非接触量测系统 – CAV检测应用

前言

现在的产品越来越讲究造型化与多样化,更以个性化来博取消费者欢心,这对于检测工程是极大的挑战与负担,对于着重于造型炫丽产品精度的掌握更是困难重重,因为目前市面上主要的检测工作大多以接触式的量测方式进行检测,有的需制作精密的检具,有些则需设计治具来定位,再以CMM三坐标进行量测,执行都相当的繁琐,得准备相当复杂的前置工作。以治具制作为例,从治具结构设计、产品的夹持固定方式、材质的选用、加工方法、定位校准,然后让量测物的位置与CAD Model能够一致,再以探针一一点取各个尺寸,将其填入品检表中,执行起来相当的耗时,而未来追溯检讨质量时,从报表的数据上又难以辨认问题。在情急之下,很多企业更省去了检测的步骤或降低量测次数,来争取出货的时间,更有人摆着昂贵的三坐标量床只为提供ISO稽核用,实在是企业主们心中的痛。

有鉴于此,以色彩呈现全尺寸精度的CAV三维检测软件规范于是诞生,且被快速广泛应用于全球3C、汽车大厂等企业,这几年中飞快的向供应链上下游推展开来,它改变了过去质量检验的方法,以快速扫描的技术将量测对象逆向工程扫描成密集的点云数据,再以操作便捷的比对软件进行自动分析,然后以不同的颜色显示整个工件的误差值,让人一目了然及时掌握质量状态,并自动产生报表,达到完全产品检测的效果。

何谓CAV检测

CAV原义是Computer Aided Verification ,即计算机辅助验证,主要是将实体成品以逆向工程扫描的方式,将其做成计算机可以读取的数据格式(Scan Data),再将Scan Data与原始3D设计图(CAD Data)依检验需求做精确的重迭与对位,进而查看其各部分的尺寸误差,是一种全尺寸比对的方式,一般称之为全域检验。

应用领域域

汽车、航空行业:

世界上绝大多数汽车制造商都很注意在其产品的后期检测上运用优良的CAV系统。因为一套良好的CAV三维检测软件能够在短时间内,准确的完成对其产品检测。

不光是在产品的后期检测上,在产品设计过程中也可以将设计样品的Scan Data和CAD Date进行对比,这样可以很快的检测到产品设计过程中的偏差,这样可以及时的改进产品。

由此可见,一套优良的CAV系统的确可以为设计部门以及制造商节约大量的时间、人力和财力,从而使得自己的产品在市场更有竞争力。

正如前面所提到的,CAV一般是有软硬件共同构成的,Polyworks就是CAV系统中软件部分的佼佼者。Polyworks以其快速和准确的检验质量不断的占领越来越大的市场,当前主要的汽车企业Porsche、BMW、Audi、Mercedes-Benz、Volkswagen、Ford、GM、Rolls-Royce、HONDA、RENAULT、HYUNDAI、SUBARU、NISSAN、OPEL等等所使用CAV系统的中所用的软件部分都是以Polyworks作为核心。

而且在其它一些比如摩托车,电器甚至是飞行器等的制造行业中一样有很多顶尖企业使用Polyworks作为其快速检测系统的核心,比如GE、HARLEY-DAVISON、YAMAHA、Hitachi等等。值得一提的是对于精度要求特别高的航天国防事业,如:NASA , Lockheed Martin(著名战斗机生产商洛克希德.马丁,主要产品包括F-22,长弓阿帕契武装直升机以及第四代战斗机LIGHTING2),以及两大客机巨头BOEING(波音)、AIRBUS(空中巴士),都已经建立了以Polyworks为中心的快速检测系统。

手机与产品:

与汽车行业一样,手机及其它3C产品的生产以及设计过程中都有很多地方可以用到CAV系统,尤其是在手机外壳的部分,手机外壳内表面上的一些小的细节特征与CAD Data的偏差用肉眼或者其它检测手段是很难被发现的,而引入Polyworks为核心的CAV系统以后就很容易检测出来,Polyworks的检测精度及检测速度在此过程中得到了很好的体现,正如我们所知道的一样,Polyworks在各个手机生产商中的使用率是很高的,MISUBISHI、SIEMENS、ASUS等3C大厂都已经使用Polyworks来检测自己的产品。

非接触式光学3D扫描

世界上有很多种非接触式量测设备,如光学式、激光、超音波等等…….ATOS非接触式3D扫描< title="儀">仪是由德国的Gom ( Gesellschaft für Optische Messtechnik mbH )所设计及生产。而ATOS 主要是由:测头、控制器、PC及脚架,所构成。 Gom在1990成立,迄今已有17年的时间,在欧洲地区已有6个分公司,全球超过30个经销据点。目前已安装超过1500套,广泛的被应用在各不同领域,例如:航天、汽车,3C产业…等。

             

ATOS测头主要是由光栅投影设备及两个工业级的CCD Camera所构成,其原理就如同人类的眼睛,藉由光栅投影在待测物面上,并加以粗细变化及位移,配合CCD Camera将所撷取的数字影像透过计算机运算处理,即可得知待测物的3D外型。而依照不同型号的测头,单一比量测数据最多可从影像当中撷取出80万、140万及400万点。而单一笔的量测数据计算出来之后,藉由标签点来定位,经计算机运算后会自动定位回去,简单说就像3D的拼图一般,把一个对象完整的拼凑出来,当整个对象量测完成之后,所有的点群加总后便是真实物体的外形,再藉由运算产生出STL格式的数据。

高密度点云检测软件

在市面上有很多软件都标榜可以做高密度点数据的检测运算,INNOMETRIC这家公司是高密度点数据应用的发源者,成立于1994年,总部设在加拿大魁北克省,致力于高密度点数据各方面的应用,Polyworks就是他们所研发的软件,在2005年售出了3500多套lisence,其软件已经销售到了全世界30个国家。

而它能提供我们在检测方面哪些应用?

