Geomagic软件应用于叶片造型与检测

东方技术服务公司(Eastern Technical Services,简称ETS)通常面对的是单独的叶轮零部件,没有其他相关信息-没有任何与此相关的CAD模型、图纸、尺寸标识、公差或检验数据。

ETS由普惠公司(Pratt & Whitney)两位工程师于2000年在弗罗里达州Stuart创立。公司的最大客户为大型气轮使用者。这些客户依赖于ETS,包括已经生产的零件、定制设计和检测服务、和对产品生命周期管理的维护、维修和全面保养的工作流程定义等服务。

对于ETS及其客户来说,精确度是一个核心问题:航空部件承制商必须遵守联邦航空局的部件生产许可(PMA)过程,以保证生产的部件符合耐飞性标准。ETS将同样严格的要求应用到工业气轮部件,这些部件将为后续的配件市场的销售而被生产出来。

逆向工程和三维检测技术带来大飞跃

在过去的数年里,ETS通过将自身内部的工程专业技术与逆向工程和三维检测技术相结合激起了生产力的重大飞跃。

逆向工程和三维检测技术包含多种先进的技术。它可以通过硬件扫描和软件处理的方式,数字化采集实物对象并自动创建具有相关结构特征的精确3D模型,以用于设计、工程、检测和定制制造。数字信号处理( DSP )针对的是音频, 逆向工程和三维检测技术针对的是3D几何形状。

逆向工程和三维检测技术需要两个基本组成部分:3D扫描仪硬件用以采集点云数据,使用软件将点云数据处理转化为可用的数字化结果。在过去十年中,3D光学扫描仪制造商在技术方面所取得的进展是逆向工程和三维检测技术成为可能的第一步。以往,工程师只能采用手动采集数据,一次只能采集一个点。光学扫描仪的出现,使得我们只需要花费过去记录几个点的时间就能采集几百万的点。逆向工程和三维检测技术可以采集一个实物对象的整个限定的表面的相关数据,包括产品的特征、颜色、甚至纹理。

当然,除非能够很容易的将收集的点云数据处理成为下游用户在设计、工程分析、快速原型设计、制造和施工应用中所需的高质量的数字化模型,否则收集的几百万个点云几乎没有或者根本就没有价值。在这一处理过程中,软件将发挥关键作用。

通过Geomagic Studio软件生成一个单一的STL文件,该文件反映多次扫描所得到的零部件相关数据的平均值

应用Geomagic Studio软件将CAD模型的横截面做切片

更快的速度和更好的管理

从2000年至2004年中期,ETS每年大约数字化重构了10至12个机翼。根据逆向工程技术的高级技术带头人Scott T. McAfee的说法,在Capture3D的GOM ATOS 3D扫描仪和Geomagic软件广泛相结合的两年时间内,该公司已经完成了多达120个的数字化重构和检测项目。除了速度快外,ETS也已经从新的高水平的控制中受益,这直接关系到客户的质量 。

“我们可以做从数字重构到检测以及趋势分析的所有工作,这样既节约了时间,又保证了质量和一致性” McAfee表示 。”负责扫描的人可以同时在Geomagic Studio软件中处理采集的数据。使用Geomagic Qualify软件,我们能够做我们能做的一切来确保该模型代表了理想的实体部件。”

该处理过程会从ETS已经签约数字重构的同一部件的不同样品开始。这些样品能够为量化差异提供足够的数据,不会使得扫描和数据处理消耗过多的时间。

通过Atos扫描仪对样品零部件进行数字化采集,它利用一束白光投影光束投射在零件的表面上。零部件形状通过位于扫描仪传感器两侧的两个集成的相机进行采集。Atos软件可以在几秒钟之内计算出多达四百万个物点的精确的三维坐标。自动化使得工作更加轻松。

为了扫描得到整个模型的完整数据,需要通过Atos数次扫描模型的各个区域,并将各个区域的STL文件输入到Geomagic Studio软件中,它可以自动对各次扫描结果进行拼接对齐处理。通过色谱图可以生动地显示出各次扫描对齐过程的偏差,从而使偏差的辨认变得简单。

McAfee表示,“”数据集(Datasets)的自动对齐功能使操作变得更容易,而且这不需要任何特殊的技能。”

一旦数据通过Geomagic Studio软件对齐,ETS就会通过软件的自动工具修复STL数据、修整网格、并补洞。修整操作完成以后,紧跟着要计算出零部件相关数据的平均值,这是一个关键的步骤,该步骤可以去除异常值并生成一个能反映多次扫描所得平均值的单一的STL文件。

如果正在重建的零件是一个叶轮叶片,工程师可以通过Geomagic Studio软件计算出叶片的形心所在的轴。紧跟着就是将相关的数据对齐到发动机其他的部件使用的世界坐标系中。

使参数化设计更加完美

下一步的工作是一个被称作”混合建模”的过程,在这一过程中, 通过将Geomagic的特色功能与CAD软件相结合,建立一个参数模型。

传统的CAD通过定义2D或3D的实体结构序列来创造模型,被称为参数化建模(prescriptive modeling),CAD操作员通过指定实体的参数来控制正在建立的实体模型的形状,从而创造设计新的模型。

