Pneutronics

Rozwiązywanie problemów projektowych i produkcyjnych na wczesnym etapie

Geometryczna kontrola małych elementów za pomocą skanerów CT i systemu PolyWorks^®

Kontrola i analiza funkcjonalna małych elementów i zespołów formowanych wtryskowo wymagają zupełnie nowego sposobu myślenia. Obecnie stosuje się unikalne połączenie niekonwencjonalnych narzędzi sprzętowych i programowych, co daje lepsze i bardziej zrozumiałe wyniki podczas kontroli wymiarów małych i złożonych form geometrycznych. Niniejszy artykuł opisuje, w jaki sposób firma Bolton Works wykorzystała pakiet PolyWorks do wykonania wirtualnego zespołu z wykorzystaniem zeskanowanych komponentów i modeli CAD, umożliwiając specjalistom rozwiązywanie problemów projektowych i produkcyjnych na wczesnym etapie. Na przykładzie studium przypadku producenta miniaturowych zaworów i pomp, oddziału Pneutronics firmy Parker Hannifin, artykuł wyjaśnia również, w jaki sposób skanery CT mogą być wykorzystywane do efektywnego pomiaru małych elementów i wykonywania zadań dotyczących kontroli jakości, takich jak wymiarowanie i tolerowanie geometryczne.

Wyzwanie

Wraz z pojawieniem się lepszych narzędzi projektowych i materiałów, inżynierowie starają się uwzględnić wiele funkcji w formowanych wtryskowo częściach. Poprawia to ogólny koszt, czas montażu i niezawodność zespołu. Niestety, „kontaktowe” narzędzia pomiarowe, takie jak suwmiarki, przymiary czy współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) okazały się nieskuteczne w przypadku pomiarów małych komponentach (< 25 mm) z elementami mniejszymi niż 1 mm.

Oto kilka przyczyn tej sytuacji:

• Mechaniczne sondy dotykowe, ze względu na swoją bezwładność, posiadają granice prędkości, z jaką mogą pracować, a tym samym ograniczają liczbę próbkowanych punktów danych.
• Geometria tworzona przez użycie prowadnic i wkładek w formie wtryskowej często tworzy podcięcia, których nie można osiągnąć za pomocą konwencjonalnych narzędzi w jednym ustawieniu.
• Rozmiar sondy ogranicza wielkość elementów, które można zmierzyć.
• Maszyna współrzędnościowa musi być zaprogramowana jak obrabiarka CNC, tak by doprowadzić sondę do interesującego nas obszaru, omijając jednocześnie uchwyt, w którym znajduje się część.
• Mierniki, komparatory optyczne, mikroskopy itp. pracują w 2 wymiarach. Przyrządy te pracują w przekrojach planarnych i nie zapewniają informacji o tym, jak mierzone elementy odnoszą się do innych elementów w przestrzeni 3D, co jest główną wadą w przypadku konieczności zastosowania układu odniesienia.

Rozwiązanie

Wykorzystanie skanerów CT

Firma Pneutronics, oddział Parker Hannifin Corporation (Hollis, NH), projektuje i produkuje miniaturowe zawory elektromagnetyczne, miniaturowe pompy membranowe i rozwiązania systemowe do ważnych zastosowań w hydraulice. Linia zaworów Pneutronics obejmuje miniaturowe cyfrowe, proporcjonalne i wielomedialne zawory elektromagnetyczne o rozmiarach kryz od 0,003" do 0,250", które znajdują zastosowanie w licznych technologii medycznych i oprzyrządowaniu analitycznym.

W 2003 roku firma Pneutronics potrzebowała technologii, która pozwoliłaby na zbadanie zaworu w sposób nieniszczący. Produkt ten, XValve^®, to dwupozycyjny, trójdrożny miniaturowy zawór pneumatyczny (24 mm x 8 mm x 9 mm), który składa się z obudowy wykonanej z polimeru wypełnionego szkłem, rdzenia ze stali nierdzewnej, siłownika ze stali nierdzewnej, nurnika z uszczelnieniem elastomerowym oraz cewki.

