雷尼紹QC20-W球桿儀機床診斷系統(tǒng)解析

如果不進行定期檢查和維護，數控機床會隨著時間的推移逐漸失去定位精度并引入誤差。為了加工復雜、高價值的飛機機身組件，BAE Systems借助無線球桿儀系統(tǒng)來提供所需的機床診斷數據，從而最大限度地確保產品質量和生產效率。

飛行中的歐洲臺風戰(zhàn)機

背景

現代飛機的機身組件制造對精度和品質一致性有著嚴格的要求。機身組件的預期壽命必須與飛機的預期壽命相匹配，因此在金屬和復合材料的加工過程中，確保生產質量和可靠性至關重要。

全球防務、航空和安全公司BAE Systems為歐洲臺風戰(zhàn)機（一款雙發(fā)動機、三角翼布局多用途戰(zhàn)斗機）生產多種關鍵的機身組件。這款高機動性戰(zhàn)機自2003年服役以來，已經列入了世界多個國家的空軍序列。

在英國布萊克本附近的薩默斯伯里機場先進的制造工廠里，BAE Systems的80多臺數控機床正在高速運轉，生產著臺風戰(zhàn)機和其他飛機所需的多種高價值機身組件。

為了確保零件質量穩(wěn)定一致、最大限度減少材料浪費并提高生產效率，保持五軸機床的性能和產量已成為公司生產線工程師的主要職責之一。

因此，定期進行數控機床檢測和校準檢查便顯得至關重要。BAE Systems在很早之前便使用了雷尼紹的QC10球桿儀機床診斷系統(tǒng)。此后，為了提高靈活性和易用性，他們又開始啟用第二代無線球桿儀系統(tǒng)。

雷尼紹QC20-W球桿儀

QC20-W球桿儀系統(tǒng)

如果數控機床的定位性能達到理想狀態(tài)，那么在任意兩軸組合中，圓弧插補都會與設定的圓形軌跡完全吻合。QC20-W無線球桿儀可提供比較實際軌跡和設定軌跡的方法，以此確定是否存在誤差。

球桿儀內含高精度線性傳感器，每端各有一個精密球，分別固定在兩個精密磁力碗座上：一個磁力碗座安裝在機床工作臺上，另一個安裝在機床主軸上。在這種布局中，當數控機床按設定的圓形軌跡運行時，球桿儀能夠測量半徑的細微變化。

信號處理在球桿儀內部進行，而數據通過無線連接傳輸至個人計算機中。采集的數據用于計算定位精度（圓度和圓度偏差）的整體性能，計算方法符合國際標準以及雷尼紹自己的分析報告標準。

球桿儀數據以圖形和數字兩種形式顯示，可進一步幫助診斷機床誤差。球桿儀組件包含50 mm、150 mm和300 mm加長桿，可用于診斷各種尺寸的數控機床。

BAE Systems員工Jim Walsh正在使用雷尼紹QC20-W球桿儀

挑戰(zhàn)

無論機床的類型、規(guī)格、工作負荷和使用率如何，如果不加以維護，即使是最好的數控機床，定位精度也可能會隨著時間的推移逐漸下降，從而產生加工誤差。組件磨損、碰撞造成的損壞、安裝錯誤，甚至是基座振動和環(huán)境溫度的變化都可能對精度造成不利影響。

在零件加工完成后才發(fā)現機床問題的代價十分高昂。在BAE Systems制造的機身組件中，很大比例都是由鈦合金材料加工制成的。這種高強度、輕質、耐高溫和耐腐蝕的金屬材料價格不菲且日益緊缺，需要提前一年向供貨商預定才可保障供應。

除了昂貴材料報廢造成的損失外，機床誤差造成的數控機床加工時間損失更是難以挽回。

一件復雜的鈦合金機身組件一般需要機床加工40個小時。重復生產出報廢組件會對企業(yè)的生產效率造成嚴重影響。

一個典型的例子是，BAE Systems的制造工程師曾發(fā)現在眾多的機床中，有一臺機床的加工精度正在緩慢下降，車間操作人員漸漸對其性能失去了信心。由于越來越難以生產出達標的零件，問題機床逐漸被閑置，而它原來承擔的工作量則被分流到其他機床。

