Machine tool kwaliteitscontrole versterken met komende ISO 230-13 standaard

Machine tool kwaliteitscontrole (QC) staat voor een diepgaande verandering. Volgens Steffen Hailer, productmanager en applicatie-ingenieur voor AfM Technology in Aalen, Duitsland, zal een binnenkort te publiceren ISO-standaard (ISO 230-13) het proces definiëren waarmee een werktuigmachine gekalibreerd kan worden zodat de meetresultaten geaccepteerd worden door de kwaliteitsafdeling.

Dit betekent niet dat de werktuigmachine altijd zo nauwkeurig zal zijn als een typische CMM (coördinaatmeetmachine). Maar de productie- en QC-afdelingen zullen dezelfde taal spreken, en de machinemeting zal bruikbaar zijn voor QC. Dat biedt voordelen in betere procescontrole en lagere kwaliteitskosten.

Volumetrische foutcompensatie (VEC) is misschien wel de belangrijkste factor die het mogelijk maakt voor een werktuigmachine om acceptabele QC te leveren. Maar zelfs als je nog steeds off-line apparatuur gebruikt voor de eindinspectie (wat over het algemeen het geval zal zijn), bieden de nieuwste methoden in VEC de beste route om hoge nauwkeurheid te garanderen bij het produceren van complexe onderdelen.

Bijvoorbeeld, Art Kietlinski, operations manager voor Automated Precision Inc. (API) uit Rockville, Md., zei dat het compensatiepakket van het bedrijf een vier- tot vijfvoudige verbetering in de volumetrische nauwkeurigheid van een multi-as werktuigmachine zal maken, en soms nog grotere verbetering. "Typisch zien we een machine met een maximale volumetrische fout aan de gereedschappunt van zeg 0,3 tot 0,5 millimeter voor calibratie. En dan na calibratie kunnen we rond de 0,075 zijn. Op een vijf-as machine kijken we naar en verbeteren alle 43 mogelijke fouten." [Zie "Machines Honest Houden met Geavanceerde Calibratie, Optimalisatie," Manufacturing Engineering, juni 2019, voor een uitleg van de 43 mogelijke werktuigmachine afwijkingen.]

API doet dit door een laser tracker te combineren met wat ze hun Active Target noemen, legde Ron Hicks, vicepresident productmanagement en marketing, uit. "Active Target is een kleine gemotoriseerde reflector gemonteerd in de spindel. Het stelt de laser tracker in staat de gereedschappuntpositie van de machine nauwkeurig te meten vanuit een enkele instrumentpositie." Dat is significant, wees Hicks op, omdat het VEC-proces de spindel in realtime door alle assen van de machine beweegt tijdens het meetproces. Dat zou niet mogelijk zijn met een standaard laser tracker reflector, omdat de bundel op verschillende punten door het volume van de machine verbroken zou worden. Hicks voegde toe dat "in tegenstelling tot conventionele laserprocessen, ons systeem niet uitgelijnd hoeft te zijn met de hoofassen van een werktuigmachine. Dit heeft dramatische voordelen in termen van snelheid en nauwkeurigheid... We zijn in staat geweest twee machines in één dag te compenseren."

API's systeem meet "alle mogelijke machine poses," voegde Kietlinski toe, dus in een groot machinevolume (bijv. 10 m) kan het zo veel als 250 punten plotten. Daaruit genereert de proprietaire software coëfficiënten voor de polynomen die de benodigde foutcorrecties voor elke as berekenen. Zoals Kietlinski uitlegde, is dit complexe wiskunde, omdat "de fouten niet noodzakelijk lineair zijn. Je kunt eindigen met een tweede- of derde-orde polynoom dat opgelost moet worden."

Northrop Grumman's fabriek in Palmdale, Calif., is een van de succesverhalen, zei Hicks. De fabriek gebruikt grote vijf-as portaalmachines om alle trim- en gatboring voor de gehele F-35-romp uit te voeren, en API bezoekt elk jaar om VEC op elke machine uit te voeren. Ondertussen, zei Kietlinski, machine Lockheed Martin en Israeli Aerospace de vleugelsecties op horizontale machines, wat API ook serviceert.

Er zijn grenzen. Een recent bezoek aan een Michigan-bedrijf dat high-quality tooling, prototypen, en low-volume productiecomponenten produceert, introduceert een waarschuwende noot.

