Pneutronics

Решение проектных и производственных проблем на раннем этапе

Геометрическая проверка мелких компонентов с помощью компьютерных томографов и PolyWorks^®

Проверка и функциональный анализ небольших компонентов и узлов, изготовленных литьем под давлением, требуют совершенно нового способа мышления. Сегодня нетрадиционные аппаратные средства и программные инструменты используются в уникальной комбинации, что дает наиболее оптимальные и понятные результаты, когда проверка размеров выполняется на малых и сложных геометрических формах. В этой статье описывается, как Bolton Works использовал пакет PolyWorks для выполнения виртуальной сборки с использованием отсканированных компонентов и моделей CAD, что позволяет специалистам решать проблемы проектирования и производства на ранней стадии. На конкретном примере подразделения Pneutronics компании Parker Hannifin, производителя миниатюрных клапанов и насосов, в этой статье также объясняется, как можно использовать компьютерные томографы для эффективного измерения мелких деталей и выполнения различных задач контроля качества, таких как определение геометрических размеров и допусков.

Задача

С появлением более совершенных инструментов и материалов для проектирования инженеры стремятся интегрировать множество функций в детали, полученные литьем под давлением. Таким образом улучшаются общая стоимость, время сборки и ее надежность. К сожалению, как показывает опыт, «контактные» измерительные инструменты, такие как штангенциркуль, калибры или КИМ (координатно-измерительные машины), неэффективны при измерении небольших компонентов (< 25 мм) с размерами фигур менее 1 мм.  

На это есть несколько причин:

• Механические измерительные щупы из-за своей инерции ограничивают скорость, с которой с ними можно работать, и поэтому ограничивают количество точек данных, которые можно включить в выборку
• Геометрия, созданная с помощью планок и вставок в пресс-форме для литья под давлением, часто создает подрезания, к которым нельзя подобраться обычными инструментами за одну установку
• Размер щупа ограничивает размер фигур, которые можно измерить
• КИМ необходимо запрограммировать как станок с ЧПУ, чтобы датчик попадал в нужную область, избегая при этом приспособления, удерживающего деталь
• Калибры, оптические компараторы, микроскопы и т. д. работают в двух измерениях Эти инструменты работают в плоских сечениях и не предоставляют информацию о том, как измеренные фигуры соотносятся с другими фигурами в трехмерном пространстве, что является серьезным недостатком, когда необходимо использовать базовые точки

Решение

Переход к компьютерных томографам

Pneutronics, подразделение Parker Hannifin Corporation (Холлис, штат Нью-Хэмпшир), разрабатывает и производит миниатюрные электромагнитные клапаны, миниатюрные диафрагменные насосы и системные решения для критических жидкостных систем. Линейка клапанов Pneutronics включает миниатюрные цифровые, пропорциональные и мультимедийные соленоидные клапаны с размерами отверстий от 0,003 до 0,250 дюйма, которые используются в ряде медицинских технологий и аналитических приборов.

В 2003 году компания Pneutronics искала технологию, которая позволила бы ей проводить неразрушающий анализ клапана. Этот продукт, XValve®, представляет собой двухпозиционный трехходовой миниатюрный пневматический клапан (24 мм x 8 мм x 9 мм), который состоит из полимерного корпуса клапана, наполненного стекловолокном, сердечника из нержавеющей стали, привода из нержавеющей стали, плунжера с эластомерным уплотнением и соленоида.

Поиск решения, которое могло бы точно измерить как пластмассовые, так и силиконовые резиновые компоненты, было важным условием при выборе технологии. Инженер-разработчик Pneutronics Дрю Бреннер изучил множество вариантов, прежде чем обратиться в компанию Bolton Works и выбрать его компьютерный томограф для создания полного «цифрового» бумажного следа метрологического процесса. 

Процесс проверки

1) Оцифровка детали  

Чтобы работать со смесью материалов, присутствующих в сборке X-Valve, Bolton Works начала с отдельного сканирования (синего) пластикового корпуса, в результате чего был получен набор данных, состоящий из 1500 изображений с расстоянием между изображениями 20 мкм. Общий размер полученного набора данных изображений составил 1,8 гигабайта. Из этих изображений была создана трехмерная модель облака точек, состоящая примерно из 6 миллионов точек данных.

Преимущества:

• Преимущества выборки такого большого количества точек данных значительны, особенно по сравнению с традиционными методами измерения.
• С помощью одного компьютерного томографа Pneutronics получила все данные, необходимые для изучения клапана, что избавило ее от необходимости тратить время на дополнительное сканирование для получения новых измерений.
• Что наиболее важно, большое количество точек данных значительно улучшило точность и детализацию модели, что привело к более точным проектным данным и более полному анализу продукта.

2) Сравнение с CAD

После сканирования и создания 3D-модели набор данных облака точек был согласован с 3D-моделью CAD с использованием метода «оптимального совмещения». Программа сравнивает каждую точку в облаке точек с информацией о поверхности CAD, записывает отклонения и отображает их на цветной карте.

