实时加工质量检查的可制造性设计+DFM的.docx
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实时加工质量检查的可制造性设计+DFM的
实时检测机械加工质量的可制造性设计(DFM)
进权*
应用工程技术,古德温专业进修学院
Drexel大学,宾夕法尼亚州费19104,美国
电话:
215-895-0969;传真:
215-895-4988
yk73@drexel.edu
德丽莎吴
部工业工程,口服框875906
亚利桑那州立大学,坦佩
阿尔克马尔85287-5906,美国
一个动态的,全球化的和以客户为导向的市场给依赖与响应速度和产品策略的公司带来了机遇和威胁。
并行工程(CE)是一种着眼于提高产品开发过程的策略,它从早期的产品设计阶段就考虑各种相关因素的产品生命周期。
可制造性设计(DFM)已被证明是一个接近执行CE概念的有效手段。
最近,在加工中一个重要的DFM概念(即实时检查)已引起学术界和工业界的重视。
这是因为激烈的国内和国际竞争已经更加重视零件的质量,以实现更短的检测时间,提高零件精度,和减少废料。
目前的方法,使用一台机器安装触摸探头,受到这样一个事实,即测量精度的影响,个别机床的定位精度和定位系统。
为了解决这个问题令人关切的问题,进行了切削试验,收集触摸探针测量数据。
这些数据进行分析,以验证是否使用触摸探头适合实时时间检验。
分析结果表明触摸探针具有较高的能力指数和一致性比三坐标测量机(能力成熟度模型),sug-gesting的触摸探头可以被纳入的DFM作为一种手段,实时质量检查。
关键词:
触摸探针;三坐标测量机;质量检验;宽容;行政长官;的DFM。
1。
导言
产品开发过程包括两个独特的阶段:
产品设计和工艺设计,在产品设计处理功能的产品,而工艺设计的重点是生产和工艺规划。
1并行工程(CE认证)关注的是提高产品开发过程考虑,在早期阶段的产品设计,在不同的因素与生命周期的产品。
这些因素包括manufacturabil-性,装配,工艺设计,测试,质量检验,以公正等等。
已经证明是一种有效的行政长官的战略产业,保持沟通竞争在应对不断变化,全球化的,以客户为导向市场。
一些日本企业采取一半的时间,美国公司做提供主要产品(如飞机和汽车)。
17这一成功来自一个事实,即行政长官大大有助于减少产品开发循环。
38
对探索CE的技术和工具做了大量的研究。
Prasad36,37分类的代理人认为影响CE七类包括人才,任务,团队,技术,工艺,时间和工具。
他还归类行政长官技术分为六个层次的增加一定程度的创造性和合作。
这些包括基于网络的技术,文件为基础的技术,变驱动技术,预测技术,以知识为基础的技术,以及基于Agent技术。
奥格雷迪和Young33审查方法的实施情况CE认证和归类他们根据所使用的工具来执行。
它指出,一个有效的办法执行CE的设计制造(东风)。
生产的DFM采取任何相关的问题考虑在内,例如选择材料和机械工具,制造方法,工艺规划,装配方法,检测和质量控制等方面的产品开发,使确保设计功能可以制造一样容易成为可能。
32由于行动70%的产品的制造成本有决心,在设计阶段,30日的DFM可能会减少大约15%-70%的费用,原因是人为制造和assembly39,增加100%至200%的生产力。
8除了减少成本,增加效益的DFM承诺在提高可靠性,缩短产品上市时间,尤其是提高质量。
事实上,问题的极大兴趣无论从工程设计和商业角度看是提高质量,同时减少的成本和复杂性,生产过程中的许多制造情况。
在加工的尺寸公差是其中一项最重要的素质特点。
