Но возникает новая проблема. Ведь метрологические числа используются в качестве входных данных для дальнейшей вычислительной обработки. Причем, в результате вычислений с метрологическими числами должно также получаться метрологическое число, которое используется для метрологических целей. Следовательно, любая вычислительная обработка должна давать на выходе не только номинал, но и метрологическую характеристику результат обработки.
В докомпьютерную эпоху это знали хорошо, потому были разработаны специальные правила работы с метрологическими числами в виде “Правил приближенных вычислений”.
В настоящее время вся вычислительная обработка осуществляется на компьютерах. Но нынешняя технология компьютерных вычислений предназначена исключительно для вычисления номиналов и не способна обрабатывать метрологическое число как единое целое — номинал и его метрологическая характеристика. Правила приближенных вычислений, которыми пользовались в докомпьютерную эпоху, полностью выброшены компьютерной технологией, якобы, за ненадобностью и устарелостью. А новых способов обработки метрологических чисел так и не создано.
В современном компьютеринге определение метрологической характеристики результатов осуществляется по-разному. Например, программист или другой специалист посчитает, что данный расчет дает точность 4 знака и просто дает команду о выводе на печать четырех знаков. Посчитает 5 — задаст 5. А если вообще не задаст никакой команды, то компьютер выдаст и все пятнадцать разрядов. Ясно, что это пещерный уровень в области метрологии, который характерен для современного состояния компьютерных вычислительных технологий[4].
А там, где имеется понимание необходимости иметь метрологическую характеристику, создаются специальные программы ее определения, причем для каждой задачи свои. Характерно, что затраты компьютерных ресурсов для определения точности расчета зачастую на порядок, а то и два больше, чем для расчета номинала. Ясно, что это бред. Ведь сама метрологическая характеристика имеет очень малую точность, нам нужен буквально один значащий разряд для характеристики точности, и использовать для его определения расчеты с двадцатью значащими разрядами неправильно.
Определение метрологической характеристики должно осуществляться автоматически при обработке метрологических чисел. Но в настоящее время даже нет системы ввода метрологических чисел в компьютер, т.е. номинала числа и его метрологии.
Таким образом, проблема компьютерной обработки метрологических чисел выходит на первый план. Нужна принципиально новая технология обработки метрологических чисел, при которой данные в компьютер вводились бы в виде метрологических чисел, т.е. номинал и метрологическая характеристика, а результаты автоматически выдавались также в виде номинала и метрологии, причем это должна быть единая всеобщая универсальная система вычислений, другой системы вычислений нецелых чисел быть просто не должно, система вычислений только номиналов должна быть отвергнута и ликвидирована как метрологически безграмотная.
Рассмотрим также применение технологии OMV и адаптивной механообработки при производстве изделий из композитных материалов.
Несмотря на то, что устаревшие «ручные» методы производства изделий из композитных материалов менее точны и эффективны по сравнению с современными автоматизированными технологиями, многие производители не спешат переходить на прогрессивные CAD/CAM-технологии по двум причинам. Во-первых, при мелкосерийном производстве изготовление специальной технологической оснастки экономически невыгодно. Например, производители яхт обычно стремятся к унификации корпусов, но заказчики дорогих судов обычно предпочитают проекты по индивидуальному заказу. Изделия для спортивных автомобилей и мотоциклов также производятся мелкими сериями. Во-вторых, многие заказчики знакомы с устаревшими технологиями производства, и заранее готовы смириться со всеми недостатками, связанными с ручной доводкой изделия. К тому же, зачастую потребители продукции просто не знают о существовании современных CAD/CAM-технологий, способных обеспечить принципиально иной уровень точности и качества изделий из композитов.
В авиационно-космической технике требования к точности и качеству изготовления продукции из композитов выходят на первый план, причем себестоимость одного изделия, производимого небольшой партией, может быть относительно высока. Требования к точности могут быть настолько высокими, что во многих случаях выполнение заказа традиционными «ручными» методами оказывается невозможным, и перед предприятием возникает дилемма: или внедрить новые технологии, или отказаться от заказа. Современные CAD/CAM-технологии позволяют не только обеспечить требуемую точность, но и значительно сократить сроки изготовления продукции, что эквивалентно появлению дополнительных производственных мощностей. Предприятие, успешно освоившее современные технологии производства изделий из композитов, способно выполнять заказы для разных смежных отраслей. Поэтому велика вероятность, что производитель высокоточных авиационных изделий из композита возьмет заказ на изготовление деталей, традиционно изготавливаемых ручными методами. Именно таким путем на рынке появляются новые изделия, сильно выделяющиеся по качеству изготовления на фоне общей массы. Естественно, что потребитель готов заплатить столько же или даже больше за изделие, выполненное по «космическим технологиям», нежели довольствоваться низким качеством ручной доводки. Поэтому производители, использующие устаревшие технологии, рискуют быть вытесненными с рынка их более дальновидными коллегами, внедрившими более прогрессивные CAD/CAM-технологии[5].
