Авторы: Матюшин Тимофей Геннадьевич, Белоусов Алексей Владимирович
В предыдущей статье мы рассмотрели возможности применения программного обеспечения (далее ПО) «СтатАналитика» в качестве средства метрологического обеспечения и одного из инструментов по управлению качеством выпускаемой продукции. Данное ПО предназначено для анализа измерительной информации, поступающей с применяемых на предприятии средств измерений: от штангенциркуля до сложной измерительной системы типа координатно-измерительной машины. При этом нужно понимать, что для эффективной работы данного ПО необходимо, чтобы обеспечивался высокий уровень качества поступающей в него измерительной информации.
Стоит отметить, что сейчас без средств измерений не может обходиться ни одно современное обрабатывающее производство, если предприятие-изготовитель заинтересовано в обеспечении качества своей продукции. Данные СИ предоставляют оператору определенную измерительную информацию, уровень качества которой напрямую зависит от влияния человеческого фактора (уровень квалификации, психосоматическое состояние оператора), уровня повторяемости СИ и его технического состояния, т.е. соответствия метрологических характеристик значениям в документации. Если последнее можно проверить путем проведения процедуры поверки или обмера контрольных эталонов с соблюдением требований по температуре и проведению иных подготовительных операций, после чего сравнить полученные значения со значениями из документов на эти эталоны, то первый и второй факторы представляют собой серьезные проблемы, к решению которых необходимо подходить комплексно. Одним из способов нивелирования влияния человеческого фактора и повышения повторяемости измерений является максимальный уход от ручных и внедрение универсальных автоматизированных СИ, в программном обеспечении которых заложены математические алгоритмы, позволяющие максимально снизить влияние неопытности оператора и его психосоматического состояния на результаты измерений. Наиболее распространенными примерами таких средств измерений являются: стационарные координатно-измерительные машины (далее КИМ), мобильные (портативные) координатно-измерительные машины типа «Рука» (далее КИМ-рука) и видеоизмерительные машины (далее ВИМ).
Рассмотрим более подробно возможности их применения. На сегодняшний день сформировалась тенденция использования подобных СИ только при финальном контроле, когда принимается решение о принятии детали (партии деталей) или признания ее бракованной. При этом при межоперационном контроле используются либо ручные СИ, либо он отсутствует в принципе из-за неправильного понимания принципов работы станков с системой ЧПУ – считается, что ее наличие является гарантом изготовления качественных деталей с точки зрения обеспечения их геометрии. Но нельзя забывать, что в процессе эксплуатации станок и инструмент подвергаются естественному износу, а также оператор станка может совершить ошибку при написании программы, что в итоге приводит к появлению бракованной продукции. При наличии грамотно организованного межоперационного контроля у производителя появляется возможность оперативного реагирования на появления брака и экономии ресурса оборудования за счет снятия бракованной заготовки с оставшегося производственного цикла с одновременным снижением репутационных рисков. Однако не всегда есть возможность провести контрольно-измерительные операции на стационарном измерительном оборудовании (КИМ и ВИМ), т.к. необходимо соблюдать технологический принцип изготовления детали с минимальным количеством установов. Многие производители решают эту проблему с помощью ручного измерительного инструмента, который имеет три существенных недостатка: отсутствие повторяемости, высокая зависимость от человеческого фактора, невозможность автоматизированного формирования отчета об измерениях. Наиболее приемлемым СИ для решения данной задачи является КИМ-рука. Она обладает рядом достоинств, которые позволяют существенно снизить влияние человеческого фактора на результаты измерений, повысить повторяемость и автоматически формировать отчеты об измерениях для их последующего анализа в рамках применения статистических методов управления качеством (см. статью Автоматизация измерений и управления качеством). При этом, следует отметить, что наличие большого количества дополнительных опций и приспособлений, доступных для заказа, позволяет расширить области применения данного оборудования в контрольно-измерительных операциях и сократить время, затрачиваемое на их проведение. В линейке измерительного оборудования, производимого компанией ООО «КСИЛЛЕКТ» есть КИМ-руки различных диапазонов измерений и конструкций (шести- и семи-осевые), которые обладают точностными характеристиками, превосходящими по своим значениям образцы от именитых иностранных брендов. Конструктивно КИМ-руки обеих модификация (шести – и семи-осевые) состоят из шарнирно соединенных между собой частей (колен), смонтированных на специальных монтажных основаниях со встроенными энкодерами и противовеса. На семи-осевых машинах в конструкции предусмотрена поворотная рукоять, т.е. дополнительная степень свободы. Обе модификации могут комплектоваться различными датчиками-щупами с функцией автоматического распознавания (позволяет менять щуп без последующей рекалибровки, сокращая время измерений), штативом-треногой для обеспечения большей мобильности, магнитным основанием, лазерным сканером для семи-осевой модификации и другими опциями.
