在川崎公司 (Kawasaki) 的密蘇里州瑪麗維爾工廠，掃描測頭不僅提高了形狀數(shù)據(jù)采集速度和對加工單元的反饋速度，而且減少了坐標(biāo)測量機(jī)夾具的使用，并將測頭標(biāo)定時(shí)間從幾小時(shí)縮短至幾分鐘。測量效率和靈活性提高后，制造部和研發(fā)部獲得反饋的時(shí)間大大縮短，另一方面，配有掃 描測頭的坐標(biāo)測量機(jī)可能會最終取代齒輪和凸輪升程檢測系統(tǒng)。
川崎公司鼓勵(lì)摩托車愛好者要不斷體驗(yàn)川崎摩托帶來的駕駛驚喜，而該公司位于美國密蘇里州瑪麗維爾的小型發(fā)動(dòng)機(jī)廠也正在體會新技術(shù)帶來質(zhì)控績效持續(xù)提高的喜悅。在該工廠，兩個(gè)五軸掃描測頭系統(tǒng)極大地縮短了坐標(biāo)測量機(jī)檢測和測頭標(biāo)定時(shí)間，并加快了向質(zhì)控部門反饋小型發(fā)動(dòng)機(jī)零件的加工信息。雷尼紹五軸REVO®系統(tǒng)安裝在三豐 (Mitutoyo) Crysta-Apex 121210坐標(biāo)測量機(jī)上，取代了傳統(tǒng)三軸坐標(biāo)測量機(jī)上PH10機(jī)動(dòng)測座搭配SP25M掃描測頭的運(yùn)用。在掃描密集型應(yīng)用中，配備REVO的坐標(biāo)測量機(jī)至少將檢測時(shí)間縮短一半，并且不再需要自定義測頭配置，使得測頭標(biāo)定時(shí)間從原來的6、7個(gè)小時(shí)縮短至大約45分鐘，并新增收集大量形狀測量數(shù)據(jù)的新功能，有助于改善零件質(zhì)量。最重要的是，REVO系統(tǒng)不但極大地提高了檢測效率、數(shù)據(jù)質(zhì)量和質(zhì)控部門工作的靈活性，也提高了其作為制造和研發(fā)部門的戰(zhàn)略性支持資產(chǎn)的價(jià)值。
川崎生產(chǎn)管理體系
川崎公司的瑪麗維爾工廠成立于1989年，占地面積80萬平方英尺，專業(yè)制造1000 cc或更小排量的單缸和雙缸氣冷發(fā)動(dòng)機(jī)或水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，為商用和家用割草機(jī)原始設(shè)備制造商以及制造ATV和Mule™多用途車的姊妹工廠供貨。瑪麗維爾工廠的生產(chǎn)范圍包括鋁壓鑄加工、塑料注塑成型、大批量機(jī)械加工、噴漆和裝配。每年制造的大約50萬臺發(fā)動(dòng)機(jī)供不應(yīng)求。
“我們采用川崎生產(chǎn)管理體系 (KPS)，”瑪麗維爾工廠的質(zhì)量控制技術(shù)組總監(jiān)JC Watts說，“我們的生產(chǎn)雖以小批量和多品種為主，但我們的質(zhì)量和工程要求絲毫不遜于汽車行業(yè)的頂級產(chǎn)品。”該工廠有50條加工生產(chǎn)線，通常以U型模式排列，起始機(jī)器和終端機(jī)器相對而立。“最關(guān)鍵的是，它是一體化生產(chǎn)，多道工序在多條加工生產(chǎn)線高速地完成單一零件的制造。”Watts解釋道。川崎公司通過整合公司的機(jī)器人，在許多壓鑄和一些加工操作上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。在其中一條曲軸箱生產(chǎn)線，機(jī)器人裝載原材料并卸下成品零件，然后放入倉庫供組裝時(shí)使用。加工件包括鋁、鑄鐵和鋼。
“我們正在執(zhí)行汽車傳動(dòng)機(jī)業(yè)制造高端產(chǎn)品使用的類似公差，制造鋁制零件可能需要4或5道關(guān)鍵工序，鋼制零件需要15道關(guān)鍵工序。”Watts補(bǔ)充道。形狀公差達(dá)到“幾個(gè)微米”，實(shí)際位置公差達(dá)到0.05 mm的情況是很普遍的。
質(zhì)控實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)檢測125種大批量制造零件，以及供應(yīng)商零件和用于工程開發(fā)的零件。測量實(shí)驗(yàn)室緊鄰加工生產(chǎn)線，室內(nèi)環(huán)境受到嚴(yán)格控制，需要例行檢測的零件通過推車或機(jī)動(dòng)車（拖拽幾輛手推車的電動(dòng)車）運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室。生產(chǎn)線產(chǎn)品轉(zhuǎn)換期間，或如果操作員懷疑出現(xiàn)問題，關(guān)鍵零件可由專人送去優(yōu)先進(jìn)行檢測。
五軸掃描的優(yōu)勢
“起初，我們有幾臺三坐標(biāo)測量機(jī)配有PH10機(jī)動(dòng)測座和SP25測頭，還有一臺坐標(biāo)測量機(jī)配有固定測座，”Watts解釋道，“測量編程中我們不得不花費(fèi)大量時(shí)間配置測頭，即使用了機(jī)動(dòng)測座，收效也不明顯，對此我們感到有些沮喪。我們需要進(jìn)行各種各樣的測頭配置，每次標(biāo)定就要花上6、7個(gè)小時(shí)，這也確實(shí)影響了檢測效率。我們想超越行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在權(quán)衡了幾種選擇后，我們認(rèn)為五軸REVO系統(tǒng)是最快捷、最靈活的裝置，完全符合我們的需求。”
