计量学的进步是减少昂贵废料的关键
据佛罗里达州玛丽湖法鲁的产品经理 Marco Torsello 说，一些航空航天公司生产的废料非常昂贵，你可以看到来自太空的桩。 Torsello 补充说，减少这种浪费的动机自然是巨大的，并指出计量学的最新进展在实现这一目标方面发挥了重要作用。
先进的光学扫描和相关软件提供准确的装配指导、改进的 QC 等等。 （图片由 Faro 提供）让我们从激光跟踪器开始，它是航空航天制造中必不可少的工具，因为它们能够在大范围内准确测量距离。正如 Hexagon 制造智能部门北美产品销售管理总监 Joel Martin 所解释的那样在密歇根州诺维市，这些装置将激光束发送到反射目标——通常是球形安装的逆反射器 (SMR)——靠在被测零件上。它们测量两个角度和距离，以在空间中建立测量点。但这都不是新的。这样的系统已经商业化了 30 多年。不同之处在于这些系统现在的易用性。
旧式激光跟踪器需要光束源和 SMR 之间保持恒定的视线。任何中断，操作员都必须重新开始。同样，早期的系统在物理上也很笨重。 Hexagon 和其他公司已经创建了解决这两个问题的追踪器。例如，Martin 指出 Hexagon 的新型 AT500 是“超便携”的，这要归功于设备本身内置的“控制器和可更换电池”。 “而且我们增加了 PowerLock 功能，这是我们的技术，可以让激光跟踪然后自动锁定反射器，”他继续说道。
这使操作员可以专注于放置 SMR。换句话说，操作员可以专注于需要测量的内容，而以前，他通常会花一半时间担心激光跟踪器，以及它是否真的跟随并锁定到他用来测量的 SMR，根据 Martin 的说法。
集成探针
AT500 的另一个显着特点是它与触觉探针的集成，Hexagon 称之为 B-Probe+。能够将光学距离和位置测量与探测数据相结合是至关重要的，因为零件特征通常隐藏在视线之外，或者不适合激光跟踪（或光学扫描）。
就像激光跟踪本身，探测功能的集成并不是什么新鲜事。但 Martin 表示，AT500 以比现有产品低得多的价格提供了该功能。 &ldquo；“在解决价值百万美元的问题时花费 100,000 美元”对于原始设备制造商来说可能是“不费吹灰之力”，Martin 观察到。但对于制造工具和夹具的小型商店来说，价格更具竞争力，而这正是 AT500 所针对的市场。
Torsello 补充说，在测量关键的航空航天特征时，通常需要进行探测才能达到所需的精度，尤其是与通过激光扫描实现的表面测量相比。这样的扫描仪将激光线投射到表面上，然后解释该线中的扭曲以创建模拟表面的 3D 点云。
这些渲染可能非常好，但在航空航天中 QC 阈值是Torsello 指出，90% 的时间都非常紧张。因此，探测所用的时间大致相同，他说，因为光学测量会在远距离上引入不确定性。
“即使是传感器与您正在扫描的物体之间的空气g 起着重要作用，”Torsello 解释道。 “而且你没有一个完全受控的环境。”他同意，飞机机库会有所帮助，但“你没有非常先进的空调。这不是一个白色的房间。”因此，最好的系统，例如来自 Hexagon 和 Faro 的系统，可以根据需要在三种测量技术之间无缝切换。
成功案例：装配
激光跟踪、激光扫描、和探测可以结合起来以帮助装配、改进 QC 和（也许更令人惊讶的）降低工具成本，并加快加工速度。例如，Martin 说 AT500 已经在“泥土场”的火箭组装中证明了自己。
想象一下，试图完美对齐 30 英尺直径、60 英尺长 [9.14 x 18.29 米] 的筒段。 “你需要能够了解每个桶段在空间中的位置。然后，当您将两个部分驱动在一起时，您需要能够识别它们的位置在你开始焊接它们之前。”除此之外，AT500 还可以测量发生的任何焊接变形，并帮助团队确定是否需要进行调整以确保桶段完全笔直、线性，以及它应该在的位置，Martin 补充道。 “因为在某个时候，这些东西变得太大，以至于你不想在构建它们之后对它们进行微动。”
AT500 的防护等级为 IP54，可防尘和防液体污染物， Martin 吹嘘说，他们的客户“确实在雨中、在阳光下使用它们，在我们认为您永远不会想要的条件下进行详细的精确对准工作。”
Faro 提供了独一无二的激光跟踪器与激光投影仪配合使用的组合。部分归功于万向架系统，后者以 3D 方式将标称焊接位置、钻孔位置等投射到目标零件上。