传统的CAD模型使得从无至有的建模过程更加便利,但在重新构造复杂曲面的过程中,该方法存在的缺陷就显现出来:它需要耗费大量的时间和精力,而且不能确保模型的精确性。在某些情况下,由于难以确定和量化控制物体形状的参数,我们几乎不可能通过以特征参数为基础的方法来重建曲面。

应用Geomagic Studio软件和CAD软件通过混合建模建立的叶轮叶片CAD模型

ETS采用Geomagic Blade软件提取叶轮叶片横截面的特征数据

混合建模提供了一种方案来解决传统CAD在重构复杂曲面时存在的缺陷。几何形状的基本参考数据-如相关基准、曲线和原始特征-可以通过三维扫描数据进行测量和提取。数据可以轻易的在CAD与Geomagic Studio软件之间传递,并对各个程序所获得的最佳结果进行取舍。

在Geomagic Studio软件内,ETS使用混合处理的方法将数字模型的横截面做平面截面或曲线截面切(Section),并把它输出为IGES的文件然后输入到CAD软件中,在这里,曲线将被放样以创建表面和实体的相关参数。

参数化模型将以一个IGES文件的形式输出,然后输入到Geomagic Qualify软件中,在这里通过CAD得到的表面将与通过扫描实物部件所得到的数据的平均值相比较。根据比较结果,曲线将在CAD中被修正,重构表面,并再次与扫描数据比较。这个过程将反复进行,直到CAD模型和扫描数据的匹配结果达到一个特定的公差范围内为止。

一旦CAD模型完成,ETS将使用用于检查叶轮叶片的专门软件即:Geomagic Qualify软件和Geomagic Blade软件,来确定尺寸。Blade软件将提取涡轮叶片横截面的具体特征参数-如LE半径,最大厚度和弦长。接着,Qualify软件将根据这些信息提供尺寸,以用于构建CAD模型。该完整的尺寸参数模型即可用于初步制造。

分析并报告趋势

在经过一个短期的生产制造以后,ETS将抽取百分之十的零件作为样品,并使用Geomagic Qualify软件进行首件检验并做出趋势分析。Qualify软件可以一次性的批量处理10个或10个以上的扫描数据。结果将以ETS在Qualify中定制的Microsoft Word模版报告的形式输出。Qualify提取这些结果,并自动生成Excel模板的趋势分析统计报告,一次生成40个或更多。免费的Geomagic Review软件主要用于趋势报告的内部共享和与未获得Studio 或 Qualify许可证的客户共享。

作为检测和质量控制流程的一部分,ETS将故障诊断纳入组合方案。例如,客户要求ETS检测一个具有很多扭转的涡轮叶片存在的问题,在制造模具之前,蜡模测试的结果是该模型会在凝固过程中变形。ETS 采用Geomagic Blade软件的2D扭曲分析功能确定各个截面部位的扭转和位移,然后计算出夹住蜡模并阻止蜡模变形所需的力的大小。

新的数据提取和趋势分析的能力,在许多ETS项目中也发挥了关键作用。

McAfee表示,“只要我们能够让样本零部件误差限制在所允许的公差范围内,我们通过报告的方式检测部件并进行趋势分析的能力,使我们能够验证维修工作符合要求、能评估PMA符合性并且能够保证质量”。

在过去,必须对每个样品的各个截面逐一进行数据提取和趋势分析,得出二维数据,然后将相关的尺寸汇编在一个电子表格里,最后做手工的趋势分析-这个过程序大约需要花费几个星期的时间。拥有了ATOS扫描仪和Geomagic Qualify软件,大量的采样工作可以在短短几天内自动处理完成。

超越逆向工程

逆向工程和三维检测技术和ETS的专业知识在实践中的应用已经远远超出了典型的逆向工程技术的范畴。不仅使顾客具备了复制有关的原始涡轮零件的能力,还使客户能够找出办法来改善现有的零件、消除制造异常、确保生产的同一零件的不同个体之间的一致性、以及为未来改进性能的设计方法变更的试验。

McAfee说:“除了复制,还有很多更有价值的东西值得我们去做。我们正在挖掘其应用深度,现在它已经包含了可用于为部件在寿命周期内提供持续改进的数据”。

如今,Geomagic Studio 10新增一个最新的Fashion做面模块,使曲面造型又有质的飞跃。此模块使用最新的生成曲面方法,做成的曲面质量更加光顺,而且可以自动或手动将模型中的各个曲面归类(平面、柱面和其他),使其含有CAD的特征。选取全部或部分的曲面进行处理,使用各种工具和参数控制曲面拟合,由平面、柱面、锥面、拉伸面、旋转面和自由形状曲面组合创建出单一缝合曲面,提取优化的轮廓曲线,使用检测选项、顺序察看命令或可视化工具分析曲面拟合结果,最终将轮廓曲线或准CAD曲面导出为IGES或STEP文件进行其他处理。


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