1要生成正确的尺寸,制造过程和在测量仪器需要同样能力。
26对于复杂的议会许多离散部件与其他部件,尤其是重要的西林设置零件尺寸和公差的使用信息的过程能力的研究。
自31日公差影响极大的正常运作机械零件,除了生产成本,任何常规的检查宽容需要计划,并认为在设计阶段利用的概念的DFM。
检查尺寸公差需要计划在产品/工艺设计阶段,以提高整体效率生产活动。
巴雷鲁等。
5指出的重要性视察规划:
(1)重要的是要制定一个计划,检查过程沿概念部分设计,
(2)高速三坐标测量机(CMM的)正在变得广泛应用于生产线,和(3)重要的是要形成一个反馈环路之间的部分检查和制造工艺。
反馈回路纠正一个潜在的质量问题之前,完成加工或之前生产以后部分。
26虽然重要,一体化检查到的三维产品设计已基本上被忽视了年。
5巴雷罗等。
5,6试图将检查资料纳入设计和制造工艺。
其他研究显示的发展努力的检查组化模式,主要用于预测零件质量特性的三维准确性或表面粗糙度。
2,7,21,28然而,这些模型受到的短期往来,例如,该模型的基础上所产生的数据后处理技术(即能力成熟度模型)和模式有一个非常狭窄的范围和是非常昂贵的发展。
该模式,因此不适合于现代,动态变化的生产环境。
为了使检查到的DFM的框架内,有必要进行实时质量检验。
至实现这一目标,衡量能力分析应先建立一个信心的测量数据。
重点研究,因此,进行评估研究,以维护检查过程能力和是否有足够的实时测量仪器。
的调查结果将有助于研究引导的方式执行的概念,同时检查办法纳入商品,开普敦大学的设计周期。
的贡献,这项研究是3倍。
首先,实时检测技术旨在饲料检验信息制造技术系统是研究符合的DFM。
其次,进行了实验分析过程中判断能力。
第三,进行比较研究之间的过程中测量与主轴接触探针和后处理检查组化利用三坐标测量机。
本文安排如下。
DFM和质量检验审查秒。
2。
在美国证券交易委员会。
3,实验中详细讨论之后,结果分析在美国证券交易委员会。
4。
第5节总结了研究结果和建议未来的研究。
2。
DFM和产品质量检验
今天的行业面临着日益严峻的挑战所造成的全球竞争,新技术和电子商务。
公司必须迅速制造高高质量,低成本定制产品。
DFM的,有效的方法,已引起了极大关注。
实现产品的DFM概念需要发展的opment团队了解目前的制造技术和方法包括材料要求,计算机辅助工艺设计,质量控制,测试和检查等,目前的重点放在质量和可靠性以及电流租金的竞争状态的国际市场造成了更大的可视性和更多的责任是检验和inspection38这是说明图。
1在行政长官和DFM。
在制造业,检查是根本确定一致性。
26日的信心检查仪和测量数据方面发挥重要作用的部分决定是否正在制造
根据设计规范,以及是否生产工序在控制。
传统方式的宽容检查机械零件是一个后处理检查,这意味着层面进行检查后,部分已生产。
这种做法造成了严重的问题,因为许多缺陷可生产之间的视察。
14,24最近取得的进展制订新的,自动测量仪器已导致过程中,在网上,或实时检查,其中关键因素是测量和验证,而部分正生产的机器上。
该行业的趋势是衡量层面,而部分仍然在机器上加工和纠正任何错误。
16,18,19,26,27,29,35,42眼前的好处,这种办法包括:
提高加工精度和减少废料。
返工的情况下,节省生产时间可以十分重大因为一部分仍然在机器上,而不会影响安装配置-口粮。
为了实现实时检测,计算机数字控制(数控)机床配备了一个触摸探头。
零件尺寸检查触摸探头自动反馈到数控控制器,以补偿沙爹任何变化的加工功能。
12,24,这一点尤为重要的一个现代化,全电脑控制的生产环境下,很少人干预,预计在加工周期。
