如果不進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，數(shù)控機(jī)床會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸失去定位精度并引入誤差。為了加工復(fù)雜、高價(jià)值的飛機(jī)機(jī)身組件，BAE Systems借助無(wú)線球桿儀系統(tǒng)來(lái)提供所需的機(jī)床診斷數(shù)據(jù)，從而最大限度地確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

飛行中的歐洲臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)

背景

現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)身組件制造對(duì)精度和品質(zhì)一致性有著嚴(yán)格的要求。機(jī)身組件的預(yù)期壽命必須與飛機(jī)的預(yù)期壽命相匹配，因此在金屬和復(fù)合材料的加工過(guò)程中，確保生產(chǎn)質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。

全球防務(wù)、航空和安全公司BAE Systems為歐洲臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)（一款雙發(fā)動(dòng)機(jī)、三角翼布局多用途戰(zhàn)斗機(jī)）生產(chǎn)多種關(guān)鍵的機(jī)身組件。這款高機(jī)動(dòng)性戰(zhàn)機(jī)自2003年服役以來(lái)，已經(jīng)列入了世界多個(gè)國(guó)家的空軍序列。

在英國(guó)布萊克本附近的薩默斯伯里機(jī)場(chǎng)先進(jìn)的制造工廠里，BAE Systems的80多臺(tái)數(shù)控機(jī)床正在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)著臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)和其他飛機(jī)所需的多種高價(jià)值機(jī)身組件。

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

因此，定期進(jìn)行數(shù)控機(jī)床檢測(cè)和校準(zhǔn)檢查便顯得至關(guān)重要。BAE Systems在很早之前便使用了雷尼紹的QC10球桿儀機(jī)床診斷系統(tǒng)。此后，為了提高靈活性和易用性，他們又開(kāi)始啟用第二代無(wú)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(shù)控機(jī)床的定位性能達(dá)到理想狀態(tài)，那么在任意兩軸組合中，圓弧插補(bǔ)都會(huì)與設(shè)定的圓形軌跡完全吻合。QC20-W無(wú)線球桿儀可提供比較實(shí)際軌跡和設(shè)定軌跡的方法，以此確定是否存在誤差。

球桿儀內(nèi)含高精度線性傳感器，每端各有一個(gè)精密球，分別固定在兩個(gè)精密磁力碗座上：一個(gè)磁力碗座安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，另一個(gè)安裝在機(jī)床主軸上。在這種布局中，當(dāng)數(shù)控機(jī)床按設(shè)定的圓形軌跡運(yùn)行時(shí)，球桿儀能夠測(cè)量半徑的細(xì)微變化。

信號(hào)處理在球桿儀內(nèi)部進(jìn)行，而數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線連接傳輸至個(gè)人計(jì)算機(jī)中。采集的數(shù)據(jù)用于計(jì)算定位精度（圓度和圓度偏差）的整體性能，計(jì)算方法符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及雷尼紹自己的分析報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)。

球桿儀數(shù)據(jù)以圖形和數(shù)字兩種形式顯示，可進(jìn)一步幫助診斷機(jī)床誤差。球桿儀組件包含50 mm、150 mm和300 mm加長(zhǎng)桿，可用于診斷各種尺寸的數(shù)控機(jī)床。

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

挑戰(zhàn)

無(wú)論機(jī)床的類型、規(guī)格、工作負(fù)荷和使用率如何，如果不加以維護(hù)，即使是最好的數(shù)控機(jī)床，定位精度也可能會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸下降，從而產(chǎn)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(dòng)和環(huán)境溫度的變化都可能對(duì)精度造成不利影響。

在零件加工完成后才發(fā)現(xiàn)機(jī)床問(wèn)題的代價(jià)十分高昂。在BAE Systems制造的機(jī)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(qiáng)度、輕質(zhì)、耐高溫和耐腐蝕的金屬材料價(jià)格不菲且日益緊缺，需要提前一年向供貨商預(yù)定才可保障供應(yīng)。

除了昂貴材料報(bào)廢造成的損失外，機(jī)床誤差造成的數(shù)控機(jī)床加工時(shí)間損失更是難以挽回。

一件復(fù)雜的鈦合金機(jī)身組件一般需要機(jī)床加工40個(gè)小時(shí)。重復(fù)生產(chǎn)出報(bào)廢組件會(huì)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)效率造成嚴(yán)重影響。

一個(gè)典型的例子是，BAE Systems的制造工程師曾發(fā)現(xiàn)在眾多的機(jī)床中，有一臺(tái)機(jī)床的加工精度正在緩慢下降，車間操作人員漸漸對(duì)其性能失去了信心。由于越來(lái)越難以生產(chǎn)出達(dá)標(biāo)的零件，問(wèn)題機(jī)床逐漸被閑置，而它原來(lái)承擔(dān)的工作量則被分流到其他機(jī)床。

要解決面臨的這些難題，需要定期檢查數(shù)控機(jī)床的性能。保持機(jī)床的定位精度對(duì)于確保質(zhì)量和生產(chǎn)效率而言至關(guān)重要。

