航空航天:航空航天制造业的非接触精密测量技术

国际金属加工网 2018年01月12日

对商用飞机市场的长期预测非常乐观。波音公司预计,在未来20年中,投入运营的新飞机将超过36,000架。空客公司的预测稍微保守一些,他们预计同一时期新增飞机的数量将超过31,000架。对于那些大量生产飞机及其零部件的制造商来说,这些预测结果意味着新的挑战和机遇。

尤为迫切的是,航空航天制造商一直在寻求能实现更大尺度测量、受限或非瞄准线测量以及自动化测量的检测设备。对于这些正在努力提高产量的制造商来说,非接触测量技术是唯一适合应对其面临的诸多挑战的手段。该技术除了能快速获取更多数据点以外(尤其在检测较大的表面时),而且更容易实现自动化测量,这意味着可以减少对熟练技工的依赖。

测量范围更大的激光跟踪仪

在过去20年中,飞机机身制造商一直在使用激光跟踪仪。在这段时期,该技术获得了长足的发展。例如,FARO公司最新版本的Vantage激光跟踪仪的尺寸和重量比以前的版本减少了25%。这使它可以方便地装进一个背包中,并且可以放在客机的行李架上。激光跟踪系统的激光器安装在精密常平架中,它发射的激光束经过球面安装的反射靶镜(SMR)的反射,即可确定与SMR的距离。然后,可将测量点与其CAD模型进行比对。Vantage激光跟踪仪可对机翼或机身上的数据点进行测量,其覆盖范围可达160m,在5m长度内的测量精度可达18µm(ASMEB89.4.19)。

图1FARO的Vantage激光跟踪仪为NASA最近发射的“猎户座”太空船的火箭助推器提供测量支持

虽然激光跟踪仪非常有用(尤其对于飞机大型零部件的测量),但也存在一些局限性。由于只能测量激光瞄准线内的区域,因此以基座为原点的激光跟踪仪只能实现3个自由度(DOF)的测量。为弥补这种不足,测量行业开发了由两台测量设备构成的6自由度测量系统(如FAROTrackArm系统)。FARO公司通过在其Edge、Prime或Fusion型便携式关节臂测量机上贴附一个反射靶镜,将这些接触式CMM与Vantage激光跟踪仪组合到一起。通过功能组合,TrackArm系统将激光跟踪仪升级为6自由度测头,使用户可在FaroArm关节臂测量机与Vantage激光跟踪仪之间任意切换,从而实现对隐蔽点、转角、内孔等工件特征的测量。”由于所有被测点都处于同一坐标系中,因此也可与CAD模型进行比对。在该组合式测量系统中,激光跟踪仪的测量精度为0.035mm,测量范围为70.1m;关节臂测量机的测量精度为0.013mm,测量范围为0.3m。

FARO公司的ScanArmHD扫描装置主要用于小型零件及表面的非接触测量。该装置采用激光线性测头,扫描速度可达每秒56万个测量点。在1.8m的空间测量范围内,其测量精度为34µm(ASMEB89.4.22)。由于采用蓝色线性激光,提高了测量的信噪比,LED测距仪采用的新型十字准线则提高了其易用性。

非接触式测量附件

除了瞄准线的限制以外,用激光跟踪仪进行测量还存在其他一些问题。用反射靶镜(SMR)进行测量面临诸多困难,如用SMR本身无法测量一些复杂几何形状或小孔。虽然也有办法完成这些复杂的测量任务,但需要借助一些转换装置,而且对操作者的检测技能要求很高。为此,海克斯康的应对措施是开发了一种带有一串LED灯的手持式测头,并用激光跟踪仪中内置的专用摄像机对其进行测量。该公司的AbsoluteTracker激光跟踪仪利用这种手持设备(而无需使用便携式关节臂CMM),即可实现复杂的6自由度测量。该公司的第一代激光跟踪仪采用的是接触式测头,后来升级为手持式激光线形扫描测头,最新一代的测头是由旗下Leica公司开发的T-Scan5三维激光扫描测头,其典型测量精度为±30µm,数据采集速度可达每秒21万个测量点,测量深度可达200mm,扫描宽度为100mm。