Możliwość mierzenia zarówno elementów z tworzywa sztucznego, jak i gumy silikonowej, była istotnym kryterium przy podejmowaniu decyzji o wyborze technologii. Inżynier ds. rozwoju w Pneutronics, Drew Brenner, przeanalizował wiele opcji, zanim skorzystał z usług skanowania CT Bolton Works, by wygenerować kompletny „cyfrowy” raport z procesu pomiarowego.

Projekty inspekcji

1) Digitalizacja części

By pracować z mieszanką materiałów obecnych w zespole X-Valve, Bolton Works rozpoczęła od osobnego zeskanowania (niebieskiej) plastikowej obudowy, co pozwoliło uzyskać zbiór danych składający się z 1500 obrazów o odległości między obrazami 20 μm. Całkowity rozmiar zbioru danych obrazowych to 1,8 gigabajta. Z tego zbioru obrazów utworzono model chmury punktów 3D składający się z około 6 milionów punktów danych.

Korzyści:

• Korzyści z próbkowania tak wielu punktów danych są znaczące, szczególnie w porównaniu z tradycyjnymi technikami pomiarowymi.
• Dzięki jednemu skanowaniu CT firma Pneutronics zdobyła wszystkie dane potrzebne do sprawdzenia zaworu, eliminując czas potrzebny na dodatkowe skanowanie w celu dokonania nowych pomiarów.
• Co więcej, duża liczba punktów danych znacznie poprawiła precyzję i szczegółowość modelu, co przełożyło się na dokładniejsze dane projektowe i pełniejszą analizę produktu.

2) Porównanie z CAD

Po zeskanowaniu i wygenerowaniu modelu 3D, chmurę punktów wyrównano z trójwymiarowym modelem CAD przy użyciu ogólnej metody najlepszego dopasowania. Oprogramowanie porównuje każdy punkt chmury punktów z informacjami o powierzchni CAD, rejestruje odchylenia i wyświetla je na mapie kolorów.

3) Wymiarowanie geometryczne i analiza tolerancji

Program PolyWorks umożliwił firmie Pneutronics wykonanie wymiarowania geometrycznego i przeanalizowanie tolerancji (GD&T) oraz skuteczne opracowanie standardu rysunku mechanicznego poprzez zdefiniowanie układu współrzędnych odniesienia dla zespołu. Wykorzystuje on model 3D CAD i automatycznie wyodrębnia z chmury punktów elementy, takie jak płaszczyzny, cylindry i stożki. W celu określenia płaszczyzn odniesienia dla zaworu pneumatycznego zidentyfikowano płaszczyznę w modelu 3D CAD. Następnie PolyWorks wyodrębnił odpowiednią płaszczyznę z chmury punktów, wykorzystując punkty otaczające tę cechę CAD w odległości 0,25 mm. Ponadto wykluczył punkty, których normalne nie mieściły się w granicach 20 stopni tolerancji pasma normalnej powierzchni. Dzięki temu procesowi filtrowania z milionów zeskanowanych punktów danych udało się utworzyć poprawny układ odniesienia. Początkowe najlepsze dopasowanie służy więc tylko do wyrównania punktów na tyle blisko, aby program mógł znaleźć punkty tworzące układ odniesienia i inne cechy.

Na rysunku pokazano wzajemne stosunki wyodrębnionych układów odniesienia, walców, płaszczyzn itp. Na rysunku określono tolerancje z maksymalnymi/minimalnymi warunkami materiałowymi. Relacje te wprowadza się do oprogramowania PolyWorks. Jest to istotne, ponieważ jeśli rysunek określa, że walec powinien być umieszczony w układzie odniesienia A, B i C, oprogramowanie powinno wirtualnie wyrównać chmurę punktów zgodnie z tym warunkiem. Po wyodrębnieniu pożądanych cech i porównaniu z rysunkiem, informacje zapisuje się w formacie Excel dla celów dokumentacyjnych.

