Pratt & Whitney

Een op CMM gebaseerd inspectieproces repliceren

InnovMetric Software bootst een op CMM gebaseerd inspectieproces na met behulp van een 3D-digitizer en PolyWorks^®

Vandaag de dag gebruiken fabrikanten in de auto- en lucht-/ruimtevaartindustrie tastende CMM-technologie voor de inspectie van onderdelen, gietstukken, matrijzen, enz. Dit inspectieproces heeft in de loop der tijd bewezen opmerkelijk nauwkeurig en betrouwbaar te zijn. Toch is het ook tijdrovend en relatief duur gebleken.

De opkomst en ontwikkeling van de 3D-digitalisatietechnologie heeft onlangs de deur geopend voor vele nieuwe toepassingen in de auto- en lucht-/ruimtevaartindustrie. De nieuwste baanbrekende innovatie in de wereld van inspecties en kwaliteitscontrole is de mogelijkheid om een reeks metingen, die traditioneel verkregen worden met verschillende gereedschappen zoals fysieke meters en CMM's, te repliceren met behulp van een 3D-digitizer en puntenwolk-inspectiesoftware met hoge dichtheid.

Sinds 2000 levert InnovMetric Software PolyWorks|Inspector™, een krachtige softwareoplossing die puntenwolken met hoge dichtheid gebruikt om de kwaliteit van gietstukken/dieptes/mallen te controleren en om productieprocessen goed te keuren via de inspectie van prototypes, eerste onderdelen, vervaardigde en gemonteerde onderdelen. PolyWorks|Inspector biedt een complete gereedschapsset voor het vergelijken van vormen en profielen (onderdeel-naar-onderdeel en onderdeel-naar-CAD), en omvat complete GD&T-analysemogelijkheden, evenals een breed scala aan 'zachte' meetgereedschappen (lineair, radius, flush & gap, dikte, enz.).

De uitdaging

InnovMetric werd door de toonaangevende fabrikant van straalmotoren Pratt & Whitney Canada gevraagd om een traditionele onderdeelinspectie na te bootsen met behulp van PolyWorks en een 3D-digitizer in plaats van een traditionele coördinatenmeetmachine (CMM). De applicatie-engineers van InnovMetric voerden samen met het ontwikkelingsteam van Pratt & Whitney Canada een typische inspectie van een diffusorpijp uit om de kwaliteit van de met PolyWorks verkregen resultaten te evalueren en deze te vergelijken met de resultaten verkregen met een CMM. Het experiment toonde met succes aan dat PolyWorks nauwkeurige resultaten kan leveren in een fractie van de tijd van een regulier proces op basis van tastertechniek.

De oplossing

Voor deze specifieke test werd een typische inspectie met de PolyWorks|Inspector-softwareoplossing uitgevoerd op een diffusorpijp (een onderdeel in een straalmotor dat lucht onder druk van het compressiesysteem naar de verbrandingskamer brengt). "PolyWorks werkt als een virtuele CMM die punten aftast op de puntenwolk in plaats van op het fysieke onderdeel. Met deze aanpak kunnen de specialisten op het gebied van kwaliteitscontrole tienduizenden punten verzamelen en hun analyse baseren op een rijkere en completere informatiebron", aldus Marc Soucy, President van InnovMetric Software Inc.

De test werd in de volgende vijf stappen uitgevoerd:

A) Gegevensacquisitie

Stap 1 De gegevens verkrijgen 

De diffusorpijp werd gedigitaliseerd met een 3D-digitizer. Er werd een puntenwolk met hoge dichtheid verkregen, die een rijke bron van informatie vormt voor specialisten op het gebied van kwaliteitscontrole.

B) De puntenwolk verwerken met PolyWorks

Stap 2 Eerste uitlijning en globale vergelijking 

• De puntenwolk die verkregen is met de digitizer wordt uitgelijnd op het CAD-model met behulp van een globale best-fit-uitlijningsmethode.
• De puntenwolk en het CAD-model worden vergeleken om afwijkingen tussen punten en CAD te verkrijgen en een goedkeurings-/afkeuringsrapporten te genereren.