Beperkingen begrijpen

Kietlinski vertelde dat het Michigan-bedrijf API uitnodigde om hun apparatuur te demonstreren op een vijf-as machine die al VEC had ondergaan gebaseerd op een 21-foutenkaart, "wat de norm is voor de meeste machines en CMM's." Zoals Kietlinski uitlegde, "gaan al deze calibraties ervan uit dat de machine een rigide lichaam heeft, wat betekent dat alle hoekfouten hetzelfde zouden zijn doorheen die as's door het volume. Dus, bijvoorbeeld, waar ik de X-as ook door het volume loop, als ik pitch, yaw, en roll fouten meet, zou ik dezelfde hoekdata krijgen. Maar dat is niet altijd het geval op deze grotere machines." Dat is meestal door de rails niet parallel te zijn, zei hij. Dit creëert spanning op de machine en haar aandrijving, wat "laadstromen doet stijgen, en een aantal andere problemen."

Het eerste wat Kietlinski controleerde was de rechtlijnigheid van de lineaire assen, wat onder een uur duurt met de laser tracker. Hij voegde toe dat er meestal een directe relatie is tussen rechtlijnigheid en andere geometrische fouten, zoals pitch, yaw, roll en perpendiculariteitsfouten, "omdat je perpendiculariteit niet kunt beoordelen als je niet recht bent." In dit geval vond hij fouten van tot 200 tot 250 micron (0,010"). API voerde een volledige uitlijning uit op de machine, "zelfs de brug losbreken en hem mechanisch rechtzetten. Toen pasten we de 21-foutcorrectiekaart toe. Op dit moment... waren de hoekfouten hetzelfde over de machine, en we konden de machine tienvoudig verbeteren ten opzichte van de vorige calibratie."

Dat is grotendeels te danken aan de verbeterde mechanische uitlijning, benadrukte Kietlinski. "De beter je de machine mechanisch uitgelijnd hebt, de beter de resultaten van de calibratie." Omgekeerd, "kun je een machine die niet mechanisch uitgelijnd is, niet proberen alles met software te repareren."

Correctie voor in-proces fouten

Binnen de net besproken grenzen, kan VEC een opmerkelijke verbetering maken in de geometrische onnauwkeurigheden van een machine. Maar wat met "werkende onnauwkeurigheden," de additionele fouten die tijdens bewerking optreden, door operationele spanningen, thermische instabiliteit, en andere factoren? Bill Malanche, chief operating officer voor Mitsui Seiki (VS), Franklin Lakes, N.J., noemde de belangrijkste oorzaken van onnauwkeurigheid als "verloren beweging, warmte, en ontwerp. Verloren beweging werkt zich in veel aspecten, maar kan samengevat worden door geometrische uitlijning en pasvorm." Met VEC de andere factoren adresserend, duikt thermische instabiliteit op als misschien wel de primaire bron van in-proces fouten. En hoe groter de machine, des te meer variatie men zou kunnen zien in de werkelijke versus nominale gereedschappuntpositie.

Eén benadering om dit probleem aan te pakken is het gebruik van de interne tastkop van een machine om die afwijking te berekenen, en daarna te compenseren. Doug Schulte, business development manager voor Select Machining Technologies, Windsor, Conn., zei dat hun Soraluce machines "een kwalificatiekroon tasten in een aantal vooraf ingestelde punten. Dit doet het voor veel kop- en asposities. Software vergelijkt dan de gemeten punten met het kinematische model van de machine en maakt alle benodigde compensaties om het gereedschappunt in de geometrie van de machine te waarborgen." Soraluce noemt deze functie Dynamic Head Calibration (DHC), en Schulte zei dat het een veelvoorkomende functie is in vijf-as machines. [Manufacturing Engineering dekte Okuma's versie in het juni 2019 artikel.]

Soraluce machines zijn doorgaans uitgerust met meerdere twee-as koppen, en DHC duurt 25 tot 30 minuten voor de complete meetcyclus. Het is ontworpen voor periodieke pre-bewerkingscompensatie, zoals VEC. Maar Soraluce heeft een toegevoegde functie genaamd Accura Heads die mogelijke in-proces fouten aanpakt, en duurt slechts een minuut of twee. Deze optie gebruikt dezelfde tastkop en meetkroon, maar draait binnen het bewerkingsprogramma, legde Schulte uit.

