用户如何比较一台设备与另一台设备的准确性这一问题仍然具有挑战性
通过将高科技光学激光探头放在高处- 精密 CMM，Hexagon 正在加速精密涡轮叶片的测量。飞机制造商发现非接触式计量学越来越有用。其固有的高吞吐量和不断降低的成本正在补充该行业的发展以满足世界对更多飞机的需求。然而，由于非接触式包含多种设备，因此在寻找合适的应用时需要平衡吞吐量和准确性。
“非接触式计量要么是基于激光的，要么是基于光学的，”Automated 北美销售总监 Eric Nemitz 说Precision Inc.（API，马里兰州罗克维尔）。 “通常，3D 激光计量在零件上扫描一条线，或者将零件移动到线下。”光学系统使用多种图像和三角测量中的一种，通常是摄影测量系统或如今更常见的条纹投影技术，普遍称为白光或蓝光扫描。 “基于激光的系统将始终连接到全球对齐的设备，例如 CMM、便携式手臂或激光跟踪器参考的机器人，”Nemitz 说。白光扫描仪也经常连接到移动设备上，并且通常需要在零件或固定装置上做注册标记以实现最高的精度。
虽然非接触式有其优势，但传统的触摸触发或扫描模拟也有其优势探针。这一切都与准确性和形状有关。 “棱柱特征——圆、孔、槽、直线点——具有非常严格的公差，通常最好通过接触测量来实现。这些是通常需要测量的应用程序小于 20 μm，只有探针才能提供，”Nemitz 说。另一方面，非接触式系统通常具有 50 μm 或更高的精度，但非常适合非棱柱形或有机形状。 “翼展、塑料零件、前缘和后缘、涡轮叶片——需要大量数据来定义它们的零件非常适合非接触式测量，”他说。
新技术，更快的采集
另一个关键因素是速度。每个人都希望使测量更加自动化，非接触式技术通常提供高数据率，高达每秒数百万点。白光系统虽然快速准确，但也有一些缺点，例如需要对零件进行涂层和处理反射表面。为了缓解其中一些问题，API 推出了其具有红外光而非可见光的 RapidScan 光学扫描设备。表面在较长的 IR 波长下反射较少，并且不易受环境光的影响。
Nemitz 还指出，API 的 RapidScan 系统使用动态范围比典型动态范围高 50% 的相机。 “这使我们能够拍摄出高度反光的部分并捕捉到更多的强度，”他说。 “例如，使用较低分贝的系统，反射率会渗出点，您将获得零数据。更高的数据库系统将捕获数据。”这提供了一个额外的优势，即改变分辨率的能力。 “有了它，我们可以准确地提取嵌入有机形状中的棱柱形状，例如孔和临界边缘轮廓，”他说。
投影回部分测量结果与 CAD 相比，来自条纹投影光学扫描仪的结果在许多航空航天操作中很有用。具有速度平衡鉴于准确性如此重要，其他计量供应商，例如 Hexagon Manufacturing Intelligence（北金斯敦，罗德岛）正在重新审视 CMM。 “一个很好的例子是 Global Advantage HTA，专为快速航空发动机叶片测量而设计，”Hexagon Manufacturing Intelligence 激光跟踪仪产品经理 Joel Martin 说。据该公司称，通过在 Global Advantage CMM 上放置一个精确的 Hexagon HP-O 激光传感器，组合系统可以在量块长度测量测试中实现高达 5 μm 的精度。 HP-O 以 1000 点/秒的速度收集，远高于扫描模拟探头。 Martin 指出，GE Aviation 是早期的开发客户，引用的数据显示 GE 测量的吞吐量比传统接触式探针或扫描模拟 CMM 快 55%。
自动化和可见性
“我自 2010 年以来，非接触式计量的使用稳步增长，”Miles Molnar 说，Capture 3D（加利福尼亚州科斯塔梅萨）的应用工程师。他说，制造商正在使用更少的量规、接触式探头和配备接触式探头的 CMM，以支持非接触式测量。 “在发动机部件中，我们谈论的是涡轮叶片，这些叶片具有非常严格的特性并且需要高精度，”他说。
