Zaproponowano i zweryfikowano metodę poprawy dokładności pozycjonowania wierconych otworów w oparciu o wyniki współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM). Dzięki analizie danych i praktycznej weryfikacji proces wiercenia piasty jest optymalizowany w celu zwiększenia dokładności pozycjonowania. Wyrównując orientację piasty podczas kontroli CMM z orientacją i kolejnością zastosowaną w programie wiercenia centrum obróbkowego, wzór rozkładu pozycji otworów jest analizowany statystycznie w ramach wielu pomiarów w celu obliczenia przesunięcia współrzędnych pomiędzy rzeczywistym nawierconym punktem środkowym a teoretycznym punktem środkowym. Walidacja eksperymentalna na wielu partiach pokazuje, że metoda ta może zmniejszyć odchylenie położenia otworu piasty nawet o 31,25%, oferując-ekonomiczne rozwiązanie poprawiające dokładność pozycjonowania istniejących centrów obróbczych bez konieczności modernizacji sprzętu.
Obraz
01
Wstęp
Wraz z rozwojem branży osi niektórzy producenci narzucają coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące dokładności pozycjonowania otworu w piaście [1]. W rzeczywistej produkcji starzenie się sprzętu często utrudnia zapewnienie, że wszystkie obrabiarki spełniają specyfikacje dokładności pozycjonowania określone na rysunkach technicznych. Poleganie w produkcji na określonych-precyzyjnych centrach obróbczych może obniżyć wydajność i zwiększyć koszty. I odwrotnie, zakup nowych obrabiarek lub odnawianie istniejących podnosi koszty; ponadto, ponieważ większość innych produktów nie wymaga tak dużej dokładności pozycjonowania, inwestycje te mogą prowadzić do marnotrawstwa wydatków przy wytwarzaniu innych linii produktów. Aby rozwiązać ten problem, w artykule zaproponowano i zweryfikowano metodę kompensacji programu opartą na sprzężeniu zwrotnym z pomiarów. Wykorzystując maszynę współrzędnościową do precyzyjnego pomiaru systematycznych odchyleń położenia otworów-, a następnie obliczając i stosując kompensację odwrotną w programie centrum obróbczego-, można znacznie poprawić dokładność pozycjonowania otworu w piaście i zwiększyć wydajność produktu, spełniając w ten sposób różnorodne potrzeby różnych klientów.
Obraz
02
Studium przypadku dotyczące obróbki
Rysunek 1 ilustruje komponent piasty C008 wyprodukowany przez pewną firmę, który wymaga dokładności pozycjonowania 0,20 mm. Chociaż istniejący sprzęt firmy może stale osiągać dokładność pozycjonowania poniżej 0,20 mm-spełniając w ten sposób wymagania dla tego konkretnego produktu,-inni klienci wymagają dokładności pozycjonowania 0,15 mm w przypadku podobnych produktów. Tak wysokie-wymagania dotyczące precyzji mogą obecnie zostać spełnione jedynie przez ograniczoną liczbę nowo zakupionych obrabiarek. Jednakże moce produkcyjne tych maszyn są w zasadzie nasycone, co utrudnia terminową realizację zamówień klientów, a jednocześnie wyższe są koszty pracy związane z ich eksploatacją. Aby zwiększyć ogólną zdolność produkcyjną firmy i konkurencyjność produktów, istnieje pilna potrzeba uwolnienia potencjału precyzji istniejącego sprzętu poprzez optymalizację procesów, a tym samym spełnienie bardziej rygorystycznych wymagań klientów przy jednoczesnej kontroli kosztów obróbki.
[Obraz]
Rysunek 1: Element piasty koła C008
W artykule przedstawiono kompleksowy eksperyment procesowy mający na celu poprawę dokładności pozycjonowania otworów wiertniczych w piastach kół. Badanie obejmuje cztery kluczowe etapy:-obróbka skrawaniem, pomiary, korekta danych i weryfikacja skuteczności-aby osiągnąć cel, jakim jest spełnienie potrzeb klientów przy jednoczesnym obniżeniu kosztów obróbki.
[Obraz]
03
Identyfikacja czynników wpływających na dokładność obróbki
Do głównych czynników wpływających na dokładność pozycjonowania piasty koła C008 zalicza się oprzyrządowanie, narzędzia skrawające i sam sprzęt obróbczy.