1.点数据前处理:有些激光量测系统是没有点数据运算网格化(Polygon)的功能,Polyworks能够运算并且将点数据优化。

2.定位:因为非接触式3D扫描仪是不需要置具,所以我们要在软件这端做对位的定义,让CAD与Scan Data作迭合的动 作。提供三种迭合的方式。

尚未定位的图档与点资料

 

 

软件可以依照产品形状,自动运算曲面与点数据对位,让两者误差值在最平均的位置。

 

利用圆心或者某参考点,来达成锁定物品的六个自由度。

 

<点线面>

利用CAD档上的点线面,做为定位的基准。

全域比对:利用颜色来显示误差量,让检测结果更容易判别。


剖面分析全域彩图

几何尺寸与产品分析:可以做GD&T(几何尺寸与公差)的运算、基本尺寸的量测、CPK分析、间隙与平滑度分析。

 

组装件间隙与平滑度分析:

制作报告:Polyworks逆向工程软件不仅可以做PDF之类的2D报告,也提供IMView这个免费的检视软件来做3D报告的浏览,可以做360度的翻转与放大缩小。弥补2D报告不清楚的地方,也可以在彩图上实时打点显示该处的误差为多少和基本尺寸的量测,方便同事间或者合作厂商的沟通。

与传统量测系统比较

在产品开发时,我们都会做产品的全尺寸检测,来确保产品是不是跟原始设计有所出入,来确保在量产之前把问题点找出来。传统的量测设备主要是使用三次元量测系统、投影式量测系统….等等,我们来做一个比较有何不同。 在產品開發時,我們都會做產品的全尺寸檢測,來確保產品是不是跟原始設計有所出入,來確保在量產之前把問題點找出來。傳統的量測設備主要是使用三次元量測系統、投影式量測系統….等等,我們來做一個比較有何不同。

时间上:

以手机前盖为例,使用非接触量测系统只需要一天就可以完成一件的检测,而传统量测系统要做全尺寸检测需要2~3天的时间,相较之下时间就减省了很多,绝大部分的公司都希望能在这里缩短时间,让产品能更快量产。

定位:

ATOS3D扫描仪量测时,产品是不需要特别做置具的,它可以做任意360度的翻转,而且可以量测临时中断换另外一件产品量测。定位的动作是在后续的软件做定位即可。

传统量测系统一定要另外订做产品的置具,而且要确定尺寸都量完才可以拿下置具,否则必须重新做定位的动作,在配置上较缺乏弹性。

检测报告的阅读:

非接触式量测报告的呈现会是一个全域性的彩图,可以很快的从颜色来判断产品的误差会是在哪,进而发现问题点。就算是非尺寸图上面的尺寸也可以看到误差量,不了解量测过程的人也可以很轻易的阅读。

传统量测系统的报告会是一堆拢长的数据,通常只有对检测细节很了解的人才能看懂报告,这样对沟通上会造成很多的不便。而且没有点测到的尺寸如果有问题也不容易发现。

克服传统量测的问题:

  • 自由曲面检测:传统量测系统可以做自由曲面量测,但是得花很多时间,而且得到的点数相对比ATOS3D扫描< id="result_box" lang="zh-CN">仪少很多,而且不是网格化的数据,ATOS只要短短几秒钟时间就可以得到一个密集点数据的曲面。
  • 断面图分析:不需要将产品切割就可以得到断面图的分析,并且可以避免切割时发生的变形量。
  • 尺寸的基准点:传统量测系统在量测必须放在检治具上面,导致有时候无法找到另一面的尺寸基准点,在量测出来的尺寸出现一个盲点。比如说手机外壳通常会以内侧的BOSS孔为基准点,在量测外观面时,内侧的基准点是没办法看到的。
  • 组装件分析:非接触式量测可以将量测完的SCAN DATA摆放至组装位置,跟图文件或者是另一件量测的SCAN DATA做组装检验,如组装件之间的间隙、平滑度、美工沟宽度….等等。
  • 肉厚分析:非接触式量测只要做完量测,做一个运算的指令,就可以知道整体的肉厚变化,一样用彩图的方式来做显示。
  • 在量测时,样品必须摆放在置具上,导致原有变形量已经被压平,所以无法看到原本自由状态时的变形。

探针的缺点:

  • 探针在点测时必须对检测物施加约80g的力量,这样会导致检测物有变形的疑虑,非接触式就不会有需要加压的需求。
  • 探针在点测平滑面时会有滑动的问题
  • 在量测细缝时,探针必须要保留回弹距离,所以探针再细小,还是需要0.2~0.3mm的回弹安全距离。

结语:

非接触式的检测逐渐成为现在CAV三维检测软件的趋势,不仅在效率上与沟通上提供了一个更方便的工具,世界上的各大厂商都已经将这样的检测系统导入这样的三维检测软件系统,如果您现在就有无法解答的检测问题,或许非接触式量测能帮您找出答案。


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