Мы рассмотрели ситуацию, когда межоперационный контроль возможен при условии того, что деталь не снимается со станка в процессе изготовления. Но нередко бывает так, что цикл производства детали предусматривает использование нескольких станков, что позволяет применять для межоперационного контроля стационарные СИ типа КИМ и ВИМ. Хотелось бы отметить важность проведения контрольно-измерительных операций на этом этапе. При переносе детали с одного станка на другой в процессе изготовления у оператора всегда есть возможность провести замеры детали при помощи СИ с высокой повторяемостью и точностью, а также возможностью автоматизированного формирования измерительных отчетов, после анализа которых можно сделать выводы о состоянии производственного процесса с последующей его настройкой при необходимости. Измерения на этом этапе производства позволят определить целесообразность дальнейшей обработки детали, т.к. после контрольно-измерительных операций деталь может быть признана бракованной или годной. В случае если деталь имеет устранимый брак, то ее можно отправить на переточку, либо, если брак неустранимый, то на переплавку. В любом случае это позволит сберечь инструмент, а также снизит уровень брака выпускаемой продукции. Но следует понимать разницу в области применения КИМ и ВИМ, чтобы использовать их максимально эффективно и по назначению. Для лучшего понимания отличий по применяемости данных СИ стоит обратиться к конструкции и принципу работы КИМ и ВИМ. Конструкция КИМ состоит из неподвижного гранитного стола c направляющей оси Y, подвижного портала с пинолью и измерительной головой, стойки с контроллерами и ПК оператора. Направляющая оси X и пиноль оси Z могут быть изготовлены из алюминиевого сплава, натурального гранита или керамики. В конструкции большинства современных КИМ направляющая и пиноль часто выполнены их алюминиевого сплава, т.к. такое решение обладает рядом преимуществ: меньше нагрузка на устройства перемещения (серводвигатели и ремни), больше скорость перемещения, а, следовательно, и производительность контроля. Существует несколько подходов к конструированию КИМ. Наиболее проблемным для пользователя является подход, при котором компания-производитель не использует никаких изделий и компонентов, включая ПО, которые были бы разработаны и произведены сторонними поставщиками и применялись бы другими производителями. Это делает крайне затруднительным поиск запасных частей и проведение технического обслуживания и ремонта машины в случае ее поломки, особенно когда производитель решил прекратить свою деятельность на рынке. Наиболее приемлемым является подход, при котором производитель применяет в конструкции узлы и компоненты, используемые и другими производителями машин. Это существенно облегчает поиск запасных частей для проведения обслуживания и ремонта машины. Таковыми являются машины производства компании КСИЛЛЕКТ. В них используются измерительные компоненты (измерительные головы, датчики, энкодеры, линейки и т.д.) производства компании Renishaw, продукция которой знакома подавляющему большинству российских пользователей и зарекомендовавшая себя, как надежный инструмент в течение длительного периода эксплуатации. Также следует отметить, что компания КСИЛЛЕКТ начала применение собственной измерительной головы МС-ИГ с аналогичными характеристиками по сравнению с измерительной головой производства компании Renishaw, предоставляя таким образом пользователю возможность выбора без потери качества и точности. Принцип работы КИМ заключается в следующем. С ПК оператора поступает управляющий сигнал на контроллер перемещений машины, который в свою очередь поступает на серводвигатели и измерительную голову. Происходит перемещение подвижных элементов в заданные пользователем положения. Таким образом машина подводит щуп, закрепленный на измерительной голове, к контролируемой поверхности детали, осуществляется контакт наконечника щупа и поверхности. Как только усилие контакта превышает порог срабатывания измерительного датчика, с него через измерительную голову поступает управляющий сигнал на контроллер