自动化计量软件赋能智能制造

Scott Lowen 离开校园已有一段时间，但他仍在做“科学项目”。他在蔡司工业质量解决方案部门（密歇根州威克瑟姆）担任软件与配件产品经理，戏称一项概念验证项目为“科学项目”：测量零件，并让生成的数据自动确定修正值，反馈给车削中心、铣床或其他机床。

尽管 Lowen 的这个持续进行的“科学项目”尚未完全证实“计量数据能轻松实现全自动加工修正”这一假设，但蔡司仍在致力于自动化解决方案。其他公司，如 Capture 3D Inc.（蔡司旗下公司）、Renishaw Inc. 和 Verisurf Software Inc.，也已推出利用计量数据对机床进行不同程度自动修正的方案。

与此同时，这个持续进行的“科学项目”仍是 Lowen 工作的一部分。

“建立自动反馈系统所需的连接投入的时间，远超其给机床带来自动反馈的回报，”他说，“我们仍坚信需要有工程师到位，查看相关数据并制定相应的反馈或修正方案发送给机床。”

这对制造工程师的职业安全或许是好消息，但也引出了疑问：测量过程能否完全融入智能制造？还是说计量将主要局限于制造商在互联、数据驱动、自动化的新型制造方式出现前所用的工艺？

自动修正行动

Renishaw（伊利诺伊州西邓迪）有一款处于软启动阶段的产品：Renishaw Central 是一个制造数据平台，涵盖机床探针和刀具设定仪、Equator 检测系统及三坐标测量机（CMM）的机器状态、警报和测量结果等信息。

该平台提供应用程序编程接口（API），使用户能够查询信息并将其馈送到其他软件系统，如企业资源规划（ERP）系统或定制仪表盘。

“我认为我们看到的最大增强是，客户利用测量数据生成预配置的自动修正动作，无论是刀具偏移还是工件偏移等，”Renishaw 机床软件经理 Brandon Golab 表示，“我们系统的用户可配置如何响应测量结果，以及将修正动作传达给哪台机床。”

实现这一功能的产品增强称为“智能过程控制”，它是一系列通信协议，允许客户规定如何处理测量场景。这进而可在必要时创建偏移量，并对制造工艺或机床进行智能调整。

Renishaw Central 还具备可视化功能，提供标准仪表盘以显示机器状态和测量结果，也可用于历史数据分析。

软启动期间，平台设置为每个测量设备对应一台机床，但 Golab 设想 Renishaw Central 可交互的机床数量没有上限。

“除了 Renishaw Central，我们还有多款产品，能让机床不仅收集数据，还能在单一机床架构内实现闭环制造反馈，”他说。

专为新手或经验较少的操作员设计的是 Set and Inspect with Program Builder，用于机床上；还有一款离线解决方案 Productivity+。Set and Inspect 可用于零件装夹、零件验证、夹具装载验证和切削-测量-切削（操作员进行半精加工，测量结果，再根据测量数据进行精加工）。“所有这些都可通过这套软件设置，”Golab 说。Set and Inspect 还可配合 Renishaw 的 Reporter 软件将数据反馈给 Renishaw Central。

“Productivity+ 利用 CAD 模型生成类似于 Renishaw Inspection+ 的程序，但因为是 CAD 驱动，所以对程序员更友好，”Golab 说，“但在单个机床层面对数据的处理能力，与 Inspection+ 非常相似。”Inspection+ 是 Renishaw 基于宏的计量软件，面向能在 CNC 控制器层面编写 G 代码的资深用户。

Renishaw 测量技术甚至可用于预测性失效。为此，Productivity+ 的数据与公司的 Sprint 传感器配对，后者每秒测量数千个点以评估零件表面状况。

“随着刀具磨损，通常会在零件表面看到波纹，”Golab 说，“因为这是对刀具性能的直接测量，它比主轴负载等间接方法能更好地指示刀具磨损。”

将决策前移至设计端

闭环制造对 Capture 3D 总经理 Rick White 也很熟悉，但更具体地体现在一种称为“自适应加工”的闭环技术上。“它基于扫描数据结果，在 CNC 加工中心内形成闭环，”他说，“[自适应加工软件] 计算如何达到 CAD 模型要求，并自动为机床创建新路径以修复所需部位。这在实时、无人干预下完成。”

White 曾任 Capture 3D 首席执行官，该公司是 GOM 3D 非接触测量解决方案在美国的主要合作伙伴，直到 2021 年 10 月被蔡司收购。

除了用于自适应加工，Capture 3D 全视野 ATOS 3D 扫描技术的数据还可输入 GOM 软件进行数字化装配分析。“我们的航空航天和汽车客户成功利用我们的技术，在数字环境中装配来自世界各地的零件，确保配合、对齐和规格符合要求，且无需实物发货，”White 说，“这有助于企业更快地纠正问题或应对变更，降低成本，加快产品上市。”

例如，汽车 OEM 收到来自其工厂、供应商和各级分包商的悬挂零件计量数据——无论身处何地——均可利用白车身数字模型，在协作数字化过程中判断组件是否能装配。此外，全视野数据为数字孪生提供了数百万个精确数据点。“漂亮的是它真的行之有效，且相当成功，”White 说。

