——應(yīng)用范圍覆蓋航空、汽車及造船業(yè)

　　力豐制造科技有限公司于CIMT 2009期間舉辦了四場(chǎng)研討會(huì)（4月7-10日），主題圍繞最新的測(cè)量技術(shù)，演講嘉賓為Metris（邁卓斯）在該領(lǐng)域的國(guó)外專家。總部位于比利時(shí)的Metris，為制造業(yè)設(shè)計(jì)和開發(fā)多款3D硬件和軟件檢查系統(tǒng)。其測(cè)量解決方案主要針對(duì)汽車和航天業(yè)的需要而設(shè)計(jì)，提供的測(cè)量方案包括固定式及便攜式、光學(xué)及接觸傳感器等。力豐在2007年與Metris組成合作伙伴，成為其在中國(guó)的獨(dú)家代理。

　　Metris X-Tek X光斷層技術(shù)于航空業(yè)的應(yīng)用

　　根據(jù)Metris銷售經(jīng)理Steve Hursey先生的介紹，目前市場(chǎng)上主要有兩種類型的X光，分別是透射型標(biāo)靶及反射型標(biāo)靶。前者能生產(chǎn)多倍數(shù)、高像素的圖像，而后者則能提供功率大的X光。有一點(diǎn)要注意的是微焦點(diǎn)源越小，就能得到越清晰及精度越高的實(shí)時(shí)圖像（請(qǐng)看圖一）。這項(xiàng)技術(shù)幫助用戶對(duì)部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)微的觀察，適用于檢驗(yàn)PCB電子組件、小型鑄件及塑料制品，方便檢測(cè)材料的缺陷及裝配和互連問(wèn)題。

　　圖一：將樣品移近X光源會(huì)使所得圖片放大

　　電腦斷層掃描（CT）是指利用滲透性的輻射（比如X光）從不同的方向獲取一個(gè)物件的圖像。首先把需要檢查的部件放在精密的旋轉(zhuǎn)臺(tái)作360°旋轉(zhuǎn)，以拍攝高精度數(shù)碼射線照片（請(qǐng)看圖二）。然后，利用電腦重組部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此技術(shù)允許儲(chǔ)存及檢查物件的結(jié)構(gòu)，以獲得其內(nèi)部尺寸及形狀。最重要的是能夠通過(guò)非摧毀性方式檢查物件內(nèi)部是否有缺陷。

　　圖二：樣本圍繞一條軸旋轉(zhuǎn)所得的3D圖像

　　CT的其中一個(gè)應(yīng)用是在航空制造業(yè)的渦輪葉片設(shè)計(jì)及制造上。世界著名的飛機(jī)制造商波音公司及直升機(jī)制造商Bell Helicopter在生產(chǎn)過(guò)程中均使用Metris的檢驗(yàn)系統(tǒng)。

　　用戶可以先用陶瓷做一個(gè)渦輪葉片模型，在上面加蠟，然后利用Metris BladeRunner 450kV系統(tǒng)的CT功能進(jìn)行掃描。Metris系統(tǒng)的X光線可以完全穿透塑料及陶瓷等物料，一次性地作出全面的掃描，從內(nèi)到外都能得到精密的數(shù)據(jù)。之后，通過(guò)現(xiàn)有PC硬件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的3D數(shù)據(jù)集重構(gòu)。系統(tǒng)可以快速全部件重構(gòu)，作為一般分析之用。另外也可以針對(duì)某一個(gè)區(qū)域進(jìn)行細(xì)節(jié)重構(gòu)及即時(shí)CT斷層創(chuàng)建。

　　Metris系統(tǒng)還可以即時(shí)把數(shù)據(jù)輸出STL檔案（點(diǎn)云），幫助用戶節(jié)省大量把原型轉(zhuǎn)換成STL檔案的時(shí)間，從而減低成本。其輸出的STL檔案可以直接利用第三軟件來(lái)開啟，作為設(shè)計(jì)或逆向工程之用，讓設(shè)計(jì)及改良渦輪葉片的工作事半功倍（請(qǐng)看圖三）。

　　圖三：渦輪葉片X光掃描及電腦斷層分析

　　圖四：Metris BladeRunner 450kV系統(tǒng)