и на ПК оператора, происходит запоминание координат положения щупа в пространстве. Далее происходит ощупывание поверхности либо в тач-триггерном режиме, либо в режиме контактного сканирования. При этом происходит съем координат положения наконечника щупа, их передача через контроллер и обработка на ПК оператора. После обработки ПО проводит сравнение полученного множества точек с номинальной поверхностью, вычисляет отклонения и анализирует полученные результаты с целью определения соответствия измеренной поверхности требованиям чертежа. Наиболее распространенной областью применения КИМ является контроль деталей сложной формы с большим количеством измеряемых поверхностей и высокими требованиями к их взаимному расположению. Примерами таких деталей являются головки блоков цилиндров, корпусные детали (корпуса редукторов и т.д.) и пр. За счет использования в конструкции поворотной измерительный головы КИМ позволяет проконтролировать с высокой точностью труднодоступные элементы, в т.ч. и расположенные под разными геометрическими углами и на разных сторонах детали.
Конструкция видеоизмерительных машин (ВИМ) бывает двух типов: настольная с подвижным измерительным столом и напольная с подвижным порталом. Настольные ВИМ в свою очередь бывают с ручным или моторизованным приводом измерительного стола. Конструкция настольных ВИМ состоит из консоли, на которой закреплен привод для перемещения вдоль оси Z объектива с цветной камерой высокого разрешения и программируемым светодиодным осветителем. Консоль крепится на специализированном основании, на котором также установлен подвижный стол, который перемещается вдоль направляющих осей X и Y. Перемещение подвижного стола осуществляется либо вручную, либо с помощью мотопривода. Контроль положения подвижных элементов ВИМ осуществляется с помощью измерительных линеек и перемещающихся вдоль них энкодеров. В конструкции стола специально предусмотрено предметное стекло, на которое устанавливается измеряемая деталь, под стеклом также расположен светодиодный осветитель. Напольные машины портального типа имеют схожий принцип работы и конструкцию, а главное отличие заключается в том, что в них измерения осуществляются при помощи подвижного портала, который перемещается вдоль оси Y, а камера, осветитель и пиноль оси Z закреплены на ползуне, который, в свою очередь, перемещается вдоль направляющей оси X. Оба типа машин могут комплектоваться контактным датчиком. В линейке измерительной техники компании КСИЛЛЕКТ представлены ВИМ обоих типов конструкции с различными измерительными диапазонами и комплектациями в т.ч. с контактным измерительным датчиком Renishaw. Принцип работы ВИМ с моторизацией имеет определенное сходство с работой КИМ. В процессе измерений на ВИМ деталь устанавливается на измерительное стекло, после чего с ПК оператора запускается измерительная программа, при выполнении которой поступают управляющие сигналы на контроллер ВИМ, который перенаправляет их на сервоприводы подвижных частей. Таким образом осуществляется перемещение стола (настольные ВИМ) или портала (напольные ВИМ) таким образом, чтобы измеряемая поверхность попала в поле зрения объектива камеры. Система распознает кромку контролируемой поверхности с помощью алгоритмов ПО, идет фиксация координат с энкодеров, после чего идет обработка полученной информации и сравнение измеренной поверхности с ее номинальным значением. Для повышения качества распознавания кромки в конструкции предусматриваются программируемые осветители: один устанавливается на пиноль с камерой, второй устанавливается под измерительный стол. В случае необходимости ВИМ может быть оснащена контактным измерительным датчиком. В этом случае ВИМ работает точно также как и КИМ, но без поворота щупа в пространстве. Таким образом, исходя из понимания принципа работы ВИМ, можно сделать вывод, что наилучшая их применимость будет в области контроля плоских деталей с отверстиями, проточками, пазами, которые расположены в плоскости XY, например корпуса для установки печатных плат, печатные платы (расположение элементов на поверхности плат) и т.д.
