Методы измерительного контроля в автомобильной и аэрокосмической промышленности

Вследствие неуклонного ужесточения требований к качеству развитие методов контроля выпускаемой продукции приобретает все большее значение. Контроль продукции — это вспомогательный производственный процесс, который позволяет выявить, является ли изделие годным или нет. Именно жесткий контроль способен обеспечить высокое качество выпускаемой продукции.

Контроль — процесс необходимый, хотя порой он требует значительных затрат и может увеличивать стоимость изделия. Однако в подавляющем большинстве случаев операции контроля позволяют значительно снизить потери от брака, выявляя его на ранних стадиях, и эта экономия способна многократно окупить затраты на операции контроля. Затраты на брак включаются в стоимость изделия, соответственно сокращение этих затрат ведет к снижению стоимости, перекрывающему дополнительные расходы на контроль.

Благодаря контролю в технологической цепочке появляется обратная связь. Контроль позволяет понять технологию производства и выявить, какие операции требуются для повторной обработки или какие изменения необходимо внести в технологический процесс.

Операции контроля могут потребовать сложных специальных технических средств и больших временных затрат. В ряде случаев контроль может даже выступать критическим звеном во всей технологической цепочке. Так, контроль формы сложных поверхностей может стать очень трудоемкой операцией, требующей от опытных метрологов создания сложных отчетов. При этом основными задачами метрологов становятся базирование, подгонка и выравнивание изделия.

Целью развития методов контроля как составляющей технологической цепочки является создание по возможности целостного, быстрого и дешевого процесса производства. Однако процесс контроля должен прежде всего быть точным и при этом — как можно более простым и быстрым. Главным принципом контроля в производстве является эффективность.

Метрологические компании создали огромное количество измерительных средств с различным оборудованием, предназначенным для выполнения разных задач. Это могут быть и небольшие контрольно-измерительные машины (КИМ), используемые в условиях с определенной температурой и влажностью, и портативные средства, применяемые для измерения масштабных изделий в условиях производства или эксплуатации. Точность таких средств может варьироваться, поэтому точность, стоимость и удобство работы, как правило, требуют согласования.

Некоторые виды деталей требуют особенно высокой точности. Цилиндрические головки, оборудование, электроды и другие подобные детали должны быть произведены с учетом жестких допусков, и контроль должен это отражать. Компоненты достаточно малы и портативны, поэтому целесообразно перемещать их в специальный инспекционный цех для точного измерения.

Традиционные портальные КИМ — обычно самые точные измерительные средства, которые применяются в тех случаях, когда точность измерения является наиболее критичным параметром. Точность портальной машины зависит от ее устройства и от качества калибровки. Самая высокая точность возможна лишь в условиях регулируемой температуры и влажности; при любых отклонениях точность будет нарушаться. Естественно, свое влияние оказывает также вибрация от физического окружения, поэтому если целью является оптимальная точность, то КИМ не должна находиться вблизи оживленных дорог или внутри прессового цеха. На точность измерения влияет и размер машины, поскольку при увеличении размеров машины возрастает вероятность неточности измерения.

На примере нескольких компаний покажем, какие методы контроля используются сейчас на современных производствах.

Компания Gaskins является поставщиком для целого ряда автомобильных компаний, в том числе команд «Формулы-1», большая часть которых находится в Великобритании. Gaskins производит точные детали, оборудование и электроды и использует для их контроля PowerINSPECT. Они используют портальную КИМ, так как она обеспечивает точность, необходимую для выполнения данных операций.

Другие виды деталей, хотя и должны быть точно произведены и проконтролированы, не требуют подгонки к столь жестким допускам. Производство автомобильных кузовов, штамповка габаритных деталей и отливка сложных деталей внутренней части машины также нуждаются в контроле, но необходимые допуски здесь не настолько строгие. В данном случае могут возникнуть трудности при перемещении детали в измерительную лабораторию, что требует инновационного решения.