　　Metris激光雷達(dá)及iGPS大型檢測(cè)技術(shù)于航空、汽車及造船業(yè)的應(yīng)用

　　4月8日研討會(huì)的演講嘉賓為Metris業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理（激光雷達(dá)、iGPS及機(jī)器人控制）文晟豪博士，他主要講解激光雷達(dá)及iGPS在航空、汽車及造船業(yè)的應(yīng)用。

　　Metris激光雷達(dá)是一種光學(xué)測(cè)量設(shè)備，可進(jìn)行全自動(dòng)化的高精度非接觸檢測(cè)。其測(cè)量區(qū)域大，距離可達(dá)60米，并能快速采集數(shù)據(jù)（達(dá)到1000 pt/sec）。其對(duì)表面和曲面進(jìn)行檢測(cè)是其他設(shè)備無(wú)可比擬的。全自動(dòng)化檢測(cè)的好處是無(wú)須對(duì)大型零件加工成型進(jìn)行后檢，而且可以快速地顯示誤差，以進(jìn)行返工，節(jié)約了工時(shí)、空間，降低了工裝成本。

　　對(duì)于反射面和坐標(biāo)檢測(cè)、大型噴涂反射面（要求非接觸測(cè)量）、方向和變型的檢測(cè)、柔性網(wǎng)格、鍍金反射面（俄羅斯），激光雷達(dá)均是唯一的解決方案。國(guó)內(nèi)外的航空公司都使用激光雷達(dá)，其中包括：空中客車、波音公司、大韓航空、美國(guó)國(guó)家航空航天局及西安飛機(jī)公司等。

　　圖五：Metris激光雷達(dá)

　　在研討會(huì)上，文博士介紹了激光雷達(dá)在風(fēng)車葉扇生產(chǎn)的應(yīng)用。為了最優(yōu)化風(fēng)力葉扇上的空氣動(dòng)力學(xué)，Metris激光雷達(dá)對(duì)30米的表面進(jìn)行自動(dòng)非接觸式、高精度，高速度的測(cè)量。該系統(tǒng)在無(wú)需反射靶球或其他遙控工具的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)單人操作。Metris Focus Inspection軟件具有強(qiáng)大的葉扇分析模塊，可以一次性快速地測(cè)量完整的形狀，允許與CAD圖作偏差比較，以生產(chǎn)最精確的形狀。由于葉片的尺寸大，必須在室外進(jìn)行檢測(cè)。激光雷達(dá)對(duì)工作環(huán)境沒有特別要求，也不需要昂貴的工裝。系統(tǒng)可以在室內(nèi)及室外的任何光線下工作，在任何表面上的工作反射率小于1%。

　　iGPS的工作原理類似于汽車的全球定位系統(tǒng)（GPS），它的精度卻比普通的GPS高2000倍(< 250μm)。為了獲得精確的定位，接收器需要來(lái)自最低2個(gè)發(fā)射器的紅外激光。增加發(fā)射器可以擴(kuò)大測(cè)量區(qū)域。通過(guò)視線的保證提高了耐用性，進(jìn)一步提高測(cè)量精度（請(qǐng)看圖六）。

　　圖六：iGPS的工作原理

　　iGPS可以在大型零件的精確裝配及工具和目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)控過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。在法國(guó)武器裝備總署 (DGA) 的船模跟蹤應(yīng)用上，此系統(tǒng)的性能超過(guò)該客戶的要求。在6個(gè)發(fā)射器配合4個(gè)接收器的精況下，其測(cè)量區(qū)域可達(dá)到50m x 150m，跟蹤速度達(dá)8m/sec，同時(shí)其靜態(tài)位置精度為0.3mm，動(dòng)態(tài)跟蹤精度為1mm。（如果需要更詳細(xì)的資料，請(qǐng)參考附件的案例）

　　圖七：iGPS的跟蹤應(yīng)用

　　iGPS也可以決定大目標(biāo)或者部件的確切位置，而且可以測(cè)量使用于第三方工具的確切位置，例如：涂層厚度測(cè)量、鉆孔標(biāo)紋及機(jī)器人導(dǎo)向描繪等。在鑄件檢測(cè)方面，由iGPS系統(tǒng)及配有iProbe的普通涂層測(cè)厚儀組成的系統(tǒng)，能夠支持測(cè)厚儀測(cè)量和零件位置結(jié)合起來(lái)的軟件。其六自由度跟蹤測(cè)厚測(cè)頭位置，將它和工件位置聯(lián)系起來(lái)，提供高柔性、速度及合適的精度。目前在市場(chǎng)上的其他方案都比較復(fù)雜，一般需要使用多個(gè)儀器或放置多個(gè)位置。

