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球杆儀診（zhěn）斷助力（lì）飛（fēi）機機身製造

2018-1-8 來源（yuán）：雷尼紹作者：-

如果不進（jìn）行定期檢查和維護，數控機（jī）床會隨著時間的推移逐漸（jiàn）失去定（dìng）位精度並引入誤差。為了加工（gōng）複雜（zá）、高價值的飛機機身組件（jiàn），BAE Systems借助無線球杆儀係（xì）統來提（tí）供所需的機（jī）床診斷數（shù）據，從而最大限度地確保產品質量和（hé）生產效（xiào）率。

背景

現代飛機的（de）機（jī）身組件製造對精度和品質一致性有（yǒu）著嚴格的要求。機（jī）身組件的預期壽命必須與飛（fēi）機的預期壽命相匹配，因此在金屬和複合材料的加工過程中，確（què）保生產質量和可靠性至關重要。

飛行（háng）中的歐洲台風戰機（圖片版權（quán）所有：BAE Systems）

全（quán）球防務、航（háng）空和安全公司BAE Systems為歐洲台風戰機（一款雙發動機、三角（jiǎo）翼（yì）布局多用途戰鬥機）生產多種關鍵的機身組件。這款高機動性戰機自（zì）2003年服役以來，已經列入了（le）世界多個國家的空軍（jun1）序列（liè）。

在英國布萊克本附近的薩默斯伯裏機場先進的製造工廠裏（lǐ），BAE Systems的80多台數控機（jī）床正在（zài）高速運轉，生產著台風戰機和其他飛機所需的多種高（gāo）價值機身組件。

為了確保零件質（zhì）量穩定一致、最大限（xiàn）度減少（shǎo）材料浪費並提高生產效率，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（chuáng）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（le）雷尼紹的QC10球杆儀（yí）機床診斷係統。此後，為了提高靈活性和易用性，他們又（yòu）開始啟用第二代（dài）無線球杆儀係統。

QC20-W球杆儀係統

如果數控機床的定位性能達到理想狀態，那麽在（zài）任意兩軸組合中，圓弧插補都會與設定的圓（yuán）形軌跡完（wán）全吻合。QC20-W無線球杆儀可提供比較實際（jì）軌跡和（hé）設定（dìng）軌跡的（de）方（fāng）法，以此確定（dìng）是（shì）否存在誤差。

雷尼紹QC20-W球杆儀

球（qiú）杆儀（yí）內（nèi）含高精度線性（xìng）傳（chuán）感器，每端各有一（yī）個精密球，分別固定在兩個精密磁力（lì）碗座上：一個磁力碗座安裝在（zài）機（jī）床工作台上，另一個安裝在機床主軸上。在這種布局（jú）中，當數控（kòng）機床按設定的圓形軌跡運行時，球杆（gǎn）儀能夠測量半徑的細微變化。

信號處理在球（qiú）杆儀內部（bù）進行，而數據通過無線連接傳輸至個人（rén）計算機中。采集的數據用於（yú）計算定位（wèi）精度（圓度和圓度偏差）的整體性（xìng）能，計算方法符合國際標準以及雷尼紹自己的分析報告（gào）標準。

球杆儀數據以圖形和數字兩種（zhǒng）形式顯示，可進一步幫助診斷機床誤差。球杆儀組件包含50 mm、150 mm和300 mm加長杆，可（kě）用於診斷各種尺寸的（de）數控機床。

挑戰

無論機床的類型、規格、工（gōng）作負荷和使用率如何，如果（guǒ）不加以維護，即使是最（zuì）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（cuò）誤，甚至是基座振動和環境溫度的變化（huà）都可能對精（jīng）度造成不利影響。

BAE Systems員工Jim Walsh正（zhèng）在使用雷尼（ní）紹QC20-W球杆儀

在零件加工完成後才發現機（jī）床問題的（de）代價十分高昂。在BAE Systems製造（zào）的機身組件中，很大比例都是由鈦合金材料加工製成的（de）。這種（zhǒng）高強度、輕質、耐高溫和耐腐蝕的（de）金屬（shǔ）材料價（jià）格不菲且日（rì）益緊（jǐn）缺，需要提（tí）前一年（nián）向供貨商預定才（cái）可保障供應。

除了昂（áng）貴材料報廢造成的損失外，機床誤差造（zào）成的（de）數控機床加工（gōng）時間損失更是難以挽回。

一件複（fù）雜的鈦合金機身組件一般需要機床加工40個小時。重（chóng）複生產出報廢組件會對企業的生產效率（lǜ）造成嚴重影響。

一個典型的例子是，BAE Systems的製造（zào）工程師曾發現在眾（zhòng）多的機床中，有（yǒu）一台機床的加工精度正在緩（huǎn）慢下降（jiàng），車（chē）間（jiān）操作人員漸漸對其性能失去了信心。由於越（yuè）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（qí）他機床。

要解決（jué）麵臨的（de）這些（xiē）難題，需要定期檢查數控機床的性能。保持機床的定位精（jīng）度對於確保質量（liàng）和生（shēng）產效率而言至關重要（yào）。