然而,一个重要的缺点是检查上执行相同的机器生产的一部分,从而导致有限的测量精度由个别机床的定位精度和定位系统。
12,43例如,热增长机床结构尤其是detrimen-数字控制加工精度,3尚未热致错误将直接反映的业绩触摸探头。
动态特性的机器工具(例如,方向和速度下滑的机器,因为它的走向目标位置)也会影响测量精度。
9为了使用触摸探针作为一种手段,在检查过程中尺寸精度的测量性能触摸探头需要和可能比较分析获得的数据与其他测量仪器。
将提供的比较见解的程度方面的错误引起的结构性缺陷intrin-SiC的机器工具,将反映在触摸探头,将有助于决定是否触摸探针能够进行实时的一部分质量保证。
3。
实验室实验
在这项研究中,一个国家最先进的,三个轴,垂直数控铣床(品牌新辛辛那提米拉克龙箭750数控心肌炎与0.0001项。
重复性)配备了触摸探针(一雷尼绍议员700表面感应无线探头与0.00001项。
重复性),被用来削减部分由空白工件尺寸一百三十毫米×100毫米×六十三点五毫米在三个不同的材料类型。
所选材料里亚尔是常用的工业:
6061-扩建基地,7075-扩建基地,和ANSI-4140钢铁。
图2显示,触摸探头安装在机床主轴和完成盖帽。
对于每一个材料,一个新的刀具分配和加工法进行了,直到工具穿了。
共有20个零件加工利用6061-T6态铝的1英寸,直径2-长笛钴高速钢(高速钢)铣刀。
7075-扩建基地,19个地区生产的高速钢工具。
针对ANSI-4140钢,17部分已完成了1英寸,直径2-长笛,烧结,碳化钨立铣刀刀。
切削参数进行了分析决定,以尽量减少使用者使用结合CutPro软件,奇石锤包和一个加速计(一奇石乐三轴加速度计,±500克,灵敏度10mV/g)段。
通常情况下,振动化被认为是最好的一个指标,机械设备的问题,23和加工过程中的振动,尤其有害于三维精确活泼和表面光洁度的加工功能。
因此,轴向和径向切削深度和切削速度被调整的传言,免费加工。
每个区块有两个阶梯孔(65和50毫米直径)和孔被选定为关键质量特性,因为圆和圆柱的加工部分构成的一些最基本的几何特征的工程。
10为了确保比赛正常运转的部件,允许偏离真正的循环是允许的形式,容忍区范围内的两个同心界,10该决定所需的维和形式的准确性。
41孔有一个宽容的+/-0.1(+/-0.00394-英寸),相应的ISO容忍平衡等级IT10。
公差测量使用触摸探头在加工模拟实时检查。
一旦加工完成后,部分是从机,以及孔的公差与测量三丰B403B三坐标测量机(0.0001-英寸重复性)。
最可比较的测量仪器的结构主轴概率技术系统是一个能力成熟度模型。
双方共同的经营原则,如
机电触摸探头。
CMMs组成一个接触探针和位置技术系统,位于探针在三维空间相对一部分表面。
34象任何其他机械,机械CMMs不完美的,所以概率lems如方向依赖错误模式在其触摸探头和几何,运动学,刚度,和散热过程中可能出现的错误使用。
4,35不同算法在三坐标测量机控制器可引起不同的测量读数甚至当同一坐标数据的解释。
13尽管如此,CMMs广泛用于制造行业的精密检验和质量控制,4,35和公认的可靠和灵活的压力表适合评估acceptabil-性的机械零件。
40一种快速探测数控程序的开发利用现有的探头中的命令箭750病毒性心肌炎,以衡量孔直径。
对于每个孔,探针检查了直径两次,机X和Y方向筹措和报告的平均值。
半山分的高度,65和50毫米的孔被选定为检查点。
后,部分被移走从机器,同样的点测三丰三坐标测量机使用。
