力丰于CIMT介绍崭新测量方案

　　——应用范围覆盖航空、汽车及造船业

　　力丰制造科技有限公司于CIMT 2009期间举办了四场研讨会（4月7-10日），主题围绕最新的测量技术，演讲嘉宾为Metris（迈卓斯）在该领域的国外专家。总部位于比利时的Metris，为制造业设计和开发多款3D硬件和软件检查系统。其测量解决方案主要针对汽车和航天业的需要而设计，提供的测量方案包括固定式及便携式、光学及接触传感器等。力丰在2007年与Metris组成合作伙伴，成为其在中国的独家代理。

　　Metris X-Tek X光断层技术于航空业的应用

　　根据Metris销售经理Steve Hursey先生的介绍，目前市场上主要有两种类型的X光，分别是透射型标靶及反射型标靶。前者能生产多倍数、高像素的图像，而后者则能提供功率大的X光。有一点要注意的是微焦点源越小，就能得到越清晰及精度越高的实时图像（请看图一）。这项技术帮助用户对部件的内部结构进行细微的观察，适用于检验PCB电子组件、小型铸件及塑料制品，方便检测材料的缺陷及装配和互连问题。

　　图一：将样品移近X光源会使所得图片放大

　　电脑断层扫描（CT）是指利用渗透性的辐射（比如X光）从不同的方向获取一个物件的图像。首先把需要检查的部件放在精密的旋转台作360°旋转，以拍摄高精度数码射线照片（请看图二）。然后，利用电脑重组部件的内部结构。此技术允许储存及检查物件的结构，以获得其内部尺寸及形状。最重要的是能够通过非摧毁性方式检查物件内部是否有缺陷。

　　图二：样本围绕一条轴旋转所得的3D图像

　　CT的其中一个应用是在航空制造业的涡轮叶片设计及制造上。世界著名的飞机制造商波音公司及直升机制造商Bell Helicopter在生产过程中均使用Metris的检验系统。

　　用户可以先用陶瓷做一个涡轮叶片模型，在上面加蜡，然后利用Metris BladeRunner 450kV系统的CT功能进行扫描。Metris系统的X光线可以完全穿透塑料及陶瓷等物料，一次性地作出全面的扫描，从内到外都能得到精密的数据。之后，通过现有PC硬件实现精准的3D数据集重构。系统可以快速全部件重构，作为一般分析之用。另外也可以针对某一个区域进行细节重构及即时CT断层创建。

　　Metris系统还可以即时把数据输出STL档案（点云），帮助用户节省大量把原型转换成STL档案的时间，从而减低成本。其输出的STL档案可以直接利用第三软件来开启，作为设计或逆向工程之用，让设计及改良涡轮叶片的工作事半功倍（请看图三）。

　　图三：涡轮叶片X光扫描及电脑断层分析

　　图四：Metris BladeRunner 450kV系统

　　Metris激光雷达及iGPS大型检测技术于航空、汽车及造船业的应用

　　4月8日研讨会的演讲嘉宾为Metris业务发展经理（激光雷达、iGPS及机器人控制）文晟豪博士，他主要讲解激光雷达及iGPS在航空、汽车及造船业的应用。

　　Metris激光雷达是一种光学测量设备，可进行全自动化的高精度非接触检测。其测量区域大，距离可达60米，并能快速采集数据（达到1000 pt/sec）。其对表面和曲面进行检测是其他设备无可比拟的。全自动化检测的好处是无须对大型零件加工成型进行后检，而且可以快速地显示误差，以进行返工，节约了工时、空间，降低了工装成本。

　　对于反射面和坐标检测、大型喷涂反射面（要求非接触测量）、方向和变型的检测、柔性网格、镀金反射面（俄罗斯），激光雷达均是唯一的解决方案。国内外的航空公司都使用激光雷达，其中包括：空中客车、波音公司、大韩航空、美国国家航空航天局及西安飞机公司等。

　　图五：Metris激光雷达

　　在研讨会上，文博士介绍了激光雷达在风车叶扇生产的应用。为了最优化风力叶扇上的空气动力学，Metris激光雷达对30米的表面进行自动非接触式、高精度，高速度的测量。该系统在无需反射靶球或其他遥控工具的协助下实现单人操作。Metris Focus Inspection软件具有强大的叶扇分析模块，可以一次性快速地测量完整的形状，允许与CAD图作偏差比较，以生产最精确的形状。由于叶片的尺寸大，必须在室外进行检测。激光雷达对工作环境没有特别要求，也不需要昂贵的工装。系统可以在室内及室外的任何光线下工作，在任何表面上的工作反射率小于1%。

　　iGPS的工作原理类似于汽车的全球定位系统（GPS），它的精度却比普通的GPS高2000倍(< 250μm)。为了获得精确的定位，接收器需要来自最低2个发射器的红外激光。增加发射器可以扩大测量区域。通过视线的保证提高了耐用性，进一步提高测量精度（请看图六）。