Capture3D 是 GOM 的 ATOS 系统的北美经销商，GOM 是边缘计算的先驱之一投影计量学。他将其日益广泛的使用归因于非接触式系统尤其是 ATOS 系统的准确性和分辨率越来越高。他说，他们向航空航天制造商提供的最受欢迎的设备是 ATOS 三重扫描。 “那是我们最高端的传感器，范围从 500 万到 1600 万像素系统。 1600 万像素版本使我们能够越来越快地扫描非常小的特征，”Molnar 说。
为什么非接触式现在如此强大？ Molnar 说这是更好的光学元件与更好的 c 结合的组合相机、照明、软件和更便宜、更快的计算。 “在过去五年中，所有这些组件的性能都呈指数级增长，”他说。他特别指出功能更强大的软件是关键推动因素。例如，GOM 提供的 Inspect Professional 软件包可以帮助自动化数据收集和检查程序，其中包含一个专门为机翼创建的软件包。 “您可以获取 3D 扫描数据的一部分，并从中推断出所有需要的机翼标注，例如前缘和后缘直径、弦长、扭曲和其他重要参数，”他说。
白光系统独有的另一个有用工具是能够将检查结果投影回零件，突出显示根据 CAD 参考测量的超出或低于公差的区域。他认为这在需要手动打磨或手工铺叠操作的情况下特别有用。
高保真ATOS三重扫描设备扫描a Capture3D 提供的自动化系统内的涡轮叶片。Martin 表示，Hexagon 现在还提供对航空航天应用特别有用的结构光产品。Hexagon 收购了 AICON 3D Systems，这是 Breuckmann 条纹投影技术的继承者。其主要差异化因素是它的数据质量和准确性来自双高分辨率相机和适应性强的数据采集软件。它补充了 Hexagon 现有的 WLS 条纹投影技术，后者的采集速度要快得多。这使得 WLS 成为环境压力需要采集数据的应用的理想选择以百分之一秒为单位测量有利于抵消振动。但是，与在更长时间内收集的数据相比，生成的数据集可能具有更多的固有噪声，比如说一两秒钟，例如 AICON 系统。 AICON 解决方案的另一个优点是其全彩色反投影，可以更轻松地区分公差范围内和公差范围内的区域。 “AICON 产品已很好地应用于航空航天领域，其数据质量非常适合检查、逆向工程和表面重建，”Martin 说。
激光雷达是另一种在航空航天领域占有一席之地的非接触式技术。一个很好的例子是 Nikon Metrology（密歇根州布莱顿）的 MV330 系列扫描仪。尼康高级应用工程师 Peter Morken 表示，它不是一条线，而是从一个表面反射聚焦的红外光束以测量距离。他列举了激光雷达的五个一般属性——非接触、自动化操作、精确、大体积测量和便携性。激光雷达的精度取决于距离，距离越远，精度越低。 “在 5 m 的范围内 [MV330] 能够测量到 50 μm 或 0.002”，到 2 Sigma，”Morken 说。
“航空航天一直是激光雷达的早期采用者，”Morken 说。 “原始设备制造商和分包商使用激光雷达测量单个零件到子组件和主要组件。”在提供大规模计量测量的同时，激光雷达的一个明显优势尤其是它能够从远处进行测量。在研究 F-35 项目时，他利用激光雷达监测关键加工过程，将设备放置在加工外壳内。 “这提供了对整个加工过程的完全外部检查，”他说。
不断变化的要求，测量精度
正如营销人员常说的那样，感知就是一切，3D 非接触式计量已经高精度激光扫描仪制造商 LaserDesign（明尼阿波利斯）的首席执行官 C. Martin Schuster 表示，仅在过去的四到五年里，激光扫描仪就迎来了一波被接受的浪潮。拉serDesign 提供单独的扫描仪，包括 XLP 和 SLP 系列扫描仪，并将它们集成到 CMM 和机柜中。 “数据一直都是准确的，但现在制造工程师和质量人员正在接受这些数据。这不再是新鲜事物，”他说。 “我们通过证明比现有技术更好或更快来做到这一点，这些技术通常是坐标测量机上的接触式探针。”
这种接受也是在不仅有更多飞机的时候出现的需要建造，但也需要更多的检查。 “我们从一些客户那里听说，美国联邦航空局要求进行的检查比过去多八倍，以提供批次的过程中检查，”舒斯特说。他指出，有些涡轮叶片制造公司在一个地点拥有 100 多个坐标测量机，以满足 100% 过程检测的需求。