解決方案

為了協助定期進行數控機（jī）床的性能診斷，BAE Systems以前使用雷尼紹的QC10球（qiú）杆儀係統來識別特定的機床性能誤差。

用於機床性能診斷的雷（léi）尼紹QC20-W無線球杆儀

現在BAE Systems開始使用第二代QC20-W無線（xiàn）球杆儀，還啟動了一項涵蓋整（zhěng）個（gè）工廠的預防性維護計（jì）劃，規定每周、每月和（hé）每年對所擁有的60多（duō）台（tái）數控機床（chuáng）進行定期檢（jiǎn）查。

通過（guò）詳細（xì）解析所有機床的QC20-W診斷數（shù）據趨勢，BAE Systems製定（dìng）了一套可（kě）靠的誤差範圍基準，以此對所有機床的性能進行快速檢查，並允許操作人員做出“繼續/不宜繼續”使用機床的決定。一旦數（shù）控機床定位精度出（chū）現任何大於30 µm的圓度誤差，就需要立即展開調查。

接受過（guò）球杆儀培訓的機床操作人員可（kě）高效率地使用QC20-W運行診（zhěn）斷檢查，這意（yì）味著這些檢查可以利用生產間隙完成，這對產量幾乎不會（huì）造成任何影響。

同時（shí）BAE Systems還確定了（le）球杆儀測試組件與數控機床的最佳數量比例。這（zhè）一比例為1:15，這意味著（zhe）在某（mǒu）一時刻，有一台球杆儀可離開工廠前往（wǎng）專業機構做年度校準檢查，而其他球杆儀則可同（tóng）時對車間內（nèi）的不同機床執行（háng）性能檢查。

憑借在（zài）不同類型的（de）機（jī）床上使用QC20-W球杆儀所獲得的知識和經驗，BAE Systems現在能夠更深入地（dì）研究上文所述的那台實際上已退（tuì）出生產序列的問題機床。

BAE Systems使用球杆儀觀（guān）察到了一個200 μm的XY圓度誤差。他（tā）們（men）使用球杆儀診斷軟件，確定機（jī）床（chuáng）的主要（yào）故障模式為伺服不匹配造成的，隨後占第（dì）二位的誤差源為較大的反（fǎn）向間隙誤差。BAE Systems維護工程師通過優化X軸驅動參數糾正了伺服不（bú）匹配問題，然後他們使用球杆儀再次進行檢查，以量化調整後獲得的改進。

然而再次檢查的結果顯示，即使伺服不匹配已被消除，機床（chuáng）仍存在嚴重誤差，工程師們接下來（lái）又使用球杆儀和傳統量（liàng）規進行了檢查和（hé）測量，發現誤差是由（yóu）於（yú）X軸的滾珠絲杆磨損（sǔn）造成的。翻新滾珠絲杠並重設反向間隙補償值後，機床這次達到了30 μm的XY圓度要（yào）求，並重新（xīn）加入了生產序列。

BAE Systems專業製造工（gōng）程師Jim Walsh評論道：“使球杆儀（yí）檢（jiǎn）測成為機床狀態檢查不可或缺的一部分，這不僅有助於確保零（líng）件質（zhì）量穩定一致，對於那些（xiē）曾被認為是已無（wú）法（fǎ）勝任工作的機（jī）床，球杆儀還可幫助我們令其重新煥發活（huó）力。”

他繼續（xù）道：“使用球杆儀的診斷軟件可以自動分析結果並診（zhěn）斷誤差，這意味著機床操作人（rén）員再也無須根據原理和公式費（fèi）力地自己計算數據的真實含義（yì）、確定問題的發生位置以及查找補救措施了。這在實際生產（chǎn）中將節省大量的時（shí）間。”

結果

BAE Systems在加工高價值飛機機身組件的過程中麵臨著諸（zhū）多挑戰，而將QC20-W無線球杆儀係統納入（rù）專門的數控機床（chuáng）預防性維護計劃，則是（shì）其應對這些挑戰邁出的有益（yì）一步。

黎明時分的塞浦路斯（sī）阿克羅蒂裏機場，第11空軍中隊的一（yī）架台風戰機準備起飛（照片（piàn）由BAE Systems提供）

雷尼紹也在不斷更新球杆儀診（zhěn）斷軟件的功能，在新版軟件的幫助下（xià），BAE Systems旨在減少材料浪費和（hé）提高生產效率的（de）主動性（xìng）維護計劃將增添新的活力。在萌芽階段便可找出（chū）導致（zhì）機床誤差的根本原因，不必到問題實（shí）際發生時措手不及。

過去，漫長且代價昂貴的機床檢查和維修工作將導致出（chū）現大量的機床停機時間，令企業難以承受；而現在，BAE Systems的機床誤差診斷幾乎瞬間（jiān）便可完成，這使得停機時間（jiān）大幅減少。此（cǐ）外，借助（zhù）球杆儀診斷數據，企業不再單純（chún）依賴機床製造商（shāng）的服務和支持來解決（jué）相關問題。

借助於雷尼紹（shào）球杆儀的診斷，一台故（gù）障數控機床重（chóng）新煥發活力，車（chē）間生產效率和質量合規方麵也取得了重（chóng）大進展，這令BAE Systems受益頗多。

詳情請訪問www.renishaw.com.cn/calibration

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