2009年，川崎公司購進(jìn)一臺標(biāo)配REVO系統(tǒng)的全新三豐 (Mitutoyo) Crysta-Apex 121210坐標(biāo)測量機(jī)，在此臺機(jī)器投入使用并成功運(yùn)行所有零件程序后，于2010年在另一臺同樣的機(jī)器上加裝了REVO。
REVO五軸掃描測座每秒可采集6000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)上它非常適用于要采集大量數(shù)據(jù)的曲面和復(fù)雜幾何形狀的高速、精確測量，從而以較高的精度來驗(yàn)證位置和形狀的擬合。它使用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，一個(gè)安裝在垂直面，另外一個(gè)安裝在水平面，實(shí)現(xiàn)無級分度的旋轉(zhuǎn)和定位。五軸軟件驅(qū)動(dòng)測座，并實(shí)現(xiàn)與坐標(biāo)測量機(jī)線性軸的同步運(yùn)動(dòng)。前瞻性算法以協(xié)調(diào)連續(xù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)測頭路徑和坐標(biāo)測量機(jī)。測座一邊調(diào)整位置，一邊測量移動(dòng)，以500 mm/sec的掃描速度保持測尖與不斷變化的曲面進(jìn)行碰觸。
“雖然SP25是掃描測頭，但是在我們的測量工作中有95%為接觸式測量，因?yàn)槿S坐標(biāo)測量機(jī)的掃描速度非常慢，”Watts解釋道，“接觸式測量不足以滿足我們的需要，缸徑和曲軸腔測量或許就是最好的例證。如果測量直徑為80至100 mm、長度為150 mm的腔體幾何形狀，SP25測頭需要花費(fèi)大量的時(shí)間才能精確地采集足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以致于我們只在設(shè)計(jì)部提出特殊要求或機(jī)器初配置時(shí)才進(jìn)行此類檢測工作。目前，在我們測量的每個(gè)曲軸上，REVO對腔體進(jìn)行螺旋掃描，系統(tǒng)直接將值輸出至軟件。我們還向質(zhì)控部、工程部或制造部內(nèi)任何人都可以使用的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖形，這確實(shí)有助于排除故障。您可以看見問題所在。SP25需要花費(fèi)3-4分鐘測量的物體，用REVO測量僅需10秒鐘。”REVO掃描測座功能強(qiáng)大，去除了不必要的接觸式測量。目前，95%的檢測利用掃描完成，而且不會遇到以前的“時(shí)間過長”問題，這樣川崎可以采集大量的數(shù)據(jù)，甚至能夠挑戰(zhàn)分析數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)速度。需要接觸式測量時(shí)，REVO測頭也可以進(jìn)行“測座碰觸式”測量或者用于傳統(tǒng)機(jī)器碰觸式測量。
“利用掃描檢測，我們的制造和工程人員對數(shù)據(jù)的有效性有了更大的把握，”Watts補(bǔ)充道，“而使用接觸式測量時(shí)，只要測定7、8個(gè)點(diǎn)，就很容易出現(xiàn)有一個(gè)點(diǎn)超出平均圓的情況。它會造成圓位置偏移。我們有具體示例為證：由于使用接觸式測頭取樣的數(shù)據(jù)量有限，存在無法通過接觸式測量獲得平面度誤差和缸徑幾何尺寸的情況。盡管我們在產(chǎn)品出廠前找出了這些問題，但零件還是變成了廢品。相反，利用REVO掃描功能，我們可以更快地發(fā)現(xiàn)形狀誤差，而且不存在檢測時(shí)間過長問題。它確實(shí)能夠讓我們及早地發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題。”
測頭配置越少，靈活性越大
有了REVO，目前瑪麗維爾工廠擁有兩套測頭配置，可以測量所有的大批量生產(chǎn)零件，同時(shí)在交換架上保留自定義測頭以備一些特殊應(yīng)用之需。針對供應(yīng)商零件也無需特殊配置，因?yàn)镽EVO的無級定位角度可以直接測量零件，不需要特殊夾具或考慮使用何種測頭。測頭數(shù)量減少后，標(biāo)定時(shí)間已縮短至46分鐘左右。目前，質(zhì)控技術(shù)人員只需監(jiān)控標(biāo)定，而不用在每次換班都進(jìn)行標(biāo)定。