Портативные измерительные руки для контроля дают возможность измерять детали вне метрологической лаборатории. Хотя они не настолько точные, как портальные КИМ, однако их портативность и удобство зачастую являются более важными параметрами. Портативные измерительные руки позволяют пользователю проводить измерения, которые невозможны при использовании традиционных измерительных средств.

Фирма Lotus Cars (принадлежит компании Proton) считает измерительные руки незаменимыми для контроля кузовов автомобиля. Вследствие строгих требований, предъявляемых к новым автомобилям серий Exige и Elise, компании пришлось принять новые методы и технологии для обеспечения быстрого производства. Вместо того чтобы помещать машины в инспекционный цех, они использовали портативные измерительные руки для инспектирования машин на конвейере.

Фирма Lotus Cars позиционирует пакет PowerINSPECT (Delcam plc.) как отличный инструмент для инспектирования сложных форм, используемых в производстве кузовов спортивных автомобилей. Возможность контроля с использованием CAD-модели (inspection-to-CAD) и совершенные инструменты базирования PowerINSPECT позволяют им инспектировать боковую часть машины за 10 секунд. PowerINSPECT дает возможность быстро и легко выполнять базирование изделия в локальной системе координат и сравнивать массивы контрольных точек с теоретическими обводами поверхностей, взятыми из геометрического моделировщика.

Другим преимуществом портативных измерительных рук является возможность их использования для измерения очень больших деталей, что было бы трудно осуществить другим способом. Примером этого является Иркутская авиационная промышленная ассоциация, где необходимо было измерить детали, чересчур большие для помещения их в контрольный цех, особенно при необходимости измерений вместе со сборочными приспособлениями. Они также намеревались измерять очень большие и тяжелые компоненты, прежде чем удалить их из станка. В результате было принято решение использовать измерительные руки фирмы Romer с программным обеспечением PowerINSPECT для контроля деталей во время производственного процесса; при этом большие сборные механизмы были проинспектированы менее чем за 30 минут. Еще одним преимуществом стало то, что комбинация PowerINSPECT и руки Romer была намного проще в использовании, чем традиционные измерительные системы, поэтому могла использоваться как специалистами по контролю, так и рабочими на конвейере.

Альтернативную форму портативной системы контроля предлагают оптические средства контроля. Хотя эти системы и сложны технически, их точность сопоставима с точностью измерительных рук.

В начале 2000 года сборочный завод компании Ford, расположенный в Оуквилле (шт. Онтарио), столкнулся с проблемой подгонки внутренней облицовки в мини-вэнах Windstar. Требовалось точно подогнать облицовку размером примерно 3 м в длину и 1,5 м в ширину. Облицовка была создана на основе обратного инжиниринга (а не на базе трехмерной CAD-модели) из мягкого материала, поэтому такие ключевые элементы, как отверстия для вентиляции и электроники, нуждались в особо точном контроле. Ключевой проблемой было то, что облицовку требовалось измерить в смонтированном виде, поскольку в данном случае принципиальную роль играло соотношение облицовки и кузова автомобиля.

Компания Ford и поставщик облицовки — фирма Lear (Canada) использовали для проведения измерений портативную измерительную систему Preseon производства Applied Precision, Inc. Оптическая технология контроля с инфракрасной отслеживающей системой позволила им снять размеры с облицовки уже внутри салона машины. Программное обеспечение PowerINSPECT позволило компаниям определить и устранить проблемы несоответствия размеров. Алгоритм улучшенной подгонки в PowerINSPECT позволил им сделать отличное выравнивание гибкой облицовки внутри существующей машины, независимо от ненадежных номинальных величин.

Показательным примером мобильных измерений является применение системы PowerINSPECT при инспектировании гоночных автомобилей на соревнованиях. Федерация FIA (Federation Internationale de l’Automobile) контролирует мировой мотоспорт, авторалли и автогонки, включая гонки Grand Prix. В гонках «Формулы-1» гоночные автомобили проверяются до и после заездов, а размеры кузова снимаются при помощи программного обеспечения PowerINSPECT и КИМ Krypton Rodym. Система Krypton — портативная и позволяет инспекторам измерять автомобиль на треке в соответствии с инструкциями. При этом инспекторы имеют CAD-модель, включающую ограничения допустимых размеров, и автомобили проверяются на предмет соответствия этой модели.