　　图六：iGPS的工作原理

　　iGPS可以在大型零件的精确装配及工具和目标的持续监控过程中进行动态跟踪。在法国武器装备总署 (DGA) 的船模跟踪应用上，此系统的性能超过该客户的要求。在6个发射器配合4个接收器的精况下，其测量区域可达到50m x 150m，跟踪速度达8m/sec，同时其静态位置精度为0.3mm，动态跟踪精度为1mm。（如果需要更详细的资料，请参考附件的案例）

　　图七：iGPS的跟踪应用

　　iGPS也可以决定大目标或者部件的确切位置，而且可以测量使用于第三方工具的确切位置，例如：涂层厚度测量、钻孔标纹及机器人导向描绘等。在铸件检测方面，由iGPS系统及配有iProbe的普通涂层测厚仪组成的系统，能够支持测厚仪测量和零件位置结合起来的软件。其六自由度跟踪测厚测头位置，将它和工件位置联系起来，提供高柔性、速度及合适的精度。目前在市场上的其他方案都比较复杂，一般需要使用多个仪器或放置多个位置。

　　图八：iGPS的定位和测量应用

　　文博士亦讲解iGPS在赛车上的应用案例。Richard Childress Racing（RCR）车队所有三个团队都获得了2007年NASCAR季后赛的资格。为了在2008年再创佳绩，RCR最近将生产赛车车身的厂房改装成几个RCR团队可同时使用的测量空间。在生产车身的过程提高了精度，从而加强了RCR的竞争性。快速成型给空气动力工程预留更多的时间，而高重复性就提升了制造成功车身的可能性。（如果需要更详细的资料，请参考附件的案例）

　　Metris便携式数码检测方案在汽车业的应用

　　4月9日的演讲嘉宾为Metris应用工程师Mark Marrable先生及Metris业务发展经理（光学三座标测量仪）Luc Wens先生。两位专家主要介绍Metris便携式数码检测方案。        

　　Metris MCA手动三座标手臂是一种精确、可靠和易用的便携式测量系统，有六轴和七轴两个版本。其外加的腕关节让扫描仪的位置跟物件可成垂直方向，令测量更容易及准确。

　　六轴MCA主要用于接触式测量方面，可测量长度、圆心、平面度等，可充当为一台手提式的三座标。加上了蛙跳功能，令MCA可测量任何大小的工件，而传统三座标的测量范围则局限于工作台的面积。加上MCA独有的浮标式测头，令测量时更灵活。而七轴的MCA主要用于扫描及抄数方面的工作，适用于设计，检测及逆向工程。

　　Metris MCA用上轻质的碳纤维和铝合金结构，减轻测量时受到温度变化的影响。其设有电磁制动器，让使用者可单手轻松地操作设备。

　　MCA可装配各类探测系统，用于触发式测量、连续扫描和激光扫描。在研讨会上，两位专家讲解了Metris手提式激光扫描仪及Metris LC60D测头的性能。这两款设备均可以与MCA配合使用。Metris MMD手提式激光扫描仪拥有温度感应器在热量的基准位置（手抦的中心），所有扫描仪的激光面跟相机的位置均随着温度而改变。一般的扫描头需要20至45分钟预热时间来让仪器达到稳定的精度， 就算在校正后也不能保证这段时间内的精度。MMD却有温度保偿，所以不需要预热时间。其双窗口设计有效加长“底线”，能改善光学表现，此效能在寛激光条纹的型号（MMD200）上尤为显著。

　　Metris MMD主要应用于检测及逆向工程。在检测方面，该扫描仪能产生一组三维座标跟基准作比较，以进行特征尺寸检测及几何尺寸和公差分析。而在逆向工程方面，Metris扫描仪能产生一组三维座标，可转换成多边形网格或塑模。其应用范围包括制造业、快速成型及复制。

　　图九：Metris三座标手臂及手提式激光扫描仪MMD

　　Metris LC60D测头的应用与Metris MMD相似，主要作为检测及逆向工程之用，例如：涡轮叶片、铸件、组装件及工具和冲模的检测。其它数字化的应用包括：在铣削机上的正数拟合及动态液体的计算（有限元素分析法）。

　　Mark Marrable先生解释Metris LC60D测头的效率高，达到75,000pt/sec，而且有宽阔的激光条纹。比如说扫描一个圆形，LC60D测头大约需要1sec，而触发式测头则最少要6sec (3 + 3pt x 1sec/pt)。表面扫描方面，LC60D测头大约需要45cm2/sec（每秒75条纹 x 60mm x 每条纹间距1mm）。而触发式测头则需要几分钟才可以完成45cm2的扫描。