正如 Torsello 所说，这种精密的指导有助于实现零缺陷制造过程。至少，它极大地降低了某些零件经常需要的返工水平，因为如果没有这样的系统，装配人员在沿着机身或其他大型部件工作时会遵循手持 CAD 图纸。
“很容易遗漏某些东西，也很容易放错地方，”Torsello 承认道。但 Faro 最新的投影仪可以与摄像头系统进行三角测量，以了解所需物品（例如螺栓）是否确实存在，并在丢失时警告用户。
“取决于应用和所需准确性，这些投影系统可以单独使用，”Torsello 说。 “另一方面，它们也可以与激光跟踪仪等传统计量设备一起使用，”他继续说道。 “激光跟踪仪将用于检查机身或任何其他组件上的某些特征ly 或工具，来自激光跟踪仪的数据将由投影仪解释，以便更准确地投影到零件上。因此，两者的结合进一步减少了装配错误的空间。”
成功案例：QC 和工具
测量长达 120 英尺 [36.58 m] 的机翼纵梁， Martin 解释说，虽然只有几英寸宽，但通常需要 200' [60.96 m] 龙门式 CMM。另外，您需要一个与零件一样长的夹具，并带有集成基准点。 “固定装置变得非常昂贵，它们很难对齐，而且很难保持对齐。因为固定装置非常大，除非您在温度控制区域，否则固定装置会不断移动，而且它们永远不会在温度控制区域。”
Hexagon 的解决方案是放置一个机器人（或协作机器人）末端的 AS1 激光扫描仪，并将机器人安装在沿 s 运行的轨道上特里格。它使用激光跟踪器了解 AS1 在空间中的位置——消除对机器人自身定位反馈的任何依赖——然后 AS1 扫描纵梁。 Martin 总结道，这有效地创建了一个“用于自动测量的超大容量检测设备，可满足零件的特定要求”。
AS1 在其整个测量范围内的公布精度为 50 µm，这是完全在这些零件的公差范围内。更重要的是，Martin 补充说，Hexagon 的机器人自动化软件套件“允许我们引入我们要测量的零件的 CAD 模型，引入我们正在测量的检测程序，并使用检测程序自动构建机器人程序。”
这种方法还可用于大大简化加工应用的工具，Torsello 说道。 “在过去的几年里，制造商希望使用更多的柔性ible 加工中心，以减少对每个零件的特定工具的需求，或为每个零件设置特定加工中心的需要。”
以位于明尼苏达州德卢斯的 Cirrus Aircraft 为例，它使用机器人加工中心在大型机身部件上钻孔和铣削表面，但零件之间的转换需要昂贵的改装和长时间的延误。 Torsello 表示，借助激光跟踪器，该公司能够针对每个新零件快速重新校准机器人。
“机器人可以解读来自激光跟踪器的数据。我们还提供驱动该工具的软件解决方案，”他说。 “因此，只需一天的配置，就可以更改零件，并且可以使用同一台加工中心制造与前一天完全不同的东西。
这将模具成本降低了 60% .事实上，由于激光跟踪器驱动机器人的能力提供了灵活性，因此消除了工具成本用于大多数零件。”
激光扫描仪/跟踪器组合也可用于降低模具生产成本，位于华盛顿州塞德罗-伍利的 Janicki Industries 证明了这一点。除其他外，Janicki 制造用于形成大型航空航天钣金部件的工具。这些模具最初是超大铸件，然后需要加工成所需的几何形状。但是“多余材料”数量的不一致使得无法创建一个铣削程序来避免在实际上没有这种材料的大面积上“切割空气”。解决方案是使用 Faro 激光跟踪仪相对于已知参考定位零件位置，然后将安装在机器人手臂上的 Faro 激光扫描仪定位到相同的参考，“这样你就可以准确知道手臂在空间中的位置， ” Torsello 解释说。
“您将扫描成型工具的表面并将该数据加载到您的 CAM 系统中。然后 CAM 系统确切地知道在哪里每个加工路径中都有多余的材料。”然后，加工程序继续进行，根据需要沿 Z 轴下降，每次通过时去除多余的材料。
Janicki 的结果是此类零件所需的加工时间减少了 35%。
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叶片和叶盘
除了机身部件和工具，还有测量飞机最坚硬部分的问题：涡轮热区。正如位于德国布伦瑞克的蔡司公司 GOM Metrology 的航空航天项目高级应用工程师 Blake Spaman 所解释的那样，传统上接受的测量涡轮叶片的方法依赖于带有接触式探头的 CMM。