4) Wirtualny montaż

Firma Pneutronics chciała poprawić określone parametry pracy X-valve i potrzebowała dokładnego raportu GD&T wskazującego aktualny stan najważniejszych wymiarów. Brenner postanowił ocenić współpracy elementów ze stali nierdzewnej i gumy z plastikową obudową. Zespół zaworu składa się z elementów z różnych materiałów, w tym z tworzywa sztucznego, gumy, stali nierdzewnej i miedzianego okablowania. Wszystkie te materiały mają różną gęstość, co oznacza, że dla każdego składnika skaner CT musiał zastosować inne poziomy energii. Segmentowanie materiałów do osobnego skanowania, a następnie próba ich rekonstrukcji w dokładny model były niewykonalne. Zdecydowano się na zastosowanie innego podejścia w celu wizualizacji zespołu.

Cylindryczne elementy ze stali nierdzewnej zmierzono za pomocą konwencjonalnych narzędzi, takich jak komparatory i suwmiarki. Po potwierdzeniu, że mieszczą się one w granicach tolerancji, części złożono wirtualnie w programie PolyWorks przy użyciu modeli CAD nierdzewnych walców i gumowego zaworu, a następnie nałożone je w 3D na zeskanowane dane obudowy.

Wirtualny zespół pozwolił zatwierdzić projekt pod względem geometrycznym i potwierdził, że zawór powinien zamykać się zgodnie z założeniem. Ponieważ projekt został zatwierdzony, badanie skupiło się na procesie montażu.

Do wizualizacji tylko elementów metalowych użyto skanera CT o wyższym napięciu. Skany wykazały, że gdy siłownik był wciśnięty w obudowę, mógł się wysuwać z osi. Konieczna była zatem zmiana procesu montażu.

Kontrola geometryczna i wirtualny montaż miały kluczowe znaczenie dla zrozumienia współpracy komponentów i pozwoliły firmie Pneutronics skoncentrować się na procesie montażu, a nie na procesie projektowania, tak by ulepszyć zawór.

Automatyzacja i raportowanie

PolyWorks oferuje potężny język skryptowy, który umożliwia specjalistom automatyzację zadań dotyczących inspekcji. Wszystkie zadania opisane wcześniej w tym artykule można zautomatyzować i wykonać jednym kliknięciem myszy. To tylko kwestia wczytania kolejnej chmury punktów i wprowadzenia wyników do arkusza kalkulacyjnego Excel lub przesłania na serwer WWW w formacie HTML. Ten poziom automatyzacji jest szczególnie pomocny przy inspekcji narzędzi wielogniazdowych. Bolton Works używa PolyWorks od 2003 roku do automatycznego tworzenia raportów z inspekcji na podstawie danych z tomografii komputerowej.

Korzyści

Jak widać po wynikach Pneutronics, tomografia komputerowa okazała się być opłacalnym sposobem wdrożenia procesu inspekcji miniaturowych zaworów. Zastosowanie tradycyjnych narzędzi pomiaru „dotykowego” okazało się trudne. Zastosowanie skanera CT w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem pozwoliło firmie Pneutronics na stworzenie kompletnego procesu inspekcji cyfrowej, mającego zastosowanie w różnych fazach procesu produkcyjnego (projekt, prototyp, produkcja, montaż). Taka metoda inspekcji okazała się bardzo skuteczna przy zatwierdzaniu części poprzez ogólne analizy, pomiary GD&T oraz wirtualny montaż.

PolyWorks z różnych przyczyn okazał się najlepszym narzędziem do obsługi danych ze skanera CT:

• PolyWorks świetnie radzi sobie z dużymi zbiorami danych (2 GB) wytwarzanymi przez skanery CT.
• PolyWorks oferuje natychmiastową kompleksową analizę poprzez porównanie danych z CAD.
• PolyWorks posiada unikalny wbudowany silnik GD&T do weryfikacji zgodności części z najnowszymi normami (ASME Y14.5M-1994).
• PolyWorks umożliwia użytkownikom „wirtualne zmontowanie” zeskanowanych danych z modelami CAD.
• PolyWorks oferuje potężny język skryptowy do automatyzacji procesów inspekcji.

Skanery CT wymagają znacznych inwestycji. Oferując tomografię komputerową jako usługę, firma Bolton Works sprawiła, że technologia ta jest przystępna cenowo i pozwala klientom wykonywać analizy u siebie, na podstawie chmury punktów i za pomocą oprogramowania PolyWorks.