　　LC60D测头使用方便，可以在所有的工业用物料上使用，而且预热时间比较短。它的兼容性高，可以配合市场上各个著名品牌的三座标测量仪及便携式设备一起使用。

　　图十：Metris LC60D测头

　　Luc Wens先生介绍了几个应用案例。位于英国Tinsley的双行高架急需进行巩固工程。然而，工程师只能在一个十分封闭的空间进行测量。他们选择了Metris ModelMaker激光扫描头/手臂，主要原因是它的便携及高精度的功能（需要0.25mm最大误差）。工程师们扫描了墙壁，并制造及安装了加强坚固板。整个项目只用了1年的时间，扫描范围却高达4英哩。在费用方面，只用了10万英镑，比原先的计划节省了4百万英镑。

　　瑞典Thule公司想减低牵引挂钩的生产时间。由于收集每一台车的底盘结构数模实在非常困难，所以他们向Metris寻求解决方案。因为车辆是租回来的，不方便进行喷漆，Metris建议使用MMD的ESP2功能，帮助提供精确的模型。只要把扫描数据输进去Pro/ENGINEER软件，就可以生成塑模。购买了MMD后，Thule公司的产品推出市场时间大大减少，由15至20周减少到9周。

　　江森自控（Johnson Controls）希望把汽车座位设计得更坚固，并且把扫描得到的数据留到以后的项目上使用。最后他们选择了INOV8座位概念作为该项目的主题。首先他们利用Metris MM扫描汽车座位，整个过程只用了2.5小时而已。当他们发现采用传统的零件包含在INOV8项目内需要重新设计，他们使用Metris关节臂加速设计改良时间，最后把设计数码化。这个项目取得的成果得到江森自控在世界各地的分公司的认可，因此多家江森自控都购买了Metris MM扫描仪。

　　Metris光学便携式三座标检测系统在汽车生产及研发上的应用

　　4月10日的演讲嘉宾是Metris业务发展经理（光学三座标测量仪）Luc Wens先生。他主要介绍Metris光学便携式三座标检测系统及其应用，尤其是在汽车业的应用。

　　Metris光学K系列三座标检测系统以3个安装在碳纤结构上的线性CCD摄像头来跟踪红外线LED的位置。通过三角测量，可以很快计算出每个LED的三维位置。把LED安装在手持式SpaceProbe针测头或者K-Scan扫描仪上，用户就可以测量部件某一点或者扫描部件的实际三维点数据。

　　图片十一：Metris光学K600便携式三座标检测系统

　　在汽车研发及生产的阶段都可以使用Metris光学K系列三座标检测系统。在汽车生产方面，从焊接、涂装机器人到最后组装检查，此系统都能帮上忙。检查组装线上的问题工作站上，Metris K600把LED置于白车身上，利用影像模式在每个工作站提取快照。然后与首个工作站作对比, 在问题工作站上的点云影像会出现异常误差。Metris K600的特点是最多可同时使用1000个装置。与激光跟踪仪的数控测量对比，即使在移动当中亦不会构成影响其取得单一快照。其无线套装允许测量过程中推车和白车身之间没有任何接线约束。系统更可以在现场对工作站作更进一步的检查。

　　在最后组装检查方面，Metris K600能测量缝隙和高低差和车门和车身密封条之间的缝隙。系统以K-Scan激光扫描头进行缝隙和高低差的测量，然后利用Kube软件作简单分析。另外，系统使用双重的动态基准对隐藏的密封缝隙作测量，第一组动态基准是对车体，而第二组动态基准是对已开启的车门作测量。这两组动态基准可抵消了在测量过程当中车体和车门的不稳定性和运动所造成的误差 （按: 车体是浮于可压缩的悬挂系统上, 车门则能作开合活动, 稍微的活动亦能造成测量上的误差）, 同样地, 当用户测量闭合车门撞栓的位置时, 车门的活动亦可以动态基准抵消掉。

　　至于碰撞前后对关键点的检查，主要针对三方面，包括：对车身周围和内部作测量、隐藏的安全带固定点及座椅的固定点。K600使用绕行套装对全车作360度的检测，其动态基准方便对车子内部作测量，而其无线套装则能提供测量时的灵活性，加长杆配合万向接头对隐藏点作测量。

　　碰撞实验进行前需要放置假人，确保其臀部, 头部和膝盖的位置与座椅对齐。Metris K600利用其手持式测针（手动）、LED发光点（三维）及六自由度的自定义测头对假人作测量。首先把装有三个LED的小测头附在头部、臀部和膝盖， 系统的数位显示装置就能展示其实时位置。

　　在座椅强度测试方面，需要测试安全带固定点是否符合规条，另外要以拉动人体模块去模拟减速力。Metris K600以DMM2.5软件去测量安全带固定点的三维和六自由度位置，并同时以附加的ADC600同步控制箱去测量拉力。所获得的数据会被用作电脑辅助设计的模拟认证。（如果需要更详细的资料，请参考附件的案例）

　　目前，奥迪、BMW、福特、通用、现代、大众、日产等汽车原始设备制造商也在使用Metris光学便携式三座标检测系统。博世、固特异轮胎、米其林及江森自控（Johnson Controls）等汽车部件供应商也是Metris的用户。

　　图十二：研讨会现场