Величие человека — в глазах смотрящего. Со станками проще: их достижения можно измерить, и способов для этого придумано немало. Три основных показателя понятны всем и применяются в любой работе: время цикла, точность и шероховатость поверхности. Со временем цикла всё очевидно — его видно по часам. А вот точность и шероховатость без специального инструмента и оборудования не проверить.
Классическая схема выглядит так: готовую деталь снимают со станка и передают на отдельное измерительное устройство — как правило, на КИМ, координатно-измерительную машину. Схема надёжная, но у неё есть неприятное следствие: если контроль выявил отклонение, деталь надо вернуть на станок и заново выставить, чтобы доработать. Это лишние часы и лишний труд. Чтобы этих затрат избежать, базовые проверки точности можно выполнить, пока деталь ещё стоит в станке, — и арсенал доступных для этого высокотехнологичных инструментов постоянно растёт.
Что об этом говорят стандарты ISO
Прежде чем переходить к технике измерений в электроэрозии, нужно разобраться с главным ограничением. Измерения на станке — полезный и выгодный инструмент, но они не отменяют необходимости финального аттестованного контроля. Стандарты ISO устанавливают три правила, обязательных к соблюдению и входящих в систему менеджмента качества любого предприятия.
Первое: станок, изготовивший деталь, не может использоваться для окончательных, «официальных» измерений этой детали. Второе: в системе качества должно быть определено эталонное измерительное устройство, которое, в свою очередь, регулярно калибруется по сертифицированному эталонному образцу. Третье: оборудование для контроля должно обеспечивать измерения в десять раз точнее целевого допуска — это требование статистики.
Можно ли обойти правила?
Мечта универсальная: оператор нажимает кнопку «сделать хорошо», станок безупречно всё выполняет в пределах допуска — само собой, волшебным образом. Желание получать идеальные детали, не думая и не применяя собственных навыков, вполне понятно. Но реальность устроена принципиально иначе.
Мы действительно хотим выжимать из измерений на станке максимум точности и доверять тем данным, которые выдаёт оборудование. Однако стандарты ISO эти измерения не признают. Они остаются важным инструментом, но не заменяют и не отменяют аттестованное эталонное устройство, записанное в документации системы качества предприятия. Формально данные измерений на станке считаются «неофициальными» — «только для справки».
За этим правилом стоит здравый смысл: любая позиционная погрешность или неточность самого станка неизбежно повторится и в его собственных измерениях. Станок меряет себя своей же линейкой.
Это не значит, что время потрачено зря. Такие данные вполне надёжны и позволяют реже возвращаться к доработке деталей. Основной вопрос — в возможном расхождении между станком и эталонным измерительным устройством. Чтобы данным со станка можно было доверять, между ним и эталонным прибором нужно регулярно проводить корреляционные измерения и убеждаться, что оба дают согласованные результаты.
Эталонное устройство почти наверняка аттестовано на более высокий класс точности, чем станок. Поэтому в методике корреляции придётся задать конкретный уровень допуска, в пределах которого результаты двух приборов считаются совпадающими. Это ключевой шаг: без него «доверия» к измерениям в процессе обработки не построить.
Методы измерений на станке
Главный принцип при проверке детали, не снятой со станка: целевой допуск должен быть одновременно практичным и достижимым для выбранного метода. Грамотное измерение перед снятием заготовки — полезная практика, но метод должен обеспечивать нужный уровень точности, иначе смысла в нём нет. Измерять можно ручным инструментом и калибрами, а можно автоматическими циклами самого станка. Ни один метод не лучше и не важнее другого: выбор диктуют требования к точности конкретной детали.
Уровень 1 — ручной инструмент. Микрометры, штангенциркули и прочий измерительный инструмент. Калибр-пробки, концевые меры длины, наборы щупов. Специальные калибры «проходной / непроходной».
Уровень 2 — штатные циклы привязки станка. На проволочно-вырезных станках большинство систем ЧПУ умеет измерять, используя в качестве щупа саму проволоку, — через стандартные циклы привязки. На прошивных станках то же самое делает контактный щуп, тоже через штатные циклы привязки. Часть станков умеет записывать и выгружать результаты измерений.
Уровень 3 — специальное измерительное оборудование. Некоторые станки поддерживают более продвинутые устройства: контактные щупы в стиле КИМ или системы технического зрения. Набор таких опций зависит от производителя станка. Оборудование этого уровня, как правило, позволяет сохранять и экспортировать данные измерений.
Контактные щупы
Щупы триггерного типа — те же, что применяются на КИМ, — доступны для большинства станков и заметно расширяют возможности точной наладки. Их предлагают для проволочно-вырезных, прошивных станков и супердрелей. Чаще всего встречаются щупы Renishaw — RMP400 или MP250, обеспечивающие разные уровни точности. В ряде отраслей контактные щупы предпочитают по отдельной причине: при касании они не подают на деталь никакого электрического потенциала.
Расположение. На прошивных станках и супердрелях щуп обычно размещают по оси Z/C — то есть на той же оси, по которой ведётся обработка. Это позволяет измерять в любой точке заготовки, куда станок в принципе может дотянуться. Щуп при этом закрепляется в системе автоматической смены инструмента, а его хвостовик работает с тем же зажимным патроном, что и остальная оснастка. На проволочно-вырезных станках единого решения нет: одни производители выносят щуп сбоку от верхней головки, другие ставят его соосно с проволокой.