至降低温度诱发的错误,所有的机械零件和CMM是保存在同一个房间里,然后分别测定的部分作为一贯的。
因此,扩大或收缩的加工模块,由于环境温度结构的变化被认为是微不足道的。
所收集的数据代表了比较,儿子两文书,下面一节说明了实验结果和数据分析。
4。
分析实验数据
宽容是允许的尺寸变化的一部分。
20宽容在加工过程将有约束的允许变化引起许多属性。
耐受性是指可以作为一个线性回归模型中的形式:
其中λ1=一个下界,ηi=一套程序属性造成的变化,τ=容忍功能界定ηi,α=恒定在宽容的功能,βi=asetofcoefficientsforηi,εa=噪音因素加工和λ2=1上限。
这一进程的属性可能包括刀具磨损的影响,机械振动化,工具挠度,硬度机械零件,工具,材料,机器设置,夹具,弹性和塑性变形过程中的零件加工,机械刚性性,加工参数,加工误差引起的热变形和静态和动态定位误差,机械和规范经营者,机准确性和可重复性和环境温度。
宽容是衡量压力表,其中也有差异。
全变差的测量求和的衡量变异和变化的三维部分。
该指数的变化可进一步分为两个部分:
repeatabil-性和可重复性的衡量。
31日所完成的研究李等人。
26以及涉及两个突出的来源,测量的不确定性:
(1)不完善的文书,以及
(2)维偏差的测量特征。
因此,总的变化的一部分层面可以派代表参加的形式:
其中Δ(τ,η)=总体积变化的函数τ与η,ν=的按名义价值计算,ψ(ηj)=该指数变差函数定义ηj,υ=aconstantin该指数的变化功能,λj=asetofcoefficientsforηj,ηj=一套属性造成计测量的变化,并εb=噪音的因素。
总变异(Δ)的镗孔直径测量因此派有区别的的名义价值(或65或50毫米的)和实测值的触摸探头和CMM所示,图。
3月5日。
图表显示,之间的差别触摸探头和CMM非常小。
值得注意的是,该测量采取的触摸
探头始终小于CMM的数据。
这是对面初步认为,探针测量将更大由于热扩展张力在机床结构。
减少膛尺寸切割继续可以解释的刀具磨损的影响。
作为工具磨损,宽度的前沿利润率开始减少。
如果失去了最先进的材料,工具直径逐步缩小,而这反过来又导致孔径较小。
那个孔尺寸测量钢也小于铝。
这是因为钢铁是更难比铝,因此阻力推的工具对中心承担的削减。
对于铝业,总变异法是在容忍范围内。
钢铁,但是,这些数据集中在下界。
测试如果刀具磨损的影响负有公差,在锋利测机器视觉系统(索尼CCD相机,1的Matrox图像采集,并在PC)和相关口径大小的变化。
该工具是从机后,每块已经完成并置于
自定义建造夹具揭露尖端在不断焦距(见图。
6)。
高强度定向光被用来照亮切割边缘。
一旦这些照片被带到了一系列的图像处理例程(即噪音搬迁,对比度增强和阈值)进行改善
图像质量。
此外,图像分析算法,制定了明确划定边界的边缘。
一旦边缘分离,测量区域被选定。
该地区约0.15英寸的工具结束,这是相应的切削深度。
至衡量刀具磨损,该区域被分成10个同样距离的间隔和每间隔测量获得的平均值作为衡量刀具磨损。
由于有两个锋利的工具,这一步骤是重复。
该系统是校准使用高档三丰计块和发现像素大小的具体焦距为0.00024项。
在像素宽度(x)和0.00025项。
在像素高度(y)项。
比较,磨损所采取的测量三丰工具制造商的显微镜,差异小于5%。
该工具磨损因此,平均的产品像素数沿Y型的方向和像素高度:
在λ=平均磨损宽度沿测量区域,每组20andφi=像素的数目在间隔一磨损测量绘制的图。
7,显示越来越多的格局磨损宽度削减仍在继续。
相关性分析的刀具磨损和总的变化的测量以确定是否口径大小的变化主要是由于刀具磨损的影响。
