力豐于CIMT介紹嶄新測量方案

　　——應用范圍覆蓋航空、汽車及造船業

　　力豐制造科技有限公司于CIMT 2009期間舉辦了四場研討會（4月7-10日），主題圍繞最新的測量技術，演講嘉賓為Metris（邁卓斯）在該領域的國外專家。總部位于比利時的Metris，為制造業設計和開發多款3D硬件和軟件檢查系統。其測量解決方案主要針對汽車和航天業的需要而設計，提供的測量方案包括固定式及便攜式、光學及接觸傳感器等。力豐在2007年與Metris組成合作伙伴，成為其在中國的獨家代理。

　　Metris X-Tek X光斷層技術于航空業的應用

　　根據Metris銷售經理Steve Hursey先生的介紹，目前市場上主要有兩種類型的X光，分別是透射型標靶及反射型標靶。前者能生產多倍數、高像素的圖像，而后者則能提供功率大的X光。有一點要注意的是微焦點源越小，就能得到越清晰及精度越高的實時圖像（請看圖一）。這項技術幫助用戶對部件的內部結構進行細微的觀察，適用于檢驗PCB電子組件、小型鑄件及塑料制品，方便檢測材料的缺陷及裝配和互連問題。

　　圖一：將樣品移近X光源會使所得圖片放大

　　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物件的圖像。首先把需要檢查的部件放在精密的旋轉臺作360°旋轉，以拍攝高精度數碼射線照片（請看圖二）。然后，利用電腦重組部件的內部結構。此技術允許儲存及檢查物件的結構，以獲得其內部尺寸及形狀。最重要的是能夠通過非摧毀性方式檢查物件內部是否有缺陷。

　　圖二：樣本圍繞一條軸旋轉所得的3D圖像

　　CT的其中一個應用是在航空制造業的渦輪葉片設計及制造上。世界著名的飛機制造商波音公司及直升機制造商Bell Helicopter在生產過程中均使用Metris的檢驗系統。

　　用戶可以先用陶瓷做一個渦輪葉片模型，在上面加蠟，然后利用Metris BladeRunner 450kV系統的CT功能進行掃描。Metris系統的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，從內到外都能得到精密的數據。之后，通過現有PC硬件實現精準的3D數據集重構。系統可以快速全部件重構，作為一般分析之用。另外也可以針對某一個區域進行細節重構及即時CT斷層創建。

　　Metris系統還可以即時把數據輸出STL檔案（點云），幫助用戶節省大量把原型轉換成STL檔案的時間，從而減低成本。其輸出的STL檔案可以直接利用第三軟件來開啟，作為設計或逆向工程之用，讓設計及改良渦輪葉片的工作事半功倍（請看圖三）。

　　圖三：渦輪葉片X光掃描及電腦斷層分析

　　圖四：Metris BladeRunner 450kV系統

　　Metris激光雷達及iGPS大型檢測技術于航空、汽車及造船業的應用

　　4月8日研討會的演講嘉賓為Metris業務發展經理（激光雷達、iGPS及機器人控制）文晟豪博士，他主要講解激光雷達及iGPS在航空、汽車及造船業的應用。

　　Metris激光雷達是一種光學測量設備，可進行全自動化的高精度非接觸檢測。其測量區域大，距離可達60米，并能快速采集數據（達到1000 pt/sec）。其對表面和曲面進行檢測是其他設備無可比擬的。全自動化檢測的好處是無須對大型零件加工成型進行后檢，而且可以快速地顯示誤差，以進行返工，節約了工時、空間，降低了工裝成本。

　　對于反射面和坐標檢測、大型噴涂反射面（要求非接觸測量）、方向和變型的檢測、柔性網格、鍍金反射面（俄羅斯），激光雷達均是唯一的解決方案。國內外的航空公司都使用激光雷達，其中包括：空中客車、波音公司、大韓航空、美國國家航空航天局及西安飛機公司等。

　　圖五：Metris激光雷達

　　在研討會上，文博士介紹了激光雷達在風車葉扇生產的應用。為了最優化風力葉扇上的空氣動力學，Metris激光雷達對30米的表面進行自動非接觸式、高精度，高速度的測量。該系統在無需反射靶球或其他遙控工具的協助下實現單人操作。Metris Focus Inspection軟件具有強大的葉扇分析模塊，可以一次性快速地測量完整的形狀，允許與CAD圖作偏差比較，以生產最精確的形狀。由于葉片的尺寸大，必須在室外進行檢測。激光雷達對工作環境沒有特別要求，也不需要昂貴的工裝。系統可以在室內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（GPS），它的精度卻比普通的GPS高2000倍(< 250μm)。為了獲得精確的定位，接收器需要來自最低2個發射器的紅外激光。增加發射器可以擴大測量區域。通過視線的保證提高了耐用性，進一步提高測量精度（請看圖六）。