1) Oprzyrządowanie służy do wyrównania środka piasty koła z początkiem przedmiotu obrabianego w centrum obróbczym. Oryginalna konfiguracja wykorzystywała trzpień; jednakże teoretyczny maksymalny luz pomiędzy trzpieniem a piastą koła wynosił 0,05 mm, co znacząco wpływało na dokładność pozycjonowania. Aby wyeliminować ten błąd pozycjonowania, w miejsce trzpienia zaprojektowano innowacyjny uchwyt pneumatyczny. Wybrany uchwyt pneumatyczny zapewnia dokładność centrowania wynoszącą 0,001 mm, dzięki czemu jego wpływ na dokładność pozycjonowania jest znikomy.
2) Ponieważ firma standaryzuje modele i marki powszechnie stosowanych narzędzi skrawających oraz biorąc pod uwagę, że narzędzia skrawające-będące zestandaryzowanymi komponentami-w minimalnym stopniu przyczyniają się do odchyleń systematycznych, marka narzędzia pozostała niezmieniona przez cały czas trwania eksperymentu, aby zapewnić spójność zmiennych eksperymentalnych.
3) Centra obróbcze różnią się w zależności od marki i wieku, w zależności od daty zakupu. Przy stałym oprzyrządowaniu i narzędziach skrawających sama obrabiarka stanowi najważniejszą zmienną wpływającą na dokładność obróbki,-zmienną, której nie można zmienić w okresie użytkowania maszyny. Po sprawdzeniu lub wyeliminowaniu zmiennych związanych z narzędziami i narzędziami skrawającymi, badanie skupia się na rozwiązaniu problemu systematycznych odchyleń pozycjonowania właściwych dla obrabiarki. Przeprowadzenie eksperymentu w standardowych warunkach utrzymania pozwala na skuteczniejszą walidację wykonalności proponowanej metody.
[Obraz]
04
Metoda eksperymentalna
Aby zapewnić spójność i porównywalność danych pomiarowych, piastę koła C008 utrzymywano w identycznej orientacji i poddawano tej samej sekwencji kontroli zarówno podczas procesu wiercenia na centrum obróbczym, jak i późniejszej kontroli współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM). Personel ma obowiązek ścisłego przestrzegania określonych kątów pozycjonowania, kolejności wierceń i poleceń kontroli. Zapewnia to dokładną analizę wyników pomiarów i eliminuje błędy pomiarowe spowodowane nieprawidłowymi kątami ustawienia.
4.1 Metoda testowa
Inspekcja CMM (współrzędnościowej maszyny pomiarowej) jest-czasochłonna; nadmierne pobieranie próbek tworzy wąskie gardła na linii kontrolnej, utrudniając skuteczność rutynowych kontroli produktów [2], natomiast niewystarczające pobieranie próbek nie pozwala na uchwycenie stabilności i wahań danych podczas procesu obróbki. Aby zrównoważyć skuteczność inspekcji z wiarygodnością danych, w teście wykorzystano-małe serie przetwarzania składające się z trzech części każda. Dzięki temu podejściu uzyskano statystycznie istotne przykładowe dane, utrzymując jednocześnie cykl inspekcji w zarządzaniu, minimalizując w ten sposób wpływ na standardowe harmonogramy produkcji.
4.2 Minimalizowanie zmiennych
W trakcie testu oprzyrządowanie i obrabiarka pozostały niezmienione, a teoretyczną trwałość narzędzia ustalono na 150 części. Aby zapewnić spójne warunki testowe i porównywalność wyników, na początku zainstalowano nowe narzędzie, a podczas pierwszych dwóch przebiegów testowych nie dokonywano żadnych regulacji narzędzia; skutecznie wyeliminowało to zmienne-związane z narzędziem i zapewniło wiarygodność źródła danych.
4.3 Wymagania dotyczące inspekcji
Piasta koła C008 jest elementem obrotowym. Podczas obróbki orientacja części musiała być zgodna ze specyfikacjami testowymi. Co więcej, sekwencje wierceń i inspekcji CMM pozostały spójne przez cały czas trwania testu, aby zapewnić dokładność danych, zapewniając w ten sposób niezawodną podstawę do późniejszej analizy błędów i obliczeń kompensacji programu.