“目前，我們僅用兩套測頭配置就可以測量所有大批量制造的零件，”Watts 說，“由于REVO在測針和工件之間產(chǎn)生一個(gè)較大的接近角度，我們就不必非選擇大直徑測球配置。掃描時(shí)，REVO保持接進(jìn)角度，這樣可以用測量5 mm腔體的小測針來測量缸徑這類較大圓柱形輪廓，而不會有抖動(dòng)現(xiàn)象。”
實(shí)踐證明，REVO系統(tǒng)的靈活性為川崎公司節(jié)省了寶貴的時(shí)間。“我們可以利用一定數(shù)量的夾具在任何機(jī)器上測量任何零件，無需特殊標(biāo)定，”Watts說，“我們在三種夾具上測量所有的零件。REVO測頭初步準(zhǔn)直后，自動(dòng)根據(jù)零件定位。幾乎已經(jīng)不再使用特殊夾具，也無需擔(dān)心零件準(zhǔn)直調(diào)整引起的測量誤差。”
川崎公司使用Mitutoyo的Mcosmos 3.1軟件對所有內(nèi)部檢測例程進(jìn)行編程。通過內(nèi)部開發(fā)編碼，REVO升級促進(jìn)了檢測程序的參數(shù)和模塊編程的轉(zhuǎn)換。因此，一個(gè)程序可以用于檢測某一零件系列。“例如，我們可能擁有30種不同的曲軸，但因?yàn)槊糠N曲軸的特征相同，僅尺寸或位置不同，我們可以使用相同的檢測程序來測量所有零件，”Watts說，“這是我們獲得的巨大優(yōu)勢之一。”REVO系統(tǒng)的無級定位角度大大簡化了參數(shù)編程工作，因?yàn)闊o需擔(dān)心特征尺寸或方向?qū)y量造成影響。測頭自動(dòng)沿工件法線方向進(jìn)行測量，從而簡化了編程。
檢測速度加快，質(zhì)控部向研發(fā)部提交的數(shù)據(jù)質(zhì)量提高
Watts指出，從三軸編程過渡到五軸編程并不困難，有一定能力的編程人員仍舊可以按照三軸編程方法對REVO檢測進(jìn)行編程。然而，當(dāng)需要優(yōu)化檢測速度時(shí)，要盡可能使用測座運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。“這樣就能以最快的速度掃描零件，而不會導(dǎo)致測量誤差，”他補(bǔ)充道，“REVO看起來無所不能，而且?guī)缀鯖]有限制，無論是技術(shù)嫻熟的編程人員還是技術(shù)新手，都能提高檢測速度。”
檢測結(jié)果可以手動(dòng)方式傳送到加工生產(chǎn)線，而加工線操作員也可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行本地訪問。“我們的一些檢測報(bào)告直接將偏置數(shù)據(jù)返回加工中心坐標(biāo)系；數(shù)控操作人員可以立即從報(bào)告中讀取偏置調(diào)整，避免了操作人員誤讀需要輸入的偏置數(shù)據(jù)，”Watts解釋道，“我們利用一些‘最合適’的算法并配合制造工程師的工作，尤其是針對需要更復(fù)雜算法的零件來進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)整，并同時(shí)利用多個(gè)工藝調(diào)整。沒有REVO之前，我們完成這項(xiàng)任務(wù)的能力非常有限；而有了REVO之后，我們可以利用參數(shù)編程，這全面提高了我們的檢測能力。”
Watts指出，在速度、數(shù)據(jù)質(zhì)量和檢測能力方面，五軸坐標(biāo)測量機(jī)掃描使瑪麗維爾工廠的質(zhì)控工作發(fā)生了根本性變化。“我們從兩臺完全相同的機(jī)器中獲益頗多，當(dāng)一臺機(jī)器出現(xiàn)故障或需要停機(jī)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，可以在另一臺機(jī)器上測量關(guān)鍵零件，一點(diǎn)問題也沒有。這是質(zhì)控實(shí)驗(yàn)室獲得的一大優(yōu)勢，因?yàn)樵谶^去，我們不得不將就在小型坐標(biāo)測量機(jī)上檢測大零件，或者在配有特殊角度測頭的機(jī)器上檢測相關(guān)零件。研發(fā)部過去常常要求我們測量某些幾何形狀，而我們幾乎不可能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。現(xiàn)在，我們可以更快的速度提供數(shù)據(jù)，而且是掃描數(shù)據(jù)，我們的員工對此信心也更足。除檢測速度提升以外，還有許多其他優(yōu)點(diǎn)，如靈活性更強(qiáng)、夾具使用減少、形狀測量、參數(shù)編程等。”
瑪麗維爾工廠通過兩臺配備REVO的坐標(biāo)測量機(jī)加工了至少50 000個(gè)零件，Watts表示，如果技術(shù)證明可行，工廠計(jì)劃將REVO系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展到齒輪檢測和凸輪升程。“我們用自己的軟件為凸輪升程開發(fā)了算法和子程序，因?yàn)橐紤]到測頭測量凸部升程所需的角度，如果沒有REVO系統(tǒng)，開發(fā)工作就會難上加難。”
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