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航天制造中的激光扫描和其他光学测量方法
作者:Alex Lucas    来源:Aerospace Manufacturing and Design杂志
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三维扫描仪展厅
三维激光扫描仪, 激光跟踪仪, 3D点云软件, ...
非接触式测量技术已经逐渐盛行。激光扫描和其他光学测量方法对许多航空航天制造商来说是至关重要的,可以满足他们更彻底地检查更多零部件的愿望。也许没有什么飞机零部件和喷气发动机的涡轮叶片一样重要。受到严格的FAA检查的要求,涡轮叶片的检查标准比任何其他航空部件都要更高。新一代引擎已被设计出来,比之前的几代省油得多。事实上,随着最大燃料消耗的减少,即使是最保守的估计,预计未来10年喷气发动机的制造将呈指数增长。在这么大的生产需求下,质量负担也同样具有挑战性。精度的价值高于一切,但对实施测量技术来说,检测速度已成为一个重要的决定因素。

下面谈谈激光扫描仪。基于激光扫描仪的三角测量有多种构型,范围从关节臂式安装系统到嵌入式光学器件。定位器是承载探针的测量装置,对整个系统的精度至关重要。这为购买者带来了一个经得起真正实战考验的测量系统——坐标测量机(CMM)。没有激光扫描仪定位器提供可重复性,准确性和自动化,而这些对涡轮叶片的生产检验是至关重要的。

长久以来,三坐标测量机对涡轮叶片的检验一直非常可靠。这些年来,已经出现了多种触觉检查方法。通过允许一个CMM程序来设置检查路线,自动重复的旋转探头可以帮助简化检测过程,且根据已有定义的CAD文件来检查各种名义点和几十个沿着机翼特定部分高度的点。模拟触觉扫描探针帮助简化了此过程,却又不仅仅是简单;触觉扫描探针给检测过程中带来了完整的光环。使用点扫描的普通触觉探针是有效的,但每秒钟这些探头通常会在几个检查点达到极限。模拟触觉扫描探针每秒能够检测成百上千个点,为后面分析各种刀片特点,例如开头和结尾的边缘厚度、最大厚度、弦长、弯曲、倾斜及扭曲等,提供了一个更加准确的翼剖面示意。

激光扫描和接触探测最近都取得了一些重大进步。激光扫描器发展的一般趋势是已经看到有用先进的传感器阵列制造探头,该传感器阵列能够扫描通常难以扫描的表面,如黑暗的或者有光泽的表面。这些先进的传感器,也可以通过软件和固件的开发来增强,以减少伪反射的效果,在老一代激光扫描仪中这往往是扫描仪噪音的一大来源。

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这些先进的传感器,也可以通过软件和固件的开发来增强,以减少寄生反射的效果,这往往在老一辈激光扫描仪中是扫描仪噪音的一大来源。直接到CMM控制器的同步扫描仪不仅对于利用CMM的误差补偿数据来获取最大精度至关重要,而且通过高帧速率的同步,可以在短时间内获得大量的点云数据,完全消除基于CMM的激光扫描仪速度的先入为主的观念。仅在过去的10年里,市场上供应的基于CMM的激光扫描仪最大帧速率已经从专用的25Hz到超高速的75Hz。三倍的增长意味着一台扫描仪可以用三分之一的时间从A点扫描到B点,或者扫描相同的距离却收集3倍多的扫描数据,反过来提供了一个零件表面轮廓更精确、更完整的定义。

更多的点意味着更多的细节,更多的细节意味着定义刀片的特点时更准确,但激光扫描仪能够提供的数量惊人的额外信息点会导致在较短的时间内采取一个典型的触觉检查程序,检测更大量的零部件。已经接受了用激光扫描仪检验涡轮叶片的质量工程师权衡的一个幸运结果是,评估切削循环时间是否是增加点采集的最佳使用方式,或者获得更多数据是否有价值。知识就是力量,在定义表面轮廓的数据很多的情况下,制造工程师和设计工程师可以在整个过程的早期就更好地了解情况。

另一个基于CMM激光扫描仪的发展趋势是扫描仪的视场越来越小所取得的进展。通过使用类似的传感器作为它们大视场的同胞,扫描仪开发人员可以通过有效地缩小光学系统和使传感器集中在一个小领域视图上,来有效地扩大产品组合的广度。通过这样,准确度大幅提高,空间点的分辨率,即沿扫描线的点之间的距离缩小到这种程度,即使是最具挑战性的后缘几何形状都可以进入视野进行检查。定义小的前缘和后缘的一个很好的经验法则是在边缘直径上至少收集8个点。例如,如果你正想检查直径为0.25mm(0.010")的后缘,那么你将需要一台空间分辨率至少为0.032mm(0.0013")的扫描仪。

激光扫描仪空间点分辨率巨大发展中的一个有趣的地方是检查涡轮叶片特征的能力,从未想过甚至可以通过触觉CMM检查获得。冷却孔洞使得涡轮机叶片通过向接近后缘的微孔传递冷空气来在极端的温度下运行。冷却孔在叶片上提供了一个冷空气层,使其避免遭受高温。由于它们无限小的几何尺寸,传统的接触式探针没有通道和空隙去收集开口周围的点。所以,激光扫描仪的另一个好处产生了。检查冷却孔的常用方法是计算机断层扫描(CT)。CT扫描机可以提供涡轮叶片内部运作的漂亮图像和显著的计量能力,这是由于它具有散热孔和重要的内部几何,但在这种情况下,CT扫描非常耗时和昂贵。激光扫描仪是对现有三坐标测量机的一种简单改造,通常情况下是在已有的硬件上即插即用的,或可能需要极少的返工,以使扫描仪兼容一些较旧的CMM模型。激光扫描仪无法提供内部几何形状的测量,具有足够高的空间点分辨率的扫描仪能够提供难于检测的散热孔周围良好的细节和清晰度。

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关于扫描仪点分辨率的增加和改进的准确度的一个很明显的权衡是更小的视野并非使其适合每一项工作。甚至有人在还没有粉刷一个房间前就知道,你不会使用一个6"辊来切外围的墙壁。同样的,你也不会使用1/2"的刷子来涂整整一面墙。高分辨率、高精度的扫描仪并非适用于每一个工作,除了部分零件适用,扫描采集软件起着至关重要的作用。在大多数情况下,扫描路径由操作者来设定,定义基于CMM的激光扫描仪运动开始和结束的位置,并尝试在视野内扫描尽可能多的范围。拥有微小视野区的先进的软件包已经开发出了多种方式,不仅可根据给定的表面模型输入提供扫描路径的定义,而且正在开发用于未知路径扫描的更多算法。在相当长的一段时间里,未知路径扫描是许多软件包接触式探针的特性,但由于防止死机而增加的方法和回缩距离,或者保持该部分恒定力要求模拟扫描探针速度较慢,速度显著下降。未知路径扫描能快速补偿涡轮叶片表面不断变化的几何形状,使涡轮叶片的编程比传统的触觉方法更容易。

由于对更新、更好、更高效的喷气发动机的需求持续上升,确保质量的测试和检验方法也将提高到相似的水平。具有下一代激光扫描仪的三坐标测量机提供了一个解决方案来满足这些需求。无论扫描的速度是否更快、数据点/精确度是否更高,或在触觉探针无法扫描到的更小、更集中的视野里,激光扫描提供了您所需要的结果。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2013-1-4)
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