他们进行接触扫描，其中触觉探头拖过表面并创建一个部分，”Spaman 说。 “然后他们在刀片的不同高度重复 10 到 15 次，为每个刀片产生多个部分。”对于一个完整的叶盘，这个过程大约需要 e
GOM 及其美国合作伙伴 Capture 3D（位于加利福尼亚州圣安娜的另一家蔡司公司）提供了一种更好、更快的自动化解决方案：ATOS 5 Airfoil ScanBox。与将激光线投射到零件表面的激光扫描仪不同，ATOS 5 Airfoil 使用 LED 来投射非常精细的条纹图案。随着图案在每次扫描期间快速移动，两个相机（立体工作）观察零件表面并对空间中的点进行三角测量。 Spaman 将相机和中央投影单元的交互称为“三次扫描——一次拍摄三次测量”，这与使用一个光源和一个相机通过反射接收表面数据的激光扫描仪形成对比。借助 ATOS，最终结果是对整个叶片表面进行更准确的 3D 扫描（涡轮叶片根部形状除外，这是一项具有不同公差的不同测量任务）。
更多内容, Johan Gout 补充道，森作为 Capture 3D 的运营总监，ATOS 5 翼型传感器（与 GOM Software 配合使用）是一种解决方案，“融入”了许多行业要求，使其“智能化”。例如，根据 Spaman 的说法，有特定的角度可以接近任何特定叶片的前缘或后缘，以便收集“最佳、最可靠的全场数据”。 “GOM Inspect VMR [虚拟测量室] 软件自动识别机翼的几何形状，并计算机器人传感器的最佳定位以数字化整体叶盘。”
当然，明智的用户也会对夹具进行建模，同样，VMR 软件会创建一个避免任何碰撞的测量序列。
Gout 补充说，该软件会自动调整测量点的密度，以提供任何轮廓的更多细节。 “你会看到构成表面的所有多边形。在哪里这是一个半径，你会注意到更高的密度。该软件使用基于弦的智能采样，为您提供比平坦表面更高的前缘和后缘多边形定义，而更大的多边形仍能准确地代表表面。” Spaman 说，这也有助于尽可能地限制文件大小，同时仍然忠实于零件。
所有这些技术加在一起，可以生成精确到 25-35 µm 的整体叶盘 3D 扫描只需 20 到 25 分钟，而传统 CMM 需要 8 小时。在某些配置中，该技术可以达到 3-4 µm 的精度。如前所述，ATOS 生成叶片的完整竣工数字双胞胎，而不仅仅是传统方法的 10-15 个片段。事实上，它非常好，Gout 兴奋地说，该技术可用于对产品进行逆向工程，或出于工业 4.0 的考虑记录零件的数字孪生。
虽然它已经取得了成功在众多针对 CMM 测量的相关性研究中，Gout 报告说，“绝大多数”OEM 喷气发动机制造商现在接受 ATOS 测量来进行零件验证。 “原始设备制造商确信他们可以使用 ATOS 解决方案并在测量中获得更多信息，尤其是在首件检验方面。”
应用超越了质量控制。 Spaman 讲述了一个案例，在该案例中，一家发动机制造商需要调整机翼和喷嘴的机器人涂层工艺。 “这些部件上使用的许多单晶合金涂层都具有磁性，因此无法使用涡流分析来测量厚度。因此，厚度测量通常需要进行破坏性测试，”他继续说道。 “或者你必须将一些试片焊接到一个零件上，然后你会在非常选定的区域获得本地化数据。您最终将零件发送到实验室，他们在那里评估横截面厚度的涂层。”
每次迭代需要六周时间。但 ATOS 技术让这一切变得简单，客户能够“在大约一个半小时内对刀片进行剥离、涂层、扫描，然后评估厚度。他们曾经在一天内进行七次迭代。”
测量蠕变疲劳是另一个重要的用例。 “通常，航空熔模铸件的预期寿命取决于几何形状、冶金和发动机中的热量，”Spaman 指出。但在许多情况下，在发动机间隔期间，没有人真正跟踪零件的状况。他们只是根据预期寿命更换零件。
与 Spaman 合作的一家公司将热气路径涡轮部件（1-4 级叶片和喷嘴）的发动机间隔设置为两年。 “收集所有数据花了很长时间。但我们在制造这些高价值部件时对其进行了测量，然后在每次发动机间隔后计算出变化，”斯帕男人说。 “然后我们能够创建一个非常准确的蠕变疲劳模型。我们意识到我们认为可能持续两个间隔的组件，实际上可以持续五个间隔。这最终为公司节省了 9.5 亿美元的车队成本。”
巨大的成功让“每个人都开始认真对待这项技术，并开始问‘我们是否已经在扫描这些蠕变疲劳，这些扫描是否足以消除我们正在进行的其他一些检查？'答案是'是的！'”