　　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的持續監控過程中進行動態跟蹤。在法國武器裝備總署 (DGA) 的船模跟蹤應用上，此系統的性能超過該客戶的要求。在6個發射器配合4個接收器的精況下，其測量區域可達到50m x 150m，跟蹤速度達8m/sec，同時其靜態位置精度為0.3mm，動態跟蹤精度為1mm。（如果需要更詳細的資料，請參考附件的案例）

　　圖七：iGPS的跟蹤應用

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

　　圖八：iGPS的定位和測量應用

　　文博士亦講解iGPS在賽車上的應用案例。Richard Childress Racing（RCR）車隊所有三個團隊都獲得了2007年NASCAR季后賽的資格。為了在2008年再創佳績，RCR最近將生產賽車車身的廠房改裝成幾個RCR團隊可同時使用的測量空間。在生產車身的過程提高了精度，從而加強了RCR的競爭性。快速成型給空氣動力工程預留更多的時間，而高重復性就提升了制造成功車身的可能性。（如果需要更詳細的資料，請參考附件的案例）

　　Metris便攜式數碼檢測方案在汽車業的應用

　　4月9日的演講嘉賓為Metris應用工程師Mark Marrable先生及Metris業務發展經理（光學三座標測量儀）Luc Wens先生。兩位專家主要介紹Metris便攜式數碼檢測方案。        

　　Metris MCA手動三座標手臂是一種精確、可靠和易用的便攜式測量系統，有六軸和七軸兩個版本。其外加的腕關節讓掃描儀的位置跟物件可成垂直方向，令測量更容易及準確。

　　六軸MCA主要用于接觸式測量方面，可測量長度、圓心、平面度等，可充當為一臺手提式的三座標。加上了蛙跳功能，令MCA可測量任何大小的工件，而傳統三座標的測量范圍則局限于工作臺的面積。加上MCA獨有的浮標式測頭，令測量時更靈活。而七軸的MCA主要用于掃描及抄數方面的工作，適用于設計，檢測及逆向工程。

　　Metris MCA用上輕質的碳纖維和鋁合金結構，減輕測量時受到溫度變化的影響。其設有電磁制動器，讓使用者可單手輕松地操作設備。

　　MCA可裝配各類探測系統，用于觸發式測量、連續掃描和激光掃描。在研討會上，兩位專家講解了Metris手提式激光掃描儀及Metris LC60D測頭的性能。這兩款設備均可以與MCA配合使用。Metris MMD手提式激光掃描儀擁有溫度感應器在熱量的基準位置（手抦的中心），所有掃描儀的激光面跟相機的位置均隨著溫度而改變。一般的掃描頭需要20至45分鐘預熱時間來讓儀器達到穩定的精度， 就算在校正后也不能保證這段時間內的精度。MMD卻有溫度保償，所以不需要預熱時間。其雙窗口設計有效加長“底線”，能改善光學表現，此效能在寛激光條紋的型號（MMD200）上尤為顯著。

　　Metris MMD主要應用于檢測及逆向工程。在檢測方面，該掃描儀能產生一組三維座標跟基準作比較，以進行特征尺寸檢測及幾何尺寸和公差分析。而在逆向工程方面，Metris掃描儀能產生一組三維座標，可轉換成多邊形網格或塑模。其應用范圍包括制造業、快速成型及復制。

　　圖九：Metris三座標手臂及手提式激光掃描儀MMD

　　Metris LC60D測頭的應用與Metris MMD相似，主要作為檢測及逆向工程之用，例如：渦輪葉片、鑄件、組裝件及工具和沖模的檢測。其它數字化的應用包括：在銑削機上的正數擬合及動態液體的計算（有限元素分析法）。

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

　　LC60D測頭使用方便，可以在所有的工業用物料上使用，而且預熱時間比較短。它的兼容性高，可以配合市場上各個著名品牌的三座標測量儀及便攜式設備一起使用。

　　圖十：Metris LC60D測頭

　　Luc Wens先生介紹了幾個應用案例。位于英國Tinsley的雙行高架急需進行鞏固工程。然而，工程師只能在一個十分封閉的空間進行測量。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堅固板。整個項目只用了1年的時間，掃描范圍卻高達4英哩。在費用方面，只用了10萬英鎊，比原先的計劃節省了4百萬英鎊。

