压力，从而导致“负载电流上升，以及许多其他问题。”
因此，Kietlinski 检查的第一件事是线性轴的直线度，这使用激光跟踪器需要不到一个小时。他补充说，直线度和其他几何误差之间通常存在直接关系，例如俯仰、偏航、滚动和垂直度误差，“因为如果你不直，你甚至无法评估垂直度。”在这种情况下，他发现误差高达 200 到 250 微米（0.010 英寸）。 API 在机器上进行了完全对齐，“甚至松开桥并机械地将其摆正。然后我们应用了 21 纠错图。在这一点上......角度误差在整个机器上是相同的，我们能够将机器改进十倍于之前的校准”
Kietlinski 强调说，这主要归功于增强的机械对准。 “机器的机械校准越好，校准结果就越好。”相反，“您不能拿一台没有机械校准的机器并尝试用软件修复所有问题。”
纠正过程中的错误
在刚刚讨论的限制范围内, VEC 可以显着改善机器的几何误差。但是，由于操作应力、热不稳定和其他因素，加工过程中出现的额外错误“工作不准确”又如何呢？位于新泽西州富兰克林湖的三井精机（美国）首席运营官 Bill Malanche 将误差的主要原因列为“空转、热量和设计”。空转本身涉及很多方面，但可以通过几何对齐和配合来概括。”随着 VEC 解决其他因素，t热不稳定性可能是过程中错误的主要来源。机器越大，实际刀具位置与标称刀具位置的差异就越大。
这台 Soraluce 机器使用探头和测量球来验证特定的角度和工具点位置头方向，然后在一到两分钟内纠正任何偏差。 （图片由 Select Machining Technologies 提供）解决此问题的一种方法是使用机器的内部探头来帮助计算该偏差，然后对其进行补偿。位于康涅狄格州温莎的 Select Machining Technologies 的业务开发经理 Doug Schulte 表示，他们的 Soraluce 机器“在多个预设点探测合格范围。它为许多头部和轴位置执行此操作。所以然后 ftware 将测量点与机器的运动学模型进行比较，并进行任何必要的补偿以确保机器几何形状中的刀具中心点。” Soraluce 将此功能称为动态头校准 (DHC)，Schulte 表示这是五轴机器的常见功能。 [Manufacturing Engineering 在 2019 年 6 月的文章中介绍了 Okuma 的版本。]
Soraluce 机器通常配备多个双轴头，DHC 需要 25 到 30 分钟才能完成整个测量周期。它设计用于周期性预加工补偿，如 VEC。但 Soraluce 有一项名为 Accura Heads 的附加功能，可针对可能的过程中错误，并且只需一两分钟即可完成。 Schulte 解释说，该选项使用相同的探头和测量球，但在加工程序内运行。
关键，你可以我们e Accura Heads 例程验证特定方向的角度和工具点位置。然后它将为那个工具进行偏移。您在运行该操作之前立即执行该探测循环。”
Schulte 还表示，为了在某些机器设计中实现更严格的公差，用户应将球体安装在离他们要切割的区域更近的地方，取决于机器的大小。 “Soraluce 制造的机器纵向行程超过 60 米，”他补充道。人们可以很容易地想象，外部影响可能会导致实际定位和标称定位之间存在如此大的偏差。
机加工/QC 握手
假设有一台“补偿机器”，操作员可以考虑使用机床测头执行 QC 功能的可能性。新的 ISO 230-13 标准将定义要求，并将参考 ISO 10360，这是 CMM 的标准。判断 CMM 的关键指标是它们的最大允许误差 (MPE) 值。验收测试将测量七个方向（四个身体对角线，加上沿 X、Y 和 Z 方向各一个），使用步距规或激光与测量球相结合。要通过测试，最大偏差 (E0) 不得大于 MPE。
确保高精度取决于Mitsui Seiki 的首席运营官 Bill Malanche 说，定期激光校准，但这不是万灵药。 “如果机器本身不是真实的，也不是正方形的，并且不是为了始终如一地围绕切割过程的影响而工作，那么你正在使用的平台基本上是不可重复的。” （图片由 Mitsui Seiki 提供）正如 Hailer 所解释的那样，new ISO 标准为机床定义了验收测试程序和所需的值，但对于机器制造商来说这是一个新概念。 “目前，没有机床制造商知道他们的 MPE 的尺寸。他们必须学习确定这样一个值的过程，然后找出它是什么。这是我们为原始设备制造商提供的服务之一。”一旦制造商确定了给定机器的这个值——并且在现场进行了验证，就像你对 CMM 安装所做的那样——用户可以在机器上进行最终零件检查，而不是将其放在 CMM 上，然后交付零件向客户提供记录测量精度的报告。