　　圖八：iGPS的定位和測(cè)量應(yīng)用

　　文博士亦講解iGPS在賽車上的應(yīng)用案例。Richard Childress Racing（RCR）車隊(duì)所有三個(gè)團(tuán)隊(duì)都獲得了2007年NASCAR季后賽的資格。為了在2008年再創(chuàng)佳績(jī)，RCR最近將生產(chǎn)賽車車身的廠房改裝成幾個(gè)RCR團(tuán)隊(duì)可同時(shí)使用的測(cè)量空間。在生產(chǎn)車身的過(guò)程提高了精度，從而加強(qiáng)了RCR的競(jìng)爭(zhēng)性。快速成型給空氣動(dòng)力工程預(yù)留更多的時(shí)間，而高重復(fù)性就提升了制造成功車身的可能性。（如果需要更詳細(xì)的資料，請(qǐng)參考附件的案例）

　　Metris便攜式數(shù)碼檢測(cè)方案在汽車業(yè)的應(yīng)用

　　4月9日的演講嘉賓為Metris應(yīng)用工程師Mark Marrable先生及Metris業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理（光學(xué)三座標(biāo)測(cè)量?jī)x）Luc Wens先生。兩位專家主要介紹Metris便攜式數(shù)碼檢測(cè)方案。        

　　Metris MCA手動(dòng)三座標(biāo)手臂是一種精確、可靠和易用的便攜式測(cè)量系統(tǒng)，有六軸和七軸兩個(gè)版本。其外加的腕關(guān)節(jié)讓掃描儀的位置跟物件可成垂直方向，令測(cè)量更容易及準(zhǔn)確。

　　六軸MCA主要用于接觸式測(cè)量方面，可測(cè)量長(zhǎng)度、圓心、平面度等，可充當(dāng)為一臺(tái)手提式的三座標(biāo)。加上了蛙跳功能，令MCA可測(cè)量任何大小的工件，而傳統(tǒng)三座標(biāo)的測(cè)量范圍則局限于工作臺(tái)的面積。加上MCA獨(dú)有的浮標(biāo)式測(cè)頭，令測(cè)量時(shí)更靈活。而七軸的MCA主要用于掃描及抄數(shù)方面的工作，適用于設(shè)計(jì)，檢測(cè)及逆向工程。

　　Metris MCA用上輕質(zhì)的碳纖維和鋁合金結(jié)構(gòu)，減輕測(cè)量時(shí)受到溫度變化的影響。其設(shè)有電磁制動(dòng)器，讓使用者可單手輕松地操作設(shè)備。

　　MCA可裝配各類探測(cè)系統(tǒng)，用于觸發(fā)式測(cè)量、連續(xù)掃描和激光掃描。在研討會(huì)上，兩位專家講解了Metris手提式激光掃描儀及Metris LC60D測(cè)頭的性能。這兩款設(shè)備均可以與MCA配合使用。Metris MMD手提式激光掃描儀擁有溫度感應(yīng)器在熱量的基準(zhǔn)位置（手抦的中心），所有掃描儀的激光面跟相機(jī)的位置均隨著溫度而改變。一般的掃描頭需要20至45分鐘預(yù)熱時(shí)間來(lái)讓儀器達(dá)到穩(wěn)定的精度， 就算在校正后也不能保證這段時(shí)間內(nèi)的精度。MMD卻有溫度保償，所以不需要預(yù)熱時(shí)間。其雙窗口設(shè)計(jì)有效加長(zhǎng)“底線”，能改善光學(xué)表現(xiàn)，此效能在寛激光條紋的型號(hào)（MMD200）上尤為顯著。

　　Metris MMD主要應(yīng)用于檢測(cè)及逆向工程。在檢測(cè)方面，該掃描儀能產(chǎn)生一組三維座標(biāo)跟基準(zhǔn)作比較，以進(jìn)行特征尺寸檢測(cè)及幾何尺寸和公差分析。而在逆向工程方面，Metris掃描儀能產(chǎn)生一組三維座標(biāo)，可轉(zhuǎn)換成多邊形網(wǎng)格或塑模。其應(yīng)用范圍包括制造業(yè)、快速成型及復(fù)制。