另一种利用数据流的技术是基于模型定义（MBD）。“MBD 意味着测量标注、工艺、变差和 GD&T（几何尺寸与公差）从一开始就是 CAD 模型的一部分，连同 PMI（产品制造信息）一起导入 GOM 软件，”White 说，“设计师在设计零件时，也会将零件公差信息录入。于是计量系统掌握了这些信息，知道检测什么，也知道如何判断组件是否在公差范围内。”

这将“测量什么”的决策从下游的检验员前移至设计师。大家认为设计师最清楚这些信息，因为他们的视角更具全局性。他们设计的是协同工作的零件，甚至同一零件内的公差也非统一标准。

“MBD 需要通用标准化，才能在计量软件中正确读取，”White 说，“希望 QIF 格式能成为那座桥梁，”他指的是质量信息框架（Quality Information Framework），一种用于数字化共享质量信息的统一 XML 框架标准。他接着指出，“一些组织推进得比其他组织快，但总体呈上升趋势，这是我们看到的未来。”

White 解释说，数字计量标准联盟（DMSC）创建 QIF 是为了满足数字计量标准的关键需求，以推进尺寸计量发展。根据联盟网站，DMSC 宣布 QIF 3.0 计量标准于 2020 年 8 月经 ISO 采纳、批准并发布为新的 ISO 标准 ISO 23952:2020。

“我们支持制定对所有人都合理的标准化格式，”White 说，“虽然我们无法代表主要 CAD 软件厂商回答，但如果它成为标准，他们很可能需要采用。”

为扫描网格添加 MBD

“波音要求 MBD；所有大型航空航天公司都要求，”Verisurf 总裁兼 CEO Ernie Husted 说。他称 MBD 能节省时间和成本。“许多一级供应商不习惯处理它——他们习惯了图纸。”

“直到最近几年，主要 CAD 公司才将其作为标准功能实现。现在它们能用适当的 GD&T 公差对模型进行公差标注，并将文件发给供应商，不再需要图纸。”

如果 CAD 模型包含 MBD 信息，Verisurf 软件可利用嵌入数据为任意 CMM、测量臂、激光跟踪仪或扫描仪自动生成检测计划，Husted 说。“有一个流程可在机床探测时调整刀具偏移，”Husted 说，“机床上有刀具补偿和磨损补偿，刀具磨损时可调整偏移，根据内部或外部特征将特征加工得更大或更小。因此可针对刀具磨损指导自动调整，但刀具损坏后仍需更换。”

用户还可利用 Verisurf 的软件开发工具包编写特殊应用辅助决策。例如，若零件超差，应用可在刀库有备用刀具时协助实施换刀。还可编写程序控制机器人进行在制检测或其他自动化流程。

Verisurf 软件用户还可在无 CAD 模型时为扫描网格添加 MBD。“扫描零件时，我能点击网格表面提取壁厚，”他说。2021 年 11 月，Renishaw 与 Verisurf 达成协议，让北美公司可通过 Renishaw 使用 Verisurf CMM 软件。

制造工程师最懂行

蔡司的 Lowen 警示，尽管自动化快速推进，制造商仍需宝贵的人工参与。

“根据我们的经验，现实中有太多工程变量，难以实现自动化，”Lowen 说，“我们认定仍需要制造工程师动用人脑，说：‘好，这个形状超差的原因是……实际发生了什么……我们得这样修正。’”

刀具磨损是较易理解的原因之一，但很少是导致尺寸超差的唯一原因，他说。如果刀具磨损是唯一原因，Lowen 同意可自动化。但现实是有十几种其他原因导致零件不符合规格，他说。

“可能是夹具变形或夹持不足，可能是刀具在某轴切削时不一致地偏转，或毛坯材料超差，”他说，“无论是什么，这就是工程师上学要学的：如何造出更好的零件。”

当前制造商趋向小批量、多品种生产，进一步阻碍了开发自动化方案的回报。

“你可能对汽车供应商说：‘未来七年只造这一个零件，咱们把它自动化吧，’”他说，“‘投入时间值得，因为你要造十亿个同形状零件。’但我们许多客户是小批量生产。”

蔡司提供 Lowen 假设的汽车供应商案例那种工程方案。但对于小批量、多品种客户及其他客户，公司有 PiWeb——一种工程工具，帮助制造工程师分析并确定不仅哪些零件超差，还提供工具探究原因。

“零件超差时，制造工程师通常最有资格假设超差原因，他们需要的是支持假设的证据，”Lowen 说，“PiWeb 允许他们在零件数据库中搜索，按机床、日期时间或批次号筛选，查看统计趋势。PiWeb 还提供出色的可视化工具——不仅是数据，还包括零件本身，显示尺寸和坐标，让他们知道机床哪个轴可能需要修正。”PiWeb 直接从 Calypso（蔡司计量软件）获取数据。若数据来自其他计量软件，PiWeb 可读取通用文件格式，包括 QDAS、DMO 或 QIF，Lowen 说。

Lowen 理解行业需迈向利用测量数据和自动机床修正的更自动化方案。这些方案随着实施变得更容易、更快捷，将被更广泛接受，他说。为此，Lowen 和同事们必将继续做更多“科学项目”。