Привязка. Независимо от типа станка щупу требуется внутреннее смещение — точка отсчёта, от которой ведутся все измерения. На прошивных станках и супердрелях для этого в рабочую ванну устанавливают референсный шар: он служит общей базой для щупа, электродов и заготовки. На проволочно-вырезных станках смещение между щупом и центром проволоки задают специальным юстировочным приспособлением.
Работа. На большинстве станков процедуры измерения используют те же штатные циклы привязки, что и обычная наладка. Оператору это удобно и привычно: на современных станках циклы привязки управляются наглядной графикой. Специальные измерительные циклы можно программировать кодами G и M — это удобно в серийном производстве.
Что умеют щупы сверх обычной привязки. Главное преимущество — сложные процедуры. Например, базирование в гнезде по 5 или 6 точкам, принятое в аэрокосмической отрасли при установке лопаток и блоков соплового аппарата: станок определяет положение заготовки в пространстве и рассчитывает координаты по шести степеням свободы — X с вращением A, Y с вращением B, Z с вращением C. В такой наладке могут участвовать и одно- или двухосевые поворотные столы. На проволочно-вырезных станках щуп замеряет наклон верхней плоскости заготовки, а станок его компенсирует: рассчитывает смещение по осям U и V так, чтобы проволока встала перпендикулярно фактическому положению детали.
Границы возможностей. Щуп даёт координаты точек — очень полезные при наладке и выверке, но само облако точек получается скудным. Измерить в процессе базовые размеры и принять решение до снятия детали — задача, с которой щуп справляется. Оформить по этим данным полноценный контроль — уже нет. Настоящая КИМ несопоставимо мощнее: она ведёт сканирование по точкам и снимает их тысячами, воспроизводя всю геометрию детали.
Системы технического зрения
Вариантов оптического контроля и наладки с увеличением много — от простейших до полностью интегрированных.
Простые системы
Производители оснастки — System 3R, Erowa, Hirschmann и другие — выпускают оптические измерительные устройства под зажимной патрон станка. Такие оправки несут микроскопический объектив с сеткой и устанавливаются в станок вручную; увеличение обычно от 20× до 50×. Применяют их в основном на прошивных станках: перемещая оси, оператор измеряет элемент детали вручную, а заодно получает возможность визуально оценить качество поверхности.
Есть и более совершенные оптические системы — с цифровой камерой и экраном, которые умеют измерять сложные контуры. Их плюс в том, что они не связаны с системой ЧПУ станка: старую машину можно научить новым фокусам без вмешательства в управление. Правда, питание им нужно внешнее, от удлинителя, — так что не без привязок, в самом прямом смысле.
Сложные системы
Часть производителей электроэрозионных станков предлагает системы технического зрения, полностью встроенные в систему управления станком. Обычно это требует доработки станка и специального программного обеспечения. Оптическое увеличение таких систем доходит до 100×, цифровое — до 400×, и в комплект входит специальная подсветка для измерений.
Встроенная система зрения позволяет автоматически измерять элементы детали прямо в станке средствами метрологических камер и соответствующего софта. С её помощью находят базу или начальную точку детали, а также выполняют полный обмер геометрии контура с наложением на данные CAD по наилучшему совпадению — то есть получают отклонение фактических размеров от теоретической программной модели. Результат сохраняется и выгружается из станка. Возможности впечатляют, но полного функционала выделенной оптической измерительной системы у встроенной нет — здесь работает та же логика, что и в сравнении щупа с КИМ.
Производство с обратной связью
До сих пор речь шла об измерениях как о способе повысить точность наладки и оценить полученный размер. Станок автоматически выполняет часть измерений, а оператор по ним принимает решение — снимать деталь или дорабатывать. Подход рабочий, но человек из него не исключён. Между тем существует следующий уровень — производство с замкнутым контуром, Closed-Loop Manufacturing.
Здесь измерения в процессе обработки попадают в цепь обратной связи, и уже она принимает решения и меняет процесс. По сути это форма искусственного интеллекта для станка: интегрированные системы измеряют и сами корректируют программу ради точности. Станок адаптируется и вносит изменения самостоятельно, используя данные измерений и как вход, и как выход для собственных решений.
Одним из примеров такой системы является IVU она интегрирована в станки AgieCharmilles CUT x000 и серии X. Система приостанавливает обработку и обмеряет деталь после отработки каждого прохода. Затем программа по результатам измерений вносит поправки в управляющую программу. Это решение позволило компании существенно поднять точность и стабильно удерживать результат в пределах ±1 мкм.
Итог
Идеального метода контроля не существует. У каждой детали свои требования к размерам и точности — именно поэтому измерительное оборудование такое разное. У каждого метода свои сильные и слабые стороны, но есть фактор, который бьёт по всем сразу: чистота детали. Загрязнённая поверхность искажает результат любого измерения. Системы технического зрения из-за большого увеличения чувствительнее остальных: на них влияет не только грязь и шлам на детали, но и уровень засветки.
Измерения на станке — привлекательная и растущая технология, способная поднять точность деталей. Но они не отменяют финального контроля. По стандартам ISO окончательный вердикт о качестве детали выносит аттестованное эталонное измерительное устройство.
Требования к точности и квалификация операторов в каждом цехе свои — это признанный факт. И именно поэтому автоматические измерения в процессе обработки дают выигрыш в точности и однородности: они снимают часть разброса, который неизбежно вносит «человеческая рука».