用于機(jī)床性能診斷的雷尼紹QC20-W無(wú)線球桿儀

解決方案

為了協(xié)助定期進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的性能診斷，BAE Systems以前使用雷尼紹的QC10球桿儀系統(tǒng)來(lái)識(shí)別特定的機(jī)床性能誤差。

現(xiàn)在BAE Systems開(kāi)始使用第二代QC20-W無(wú)線球桿儀，還啟動(dòng)了一項(xiàng)涵蓋整個(gè)工廠的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，規(guī)定每周、每月和每年對(duì)所擁有的60多臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行定期檢查。

通過(guò)詳細(xì)解析所有機(jī)床的QC20-W診斷數(shù)據(jù)趨勢(shì)，BAE Systems制定了一套可靠的誤差范圍基準(zhǔn)，以此對(duì)所有機(jī)床的性能進(jìn)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(jī)床的決定。一旦數(shù)控機(jī)床定位精度出現(xiàn)任何大于30 μm的圓度誤差，就需要立即展開(kāi)調(diào)查。

接受過(guò)球桿儀培訓(xùn)的機(jī)床操作人員可高效率地使用QC20-W運(yùn)行診斷檢查，這意味著這些檢查可以利用生產(chǎn)間隙完成，這對(duì)產(chǎn)量幾乎不會(huì)造成任何影響。

同時(shí)BAE Systems還確定了球桿儀測(cè)試組件與數(shù)控機(jī)床的最佳數(shù)量比例。這一比例為1:15，這意味著在某一時(shí)刻，有一臺(tái)球桿儀可離開(kāi)工廠前往專業(yè)機(jī)構(gòu)做年度校準(zhǔn)檢查，而其他球桿儀則可同時(shí)對(duì)車間內(nèi)的不同機(jī)床執(zhí)行性能檢查。

憑借在不同類型的機(jī)床上使用QC20-W球桿儀所獲得的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，BAE Systems現(xiàn)在能夠更深入地研究上文所述的那臺(tái)實(shí)際上已退出生產(chǎn)序列的問(wèn)題機(jī)床。

BAE Systems使用球桿儀觀察到了一個(gè)200 μm的XY圓度誤差。他們使用球桿儀診斷軟件，確定機(jī)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(hù)工程師通過(guò)優(yōu)化X軸驅(qū)動(dòng)參數(shù)糾正了伺服不匹配問(wèn)題，然后他們使用球桿儀再次進(jìn)行檢查，以量化調(diào)整后獲得的改進(jìn)。

然而再次檢查的結(jié)果顯示，即使伺服不匹配已被消除，機(jī)床仍存在嚴(yán)重誤差，工程師們接下來(lái)又使用球桿儀和傳統(tǒng)量規(guī)進(jìn)行了檢查和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)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(shè)反向間隙補(bǔ)償值后，機(jī)床這次達(dá)到了30 μm的XY圓度要求，并重新加入了生產(chǎn)序列。

BAE Systems專業(yè)制造工程師Jim Walsh評(píng)論道：“使球桿儀檢測(cè)成為機(jī)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(zhì)量穩(wěn)定一致，對(duì)于那些曾被認(rèn)為是已無(wú)法勝任工作的機(jī)床，球桿儀還可幫助我們令其重新煥發(fā)活力。”

他繼續(xù)道：“使用球桿儀的診斷軟件可以自動(dòng)分析結(jié)果并診斷誤差，這意味著機(jī)床操作人員再也無(wú)須根據(jù)原理和公式費(fèi)力地自己計(jì)算數(shù)據(jù)的真實(shí)含義、確定問(wèn)題的發(fā)生位置以及查找補(bǔ)救措施了。這在實(shí)際生產(chǎn)中將節(jié)省大量的時(shí)間。”

黎明時(shí)分的塞浦路斯阿克羅蒂里機(jī)場(chǎng)，第11空軍中隊(duì)的一架臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)準(zhǔn)備起飛（照片由BAE Systems提供）

結(jié)果

BAE Systems在加工高價(jià)值飛機(jī)機(jī)身組件的過(guò)程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，而將QC20-W無(wú)線球桿儀系統(tǒng)納入專門的數(shù)控機(jī)床預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，則是其應(yīng)對(duì)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(fèi)和提高生產(chǎn)效率的主動(dòng)性維護(hù)計(jì)劃將增添新的活力。在萌芽階段便可找出導(dǎo)致機(jī)床誤差的根本原因，不必到問(wèn)題實(shí)際發(fā)生時(shí)措手不及。

過(guò)去，漫長(zhǎng)且代價(jià)昂貴的機(jī)床檢查和維修工作將導(dǎo)致出現(xiàn)大量的機(jī)床停機(jī)時(shí)間，令企業(yè)難以承受；而現(xiàn)在，BAE Systems的機(jī)床誤差診斷幾乎瞬間便可完成，這使得停機(jī)時(shí)間大幅減少。此外，借助球桿儀診斷數(shù)據(jù)，企業(yè)不再單純依賴機(jī)床制造商的服務(wù)和支持來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題。

借助于雷尼紹球桿儀的診斷，一臺(tái)故障數(shù)控機(jī)床重新煥發(fā)活力，車間生產(chǎn)效率和質(zhì)量合規(guī)方面也取得了重大進(jìn)展，這令BAE Systems受益頗多。
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