使用激光进行逆向工程的技巧使设计人员能够快速有效地恢复旧飞机设计
你父亲的奥兹莫比尔可能早已不复存在，但他的 B-52 仍在执行任务，而且他们自 1962 年以来就没有建造过“BUFF”（又丑又胖的家伙）。最后一架 KC-135 加油机是建造的1965 年。除了老旧的战机（美国空军的平均飞机机龄超过 28 岁）之外，每天还有数百架古老的民用客机运载更友好的有效载荷。安全地做到这一点的关键当然是出色的维护和定期升级。激光扫描起着至关重要的作用。
为什么要进行逆向工程？
更换一个快速有效地对磨损或损坏的飞机部件进行逆向工程通常需要对零件进行逆向工程，尤其是在旧飞机上。原始供应商可能已经停业，或者不愿意或无法以合理的价格和交货时间提供替代品。在许多情况下，制造另一个零件所需的文档并不存在。
面对这一挑战，飞机运营商必须对零件进行逆向工程，并以正确的格式收集足够的数据，以便启用再制造。如果他价值数百万美元的飞机停飞，他必须迅速采取行动。幸运的是，今天的激光扫描仪和相关软件恰好提供了这种功能，尽管存在局限性。
激光扫描仪的工作原理
激光扫描仪使用两种不同方法中的一种来定义部分的形状。一种方法使用三角测量。扫描仪在物体上发送激光线或单点，传感器接收反射的激光。贝克由于系统非常精确地知道激光源和传感器之间的距离和角度，它可以使用三角三角测量来计算从扫描仪到零件的距离。通过建立数百万个这些测量值，它创建了一个定义零件形状的点云。这种方法适用于扫描仪可以定位在零件约 1 米范围内的中小型零件。
对于中长距离扫描 (距离零件超过 2 m），“飞行时间”系统是更好的解决方案。该技术测量激光脉冲反射回传感器所需的时间。由于光速是一个已知常数，并且由于这些系统可以将时间间隔测量到皮秒以内，因此它们可以根据间隔的长度准确地计算出距离。这些系统通常会旋转激光和传感器以捕获该区域的 360° 全景，进一步增强其能够扫描整个机身或其他大型部件。
除了这两种基本方法之外，激光扫描仪的安装和移动方式也有所不同，激光扫描与其他技术相结合的系统，不同的工作流程和输出选项，当然还有不同程度的准确度取决于设备的质量。两种系统都可以非常准确，但都有固有的局限性。
扫描、探测或两者兼而有之？
一架美国空军 B-52 降落在乌代德卡塔尔空军基地，2016 年 4 月 9 日。最后一架 B-52 建于 1962 年，但仍有 76 架在服役。维护和升级它们通常需要对各种组件进行逆向工程。 NVision 曾经在此类项目中扫描过炸弹舱。正如 API Services（弗吉尼亚州纽波特纽斯）的应用工程师 Stephen Strand 所说，“选择合适的激光器扫描解决方案取决于工作范围，包括应用程序的大小和精度要求，以及表面类型等因素。例如，某些激光器不会在镀铬或类似镜面的饰面上获得任何回报。”
事实上，大多数基于光的系统都存在高反射部件的问题，例如涡轮机刀片。 Strand 说，通常的解决方法是“在零件上喷上显影剂以形成哑光表面。但是对于航空航天部件，您通常需要非常严格的公差，因此任何涂层的厚度在任何测量中都可能是一个重要的考虑因素。”
在许多此类情况下，最好的方法是将激光扫描与另一种技术相结合。 NVision（德克萨斯州绍斯莱克）的销售和营销副总裁 Steve Kersen 说：“激光通常用于扫描整个零件，因为它速度很快，并为工程师提供了一种快速制作 3D 模型的方法。我们的一个更大的单位扫描9 英寸 [228.6 毫米] 条纹。您可以非常非常快地捕获许多部分。然后我们可能会返回并探测某些需要精确到十分之几的部分，并相应地调整模型。”
Strand 对此表示赞同，并解释说，“表面轮廓通常不具有与基准或特征相同的公差，因此我们通常使用激光创建整个对象的点云，然后使用另一种方法测量特定区域，如孔、孔、平面，或涡轮叶片的根部形状。”
精确到十分之一以内......或者可能不......