利用方程的形式是:
22
其中r=相关系数(-1≤r≤1),¯Δ=平均总变异化,¯λ=总指数平均磨损宽度。
相关系数为铝业是-0.932和-0.794钢块,这清楚地表明,强有力的中美关系的变数。
全变差的测量(Δ)是受影响的过程能力以及衡量能力。
如加工孔直径,每表现特征的机床是名义的,最好的(注)的类型。
25过程能力指数描述的实际能力的过程,以产生具体的质量特性一贯的规格。
过程能力比率(PCR)技术或过程能力指数(PCI)的比较蔓延的过程与宽度的宽容。
25,31在五个PCI的(粗蛋白,肌酸磷酸激酶,钾,中央处理器,下士),毒品调查科类型的PCI承担下列形式:
25
在实验室=上规格限制,LSL=较低规格的限制,μ=该进程的意思是说,和σ=标准偏差的过程。
茂=1meansthat约99.73%将属于容忍规格(约2700年的缺陷每万美元),与CP=1.5只占4缺陷的100万产生。
31缺点CP的是,它不仅考虑了变异的过程,并不考虑位置的过程中的意思是说,这意味着性能退化的进程迅速的进程意味着偏离名义价值。
25肌酸磷酸激酶,另一方面,是片面的茂,考虑到这一进程围绕代表的形式,25,31:
在μ=进程意味着,男=规格中点(男=(LSL+实验室)/2),和K=偏差进程意味着从并购(0≤k≤1),因此钾是成反比茂茂=激酶意味着进程正处于该中心的规范,该进程是从中心作为茂“Cpk.There-前,茂措施的潜在能力的进程,同时肌酸磷酸激酶代表实际进程的能力。
31过程能力指数人数计算MinitabTM统计软件的基础上总变差测量遵循正态分布。
分析结果表1所示,说明较高的数量和加工能力较低的标准偏差的测量注释采取的触摸探头相比,三坐标测量机的数据。
这可能是解释的一致性,触摸探针测量由于自动化,而CMM的数据包含其他变化的测量,如歌剧Tor的重复性和轻微不一致的安装程序。
总体而言,探针测量数据有较高的肌酸磷酸激酶的54.5%相比,三坐标测量机。
钢铁,但是,显示器大大低于价值高于铝业。
材料硬度的影响加工精度和这种现象已直接反映在肌酸磷酸激酶号码。
5、结论
激烈的国际和国内市场竞争推动了制造商注意自动化制造系统是增加生产力和产品质量的一种手段。
为离散部分行业,在测量过程中即实时的零件检查对于减少废料数量和纠正仍固定在机器上的缺陷部件已变成非常重要。
在这样的环境中,要求调整产品的公差,一个触摸探头的能力要被很好地了解。
此外,在这种变化程度的环境(例如,许多不同的工具和工作材料的组合)很难制定质量预测模型,因此在加工过程有必要制定和实施实时检测技术。
为了形成一个实时加工误差补偿的反馈回路,必须首先建立信任的测量数据。
在同时,机床的工作特性必须被确定,这样探针测量数据可以有效地用来纠正缺陷的部件和改善其加工质量检验的效率。
在此背景下,本研究重点是分析两种类型的传感器。
那个实验数据表明,之前把触摸探头作为一种手段实时检查,一些谨慎的措施,需要采取的职权特征分析机床。
这时候更重要的是更难材料(如高强度钢与软铝)的加工。
实时化的东风,把检查的过程中设计阶段,因此,必须考虑到从广泛的频谱,其中包括类型机床,机床的特点,精度和可重复性的机器工具,程度,热和其他加工误差,输入刀具和工作材料,加工参数设置,输入新的功能,加工,检查组化方法,信心指数的测量,并准确和repeatabil-性的指标。
这些因素都需要加以分析,预测是否变化在加工功能将范围内的公差规格,将受到调查,作为今后工作的研究。
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