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

飛行中的歐洲臺風戰(zhàn)機

背景

現(xiàn)代飛機的機身組件制造對精度和品質(zhì)一致性有著嚴格的要求。機身組件的預(yù)期壽命必須與飛機的預(yù)期壽命相匹配，因此在金屬和復(fù)合材料的加工過程中，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為歐洲臺風戰(zhàn)機（一款雙發(fā)動機、三角翼布局多用途戰(zhàn)斗機）生產(chǎn)多種關(guān)鍵的機身組件。這款高機動性戰(zhàn)機自2003年服役以來，已經(jīng)列入了世界多個國家的空軍序列。

在英國布萊克本附近的薩默斯伯里機場先進的制造工廠里，BAE Systems的80多臺數(shù)控機床正在高速運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)著臺風戰(zhàn)機和其他飛機所需的多種高價值機身組件。

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

因此，定期進行數(shù)控機床檢測和校準檢查便顯得至關(guān)重要。BAE Systems在很早之前便使用了雷尼紹的QC10球桿儀機床診斷系統(tǒng)。此后，為了提高靈活性和易用性，他們又開始啟用第二代無線球桿儀系統(tǒng)。

雷尼紹QC20-W球桿儀

QC20-W球桿儀系統(tǒng)

如果數(shù)控機床的定位性能達到理想狀態(tài)，那么在任意兩軸組合中，圓弧插補都會與設(shè)定的圓形軌跡完全吻合。QC20-W無線球桿儀可提供比較實際軌跡和設(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，每端各有一個精密球，分別固定在兩個精密磁力碗座上：一個磁力碗座安裝在機床工作臺上，另一個安裝在機床主軸上。在這種布局中，當數(shù)控機床按設(shè)定的圓形軌跡運行時，球桿儀能夠測量半徑的細微變化。

信號處理在球桿儀內(nèi)部進行，而數(shù)據(jù)通過無線連接傳輸至個人計算機中。采集的數(shù)據(jù)用于計算定位精度（圓度和圓度偏差）的整體性能，計算方法符合國際標準以及雷尼紹自己的分析報告標準。

球桿儀數(shù)據(jù)以圖形和數(shù)字兩種形式顯示，可進一步幫助診斷機床誤差。球桿儀組件包含50 mm、150 mm和300 mm加長桿，可用于診斷各種尺寸的數(shù)控機床。

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

挑戰(zhàn)

無論機床的類型、規(guī)格、工作負荷和使用率如何，如果不加以維護，即使是最好的數(shù)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(chǎn)生加工誤差。組件磨損、碰撞造成的損壞、安裝錯誤，甚至是基座振動和環(huán)境溫度的變化都可能對精度造成不利影響。

在零件加工完成后才發(fā)現(xiàn)機床問題的代價十分高昂。在BAE Systems制造的機身組件中，很大比例都是由鈦合金材料加工制成的。這種高強度、輕質(zhì)、耐高溫和耐腐蝕的金屬材料價格不菲且日益緊缺，需要提前一年向供貨商預(yù)定才可保障供應(yīng)。

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

一件復(fù)雜的鈦合金機身組件一般需要機床加工40個小時。重復(fù)生產(chǎn)出報廢組件會對企業(yè)的生產(chǎn)效率造成嚴重影響。

一個典型的例子是，BAE Systems的制造工程師曾發(fā)現(xiàn)在眾多的機床中，有一臺機床的加工精度正在緩慢下降，車間操作人員漸漸對其性能失去了信心。由于越來越難以生產(chǎn)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他機床。

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

用于機床性能診斷的雷尼紹QC20-W無線球桿儀

解決方案

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

現(xiàn)在BAE Systems開始使用第二代QC20-W無線球桿儀，還啟動了一項涵蓋整個工廠的預(yù)防性維護計劃，規(guī)定每周、每月和每年對所擁有的60多臺數(shù)控機床進行定期檢查。

通過詳細解析所有機床的QC20-W診斷數(shù)據(jù)趨勢，BAE Systems制定了一套可靠的誤差范圍基準，以此對所有機床的性能進行快速檢查，并允許操作人員做出“繼續(xù)/不宜繼續(xù)”使用機床的決定。一旦數(shù)控機床定位精度出現(xiàn)任何大于30 μm的圓度誤差，就需要立即展開調(diào)查。

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

同時BAE Systems還確定了球桿儀測試組件與數(shù)控機床的最佳數(shù)量比例。這一比例為1:15，這意味著在某一時刻，有一臺球桿儀可離開工廠前往專業(yè)機構(gòu)做年度校準檢查，而其他球桿儀則可同時對車間內(nèi)的不同機床執(zhí)行性能檢查。

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

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

然而再次檢查的結(jié)果顯示，即使伺服不匹配已被消除，機床仍存在嚴重誤差，工程師們接下來又使用球桿儀和傳統(tǒng)量規(guī)進行了檢查和測量，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)反向間隙補償值后，機床這次達到了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評論道：“使球桿儀檢測成為機床狀態(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，對于那些曾被認為是已無法勝任工作的機床，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分析結(jié)果并診斷誤差，這意味著機床操作人員再也無須根據(jù)原理和公式費力地自己計算數(shù)據(jù)的真實含義、確定問題的發(fā)生位置以及查找補救措施了。這在實際生產(chǎn)中將節(jié)省大量的時間。”

黎明時分的塞浦路斯阿克羅蒂里機場，第11空軍中隊的一架臺風戰(zhàn)機準備起飛（照片由BAE Systems提供）

結(jié)果

BAE Systems在加工高價值飛機機身組件的過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，而將QC20-W無線球桿儀系統(tǒng)納入專門的數(shù)控機床預(yù)防性維護計劃，則是其應(yīng)對這些挑戰(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旨在減少材料浪費和提高生產(chǎn)效率的主動性維護計劃將增添新的活力。在萌芽階段便可找出導(dǎo)致機床誤差的根本原因，不必到問題實際發(fā)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(dǎo)致出現(xiàn)大量的機床停機時間，令企業(yè)難以承受；而現(xiàn)在，BAE Systems的機床誤差診斷幾乎瞬間便可完成，這使得停機時間大幅減少。此外，借助球桿儀診斷數(shù)據(jù)，企業(yè)不再單純依賴機床制造商的服務(wù)和支持來解決相關(guān)問題。

借助于雷尼紹球桿儀的診斷，一臺故障數(shù)控機床重新煥發(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展，這令BAE Systems受益頗多。
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