Современные автоматизированные технологии производства изделий из композитов базируются на трех основных «китах»: фрезерном станке с ЧПУ, CAD/CAM-системе и координатно-измерительном оборудовании. Давайте рассмотрим подробнее эти компоненты успеха.
Механообработка - 5-осевое фрезерование
Самое важное изменение, произошедшее в области механообработки за последнее десятилетие и затронувшее все без исключения отрасли машиностроения, заключается в широком распространении 5-осевых фрезерных станков с ЧПУ. Фактически, ничего революционного не произошло, поскольку аналогичное оборудование используется крупными производителями авиационно-космической техники уже давно. Изменилась лишь цена на оборудование такого типа, и 5-осевые станки с ЧПУ стали намного доступнее. Кроме того, значительно возрос ассортимент предлагаемого на рынке оборудования. Теперь покупатель может выбрать 5-осевой станок исходя из компромисса цены, точности и обрабатываемых размеров детали.
Архитектура современных 5-осевых станков весьма разнообразна, но мы разделим их принципиально на два: на станки с неподвижным и подвижным столом.
Портальные станки с неподвижным столом традиционно используются для обработки крупногабаритных и тяжелых деталей в авиационно-космической технике и судостроении. 5-осевая обработка на них происходит за счет перемещения шпиндельной головки по трем координатам и ее наклона в двух плоскостях. Таким образом, деталь при обработке остается неподвижной. Благодаря тому, что у портального станка с поворотной шпиндельной головкой стол неподвижен, удается обеспечить достаточно высокую жесткость конструкции. С другой стороны, так как у портальных станков шпиндель установлен на поворотной головке, его мощность обычно бывает относительно невелика.
При обрезке, вырезке и сверлении формованных деталей из композитов может также использоваться промышленный роботизированный манипулятор типа рука (например, фирмы KUKA) с установленной на нем шпиндельной головкой.
Другой обширный класс 5-осевых станков – с поворотным столом. Шпиндельная головка таких станков имеет фиксированную в пространстве ориентацию и способна перемещаться в трех координатах, а поворотный стол с закрепленной на нем заготовкой может поворачиваться в двух плоскостях.
Все 5-осевые станки позволяет выполнять так называемую позиционную («3+2») 5-осевую обработку. У портальных станков фиксируется поворотные оси шпинделя, а у станков с поворотным столом – сам стол. Благодаря тому, что две поворотные оси во время обработки неподвижны, достигается более высокая точность и качество обработанной поверхности по сравнению с непрерывной 5-осевой обработкой, при которой одновременно задействованы все пять (или даже шесть) степеней свободы станка.
При обработке высокопрочных композитных материалов силовое фрезерование не требуется, и на первый план выходит высокая скорость вращения шпинделя. Как следствие, станок должен обеспечивать высокие скорости подачи, которые предъявляют высокие требования к жесткости станка.
Вес деталей из композитных материалов обычно сравнительно невелик, а вот их габариты относительно большие. Кроме того, для фиксации композитных детали часто используют вакуумный прижимной стол или специальные приспособления, поэтому при обработке композитов портальные станки нашли широкое применение.
При обработке деталей из композитных материалов объем резания обычно невелик: детали уже отформованы, и требуется лишь их обрезка, вырезка (отверстий, окон, лючков и т.п.) и сверление. Так как деталь на эти операции приходит практически готовой, стоимость ошибки велика.
5-осевой станок позволяет при обработке ориентировать инструмент строго по нормали к обрабатываемой поверхности, а также использовать заданные углы атаки и/или наклона фрезы. Одно из основных преимуществ 5-осевых станков заключается в том, что они, как правило, позволяют высококачественно обработать деталь сложной формы за один или два технологических установа. При каждом повторном установе оператору станка необходимо заново произвести базирование детали, что не только отнимает много станочного времени, но и приводит к потере точности. Кроме того, при обработке за один установ нет необходимости проектировать и изготавливать набор крепежной оснастки, что также сэкономит немало средств и времени.
Один из наиболее ярких примеров, демонстрирующих преимущества 5-осевого станка – сверление серии отверстий, оси которых ориентированы по нормали к криволинейной поверхности. На первый взгляд сверление по сравнению с фрезерованием – тривиальная операция, но если к взаимному расположению и ориентации отверстий предъявляются высокие требования, то эта задача для трехосевого оборудования превращается в невероятно сложную, так как каждое отверстие требует отдельного точного установа детали на станке.
