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用于模具修改的逆向工程分析法
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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, ...
激光扫描服务技术具有很高的经济意义,它们可为机器人编程提供精确的CAD数据,有利于缩短实际编程过程。

Tennessee Watercraft(TWI)公司在采用NVision公司的激光扫描服务技术以后,加速了机器人编程的工艺过程,不但节约了大量的时间,而且节约了相当可观的资金。该公司发现,采用NVision公司的扫描服务技术可以很容易地收回投资,削减机器人编程费用约150 000美元,使整体费用节约了60%左右。并且激光扫描技术也可以大大缩短编程所需的时间。

过去,Tennessee Watercraft公司对船体甲板采用机器人钻孔。一般来说,如果采用人工编程,包括对每个孔径的手工测量和定位,大约需要25万美元。但在采用NVision公司的激光扫描仪之后,就可以获得新的数字设计图,然后将数据转换成CAD模型,该编程任务可以自动操作完成。

这种工艺使整体费用下降了约10万美元,包括激光扫描和编程。而且,采用这种新工艺以后速度大大提高,以前几个月的工作量只需一个月就可以完成。

TWI公司的设计工程师Jerry Denham先生说:“NVision公司的服务超过了其本身应支付的价值,不但速度较快,而且价格也较机器人编程便宜。NVision公司的工作质量已经在实践生产中得到了证实。我们曾经试用过其他的扫描工艺,但只有这种工艺才能真正达到我们所需要的精度水平。”

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图1 AD赛艇模型。所提供的扫描仪和软件可使其在最短的时间内,
根据扫描的零件生成CAD模型,并可准确地复制出与原件一样的零件

精确的数据

TWI公司是美国Yamaha Motor公司的一个分部,使用最新的生产技术,制造体育运动中使用的赛艇。例如,船体和甲板采用多层玻璃纤维制造,每层之间带有加强结构。整个生产工艺包括激光导向机器人的切割和钻削加工,都要严格按照规格钻削加工每个船体和甲板,保证每条赛艇的一致性,甚至是小至每个尺寸。

对于所有的玻璃纤维结构件,TWI公司首先应按照每个玻璃纤维的零件形状制成模型。模型根据高密度泡沫主件(俗称样机)用玻璃纤维模压而成。对于每艘赛艇的模型而言,该公司需要大约制造15个模型,其使用寿命一般为3~4年。在这期间,模型往往还需要作一些修改。这种修改是根据生产的需要和满足市场的要求而进行的。现有的模型也可根据新型号进行修改,例如该公司目前引进生产的SX230型和AR230型高产赛艇。

每当模型修改以后,TWI公司必须更新生产工艺,以表现这些新的改变。公司在这种工艺中引进了两台机器人,这种改变则更具有挑战性。Denham先生解释说:“采用机器人能够节约更多的时间,而且比人工生产更加精确,因为其编程过程需要采用3D形状数据。”

获得几何形状数据最好的办法是采用零件的CAD模型。在TWI公司采用人工修改模型时,还没有出现这种新型的CAD模型。在这种情况下,需要采用逆向工程分析法才能够获得有关新形状的数据。在过去,TWI公司试图采用机器人本身来获取坐标值,并根据所希望的位置和坐标,以人工方式确定机器人悬臂的定位。采用这种工艺需要几个月的时间,和十多万美元的费用。

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图2 TWI公司准备进行扫描的一个模型产品

更好的逆向工程分析法

TWI公司是采用NVision公司的激光扫描服务技术来解决这个问题的。激光扫描系统的工作原理是:首先在需要测量的表面上投射一束激光束,同时在激光扫描过程中,不断地通过摄像机对变化的距离和激光线外形进行三角形拍摄测量。在采集数据时,激光扫描头的位置和方向也可不断地通过高精密的局部化装置进行监控。然后由计算机对这两类输入数据进行同步化处理,并将激光线的视频图像转化成3D坐标,提供实时数据图表,让操作人员能够立即得到反馈信息,以免错过某些测量区域。

采用激光扫描仪可测量大型零件,生成大量的数据点,其数量要比探针获取的测量点多得多,而且不需要样板或夹具。由于激光扫描器上不存在任何需要与测量物体接触的接触头,因此不存在挤压柔软测量物体的问题,也不需要测量微小的细节和捕捉复杂自由形态的表面。

由于激光扫描仪不是通过逐点测量的方法采集测量点的。因此,其每秒钟可以扫描几万个测量点。这就意味着即使是最复杂的零件也可以在1~2h之内完成数字化测量。激光扫描可使任何复杂的零件实现数字化测量。因此,在某一时间的一个测量点上实现数字化测量是不切实际的。

最后,随同扫描器一起提供的软件可以大大简化从点阵向CAD模型转换的过程,使其在最短的时间内生成一个被扫描零件的CAD模型,而且这个复制的模型与原来的零件完全一致。也可采用这种软件将原来的几何设计图与实际零件进行比较,从而生成一个整体的分级彩色误差图表,从图表中可以看到其与原设计图之间的表面偏差位置和程度。这种测量方法远远超过了接触式探针所进行的尺寸检测方法。

提供精确的CAD数据

为了对新型高产SX230型和AR230型赛艇的形状进行逆向工程分析,TWI公司专门聘请了NVision公司的服务部门为其提供测量服务。Denham先生说:“我们不打算投资购置一台激光扫描仪,我们决定聘用外协扫描服务。我们过去曾经聘用过其他公司,但结果并不令人满意。例如,有一家公司来我们公司做了一些扫描测试,但从来没有获得过可以互相吻合的数据。我们之所以选择NVision公司,是因为他们给我们所作的示范取得了最满意的结果。”

NVision公司的代表来到现场,并对模型进行了扫描检测。这种扫描检测工作进行了一个星期。他们另外又花费了三个星期,用特殊软件将扫描检测获得的点阵数据转换成3D表面模型。然后,将这个模型转化成TWI公司日常使用的Solidworks CAD格式,创建了一个高精度3D模型,并将这个模型应用于机器人编程。Denham先生说:“NVision公司派来的代表肯定的表示,这组CAD数据非常理想,他们对零件进行了诊断检测,然后将零件交付给我们。我们对他们的工作十分满意。”

TWI公司计划在今后还要使用NVision公司的服务,但是将采用一个可以创建智能Solidworks文件的转换工艺。Denham先生补充说:“这将提供给我们一个较小的数据文件,其中包括零件的制造历史。这是一个智能化的模型,可以将赛艇的各种特点逐一给出定义。”

基本优点

对于TWI公司而言,当新设计的产品投产时,首先要对NVision公司工作的准确性进行测试,观察各零件之间是否能精密配合。Denham先生说:“NVision公司通过向我们显示由点阵到表面的比较图,证实了他们数据的精确性,但惟一能够最后确定的方法就是通过实践生产。现在我们已经投产,实践证明由NVision公司提供的全部数据都十分精确。根据CAD模型对机器人进行编程,其钻削加工的全部孔径完全符合要求。”

现在,TWI公司已经拥有机器人编程所需的精密CAD数据,实际编程过程只占了很少的时间,过去需要花费几个月时间完成的工艺,现在只需一个月左右就可以全部完成了。

制造SX230型和AR230型赛艇所需的现场激光扫描服务、模型的创建和提供Solidworks CAD数据的费用大约为65 000美元。如再加上机器人的编程费和创建CAD模型,以及适应船型变化所需的费用,总费用大约可节省10万美元,比公司以前花费在机器人编程上的费用节省了60%左右。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (5/24/2013)
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