要解決面臨的這些難題，需要定期檢查數控機床的性能。保持機床的定位精度對于確保質量和生產效率而言至關重要。

用于機床性能診斷的雷尼紹QC20-W無線球桿儀

解決方案

為了協(xié)助定期進行數控機床的性能診斷，BAE Systems以前使用雷尼紹的QC10球桿儀系統(tǒng)來識別特定的機床性能誤差。

現在BAE Systems開始使用第二代QC20-W無線球桿儀，還啟動了一項涵蓋整個工廠的預防性維護計劃，規(guī)定每周、每月和每年對所擁有的60多臺數控機床進行定期檢查。

通過詳細解析所有機床的QC20-W診斷數據趨勢，BAE Systems制定了一套可靠的誤差范圍基準，以此對所有機床的性能進行快速檢查，并允許操作人員做出“繼續(xù)/不宜繼續(xù)”使用機床的決定。一旦數控機床定位精度出現任何大于30 μm的圓度誤差，就需要立即展開調查。

接受過球桿儀培訓的機床操作人員可高效率地使用QC20-W運行診斷檢查，這意味著這些檢查可以利用生產間隙完成，這對產量幾乎不會造成任何影響。

同時BAE Systems還確定了球桿儀測試組件與數控機床的最佳數量比例。這一比例為1:15，這意味著在某一時刻，有一臺球桿儀可離開工廠前往專業(yè)機構做年度校準檢查，而其他球桿儀則可同時對車間內的不同機床執(zhí)行性能檢查。

憑借在不同類型的機床上使用QC20-W球桿儀所獲得的知識和經驗，BAE Systems現在能夠更深入地研究上文所述的那臺實際上已退出生產序列的問題機床。

BAE Systems使用球桿儀觀察到了一個200 μm的XY圓度誤差。他們使用球桿儀診斷軟件，確定機床的主要故障模式為伺服不匹配造成的，隨后占第二位的誤差源為較大的反向間隙誤差。BAE Systems維護工程師通過優(yōu)化X軸驅動參數糾正了伺服不匹配問題，然后他們使用球桿儀再次進行檢查，以量化調整后獲得的改進。

然而再次檢查的結果顯示，即使伺服不匹配已被消除，機床仍存在嚴重誤差，工程師們接下來又使用球桿儀和傳統(tǒng)量規(guī)進行了檢查和測量，發(fā)現誤差是由于X軸的滾珠絲桿磨損造成的。翻新滾珠絲杠并重設反向間隙補償值后，機床這次達到了30 μm的XY圓度要求，并重新加入了生產序列。

BAE Systems專業(yè)制造工程師Jim Walsh評論道：“使球桿儀檢測成為機床狀態(tài)檢查不可或缺的一部分，這不僅有助于確保零件質量穩(wěn)定一致，對于那些曾被認為是已無法勝任工作的機床，球桿儀還可幫助我們令其重新煥發(fā)活力?！?/p>

他繼續(xù)道：“使用球桿儀的診斷軟件可以自動分析結果并診斷誤差，這意味著機床操作人員再也無須根據原理和公式費力地自己計算數據的真實含義、確定問題的發(fā)生位置以及查找補救措施了。這在實際生產中將節(jié)省大量的時間。”

黎明時分的塞浦路斯阿克羅蒂里機場，第11空軍中隊的一架臺風戰(zhàn)機準備起飛（照片由BAE Systems提供）

結果

BAE Systems在加工高價值飛機機身組件的過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，而將QC20-W無線球桿儀系統(tǒng)納入專門的數控機床預防性維護計劃，則是其應對這些挑戰(zhàn)邁出的有益一步。

雷尼紹也在不斷更新球桿儀診斷軟件的功能，在新版軟件的幫助下，BAE Systems旨在減少材料浪費和提高生產效率的主動性維護計劃將增添新的活力。在萌芽階段便可找出導致機床誤差的根本原因，不必到問題實際發(fā)生時措手不及。

過去，漫長且代價昂貴的機床檢查和維修工作將導致出現大量的機床停機時間，令企業(yè)難以承受；而現在，BAE Systems的機床誤差診斷幾乎瞬間便可完成，這使得停機時間大幅減少。此外，借助球桿儀診斷數據，企業(yè)不再單純依賴機床制造商的服務和支持來解決相關問題。

借助于雷尼紹球桿儀的診斷，一臺故障數控機床重新煥發(fā)活力，車間生產效率和質量合規(guī)方面也取得了重大進展，這令BAE Systems受益頗多。
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