过程检测：完善加工过程

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　　总确定性总是存在的，因此，真正使一个加工过程尽善尽美、准确无误大概是办不到的，至少在确切的意义上不行。但是如果能够事先了解加工过程的一切不确定性呢？或者已知误差很小而不会影响规定的零件精度呢？那么，对这个特定的零件来说，也许可以认为该过程是“完美”的，是可以信赖的，而且这种信赖本身可以产生大量的节约。
　　传统上，机床用户不信赖自己的加工过程，加工后总会使用一个(或者一系列)量具检查零件是否满足预期的要求。
　　但是，假如在加工过程之初使用量具会怎么样呢？
　　换句话说，要是先对过程进行检验，使加工车间能够事先确定该过程能否制造相应的零件，结果会怎样？
　　在这种情景下，CMM等独立测量设备再也不必根据生产流程进行过程监控，而是仅仅在需要验证的状况对加工完的零件进行检验，独立地确认过程能力。在其它状况下，加工过程离了CMM照样可以继续生产它所能够完成的零件。
　　过程检测而不是零件检测的做法现在已经比较普遍，制造商们承认，不但是减少测量次数，而且是准确了解过程能力而避免报废，使他们可以节约到这样大的程度。
' a0 i. N3 @' H5 f# x$ u- }6 u6 H　　弗吉尼亚州夏洛茨维尔的GE Fanuc Automation公司有两个人帮助一些工厂实现了这种检验策略，他们是机床维修经理Mark Brownhill和加工解决方案经理Jim Spearman。本文概述他们对测度和优化机加过程能力的一些卓见。
8 z; ]# K1 y4 O+ u3 @. I　　他们说，第一步是找出可变性的来源，即识别加工误差发生的许多原因。
7 F2 j  B9 ^" X4 ]3 z　　墨菲法则?
4 a* r. L' m; X3 O　　首先，机床本身有许多发生误差的可能性，一台典型的三轴机床会有21个自由度，它们转化成21个潜在的误差源。其次，工件夹紧装置(夹具、卡具、卡盘、虎钳、卡爪)增加了更多的自由度。
　　说到这里，还有其它过程要素所固有的可变性，刀具、材料以及任何必要的测量和数据输入都带来变异的机会。而且，逐项加工之间的变异可能来自零件程序的编写方式，以及程序员为每个零件选择一套加工方法的举动。
3 X  T5 S! l' v4 n" [2 J/ t　　上述可变性在加工第一个工件之前就存在了。一按“循环开始”键，其它可变性立即生效。设备的重复精度怎样？工件装载的一致性如何？接着是切削过程(如刀具磨损或断刀)造成的变异。
　　简而言之，许多因素可能出错，不过情况是这样的：误差源终归有限，而且可以测量，在许多情况下还能改进。为了实现一个不必监控的过程，自然要找出一切变异性源并尽量加以“纠正”，或许可以按其严重程度逐一攻克，然后对依然存在的变异性进行测量，以建立一个性能基准。通过改善和测量过程能力，可以准确地把加工任务预先指派给各台机床。
9 c3 T0 M& @) y& E　　虽然有许许多多的变异性源，却属于两个基本类别。提到着手解决误差源的问题，区分它们的类别是有益的。有一些误差倾向于“系统误差”，它们是最初加工第一个零件时出现的误差。再者，有一些误差倾向于“过程误差”，这些误差仅在加工一批零件的过程中生效。第一类误差影响过程的精度，第二种误差影响过程的重复精度。
　　提高加工精度
5 N, X! R3 H" x% U　　过程精度所体现的远远不止是机床精度，但机床精度是一个基本要素。
　　机床精度可利用激光干涉仪加以测量。最初，激光测量在整个维护过程帮助改进机床的精度。当机床精度再也不能用这种方式改进时，数据分析便对加工能力特征化颇有价值了。每项加工件都应该分配(而且始终分配)给具有足够的实测能力、可以从容不迫地加工该零件的机床。
　　过程精度的另一影响来自于人为介入以及由此引起的一切变异和出错机会。在这个意义上，机床维护是与事无补的，为了提高过程精度，往往归结于设法最大限度地减少人的作用。
