将精密检测设备引入加工车间

    精益制造的主要原则之一，就是消除生产流程中任何不能为客户创造价值的步骤。虽然没有人会将质量控制（QC）视为一种不增加价值的步骤，但许多加工车间却希望缩短或取消车间人员将工件送到计量室进行检测来来回回所花费的时间。实现这一目标的一种方式就是将检测设备直接引入加工车间，目前已有许多制造商正在这样做。

    测量设备供应商三丰（美国）公司的合同制造商和销售代表Stark工业公司技术服务经理Drew Prine指出，各种要素的组合使加工车间能将一些精密测量技术（如坐标测量机、视觉测量机、表面形状或表面粗糙度测量仪器等）应用于车间现场检测。例如，采用高压冷却技术的
加工中心可在切削加工过程中辅助排屑和驱散传入工件的热量，从而有助于控制因工件温度上升而造成的尺寸变化。此外，为了控制工件温度和空气中的污染物，保持恒温和洁净度的车间环境也必不可少。

    潜在的风险

    Stark工业公司副总裁Sam Wilkof表示，“不过，对于精密测量设备而言，加工车间可能是一个具有潜在风险的环境。我很少见到测量设备供应商会肯定地说，‘我们的测量设备绝对可以在车间使用。’当然，我们有一些客户的确在车间使用精密测量设备，但这在很大程度上要取决于车间的环境条件。”

    Wilkof指出，用于车间环境的检测设备很少会封装在保护罩内。“在大多数情况下，车间环境还是比较干净的，在车间使用的测量设备被污染的可能性并不是很大。此外，一些防护技术（如空气隔离工作台）可以将测量设备与来自（比如说）两台在车间移动的电机的共振或振动隔离开来。”

    Stark公司制造工程师Jo
nathan Wilkof说，“另一个考虑因素是，为保持精密测量设备的最佳状态而需要进行的定期维护和校准。无论你的加工车间可能多么干净，但生产环境始终不可能像封闭的计量室那样保持高度洁净和受到精确控制。在这方面，预防性的主动维护可能非常有用。与在计量室对测量设备的维护相比，这种预防性维护可能与对加工机床的维护有更多相似之处。”

    Jo
nathan Wilkof继续说，应该定期将检测仪器的一些关键零部件拆下来进行清洗、检查磨损状况和进行其他必要的检测。“此时还可以对测量机进行校准。我们发现，这种主动维护可以大大延长用于车间的测量设备的使用寿命。”

    Sam Wilkof表示，这种定期维护和校准的周期同样也取决于特定的车间环境条件。“有些车间可能1年或2年才需要进行一次维护和校准。那些检测设备在车间的使用率很高，而环境条件又不太好的用户，可能需要更频繁地进行维护和校准，为此花费的费用和时间也应该是购买检测设备时的考虑因素。”在假设不出现重大机械故障或更换零部件的情况下，这种维护和校准成本可能达到1,500－2,500美元。

    以下实例显示了来自核工业和医疗器件制造业的两个企业将精密测量技术（包括硬件和软件）应用于加工车间而获得的收益。

    反应堆零件的加工质量控制

    Areva NP公司是为核电站加工零部件的制造商。基于安全的原因，此类零部件必须达到极其严格的质量标准。

    据该公司零部件制造工程师Bill High介绍，他们要为世界各地（包括中国台湾、德国、法国、英国、美国和日本）的核反应堆生产替换备件，由于不同反应堆在设计上存在差异，因此需要加工同类零部件的多种变异产品，而且有些变种产品有多个需要加工和检测的零件。

    High说，“虽然核工业的变化速度不算太快，但始终存在不断提高产品质量和加工效率的压力。” Areva公司应对这种压力的方法之一是在加工车间使用一台Carl Zeiss工业测量技术公司提供的Accura三坐标测量机。用该测量机检测的工件从长度小于25mm的螺纹到尺寸达300mm的零件。其中一个例子是核燃料棒组件的不锈钢接头。此类工件为CF3精密铸件，重量约为4～25磅。Areva公司在由两台卧式加工中心和一套直线托盘系统组成的制造单元上加工这种铸件。使用该测量机使机床操作人员能就近检测工件，并获得几乎实时的工艺反馈信息。

    High说，“加工该零件通常有4－5道工序，我们用坐标测量机进行加工中检测——有时在每个加工步骤后都进行检测，有时在2个或3个工步后进行检测。该加工单元基本上是无人值守自动运行的，因此我们必须确保加工过程稳定可靠，准确完成要求的加工步骤。”

    三坐标测量机的位置与加工单元相距6米左右。High解释说，“这里的环境条件不算太好，但我们的车间有恒温控制，而且我们定期对坐标测量机表面进行清洁，以保持其正常运行。”

    被加工零件有严格的公差要求：平面度0.05mm，直径公差0.0125mm，位置公差0.05－0.075mm。High说，“一般来说，一座压水反应堆的接头订货批量可能是上部接头和下部接头各60个；而一座沸水反应堆的订货量则是各200个，所以加工批量并不算大。过去，我们完成一笔这种订单需要几个月时间。现在，我们采用卧式加工中心（HMC）制造单元和有36个托盘的工件交换系统，加工接头的速度可以达到每天12－15个工件（取决于其设计型式）。我们需要加工各种不同型式的零件，我们希望达到一种零件最经济的加工批量。”

    在购买三坐标测量机之前，该车间使用各种复杂的专用检具——High将其称为“超级量规”——来检测工件。他说，“我们将工件装到检具上，并从许多千分表上读出各种尺寸。这些检具可以告诉我们工件是否合格，但我们并不清楚工件符合或不符合尺寸要求的具体程度。”