"Als je een feature op een deel gaat adresseren die in een specifieke hoek zit en die hoek erg kritisch is, kun je de Accura Heads routine gebruiken om de hoek en het gereedschappunt van die specifieke oriëntatie te verifiëren. Dan maakt het die offset voor die ene tool. Je doet die tastcyclus onmiddellijk voordat je die operatie uitvoert."

Schulte gaf ook aan dat voor strakkere toleranties in bepaalde machineontwerpen, de gebruiker de kroon dichter bij het gebied waar ze gaan snijden moet monteren, afhankelijk van de grootte van de machine. "Soraluce heeft machines gebouwd met longitudinale verplaatsing van meer dan 60 meter," voegde hij toe. Men kan zich gemakkelijk voorstellen dat buitenafleidende invloeden een afwijking kunnen veroorzaken tussen werkelijke en nominale positionering ver daar buiten.

De bewerking/QC-handshake

Een "gecompenseerde machine" als gegeven nemend, kunnen operators de mogelijkheid overwegen om de tastkop van een werktuigmachine te gebruiken om QC-functies uit te voeren. De nieuwe ISO 230-13 standaard zal de vereisten definiëren, en zal dat doen in referentie tot ISO 10360, wat de standaard is voor CMM's. De cruciale specificatie waarmee CMM's beoordeeld worden, is hun maximum toelaatbare fout (MPE) waarde. Een acceptatietest zou zeven oriëntaties meten (vier lichaamsdiagonalen, plus één elk langs X, Y en Z) met een trapgauge of een laser in combinatie met een meetkroon. Om de test te doorstaan, mag de maximale afwijking (E0) niet groter zijn dan de MPE.

Zoals Hailer uitlegde, definieert de nieuwe ISO-standaard de acceptatietestprocedure en de benodigde waarden net zo duidelijk voor werktuigmachines, maar het is een nieuw concept voor machinebouwers. "Op dit moment weet geen enkele werktuigmachinebouwer de grootte van hun MPE. Ze moeten de procedure leren voor het bepalen van zo'n waarde, en dan ontdekken wat het is. Dit is een van de diensten die we OEM's bieden." Eenmaal een bouwer deze waarde voor een gegeven machine bepaald heeft – en het op locatie geverifieerd, net zoals je zou doen voor een CMM-installatie – kan een gebruiker een einddeelsinspectie op de machine uitvoeren, het nooit op een CMM zetten, en het deel leveren aan een klant met een rapport dat de nauwkeurigheid van de metingen documenteert.

Of een werktuigmachine's MPE acceptabel is voor de eindgebruiker is een andere vraag. Maar het lijkt waarschijnlijk dat hogere precisiemachines ten minste voor sommige toepassingen bevredigende QC zullen leveren. Dat is met name waar voor zeer grote onderdelen, waarnam Béat Ries, slijpvijgproductmanager voor Mitsui Seiki. "Je betaalt veel geld voor een grote CMM, met name als je naar ultra hoge nauwkeurigheid wilt gaan. De getallen zijn astronomisch. Het lijkt erop dat niemand een economische oplossing kan bieden."

Er is meer, zei Ries. Alleen de MPE van een CMM of werktuigmachine kennen is niet genoeg om voldoen aan luchtvaart- of autostandaarden. Dat is omdat ze ook "een onzekerheidswaarde naast elke meting of validatie op onderdelen vereisen." Dus hoewel veel mensen de MPE alleen zien als de "nauwkeurigheid" van een machine, vangt het cijfer de meetvariaties – en additionele onnauwkeurigheden – die in de echte wereld optreden, niet op. Bijvoorbeeld, legde Ries uit, "temperatuurschommelingen in een winkel zouden verschillende metingen produceren. Dus als een CMM een MPE heeft van 1,9 plus L/250 micron, zou de berekende onzekerheid 3 micron per meter kunnen zijn. Als je over één meter meet, zou de MPE-waarde suggereren dat je nauwkeurig bent tot binnen 5,9 micron. Maar als je de onzekerheidswaarde toevoegt, zie je dat je eigenlijk meet tot binnen plus of min 8,9 micron."