4.4 Sterowanie procesem obróbki
Aby zachować ścisłą kontrolę nad całym procesem testowym, kierownictwo warsztatu przeszkoliło operatorów maszyn i inspektorów jakości zgodnie z protokołami testów, zapewniając pełne zrozumienie planu testów i przepływu pracy. Po początkowej inspekcji CMM danego dnia, obróbka i inspekcja przebiegały zgodnie z określonymi wymaganiami. Dedykowany personel monitorował i weryfikował cały proces-od pierwszej do ostatniej części,-aby zagwarantować autentyczność i ważność danych. Element piasty koła C008 ma w sumie 12 otworów; wyniki kontroli tolerancji położenia maszyny CMM (współrzędnościowej maszyny pomiarowej) [3] dla otworu 1 przedstawiono w tabeli 1. W tabeli tej przedstawiono błędy wymiarowe dotyczące rzeczywistego teoretycznego położenia otworu pod względem promienia biegunowego i kąta biegunowego [1]. Na podstawie tych wartości program obróbki można dostosować w odwrotny sposób,-w szczególności poprzez modyfikację promienia biegunowego i współrzędnych kąta biegunowego w programie wiercenia oraz ustawienie wartości kompensacji programu-w celu sprawdzenia możliwości poprawy dokładności pozycjonowania wiercenia za pomocą tej metody.
Tabela 1: Wyniki kontroli tolerancji położenia CMM dla otworu 1
[Obraz]
[Obraz]
05 Próby obróbki
Ponieważ kontrola CMM jest-czasochłonna, nadmierna liczba próbek spowodowałaby zatory na linii kontrolnej, a zbyt mała liczba próbek nie umożliwiłaby sprawdzenia stabilności obróbki; dlatego też badanie przeprowadzono przy użyciu partii składających się z trzech części. Doświadczenie obejmowało cztery partie po trzy części każda, przy czym pierwsza partia stanowiła początkową obróbkę. Po dostosowaniu programu w oparciu o wyniki pierwszej partii, poddano kontroli drugą partię. Jeżeli wyniki kontroli drugiej partii wykazałyby znaczną poprawę tolerancji położenia, trzecia i czwarta partia podlegałyby weryfikacji po wymianie narzędzia (co dwa dni) w celu oceny stabilności tolerancji położenia po zmianie narzędzia.
5.1 Wybór produktu
Wybrano produkt C008, a osprzęt narzędziowy zmieniono na uchwyt pneumatyczny, poprawiając dokładność centrowania do 0,001 mm. Wymagana tolerancja położenia produktu wynosi 0,20 mm- i jest to standard osiągalny dla wszystkich obrabiarek firmy. Na tej podstawie oceniono możliwość stabilizacji tolerancji położenia do wartości mniejszej niż 0,15 mm za pomocą kompensacji programowej.
5.2 Kontrola pierwszej partii
Po pomyślnej kontroli wstępnej operator został poinstruowany, aby obrobić trzy części zgodnie z wymaganiami testu i przekazać je do pomieszczenia CMM Działu Kontroli Jakości w celu przetestowania. Po zakończeniu inspekcji personel ds. jakości przekazał raporty zespołowi testującemu. Wyniki kontroli tolerancji położenia dla pierwszej partii trzech części (nr. 1#–3#) pokazano na rysunku 2; tolerancja położenia otworów 7, 8 i 12 w niektórych częściach przekraczała 0,15 mm, a maksymalna wartość wynosiła 0,16 mm. Rysunek 3 ilustruje odchylenia tolerancji położenia dla otworów w pierwszej partii; tam, gdzie wystąpiły znaczne odchylenia, odległość i kierunek przesunięcia każdego otworu w stosunku do jego teoretycznego położenia były spójne. Postać
Rysunek 2: Wyniki kontroli tolerancji położenia dla pierwszej partii produktów (nr. 1#–3#)
Postać
Rysunek 3: Wykresy odchyleń tolerancji położenia otworu dla pierwszej partii produktów (nr. 1#–3#)
5.3 Analiza wyników pomiarów tolerancji położenia
W tabeli 2 przedstawiono analizę statystyczną wyników kontroli dla otworu 7, porównując wartości rzeczywiste i średnie uzyskane za pomocą współrzędnościowej maszyny pomiarowej z wartościami zaprogramowanymi z centrum obróbczego [4].