3) Геометрические размеры и допуски

Программное решение PolyWorks позволило Pneutronics определять геометрические размеры и допуски (GD&T), а также эффективно разрабатывать стандарт механических чертежей, определяя базовую систему координат для сборки на основе базовых точек. Оно использует 3D-модель CAD и автоматически извлекает примитивы, такие как плоскости, цилиндры и конусы, из облака точек. Чтобы определить базовые плоскости для пневматического клапана, была идентифицирована плоскость в 3D-модели CAD. Затем PolyWorks извлек соответствующую плоскость из облака точек, используя точки, окружающие эту фигуру CAD на расстоянии 0,25 мм. Кроме того, были исключены точки, нормали которых не находились в пределах 20-градусного допуска полосы нормали к поверхности. Благодаря этому процессу фильтрации из миллионов отсканированных точек данных были построены правильные базовые фигуры. Таким образом, изначальное оптимальное совмещение используется только для достаточно близкого выравнивания точек для того, чтобы программа могла найти точки, образующие базовые и другие фигуры.
 
На чертеже показано, как извлеченные базовые фигуры, цилиндры, плоскости и т. д. соотносятся друг с другом. На чертеже указаны допуски при максимальных/минимальных состояниях материала. Эти соотношения вводятся в программу проверки PolyWorks. Это важно, потому что, если на чертеже указано, что цилиндр должен быть расположен в базовых точках A, B и C, программа должна виртуально выровнять облако точек соответствующим образом. После извлечения желаемых фигур и сравнения с тем, что было определено на чертеже, информация выводится в формате Excel для целей документации.

4) Виртуальная сборка

Pneutronics хотела улучшить конкретные рабочие характеристики X-клапана и нуждалась в точном отчете GD&T, отражающем текущее состояние критических размеров. Бреннер решил оценить взаимодействие компонентов из нержавеющей стали и резины с пластиковым корпусом. Узел клапана состоит из компонентов, изготовленных из различных материалов, включая пластик, резину, нержавеющую сталь и медную проволоку. Все эти материалы имеют разную плотность, что означает, что при компьютерной томографии для каждого компонента должны были использоваться разные уровни энергии. Было невозможно сегментировать материалы для индивидуального сканирования, а затем пытаться реконструировать их в точную модель. Было решено применить другой подход к визуализации сборки.

Цилиндрические детали из нержавеющей стали были измерены с помощью обычных инструментов, таких как компараторы и штангенциркуль. После подтверждения того, что они находятся в пределах допуска, деталь была виртуально собрана в PolyWorks с использованием CAD-моделей цилиндров из нержавеющей стали и резинового клапана, а затем на них были наложены в 3D отсканированные данные корпуса.

Виртуальная сборка проверила геометрическую конструкцию и подтвердила, что клапан будет закрываться должным образом. Поскольку проект был утвержден, исследование было сосредоточено на процессе сборки.

Компьютерный томограф с более высоким напряжением использовался для визуализации только металлических компонентов. Сканирование показало, что когда привод был вдавлен в корпус, он мог сместиться. Поэтому требовалось пересмотреть процесс сборки.

Геометрическая проверка и виртуальная сборка сыграли важную роль в понимании взаимодействия компонентов и позволили Pneutronics сосредоточиться на процессе сборки, а не на процессе проектирования для улучшения клапана.

Автоматизация и отчеты

PolyWorks предлагает мощный язык скриптов, который позволяет специалистам автоматизировать все задачи проверки. Все задачи, ранее обсуждавшиеся в этой статье, можно автоматизировать и выполнить одним щелчком мыши. Это просто вопрос загрузки следующего облака точек и вывода результатов в электронную таблицу Excel или их выгрузки на веб-сервер в формате HTML. Этот уровень автоматизации особенно полезен при проверке многополостных инструментов. Bolton Works использует PolyWorks для автоматического создания отчетов о проверках на основе данных компьютерной томографии с 2003 года.

Преимущества

Как показали результаты компании Pneutronics, компьютерная томография оказалась экономически эффективным способом реализации рентабельного процесса проверки миниатюрных клапанов. Использование традиционных «контактных» инструментов измерения, как показывает практика, является сложным процессом. Использование компьютерного томографа в сочетании с правильными программными средствами позволило Pneutronics наладить полный процесс цифровой проверки, применимый на различных этапах производственного процесса (проектирование, прототип, производство и сборка). Этот метод проверки оказался очень эффективным при подтверждении деталей посредством глобального анализа, измерений GD&T и виртуальной сборки.
 
PolyWorks оказался наиболее подходящим инструментом для обработки данных компьютерного томографа по разным причинам:

• PolyWorks очень эффективно обрабатывает большие наборы данных (2 ГБ), полученных компьютерными томографами
• PolyWorks предлагает мгновенный глобальный анализ путем сравнения данных с CAD
• PolyWorks имеет уникальную встроенную платформу GD&T, позволяющую проверять соответствие деталей стандартам ASME Y14.5M-1994
• PolyWorks позволяет пользователям «виртуально собирать» отсканированные данные с помощью моделей CAD
• PolyWorks предлагает мощный язык скриптов для автоматизации процессов проверки

Компьютерные томографы требуют значительных капиталовложений. Предлагая компьютерную томографию в качестве услуги, компания Bolton Works сделала эту технологию доступной и по-прежнему позволяет своим клиентам проводить анализ самостоятельно на основе облака точек при помощи программного решения PolyWorks.