　　圖九：Metris三座標(biāo)手臂及手提式激光掃描儀MMD

　　Metris LC60D測(cè)頭的應(yīng)用與Metris MMD相似，主要作為檢測(cè)及逆向工程之用，例如：渦輪葉片、鑄件、組裝件及工具和沖模的檢測(cè)。其它數(shù)字化的應(yīng)用包括：在銑削機(jī)上的正數(shù)擬合及動(dòng)態(tài)液體的計(jì)算（有限元素分析法）。

　　Mark Marrable先生解釋Metris LC60D測(cè)頭的效率高，達(dá)到75,000pt/sec，而且有寬闊的激光條紋。比如說(shuō)掃描一個(gè)圓形，LC60D測(cè)頭大約需要1sec，而觸發(fā)式測(cè)頭則最少要6sec (3 + 3pt x 1sec/pt)。表面掃描方面，LC60D測(cè)頭大約需要45cm2/sec（每秒75條紋 x 60mm x 每條紋間距1mm）。而觸發(fā)式測(cè)頭則需要幾分鐘才可以完成45cm2的掃描。

　　LC60D測(cè)頭使用方便，可以在所有的工業(yè)用物料上使用，而且預(yù)熱時(shí)間比較短。它的兼容性高，可以配合市場(chǎng)上各個(gè)著名品牌的三座標(biāo)測(cè)量?jī)x及便攜式設(shè)備一起使用。

　　圖十：Metris LC60D測(cè)頭

　　Luc Wens先生介紹了幾個(gè)應(yīng)用案例。位于英國(guó)Tinsley的雙行高架急需進(jìn)行鞏固工程。然而，工程師只能在一個(gè)十分封閉的空間進(jìn)行測(cè)量。他們選擇了Metris ModelMaker激光掃描頭/手臂，主要原因是它的便攜及高精度的功能（需要0.25mm最大誤差）。工程師們掃描了墻壁，并制造及安裝了加強(qiáng)堅(jiān)固板。整個(gè)項(xiàng)目只用了1年的時(shí)間，掃描范圍卻高達(dá)4英哩。在費(fèi)用方面，只用了10萬(wàn)英鎊，比原先的計(jì)劃節(jié)省了4百萬(wàn)英鎊。

　　瑞典Thule公司想減低牽引掛鉤的生產(chǎn)時(shí)間。由于收集每一臺(tái)車的底盤結(jié)構(gòu)數(shù)模實(shí)在非常困難，所以他們向Metris尋求解決方案。因?yàn)檐囕v是租回來(lái)的，不方便進(jìn)行噴漆，Metris建議使用MMD的ESP2功能，幫助提供精確的模型。只要把掃描數(shù)據(jù)輸進(jìn)去Pro/ENGINEER軟件，就可以生成塑模。購(gòu)買了MMD后，Thule公司的產(chǎn)品推出市場(chǎng)時(shí)間大大減少，由15至20周減少到9周。

　　江森自控（Johnson Controls）希望把汽車座位設(shè)計(jì)得更堅(jiān)固，并且把掃描得到的數(shù)據(jù)留到以后的項(xiàng)目上使用。最后他們選擇了INOV8座位概念作為該項(xiàng)目的主題。首先他們利用Metris MM掃描汽車座位，整個(gè)過(guò)程只用了2.5小時(shí)而已。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的零件包含在INOV8項(xiàng)目?jī)?nèi)需要重新設(shè)計(jì)，他們使用Metris關(guān)節(jié)臂加速設(shè)計(jì)改良時(shí)間，最后把設(shè)計(jì)數(shù)碼化。這個(gè)項(xiàng)目取得的成果得到江森自控在世界各地的分公司的認(rèn)可，因此多家江森自控都購(gòu)買了Metris MM掃描儀。

　　Metris光學(xué)便攜式三座標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)及研發(fā)上的應(yīng)用

　　4月10日的演講嘉賓是Metris業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理（光學(xué)三座標(biāo)測(cè)量?jī)x）Luc Wens先生。他主要介紹Metris光學(xué)便攜式三座標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用，尤其是在汽車業(yè)的應(yīng)用。