这并不是说激光扫描不准确。 Kersen 说：“桥式 CMM 中的优质激光器将精确到十分之一。将激光器安装到可移动 CMM 中的铰接臂的便携式系统可以精确到正负 thou。所以激光的质量和定向的方法激光都是关键因素。”
Kersen 警告说，“现在有一些来自俄罗斯的廉价 10,000 美元的激光不是很准确。价格往往决定了准确性。这些系统不是很准确，而我们和其他公司销售的一些更好的激光系统售价超过 100,000 美元。”
还有一些系统使用激光跟踪技术来准确定位手将探头固定在空间中，为用户提供了极大的自由度来测量最适合触觉测量的特征。例如，API Services 位于马里兰州罗克维尔的母公司 Automated Precision Inc. 生产一种名为 vProbe 的无线手持式探头，可与他们的 Omnitrac2 激光跟踪器连接。 Omnitrac2 系统的体积精度在 5 米扫描范围内为 ±0.0016" (40 µm)，而探头可提供低至 ±0.002" (55 µm) 的 3D 点精度。
链解释那，“跟踪器将激光发射到探头上的嵌入式棱镜。没有附加的铰接件。为了在空间中定位自己，探测器有传感器参考由跟踪器测量的重力框架。我们可以旋转手持装置中的棱镜，以便只要跟踪器仍能看到嵌入的棱镜，您就可以探测可能隐藏在视线之外的区域。”
Quick Work in真实世界
一架停飞的西南飞机撞到一只鸟时机翼部分受损的视图。Kersen 还表示，除了飞机顶部的工作可能例外，基于臂的便携式系统可以处理现场工作所需的大部分扫描。 “我们刚刚为西南航空公司处理了一份紧急工作。业界所说的“飞机停在地面上”，意思是飞机未停飞直到问题解决。一只鸟击中了翅膀。他们在三点钟打来电话。五点钟，我们有工程师赶到现场。到那时，航空公司已经拆除了覆盖机翼的钣金件，这样他们就可以到达支柱并切掉损坏的部分。我们的工程师带着一台安装在可伸缩三脚架上的便携式 CMM 激光扫描仪爬上机翼。他扫描了该区域并创建了一个所谓的“浴缸”模型，这是一种可以在机翼受损部分提供所需强度的插入物。那天晚上 11 点，我们将其转换为 STL 文件，然后转换为 Inventor 文件。航空公司随后切割了一个新零件，并在第二天让飞机起飞。”
科珀斯克里斯蒂陆军基地 (CCAD) 将其 NVision 臂式激光扫描仪归功于缩短了它的时间需要他们从两周到两个小时内对直升机部件进行逆向工程。这应该让纳税人高兴，因为 CCAD 是世界上提供大修的最大设施l、旋翼飞机发动机和部件的维修、改装、资本重组、改装、测试和现代化改造。他们让 30 至 40 年的直升机继续服役，其中许多在设计时没有使用 CAD，甚至没有蓝图文档。
就像西南航空公司使用的系统 NVision 一样，CCAD 的激光很容易用手移动，但安装在铰接臂上以提高准确性。机加工车间主管 Vernon Hull 说：“……在物体周围移动，使用户能够以高分辨率快速捕获数据。”虽然用 CMM 繁琐地收集数万个点来定义复杂的表面需要几天时间，但 NVision 扫描仪“仅在 30 分钟内就在飞机上收集了数百万个点……我们现在可以每秒捕获数千个点，从而有可能在数小时内更准确地定义零件表面。最终结果是我们可以让飞机更快地恢复服务。”
使用 CAD 还是不使用 CAD
这些案例研究很好地说明了激光扫描仪的速度为您提供所需的 3D 模型，但也需要拥有合适的软件和使用它的技能。它还指向一个问题：最终目标是什么？ Strand 说，最常见的客户误解之一是认为他们需要 CAD 模型。
使用来自 API 的手持 vProbe 测量特征。前景中的 API Omnitrac2 将激光束发送到手持设备中的棱镜，以在空间中定位它。“太多人认为 CAD 是让一切正常运转的原因。但是有许多可能的可交付成果可以被操纵以满足各种需求。 STL 文件是最重要的示例，它们更容易使用o 创建 CAD。例如，原型设计和 3D 打印只需要一个 STL 文件。如果您有合适的软件，您也可以从 STL 进行检查。 STL 是零件的更直接表示，因为当您从点云转到 CAD 时，您必须进行一些解释。当您只是对点进行三角测量时，您离原始数据只有一步之遥。 STL 与 CAD 相比的唯一缺点是文件大小，因为对于同一对象，CAD 文件通常比 STL 小得多，具体取决于详细程度。”