最终用户是否可以接受机床的 MPE 是另一个问题。但似乎更高精度的机器至少可以满足某些应用的令人满意的质量控制。 Béat Ries 观察到，对于非常大的零件来说尤其如此，三井精机研磨产品经理。 “您需要为大型 CMM 支付很多钱，尤其是当您想要达到超高精度时。数字是天文数字。似乎没有人能够提供一种经济的解决方案。”
还有更多，Ries 说。仅了解 CMM 或机床的 MPE 不足以满足航空航天或汽车标准。那是因为他们还“要求在对零件进行的每次测量或验证旁边都有一个不确定值。”因此，尽管许多人将 MPE 单独视为机器的“精度”，但该数字并未反映现实世界中发生的测量变化和额外的不准确性。例如，Ries 解释说，“商店中的温度波动会产生不同的测量值。因此，如果 CMM 的 MPE 为 1.9 加上 L/250 微米，则计算出的不确定性可能为每米 3 微米。如果您测量超过一米，MPE 值将表明您是否精确到 5.9 微米以内。但是，如果您加上不确定值，您会发现您实际测量的误差在正负 8.9 微米以内。”
拆分微米
一家非常重视测量的商店是位于康涅狄格州哈姆登的精密磨削解决方案 (PGS) 的名字恰如其分。所有者 Curt Reed 认为他们必须牢牢掌握质量控制，包括不确定性测量，因为他们为 Pratt & Whitney 等大型原始设备制造商磨削旋转喷气发动机零件，加上一级和二级航空航天供应商。 PGS 甚至签订了为 Pratt 多个地点校准仪表的合同。
AfM 应用工程师 Klaas Hageney 使用 NIST 可追溯工件评估精密研磨解决方案中的一个 CMM——部分他们的努力确定和限制每次测量的不确定性（图片由 Precision Grinding Solutions 提供）PGS 拥有 Zeiss PRISMO ultra CMM，Reed 将其称为“参考级”机器。 CMM 拥有 0.5 + L/500 μm 的 E0，PGS 一直在确定不确定性预算“一种老式方法。你拿一个已知的工件，比如我们参与校准的普拉特仪表之一，测量一个关键特征 50 次左右。然后你检查这种数据分布，考虑房间温度变化等因素，将所有这些代入一个长期存在的公式并得出一个不确定性数字。”
现在 PGS 正在实施一种新方法来获得更好地处理测量不确定性：虚拟 CMM (VCMM)。 Reed 解释说，VCMM 是蔡司 Calypso 执行软件包的插件模块，“使您能够在报告中插入另一列，显示每项罪恶的不确定性你采取的角度测量。 Reed 补充说，除此之外，它还捕获激光校准没有考虑的所有其他错误。
PGS 正在与 AfM 合作捕获这项工作所需的数据，Reed 说这超出了跟踪温度的范围波动和振动。 “例如，它会考虑您使用的是细轴的长触控笔，还是短粗的触控笔。机器弯曲签名是什么样的？当你测量机器时，实际的几何形状、刻度、导轨……这些看起来像什么？” AfM 将通过一系列包含各种球和步骤的人工制品进行一系列特殊测量来确定所有这些。然后错误文件将在后台运行以确定不确定性。
总而言之，Reed 说，“VCMM 是一种更现代、更全面的检查整个系统和实验室不确定性的方法。这不仅仅是基于一件神器。它通过 AfM 正在进行的所有测量进行验证，并且它正在验证 CMM 的整个测量体积，而不仅仅是您测试量规的一个局部区域。”
一旦完成，Reed 评论道，新报告将使质量图片看起来更差，“因为它做得更好，逐个功能。如果你打开这个功能，你会看到每个程序运行的每一个功能的不确定性。因此，如果您测量的是“精确到微米”的东西，再加上不确定性，可能是 1.15 微米。但它对整个系统的不确定性进行了真实、真实的检查。”
Reed 的系统已经很出色了。 PGS 拥有一流的 CMM，其实验室的温度稳定在华氏度的三分之一以内。但他们进行了其他投资以限制不确定性：“我们购买了 AfM 的软件和测量工件以获得更好的控制机器的精度。我们还购买了一个 700 毫米的阶梯边缘，与蔡司服务使用的边缘相同。我们的目的是随时了解机器的位置。”
PGS 将不再仅依赖 OEM 的年度校准，因为它们只是及时的快照。里德说，这些访问花费了大量资金，但仍然让人想知道机器全年的性能如何。 “如果 OEM 在一年后回来，而‘原样’校准不符合规格，它会使您接受机器的每件产品都受到质疑。我们不再愿意冒这个风险。我们正在尝试每周甚至每天对我们的坐标测量机进行检查。”