Tabela 2: Analiza statystyczna wyników inspekcji dla otworu 7
Postać
5.4 Korekta zaprogramowanych wartości
Jak pokazano w tabeli 2, średni rzeczywisty błąd promienia biegunowego dla otworu 7 wynosi 0,062 mm, a błąd kąta biegunowego wynosi -0,004 stopnia. Współrzędne programu obróbki dla otworu 7 zostały dostosowane do promienia biegunowego 167,562 mm i kąta biegunowego 215,996 stopnia. Tę samą metodę analizy zastosowano do pozostałych otworów, aby określić wzorce błędów i zoptymalizować program obróbki poprzez kompensację [5].
5.5 Wyniki pomiarów tolerancji położenia dla drugiej partii
Po dostosowaniu i zmianie nazwy zoptymalizowanego programu przez personel testujący został on zaimportowany do systemu CNC centrum obróbczego i nowy program został wykorzystany do obróbki. Aby zapobiec wyrzuceniu partii na złom ze względu na potencjalne problemy z programem, pierwotny program został przywrócony po przejściu wstępnej kontroli nowego programu i obrobieniu dwóch dodatkowych części.
Rysunek 4 przedstawia wyniki kontroli tolerancji położenia dla drugiej partii trzech produktów (nr. 4#–6#), a rysunek 5 przedstawia wykresy odchyleń tolerancji położenia otworu. Maksymalna wartość tolerancji położenia znacznie spadła z pierwotnych 0,16 mm do 0,11 mm-, co oznacza redukcję o 31,25%. Ten niezwykle istotny efekt optymalizacji w pełni potwierdza skuteczność strategii kompensacyjnej programu. Postać
Rysunek 4: Wyniki kontroli tolerancji położenia dla drugiej partii produktów (nr. 4#–6#)
Postać
Rysunek 5: Wykresy odchyleń tolerancji położenia otworu dla drugiej partii produktów (nr. 4#–6#)
5.6 Wyniki pomiarów tolerancji położenia dla partii trzeciej i czwartej
Aby systematycznie weryfikować wykonalność i stabilność metody kompensacji opartej na programie- oraz zapewnić jakość obróbki, operatorzy musieli zmieniać narzędzia zgodnie z protokołem testu i przeprowadzać próby obróbki trzeciej i czwartej partii (nr. 7#–12#) w określonych odstępach czasu. Wyniki kontroli tolerancji położenia przedstawiono na rysunku 6; maksymalna tolerancja położenia utrzymywała się stale poniżej 0,11 mm. Pokazuje to, że metoda utrzymuje niezawodną poprawę dokładności tolerancji położenia nawet po zmianie narzędzia, wykazując dobrą powtarzalność i praktyczność.
Postać
Rysunek 6: Wyniki kontroli tolerancji położenia dla trzeciej i czwartej partii (nr. 7#–12#)
Postać
06
Wniosek
W artykule przedstawiono metodę poprawy dokładności tolerancji położenia wiercenia w centrach obróbkowych w oparciu o kontrolę współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM) i kompensację w oparciu o-program. Dzięki systematycznej obróbce i pomiarom rzeczywistych danych współrzędnych otworu-sprawdzonych w wielu seriach testowych- metoda analizuje systematyczne odchylenia od pozycji teoretycznych i koryguje wartości współrzędnych odpowiednich otworów w programie CNC, wdrażając w ten sposób kompensację odwrotnych współrzędnych. Ta metoda może zmniejszyć maksymalne odchylenie tolerancji położenia otworów w piastach nawet o 31,25%, zapewniając stabilne i wiarygodne wyniki. Znacząco poprawia jakość obróbki istniejącego sprzętu bez konieczności modernizacji obrabiarek lub narzędzi skrawających, utrzymując w ten sposób wydajność produkcji standardowych produktów, unikając jednocześnie zwiększonych kosztów związanych z zakupem nowego sprzętu. Metoda ta nadaje się przede wszystkim do optymalizacji tolerancji położenia części obrotowych, oferując doskonałą-opłacalność i łatwość wdrożenia; jednakże jego zastosowanie do części asymetrycznych lub o złożonej strukturze wymaga dalszych badań. Metodę tę można zastosować do podobnych produktów i procesów, pomagając zwiększyć konkurencyjność rynkową produktów przedsiębiorstwa.