自然地，创建 STL 相对容易，成本也低得多。 Strand 说：“大多数扫描仪会直接扫描到 STL。所以如果你走那条路，你在稍微清理一下之后就已经可以交付了。根据您的扫描时间，清理时间是十分之一到五分之一，具体取决于复杂性。但是，如果您需要创建 CAD 文件，则需要从扫描时间到任何地方到四次扫描时间。所有这些时间都要花钱。您还需要经过培训的操作员来完成从 STL 到 CAD 的工作。该软件不会自动完成。”
Strand 说，当人们认为他们需要从点云到 CAD，或者从点云到 CAD 并添加 2D 绘图时，他们有时会考虑雇用“Joe Blow，他的后备箱里装有激光扫描仪”，以降低成本。 “但如果你只是解释不同交付物的功能，你就可以用更少的钱得到他们想要的东西。”
一路走向 CAD 的三票
关于另一方面，有知识的用户确实需要创建 CAD 文件，这可能意味着改变测量组合。位于马里兰州帕塔克森特河的海军航空系统司令部 (NAVAIR) 运行着一个“反向发动机ering center of excellence”，其明确目的是让传统飞机保持飞行。 NAVAIR 的 Danny Campbell 说它使用了几个基于臂的激光扫描仪（一个 Faro Edge 9' [2.7-m] 臂，一个 Faro ES 激光线探头和一个 Faro Titanium 8' [2.4-m] 臂）。但他更喜欢尽可能使用测头，因为测量数据几乎可以立即用于他们的 CAD 软件。 “激光实际上仅用于复杂或盘绕的表面，这些表面不适合接触探测。”
他们使用 PolyWorks 或 Geomagic 软件将扫描的点云处理成可用的 CAD 数据。 Campbell 会利用任何可用的图纸，因为它们有时会提供设计意图和关键尺寸，但他也表示机翼图纸通常没有足够的细节。最近的项目包括 AV-8B 鹞式喷气式飞机和 V-22 鱼鹰和贝尔 AH-1Z Vi 发动机管道系统的关键安全项目每架攻击直升机。后两者包括计算流体动力学，需要激光扫描和转换为 CAD 文件。
Corpus Christi Army Depot 通常也创建 CAD 文件，将扫描的点云导入他们的 XOR 软件然后将其转换为 IGES/STEP Parasolid 或具有历史树的全参数化模型。然后，他们在 SolidWorks 中检查和调整生成的 3D CAD 模型，最后转到加工程序的 CAM 包。
Strand 说 API 收到了很多使用激光扫描来反转的请求设计电子元件，部分原因是使用其他方法更难测量它们。他的第一个此类项目是针对飞机电路板的，这是使用 CAD 的另一个很好的例子。
“创建替换零件的关键因素是能够定义连接点并将替换件与新零件集成。吨客户需要稍微更改布局，逆向工程有助于确保一切都适合现有组件。我们使用 Polyworks 捕获数据并导出到 DesignX 以清理网格并创建 CAD。我们分别为所有组件建模。这样，如果我们将来有任何关于相同组件的请求，我们可以使用我们目录中的 CAD，而不是浪费时间重新扫描和清理数据并重新建模。”
内部还是外包？
如果您仍然对该领域的选项和权衡感到困惑，请放心，您可以聘请像 NVision 或 API 这样的公司来进行扫描您可以根据需要拆分并交付 STL、CAD 文件或其他格式。如果您准备好自己动手，可以聘请他们研究您的需求并提供培训和完整的交钥匙解决方案。或者您可以直接联系 API、Wenzel America（Wixom，MI）和 Basi 等供应商s Software Inc.（华盛顿州雷德蒙德）并组装您自己的系统。只是不要站得太靠近 B-52。