　　此刻，操作员不是唯一的相关人。编程员之间在选择加工策略上的差异也是一个重要的变异源，但这个源是可控的。为了改善程序设计的一致性，可采用CAM自动化技术，自动识别零件特征并根据最佳工艺惯例指定刀具路径。并非一切编程都能够以这种方式实现自动化，但是采用CAM技术至少可以改进程序设计的一致性。
2 u$ a. `4 F2 f1 P* ~3 s" S　　此外，硬件自动化确实是处理人工操作误差的对策。在机床上，自动化可以采取多种形式，其中许多不需要增加昂贵的设备，这些可能性包括：
　　◆自动夹具识别：每个夹具包含一个标识相应零件号的特征。于是，CNC可以利用这个标识自动确认它所调用的零件程序是正确的，以免发生代价昂贵的错误。这种标志性特征可以是机器可读的标签，如条形码，也可以是用探头探测的特征。例如，不同的夹具带有不同直径的标识孔，使CNC的孔径测量结果能够判断CNC应该运行哪个程序号。
1 z6 Z: i0 H6 i- {5 N" h8 P  R( d　　◆夹具参考点：可以在夹具上附加一个工艺球，或诸如此类的特征，以建立工件X/Y/Z参考点。然后，程序可以包括一个探测程序，为的是在开始加工之前查找这个特征，这样，操作员再也不必手工测量或输入工件偏差了。
0 |6 d/ H* Z) P1 e/ f8 C3 P　　◆自动传送刀具数据：应该避免用手输入刀具补偿数据，达到这个目标的一个方法是刀具测量装置与CNC通过网络直接传送数据。另一个备选方法是给刀夹配备电子识别标签，刀具测量结果在标签上保存足够的时间读入CNC。
　　提高加工重复精度
' }5 {5 j9 a/ D0 D# ?　　激光测量是检验机床性能的两种互补方法中的一个，另一个是球杆检验法。激光测量仪可以用来建立机床的性能基线，而球杆仪为长时间地监测机床性能提供方便。如果用球杆仪运行30分钟的检验程序，可获得多种性能数据。定期进行这种检验，可以检查机床的变化或进一步证实机床的性能仍然保持在基线水平。随着时间的推移，球杆监测模式甚至可以预测机床在什么时候大概需要进行保养。
　　这些功能包括：
　　◆自适应控制：用钝的刀具吸收较大的电流，因此CNC可以通过测量电流而确定需要换刀的时间。这个功能还允许CNC响应材料特性或切削轮廓的变异：为抵偿过大的负载而降低进给率。
　　◆刀具管理：对指定刀具的平均寿命进行估量以后，就可以利用CNC的刀具管理功能了。CNC跟踪刀具的使用情况，并在规定的使用寿命达到时自动换刀。
　　◆工序间检验：除了在加工之前寻觅零件，机床探头也可以在零件加工过程的检验中完成许多工作。其实，机床不是不会检验自己的工作，例如，用机床探头可以检测因刀具磨损或断裂而造成的误差。在工件离开机床之前发现这些误差，更便于误差修正，探头测量也许使这种误差修正可以作为程序的一部分，自动发生。
% T+ M8 ]- s' ^　　用球杆仪对机床进行快速检测可获得多种性能数据，这种检查可以进一步证实机床的性能仍在基线范围以内，也可以用来预测机床大概需要保养的时间。照片由雷尼绍公司提供。
/ Z( N4 X" ^  t　　开始行动
　　实现过程改进的一个问题是分辨哪些事情需要改进，加工过程都有如此之多的东西要改进，竟不知从何处下手。
　　为了找出特别重要而且值得解决的难题，设法提问一个问题：我的用户感到什么东西是质量的关键？尽管这个提问可能不止一个答案，至少它能缩小范围。随后要问的其它重要问题关系到有待处理的难题是否可以检测，以及解决办法是否可行。
　　一旦找到了问题，解决方案的成功不仅取决于该方案的技术水平，而且取决于该方案得到认可的程度。多方面的股东从开始参与过程改进计划，是促使相关人接受解决方案的一个途径。便于确定相关人的提问包括：谁代表工厂说话？谁代表用户说话？谁对全过程有充分的了解并能阐释一切重要事项？这些人都应该进入过程改进工作组。
, n( M9 @: l% X4 ^9 j8 Q) D　　接着，就能比较容易地找到最应该解决的问题了。一旦过程改进工作组取得成功，即设法使加工过程得到了改进，那么这次成功很可能正好亮出了下一步应该着眼解决的难题。
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