　　瑞典Thule公司想減低牽引掛鉤的生產時間。由于收集每一臺車的底盤結構數模實在非常困難，所以他們向Metris尋求解決方案。因為車輛是租回來的，不方便進行噴漆，Metris建議使用MMD的ESP2功能，幫助提供精確的模型。只要把掃描數據輸進去Pro/ENGINEER軟件，就可以生成塑模。購買了MMD后，Thule公司的產品推出市場時間大大減少，由15至20周減少到9周。

　　江森自控（Johnson Controls）希望把汽車座位設計得更堅固，并且把掃描得到的數據留到以后的項目上使用。最后他們選擇了INOV8座位概念作為該項目的主題。首先他們利用Metris MM掃描汽車座位，整個過程只用了2.5小時而已。當他們發現采用傳統的零件包含在INOV8項目內需要重新設計，他們使用Metris關節臂加速設計改良時間，最后把設計數碼化。這個項目取得的成果得到江森自控在世界各地的分公司的認可，因此多家江森自控都購買了Metris MM掃描儀。

　　Metris光學便攜式三座標檢測系統在汽車生產及研發上的應用

　　4月10日的演講嘉賓是Metris業務發展經理（光學三座標測量儀）Luc Wens先生。他主要介紹Metris光學便攜式三座標檢測系統及其應用，尤其是在汽車業的應用。

　　Metris光學K系列三座標檢測系統以3個安裝在碳纖結構上的線性CCD攝像頭來跟蹤紅外線LED的位置。通過三角測量，可以很快計算出每個LED的三維位置。把LED安裝在手持式SpaceProbe針測頭或者K-Scan掃描儀上，用戶就可以測量部件某一點或者掃描部件的實際三維點數據。

　　圖片十一：Metris光學K600便攜式三座標檢測系統

　　在汽車研發及生產的階段都可以使用Metris光學K系列三座標檢測系統。在汽車生產方面，從焊接、涂裝機器人到最后組裝檢查，此系統都能幫上忙。檢查組裝線上的問題工作站上，Metris K600把LED置于白車身上，利用影像模式在每個工作站提取快照。然后與首個工作站作對比, 在問題工作站上的點云影像會出現異常誤差。Metris K600的特點是最多可同時使用1000個裝置。與激光跟蹤儀的數控測量對比，即使在移動當中亦不會構成影響其取得單一快照。其無線套裝允許測量過程中推車和白車身之間沒有任何接線約束。系統更可以在現場對工作站作更進一步的檢查。

　　在最后組裝檢查方面，Metris K600能測量縫隙和高低差和車門和車身密封條之間的縫隙。系統以K-Scan激光掃描頭進行縫隙和高低差的測量，然后利用Kube軟件作簡單分析。另外，系統使用雙重的動態基準對隱藏的密封縫隙作測量，第一組動態基準是對車體，而第二組動態基準是對已開啟的車門作測量。這兩組動態基準可抵消了在測量過程當中車體和車門的不穩定性和運動所造成的誤差 （按: 車體是浮于可壓縮的懸掛系統上, 車門則能作開合活動, 稍微的活動亦能造成測量上的誤差）, 同樣地, 當用戶測量閉合車門撞栓的位置時, 車門的活動亦可以動態基準抵消掉。

　　至于碰撞前后對關鍵點的檢查，主要針對三方面，包括：對車身周圍和內部作測量、隱藏的安全帶固定點及座椅的固定點。K600使用繞行套裝對全車作360度的檢測，其動態基準方便對車子內部作測量，而其無線套裝則能提供測量時的靈活性，加長桿配合萬向接頭對隱藏點作測量。

　　碰撞實驗進行前需要放置假人，確保其臀部, 頭部和膝蓋的位置與座椅對齊。Metris K600利用其手持式測針（手動）、LED發光點（三維）及六自由度的自定義測頭對假人作測量。首先把裝有三個LED的小測頭附在頭部、臀部和膝蓋， 系統的數位顯示裝置就能展示其實時位置。

　　在座椅強度測試方面，需要測試安全帶固定點是否符合規條，另外要以拉動人體模塊去模擬減速力。Metris K600以DMM2.5軟件去測量安全帶固定點的三維和六自由度位置，并同時以附加的ADC600同步控制箱去測量拉力。所獲得的數據會被用作電腦輔助設計的模擬認證。（如果需要更詳細的資料，請參考附件的案例）

　　目前，奧迪、BMW、福特、通用、現代、大眾、日產等汽車原始設備制造商也在使用Metris光學便攜式三座標檢測系統。博世、固特異輪胎、米其林及江森自控（Johnson Controls）等汽車部件供應商也是Metris的用戶。

　　圖十二：研討會現場