De micron splitsen

Een winkel die meting extreem serieus neemt, is de passend genaamde Precision Grinding Solutions (PGS) in Hamden, Conn. Eigenaar Curt Reed vindt het essentieel dat ze een stevige greep hebben op hun QC, inclusief onzekerheidsmetingen, omdat ze rotterende straalmotoronderdelen slijpen voor grote OEM's zoals Pratt & Whitney, plus Tier 1 en 2 luchtvaartleveranciers. PGS heeft zelfs een contract om gauges te kalibreren voor verschillende Pratt-locaties.

PGS heeft een Zeiss PRISMO ultra CMM, wat Reed een "referentieklasse" machine noemt. De CMM roemt een E0 van 0,5 + L/500 µm, en PGS heeft de onzekerheidsbudget bepaald "op een van de oude manieren. Je neemt een bekend artefact, zeg een van de Pratt-gauges waar we betrokken zijn bij kalibreren, en meet een kritisch kenmerk 50 keer of zo. Dan bestudeer je deze spreiding van data, overweeg factoren als veranderingen in de kamertemperatuur, stop al dat in een langdurige formule en kom met een onzekerheidscijfer."

Nu implementeert PGS een nieuwe methode om een nog betere greep te krijgen op meetonzekerheid: Virtual CMM (VCMM). Reed legde uit dat VCMM een plug-in module is voor Zeiss' Calypso executive softwarepakket die "je in staat stelt een extra kolom in je rapporten in te voegen die de onzekerheid van elke enkele meting die je maakt toont." Behalve dat, vangt het ook alle andere fouten op die laserkalibratie niet rekening mee houdt, voegde Reed toe.

PGS werkt met AfM om de data te verzamelen die nodig is voor deze inspanning, wat Reed zei verder gaat dan het volgen van temperatuurschommelingen en trillingen. "Bijvoorbeeld, het rekent ermee of je een lange tastkop met een dunne schacht gebruikt, of een korte stubbele. Wat is de machine buigingshandtekening? Wanneer je de machine meet, wat is de werkelijke geometrie, de schalen, de geleiderails... Wat ziet dat eruit?" AfM zal al dit bepalen door een reeks speciale metingen te nemen met een set artefacten die diverse ballen en stappen incorporeren. Dan zullen foutbestanden op de achtergrond draaien om de onzekerheid te bepalen.

Kortom, zei Reed, "is VCMM een veel modernere, meer uitgebreide manier om onzekerheid voor het hele systeem en het laboratorium te onderzoeken. Het is niet alleen gebaseerd op één artefact. Het kwalificeert door alle metingen die AfM neemt, en het kwalificeert het hele meetvolume van de CMM, niet alleen één lokaal gebied waar je een gauge getest hebt."

Eenmaal afgerond, merkte Reed op, zullen de nieuwe rapporten het kwaliteitsplaatje erger laten lijken, "omdat het een betere werk doet, feature voor feature. Als je deze functie aanzet, zie je de onzekerheid van elk enkel feature dat op elk programma draait. Als je iets meet wat 'op de micron' was, en je voegt de onzekerheid toe, misschien is het 1,15 micron. Maar het levert een echte, waarachtige examen van de onzekerheid van het hele systeem."

Reed's systeem is al uitstekend. PGS heeft een top-CMM en het lab is temperatuurstabiel tot binnen een derde graad F. Maar ze hebben andere investeringen gedaan om onzekerheid te beperken: "We kochten AfM's software en meetartefacten om betere controle over de nauwkeurigheid van de machine te krijgen. We kochten ook een 700 millimeter trapkant identiek aan die gebruikt door Zeiss-service. Onze bedoeling is om te begrijpen waar de machine op elk moment is."

PGS zal niet langer uitsluitend vertrouwen op jaarlijkse kalibraties van de OEM, aangezien die alleen een momentopnaam in tijd vertegenwoordigen. Reed zei dat die bezoeken een aanzienlijk bedrag kosten en een nog vragen hoe de machine het hele jaar presteert. "Als de OEM over een jaar terugkomt en de 'as-found' calibratie niet in spec is, zet het elk product dat je met de machine geaccepteerd hebt in twijfel. We zijn niet langer bereid dat risico te nemen. We proberen wekelijkse, of zelfs dagelijkse, examens van onze CMM's te maken."