关于T-Scan5测头的开发,海克斯康早在十多年前就预见到了非接触测量的良好前景。毕竟,使用反射靶镜(SMR)是一种接触测量方式。SMR需要在工件表面上移动,随着碳纤维增强塑料(CFRP)在飞机上的使用日益增多,其工件表面也越来越精细。将作为SMR的钢球在工件表面拖来拖去可能不是一种理想的解决方案。

与T-Scan5测头配套使用的激光跟踪仪过去需要在仪器顶部加装摄像装置,用于跟踪手持式测头(Martin将其称为T-CAM)。而海克斯康最新开发的AT960激光跟踪仪则将所有用于实现6自由度测量的设备都组合在一个尺寸更小、携带更方便的附件包中。该附件包具有可移植性和完备的无线功能,可进行IP54认证,并可选配热插拔电池。AT960把与T-Scan5测头配套测量所需的所有硬件都集成到一个更小、更耐用的测量单元中。为了实现自动化测量,海克斯康提供了T-Scan5测头和由Leica公司开发的、可安装在机器人或其他自动化设备上的T-Mac测量单元。

图2海克斯康的T-Scan5激光扫描测头可与激光跟踪仪(如新开发的AT960)配套使用,以更快的速度和更好的易用性实现6自由度测量

易用性是海克斯康希望达成的首要目标。对于AT960和T-Scan5组合测量系统,开发重点是提高其易用性,使任何生产人员都能操作设备轻松地完成测量。过去,为了获得理想的测量结果,操作者必须具有较高的专业素养,而我们希望任何人都能获得可靠的测量结果。

其他“两步(Two-Step)”测量解决方案

加拿大测量技术提供商Creaform公司也为用户提供各种非接触测量解决方案,其中包括激光扫描和白光测量系统。据该公司产品经理Jérôme-AlexandreLavoie介绍,航空航天制造业对一种由MetraSCAN三维扫描仪和与其配套的C-track双摄像头传感器组成的6自由度测量系统特别感兴趣。在单独使用时,C-Track的功能与激光跟踪仪类似,可通过贴附在工件和夹具上的反射靶镜(看起来就像圆形的靶子贴纸)实现三角定位测量。不过,与激光跟踪仪类似,C-Track也会受到瞄准线的限制。Creaform公司针对6自由度测量的解决方案是对MetraSCAN3D激光扫描仪进行跟踪测量。通过在其周围布置多个高反射率靶镜,C-Track就能锁定扫描仪的位置。该公司提供两种型号的手持式激光扫描仪,其中MetraSCAN70的激光扫描截面为70mm×70mm,MetraSCAN210的激光扫描截面为210mm×210mm。两种版本的数据采集速度均为每秒3.6万点;选用C-Track780传感器时,空间测量精度最高可达85µm(ASMEB89.4.22)。由于该测量系统的坐标系固定在工件上(而不是外部原点上),因此其具有自动校准和动态比对功能。

这种测量技术对振动或热梯度并不敏感。在对尺寸范围1—10m的零件进行测量时,不会因振动而影响测量结果。他说,“对于尺寸大于3m的被测工件,C-Track可以很容易地沿着工件移动,而测量系统可在每次测量中实时计算扫描仪与工件的位置关系,并消除振动引起的精度损失。”利用该公司开发的C-Link功能,这些扫描仪还能对同一参照系中最多4台不同的C-Track780传感器进行同步测量。在测量大型和/或复杂零件时,同时使用多台C-Tracks可使测量更为方便,因为这样就无需用一台C-Track对工件进行移动扫描。

自动化测量是另一个重要的发展趋势。为此,Creaform公司推出了安装MetraSCAN激光扫描仪的测量机器人MetraSCAN-R。这种机器人也有扫描范围70mm或210mm两种版本,并能达到85µm的测量精度(ASMEB89.4.22),也能在同一参照系中使用多达4个C-Track780进行动态比对测量。

图4安装在机器人上的MetraSCAN-R激光跟踪仪可实现6自由度的自动化测量

另一家激光追踪仪供应商API公司可提供Radian型和更新、便携性更好的Omnitrac2型激光追踪仪。与其他供应商一样,API也提供了使用其I-360手持设备实现6自由度测量的解决方案。该方案有两种版本:使用接触式无线测头的I-ProbeWireless系统和使用非接触式激光线性扫描仪的I-ScanII系统。这种激光扫描仪的测量精度最高可达100µm/7m,到激光跟踪仪的测量距离可达80m。利用贴附在手持设备上的反射靶镜,可在激光跟踪仪的参照系中对其进行跟踪。I-360手持设备的独特功能之一是能实现偏转60°、翻滚360°的无限制定位测量。I-360每秒可采集数千个测量点的数据,并可将生成的数据点云与被测工件的CAD模型进行比对。