Laser Design Inc. 提供 CyberGage360 3D 扫描宁和检查系统。由 Laser Design 的母公司 CyberOptics 的多重反射抑制技术 (MRS) 提供支持，可以在不到 3 分钟的时间内生成完整的 3D 体积扫描和输出报告——据该公司称，只需单击一下按钮。对于 200 mm D × 100 mm L (8 × 4″) 的零件体积，CyberGage360 测量的系统体积最大允许误差 (MPe) 精度为 10 μm + L/10,000 mm（根据 ISO 10360。）
根据为配备接触式测头的 CMM 编写的适应性 ISO 标准制定的精度规范是可以做到的，但 Schuster 指出，这样的规范不太适合非接触式技术。 “ISO 10360 基于点到点的测量，但扫描测量的是零件的整个形状——它测量的是配合面以及零件的功能，”他说。他说，需要的是一种标准方法来衡量 ISO 17450 GD&T衡量形式和功能的标准。
Hexagon 的 Martin 表达了对准确性的类似担忧，尤其是在 MPe 和用于机翼和机身的大型扫描仪的背景下。 “例如，我们的徕卡绝对扫描仪每秒测量 210,000 个点。 MPe 根据定义是最差点的精度，这非常适合接触式探针 CMM。但如果我在扫描仪的表面上有 500 万个点，我是否关心最差的异常值？”他反问。他指出的其他问题是具有不同反射率的复杂形状和表面会影响标准的制定。一些制造商发现适用于结构光扫描仪的标准是 VDI/VDE 2634 第 3 部分。“问题是它适用于特定的信息块，但不能转化为激光线扫描仪等其他技术，” Martin 说。
“如果有标准，将有助于推动市场，但有很多去理解，”他说。目前，本文采访的大多数制造商都依赖于对特定零件进行量具 R&R 研究，以确保他们的设备满足客户的需求。另一种常见的测量标准是标准偏差，例如，通常写为 1 sigma 表示一个标准偏差。因此，对于设备“在 1 sigma 下测量 50 μm”的声明，意味着约 68% 的所有测量点落在 50 μm 以内。对于“50 μm at 2 sigma”，95% 的点落在 50 μm 以内。
对于激光雷达，尼康的 Morken 指出，ASME B89.4.19-2006 是用于验证的既定标准之一激光雷达和跟踪器等球形测量技术的体积性能。 “这种方法依赖于测量一个已知的参考长度，基本上是一个长球杆，在不同的方向和范围内。这将测试各个组件——范围、垂直和水平角度——以及位置ons 行使所有组成部分的组合，”他说。这提供了系统的完整体积精度测试。
数据的新应用程序 — CAE
精确计量（威斯康星州布鲁克菲尔德）的应用工程师 Greg Groth 也看到了增长在航空航天工业的非接触式计量中。该公司提供服务局、来自不同供应商的独立计量设备以及包括软件在内的集成系统。他们提供坐标测量机、便携式手臂坐标测量机、激光扫描仪、激光跟踪仪和处理软件。他看到的航空航天计量应用中最常见的零件是涡轮叶片的机翼和整流罩等较大的外部部件。
“我们所做的大部分工作都是全扫描以进行 CFD 分析，”他说，指的是计算流体动力学的缩写。 Exact Metrology 提供的 Romer Absolute Arm 和 Basis Surphaser 等集成系统旨在与流行的 CAD 系统配合使用，以 pl通过 Design X 软件直接加载到 NX、Solid Edge、SolidWorks、Creo 或 Inventor。 “我们生成曲面——将点云转换为 STL 格式的三角曲面——这几乎是即插即用的 CFD 分析，”他说。为什么使用扫描数据而不是 CAD 模型？ “CAD 可能不正确，”他回答道。 “当你建造一架可能长达 100 英尺的飞机时，你可能会在建造过程中引入一些对流动至关重要的错误，”他说。虽然这个过程并不是特别新，但新的是 CFD 软件如何能够使用扫描仪可以提供的更高保真度、更准确的模型。