На современном предприятии обычно имеется целый ряд средств измерения на основе различных КИМ, каждое из которых решает свою задачу. Несмотря на различия в техническом оборудовании, их общей задачей является создание как можно более качественных отчетов. С учетом особенностей процесса контроля на заводе общая эффективность процесса контроля может быть улучшена за счет совершенствования совместимости данных. Намного быстрее и проще оценить различные отчеты по контролю, когда они представлены в одинаковом виде, и, конечно, легче оперировать набором средств измерения, если они используют одинаковый интерфейс.

Фотограмметрия — еще одна разновидность техники контроля, которая применялась для улучшения аэродинамических характеристик вертолетов фирмы Westland. Там для измерения внешних поверхностей вертолетов использовали фотограмметрическую систему Geodetic Services VSTARS. Это еще один пример того, как объекты измерения, в данном случае — вертолеты, оказались слишком большими для традиционного измерительного средства. Имея возможность поместить измерительное средство непосредственно на детали, в Westland смогли использовать PowerINSPECT для измерения отсеков фюзеляжа в сопоставлении с оригинальными CAD-данными, полученными из системы CATIA.

Дэйв Уэйкли, управляющий компании Westland по механообработке, указал на целый ряд ценных преимуществ новой технологии измерения. «Во-первых, фотограмметрическое оборудование намного мобильнее, чем наши традиционные средства. Правда, его настройка требует много времени, зато выполнение задачи по измерению занимает меньше часа, — говорит Дэйв Уэйкли. — Во-вторых, система настолько проста в транспортировке, что сейчас мы намереваемся использовать ее в месторасположении наших поставщиков. Это будет более выгодно, чем транспортировать туда и обратно детали и оборудование, прежде всего большие прижимные приспособления и оснастку… В-третьих, информация, получаемая нами из PowerINSPECT, выдается в очень наглядном виде. Графики и рисунки позволяют правильно оценить результаты каждому интересующемуся, а не только специалистам. Кроме того, система обладает очень высокой скоростью работы — она способна проанализировать тысячи точек менее чем за минуту. Возможность увидеть результаты и понять, в чем проблема, позволяет нам приступить к ее устранению в кратчайшие сроки».

Стремясь к наивысшей эффективности производства, компания Westland сделала PowerINSPECT стандартным программным обеспечением для контроля. Know-how компании заключается в последовательном получении отчетов от всех измерительных устройств; причем метрологи могут просто передавать отчеты с одного устройства на другое. Это позволяет использовать для каждой задачи наиболее подходящее в этом случае измерительное устройство.

В заключение хотелось бы повторить, что контроль — это необходимая операция, которая требует точного исполнения и представления результатов в доступном виде. Процесс контроля является завершающим этапом обработки и должен быть выполнен максимально быстро. Производимые детали сильно различаются между собой по требуемым допускам и сложности, поэтому могут быть использованы различные технологии, рассчитанные на больший диапазон измерительных устройств. Для выполнения разного рода задач используются различные средства контроля, и, следовательно, неизбежно различие в точности, стоимости и удобстве. Бесспорно, важным компонентом при измерении является программное обеспечение для контроля. Такие гибкие пакеты, как PowerINSPECT компании Delcam plc, позволяют использовать широкий диапазон измерительных технологий, включая контроль поверхностей свободной формы при сравнении со сложными CAD-моделями. Такие компании, как Westland, достигают большей эффективности, используя один пакет для контроля на всех измерительных устройствах для того, чтобы обеспечить постоянный машинный интерфейс, и для создания однотипных отчетов.

Обзор подготовлен по материалам компании Delcam plc.

«САПР и графика» 7'2002