    High说，这台三坐标测量机（CMM）可将所有被检工件特征编制成测量文件，并使用能提供Cpk（制程能力系数）和SPC（统计过程控制）数据的测量软件。加工人员能自行完成几乎所有检测工作。“我们的加工人员将工件放到CMM上，并启动检测程序。加工程序和CMM检测程序都是由同一些人编写的，他们采用双屏显示，操作人员可通过一个显示屏查看工件装夹情况并获得测量指令，然后从另一个显示屏输出测量数据。” 不锈钢燃料棒组件接头的终检程序可能需要检查数百个零件特征，检测过程长达40分钟。

    该质检系统使Areva公司的质量控制人员能更专注于工艺改进，而不是将主要精力花在验证每个零件的质量上。High说，“我们的质量控制人员不需要到车间现场去检测工件。他们在计量室验收加工完毕的成品零件，对其进行目视检查，并检测几个关键特征，然后上网查看车间采集的测量数据。如果看起来一切正常，他们就会同意接收该零件。”

    该公司使用的Accura三坐标测量机有一个接触式扫描测头，能密集测量零件关键表面的高低起伏。High说，“这台测量机在车间环境下工作得很好。在购机之前，我们测绘了加工车间的温度曲线，发现温度稍有变化，此外还有一些雾气，这是因为我们采用高压冷却液的缘故。但是，我们定期对测量机进行预防性维护，并每天擦拭气浮轴承表面和花岗岩台面。我们尽量使测量机保持清洁，并定期请Zeiss公司售后服务人员来调试维修。”

    据High介绍，在决定购买Zeiss三坐标测量机之前，Areva公司曾考虑过多家CMM制造商的产品。他说，“我们是一家国际化企业，我们在法国和德国的公司都有Zeiss测量机，我们的一些铸件供应商也使用Zeiss测量机，因此，只要我们愿意，就可以使用它们的程序来检测自己的产品。”

    High总结道，“我们的零件价值不菲——我们购买的铸件毛坯价格昂贵，然后我们的加工又在每个零件上附加了大量价值。因此，将检测环节交回给车间加工人员，并为他们提供加工过程的实时反馈信息，可以大幅降低废品率，为我们节省大量成本。”

    专用刀具的视觉测量

    Lowell公司是一家为整形外科和治疗心血管疾病制造钛合金、不锈钢和塑料人体植入件的合同制造商，已有近20年的生产历史。该公司位于美国明尼阿波利斯，有70名员工和100台数控机床（包括瑞士式车床、立式和卧式加工中心以及多功能机床）。

    据该公司质量保证主管Jim Stertz介绍，其加工车间也定制一些专用刀具，这些刀具在该公司的生产流程中发挥着很大作用。他说，“定制刀具可能只占我们所用刀具的10％－20％，但它们都是最重要的刀具。我们已有数百种不同的刀具型式，而且还在与日俱增。”

    Stertz表示，定制刀具的形状可能不同寻常，其直径范围为0.125－0.500mm。其中一个例子是用于加工一种脊椎植入件内径上锁紧特征的钩形刀具。这种复杂刀具的刀尖圆弧半径公差仅为5μm。

    Stertz说，在Lowell公司，专用刀具的开发是一个需要反复进行的工作，它可能始于机床操作者或其他车间人员。刀具的设计创意可能来自任何地方。

    直到两年前，Lowell公司一直是将其专用刀具外包给一家外部供应商生产。那时，由于存在质量和交货时间问题，Stertz和其他管理人员考虑将专用刀具由外包生产转为自行生产。为了实现这种转变，第一步是购买了一台EWAG WS11-SP工具磨床。该机床能通过一次装夹，完成圆柱形和圆锥形刀具的磨削加工和测量，并由一位具有30多年加工经验的同事操作。

    Stertz说，“现在，刀具的生产流程是从我们的刀具设计部门到磨床操作人员，再到质检部门，整个流程都在车间内完成，生产一种专用刀具所需的任何调整或检测都能很快完成。”

    检测数百种不同的专用刀具可能极具挑战性，但Lowell公司通过购买一台OGP公司的SmartScope 400型视觉测量系统，解决了这一难题。安放在工具磨床附近的该视觉测量系统能对磨制的专用刀具和其他零部件进行快速检测。

    Stertz说，“我们在视觉系统上跟踪检测EWAG工具磨床加工出的刀具几何形状，然后将检测数据输入OGP的SmartProfile软件，与该刀具的CAD模型进行比对，从而获得对刀具与其名义几何形状偏差的可视化描述。”

    对于3D测量数据，Lowell公司用一台机器人值守的Leitz PMM三坐标测量机和一台Brown & Sharpe三坐标测量机生成刀具或零件的数百个数据点。然后将这些点云数据输入SmartProfile软件进行误差评估。

    该系统已成为Lowell专用刀具生产流程的一个重要组成部分，而且Stertz预期，随着医疗器件加工业的不断发展，专用刀具将在Lowell的生产流程中发挥更为重要的作用。他说，“随着为微创外科手术而设计的医用零部件尺寸越来越小，特征越来越精细，加工这些零件的刀具半径和表面形状也变得极其复杂，与过去所用的刀具不可同日而语。因此，我们无法用老式刀具来加工这些零件。”

    Stertz表示，相同的方法也被用于检测Lowell公司生产的数百种医用零件。这些零件的加工批量从5件到5,000件（最常见的是100－500件）。“我们用SmartScope视觉测量系统对零件进行加工中检测，与我们检测专用刀具的方式相同——跟踪测量零件的外形轮廓，并将轮廓数据输入SmartProfile软件，与CAD设计图进行比对。”他补充说，操作者只需看一眼图表显示屏上的箱线图，马上就能确定刀具或零件的加工质量。