За последние годы самым значимым событием в области метрологии стало появление портативных переносных координатно-измерительных комплексов, способных выполнять измерения с приемлемой точностью для многих видов производств. Сегодня выпускается широкий диапазон контактного и бесконтактного координатно-измерительного оборудования, некоторые виды которого позволяют измерить даже самолет. Однако наибольшую популярность приобрели КИМ типа «рука», выпускаемые фирмами CimCore, FARO, Hexagon, Metris и другими. Их изделия различаются по точности, длине измерений и стоимости, но в отличие от высокоточных стационарных КИМ, установленных в специальных термостатированных помещениях, КИМ типа «рука» может быть установлена непосредственно в сборочном цеху, что обеспечивает несколько важных преимуществ. Во-первых, нет необходимости извлекать изделие из фиксирующего приспособления и транспортировать его для измерений. Также отпадает потребность в повторном базировании. Во-вторых, кинематика КИМ типа «рука» позволяет быстро и без переустановок проводить измерения изделий с поднутрениями или зонами с затрудненным доступом. В-третьих, современные CAI-системы (CAI, Computer Aided Inspection – прим. ред.) выводят результаты на экран компьютера в интуитивно понятном графическом виде с применением цветовых обозначений, поэтому для измерений и анализа результатов не нужно привлекать специалиста-метролога. При необходимости результаты измерений могут быть автоматически оформлены в соответствии со стандартом предприятия в виде отчета, снабженного понятными инженерам цветовыми графическими схемами. В результате, благодаря промежуточным измерениям любые ошибки могут быть выявлены на более ранних стадиях, следовательно, стоимость их исправления оказывается гораздо меньше. Производственный опыт использования портативных КИМ при производстве изделий из композитов полностью подтверждает их высокую эффективность по сравнению со стационарными КИМ. Как правило, вследствие высокой степени пружинения требования к точности изготовления изделий из композитов менее жесткие нежели металлических изделий, поэтому точности портативных КИМ оказывается достаточно.
Еще одно изменение в области координатно-измерительного оборудования, которое можно назвать революционным и непосредственно затрагивающим производственный процесс, связано с появлением измерительных головок, устанавливаемых на станок с ЧПУ вместо режущего инструмента. С точки зрения метрологии, измерять деталь при помощи станка, ее же изготовившего, идеологически неверно, но исследования компании Renishaw, одного из лидеров в области производства измерительных головок, показывают, что точность современных станков с ЧПУ вполне соизмерима с точностью стационарных КИМ, и достаточна для целей межоперационного контроля. Так как требования к точности изготовления изделий из композитов обычно меньше, чем металлических деталей, то многие компании могут обойтись и вовсе без стационарной КИМ, выполняя замеры прямо на станке с ЧПУ.
Философия применения измерительных головок подразумевает, что на высокоточной стационарной КИМ будет (при необходимости) выполняться лишь окончательный контроль точности, а все промежуточные контрольные операции выполняются непосредственно на станке с ЧПУ без извлечения детали из фиксирующего приспособления. Таким образом, все ошибки будут выявляться и исправляться непосредственно на станке. При традиционной технологии, изделие после каждого этапа обработки необходимо снять со станка, доставить в измерительную лабораторию, измерить на стационарной КИМ, вернуть в цех, правильно забазировать деталь на станке, и лишь затем приступить к исправлению ошибок или дальнейшей обработке. Мало того что транспортировка крупногабаритного изделия может представлять собой сложную техническую задачу и отнимать много времени, так еще и каждое повторное базирование является потенциальным источником новых ошибок.
OMV-измерения способны обеспечить огромную экономию времени, позволяя при этом на любой стадии обработки выполнять дополнительные справочные измерения. Например, в случае поломки инструмента можно не дожидаясь окончания чистовой обработки и замеров на стационарной КИМ быстро определить, пригодна ли деталь для дальнейшей обработки. Также можно определить, насколько точно установлена заготовка на станке и достаточен ли припуск на обработку (в зависимости от качества, литые заготовки могут иметь как локальные, так и глобальные отклонения формы).
Особо отметим, что точность современных станков с ЧПУ, работающих в термостатированном цеху на установившихся режимах, вполне соизмерима с точностью стационарных КИМ. Если выполняется правильное надежное закрепление металлической детали и применяется жесткий точный инструмент, то этих условий обычно достаточно для получения стабильных размеров (здесь мы не рассматриваем такие экзотические факторы как прогиб многотонной заготовки под собственным весом и т.п.). Поэтому можно утверждать, что при проверке детали на стационарной КИМ фактически подтверждается точность станка. В случае изделий из композитов точность станка с ЧПУ, как правило, намного превосходит требования к точности изготовления детали.