Мы рассмотрели конструкции и принципы действия стационарных КИМ и ВИМ и определили наилучшие области применения данных СИ. Однако, необходимо учитывать, что на производстве в рамках одного предприятия крайне редко изготавливают детали только одного типа. Наоборот, очень часто предприятия занимаются выпуском деталей разных типов по своему виду, форме и назначению, поэтому очень важно сделать правильный выбор СИ для их эффективного межоперационного и финального контроля. Наиболее рациональным будет подход, при котором СИ будет выбираться исходя из процентного соотношения между количеством деталей каждой номенклатурной группы к общему числу контролируемых деталей. Но при этом важно помнить, что КИМ не всегда может заменить ВИМ в качестве средства, а измерительные задачи, предназначенные для выполнения на КИМ, не могут быть выполнены при помощи ВИМ. Стоит отметить, что для расширения возможностей ВИМ в плане измерения труднодоступных и сложно контролируемых участков детали целесообразно использовать оттискно-слепочный материал, который воссоздаст высокоточную копию контролируемой сложной поверхности, после чего слепок можно будет поместить на измерительный стол машины. На текущий момент наиболее широкое распространение получили следующие двухкомпонентные материалы: Компар-С и Компар СТ. Главное их отличие заключается в том, что Компар-СТ предназначен для создания слепков крайне труднодоступных поверхностей. Процесс формирования слепка осуществляется путем смешивания обоих компонентов материала в пропорции 1:1, после чего требуется подождать несколько минут и удалить слепок с поверхности для проведения дальнейших измерительных операций. Благодаря применению самых современных химических веществ в составе обоих компонентов срок хранения слепков составляет не менее 3 лет.
Следует отметить и очень важный факт, что для оператора будет очень удобным, если все СИ, применяемые при контроле производимой продукции, будут работать на одном управляющем ПО. При таком подходе операторы могут быть взаимозаменяемы, а также при работе с приборами существенно снизится вероятность ошибок, которые могут возникнуть из-за разницы интерфейсов программного обеспечения. В качестве управляющего ПО на всех описанных выше СИ (стационарные КИМ, КИМ-руки и ВИМ) компания КСИЛЛЕКТ устанавливает программное обеспечение МС-ДМИС. Данное ПО обладает следующими преимуществами:
— дружелюбный и понятный интерфейс пользователя;
— открытость для загрузки CAD-моделей для создания программ по этим моделям;
— отсутствие ограничений по срокам действия лицензии;
— применимость на различных измерительных системах (стационарные координатно-измерительные машины (далее КИМ), портативные КИМ типа «рука», видео-измерительные машины и т.д.).
Таким образом, можно сделать вывод, что в линейке оборудования, производимом компанией КСИЛЛЕКТ, есть все измерительные системы, которые необходимы для организации межоперационного и финального контроля большинству потребителей, чьи производственные линии связаны с получением деталей путем механической обработки. В завершении хотелось бы отметить, что сервисная служба компании КСИЛЛЕКТ обладает большим опытом и компетентностью в запуске, настройке и эксплуатации поставляемых измерительных систем и может провести полный цикл работ не только по пуско-наладке и инструктажу персонала заказчика, но и по сервисному обслуживанию, ремонту и модернизации оборудования.