Stap 3 Tweede uitlijning

Om de CMM-uitlijning na te bootsen, wordt een 3-2-1-uitlijning uitgevoerd met specifieke kenmerken (vlak, vector en oorsprongspunt) uit drie dwarsdoorsneden.

Stap 4 Meten en vergelijken

Er worden GD&T-programmeertechnieken en doorsnedeanalyse gebruikt om vierdimensionale metingen op 16 doorsneden te verkrijgen:

• Oppervlaktemeting (van dwarsdoorsneden)
• Boogverplaatsing (GD&T)
• N-hoek (GD&T)
• Max. afwijking (van doorsneden)

Stap 5 Rapportgeneratie

Er wordt een compleet rapport met kleurenkaarten, spreadsheets en snapshots met aantekeningen gegenereerd. Het rapport wordt vervolgens geëxporteerd in verschillende bestandsformaten, waaronder ASCII, AVI, Excel, HTML, VRML en Word.

PolyWorks|Inspector™ verminderde de inspectietijd van een diffusorpijp met meer dan 75%, terwijl de nauwkeurigheid en precisie van een traditionele CMM behouden bleef!!

De voordelen

De meest opvallende kenmerken van PolyWorks voor dit experiment:

• Analyse van dwarsdoorsneden 
  
  Globale vergelijking tussen gedigitaliseerde punten en een CAD-oppervlak is een krachtig hulpmiddel om complexe vervormingen te visualiseren die door fabricageprocessen worden geïntroduceerd. In de meeste gevallen is een globale kleurenkaart echter onvoldoende om een onderdeel te accepteren/verwerpen, omdat de functie van een onderdeel meestal afhangt van een lijst met specifieke afmetingen. In het geval van de diffusorpijp is de evolutie van de dwarsdoorsnede langs de middellijn van de pijp de meest kritieke eigenschap die bepaalt of het onderdeel al dan niet aanvaardbaar is. Veel acceptabele diffusorpijpen zouden onnodig afgekeurd kunnen worden als een globale punt-naar-CAD-afwijking het enige criterium zou zijn dat in het inspectieproces in aanmerking wordt genomen. 
   
• Geometrische dimensionerings- en tolerantieanalyse (vorm- en plaatstoleranties) 
  
  Een uniek aspect van PolyWorks|Inspector is het op kenmerken gebaseerde meetproces waarbij elke geprogrammeerde meting zijn eigen, door de gebruiker gedefinieerde toleranties heeft. In dit project worden de GD&T-tools van PolyWorks|Inspector gebruikt om relaties te definiëren tussen nominale CAD-kenmerken, de metingen die gedaan moeten worden en specifieke toleranties voor elke meting. GD&T-objecten berekenen automatisch echte afmetingen op de puntenwolk en er worden intelligente, op toleranties gebaseerde goedkeurings-/afkeuringsrapporten gegenereerd. 
   
• Krachtige macro-programmeertaal 
  
  Het analyseren van gegevens die verkregen zijn met de CMM is meestal een tijdrovende klus. Om de verschillende metingen te verkrijgen, worden de gegevens in verschillende software geladen en moeten andere bewerkingen handmatig worden uitgevoerd. Elke bewerking moet voor elk nieuw onderdeel herhaald worden. 
  
  Met PolyWorks kan een reeks metingen automatisch worden uitgevoerd met behulp van de geavanceerde macroprogrammeertaal. Voor dit specifieke experiment had een van de applicatie-engineers van InnovMetric minder dan twee dagen nodig om macro's te ontwikkelen om het hele inspectieproces te automatiseren. Hierdoor konden engineers een volledige puntenwolkinspectie uitvoeren, van de eerste uitlijning tot het genereren van volledige rapporten, in minder dan 3 minuten, met slechts één muisklik.

Conclusie

Op basis van de 10%-regel zijn de voorlopige resultaten acceptabel, omdat het verschil tussen de scannerresultaten en de CMM-resultaten minder dan 10% van de tolerantiewaarde van het onderdeel is. Er kan nu een R&R-test (herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid) worden uitgevoerd om deze resultaten verder te valideren.