精密非接触测量是我们行业未来的发展趋势。在组装机翼、机身等大型零部件时,为了实现精确对准,就必须在大尺寸表面快速采集数百万个高精度数据点。他还指出,随着碳纤维增强塑料(CFRP)在飞机上的使用不断增加,需要采用新的方法来实现测量指导下的飞机组装。这不仅因为反射靶镜有可能在CFRP工件表面造成划痕,而且由于CFRP材料更容易挠曲变形,因此需要更快速、更精确地测量其配合表面之间的缝隙。对此,非接触测量是唯一可靠的测量方式。

为了推动非接触传感技术的发展,API公司最近推出了基于白光的空间关联立体视觉测量系统——RapidScan。这种便携式扫描仪可对各种反射表面进行快速扫描测量,并能检测边缘、孔和其他工件特征。API提供的RapidScan扫描仪有两种规格,使用时既可以安装在三脚架上,也可以安装在机器人或其它机床设备上。由于RapidScan采用了智能特征识别技术,因此无需在工件或夹具上放置标识物,以实现在参照系中的定位。RapidScan可利用高清摄像机确定自身位置,其数据采集速度超过每秒一百万个点。在API最近进行的测试中,该系统的总体精度<50µm,测试结果是在半实时测量条件下基于单次测量获得的。

小型零件和复杂形状的测量

非接触测量技术(如激光扫描测量仪)的另一个明显优势是能够检测具有复杂形状的零件。加拿大ShapeGrabber公司的计量型三维扫描测量仪的空间扫描范围可从一角硬币大小到一台小型冰箱那么大。这种扫描仪测量速度很快,使用非常方便,只需将被测零件放置在扫描仪的转台上(无需夹持在专用精密夹具上),即可自动旋转完成扫描测量,并可在大约两分钟内完成对一个复杂零件(如高度为76.2mm的涡轮叶片)的扫描测量。该扫描仪适合测量的典型航空零件还包括小型结构件和具有复杂内部结构的零件。ShapeGrabber的Ai310桌面型扫描测量系统在航空制造业的用户中颇受欢迎(虽然该公司也能提供规格较大的测量系统)。由于数据采集点的密度很高(通常可达每秒几百万个点),因此可以很容易地将测量结果与零件的三维CAD模型直接进行比对,而这正是越来越多的用户所要求的。此外,使用该系统不需要编程知识。第一次测量零件时,系统会自动记录其测量步骤。下一次再测量该零件时,操作者只需装上零件,即可按以前记录的步骤自动进行测量,并自动生成检测报告。

扫描空间范围和测量精度取决于所使用的扫描头。为了满足用户的不同需求,该公司可提供各种规格和精度的扫描头。精度最高的扫描头在50mm视场内的分辨力可达2µm;扫描空间最大的扫描头的视场范围达630mm,分辨力为40µm。该公司提供的精度值符合ISO10360-8国际标准。客户总是希望不断提高测量的速度和精度。更快的测量速度意味着更好的投资回报。虽然目前的测量精度可以满足大部分测量任务的要求,但随着3D扫描的应用日趋广泛,对测量精度的要求也越来越高。

尺寸测量设备的发展趋势是速度更快、便携性更好、更易于使用。目前,技术成熟的三坐标测量机(CMM)仍然占有50%—60%的市场份额。FrostandSullivan公司的研究表明,随着用户越来越多地选择测量速度更快的非传统光学、白光和激光扫描测量设备,尺寸测量设备的市场份额正在发生变化。这些新兴的测量技术也在不断改进。此外,许多用户都愿意牺牲一些精度,来换取更快的速度和更好的易用性。该公司还发现,二级和三级零部件供应商更愿意采用非接触测量技术。这些供应商对非接触测量解决方案的采用率更高,因为其具有更好的成本效益,可以为企业带来更高的价值。


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