　　Metris光學(xué)K系列三座標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)以3個(gè)安裝在碳纖結(jié)構(gòu)上的線性CCD攝像頭來(lái)跟蹤紅外線LED的位置。通過(guò)三角測(cè)量，可以很快計(jì)算出每個(gè)LED的三維位置。把LED安裝在手持式SpaceProbe針測(cè)頭或者K-Scan掃描儀上，用戶就可以測(cè)量部件某一點(diǎn)或者掃描部件的實(shí)際三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。

　　圖片十一：Metris光學(xué)K600便攜式三座標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)

　　在汽車研發(fā)及生產(chǎn)的階段都可以使用Metris光學(xué)K系列三座標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。在汽車生產(chǎn)方面，從焊接、涂裝機(jī)器人到最后組裝檢查，此系統(tǒng)都能幫上忙。檢查組裝線上的問(wèn)題工作站上，Metris K600把LED置于白車身上，利用影像模式在每個(gè)工作站提取快照。然后與首個(gè)工作站作對(duì)比, 在問(wèn)題工作站上的點(diǎn)云影像會(huì)出現(xiàn)異常誤差。Metris K600的特點(diǎn)是最多可同時(shí)使用1000個(gè)裝置。與激光跟蹤儀的數(shù)控測(cè)量對(duì)比，即使在移動(dòng)當(dāng)中亦不會(huì)構(gòu)成影響其取得單一快照。其無(wú)線套裝允許測(cè)量過(guò)程中推車和白車身之間沒有任何接線約束。系統(tǒng)更可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工作站作更進(jìn)一步的檢查。

　　在最后組裝檢查方面，Metris K600能測(cè)量縫隙和高低差和車門和車身密封條之間的縫隙。系統(tǒng)以K-Scan激光掃描頭進(jìn)行縫隙和高低差的測(cè)量，然后利用Kube軟件作簡(jiǎn)單分析。另外，系統(tǒng)使用雙重的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)對(duì)隱藏的密封縫隙作測(cè)量，第一組動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)是對(duì)車體，而第二組動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)是對(duì)已開啟的車門作測(cè)量。這兩組動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)可抵消了在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中車體和車門的不穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)所造成的誤差 （按: 車體是浮于可壓縮的懸掛系統(tǒng)上, 車門則能作開合活動(dòng), 稍微的活動(dòng)亦能造成測(cè)量上的誤差）, 同樣地, 當(dāng)用戶測(cè)量閉合車門撞栓的位置時(shí), 車門的活動(dòng)亦可以動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)抵消掉。

　　至于碰撞前后對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的檢查，主要針對(duì)三方面，包括：對(duì)車身周圍和內(nèi)部作測(cè)量、隱藏的安全帶固定點(diǎn)及座椅的固定點(diǎn)。K600使用繞行套裝對(duì)全車作360度的檢測(cè)，其動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)方便對(duì)車子內(nèi)部作測(cè)量，而其無(wú)線套裝則能提供測(cè)量時(shí)的靈活性，加長(zhǎng)桿配合萬(wàn)向接頭對(duì)隱藏點(diǎn)作測(cè)量。

　　碰撞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前需要放置假人，確保其臀部, 頭部和膝蓋的位置與座椅對(duì)齊。Metris K600利用其手持式測(cè)針（手動(dòng)）、LED發(fā)光點(diǎn)（三維）及六自由度的自定義測(cè)頭對(duì)假人作測(cè)量。首先把裝有三個(gè)LED的小測(cè)頭附在頭部、臀部和膝蓋， 系統(tǒng)的數(shù)位顯示裝置就能展示其實(shí)時(shí)位置。

　　在座椅強(qiáng)度測(cè)試方面，需要測(cè)試安全帶固定點(diǎn)是否符合規(guī)條，另外要以拉動(dòng)人體模塊去模擬減速力。Metris K600以DMM2.5軟件去測(cè)量安全帶固定點(diǎn)的三維和六自由度位置，并同時(shí)以附加的ADC600同步控制箱去測(cè)量拉力。所獲得的數(shù)據(jù)會(huì)被用作電腦輔助設(shè)計(jì)的模擬認(rèn)證。（如果需要更詳細(xì)的資料，請(qǐng)參考附件的案例）

　　目前，奧迪、BMW、福特、通用、現(xiàn)代、大眾、日產(chǎn)等汽車原始設(shè)備制造商也在使用Metris光學(xué)便攜式三座標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。博世、固特異輪胎、米其林及江森自控（Johnson Controls）等汽車部件供應(yīng)商也是Metris的用戶。

　　圖十二：研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng)