Pneutronics

在初期阶段解决设计和生产问题

利用CT-Scanners和PolyWorks^®.软件解决小零件的几何检测问题

 小型注模零件和总成的检测和功能分析需要全新的思路。当今，非传统软硬件的独特组合，对小的复杂的几何形体的三维检测产生了更好的更易于理解的结果。这篇文章讲述了Bolton Works怎样使用PolyWorks软件对扫描的零件和CAD模型进行虚拟装配，使专家能在开发先期处理设计和生产中产生的问题。通过ParkerHannifin的子公司Pneutronics检测微型阀泵的案例，这篇文章也解释了CT-scanners怎样用于有效测量小特征以及执行多种诸如形位公差的质量控制任务。

挑战

随着好的设计工具和材料的出现，工程师们开始探索怎样将多种技能集成到注模部件的生产中。这样，总体成本、装配时间和装配件的可靠性都可以得到改进。随着好的设计工具和材料的出现，工程师们开始探索怎样将多种技能集成到注模部件的生 产中。这样，总体成本、装配时间和装配件的可靠性都可以得到改进。

以下列出了几个原因：

• 机械式接触探头，由于具有惯性，限制了操作速度，从而限制了采样点的数量。
• 注模时使用滑块和填充物产生的几何体经常带有砍口，简单装备的传统工具不能深 入其中。
• 探头的尺寸限制了可被测量的特征的尺寸。
• CMM必须像CNC机床那样经过编程才能使探头到达所要的区域而避免接触到零件夹持 物。
• 计量器，光学式比较仪，显微镜等，都以2维方式工作。这些器具都工作在平面部 分，不能提供测量的特征相对于其他3D空间特征的信息，当需要使用基准时就显现 出很大的缺陷。

解决方案

利用CT-scanners

Pneutronics，ParkerHannifin公司的子公司，位于Hollis，NH，美国。工程制造微型螺线管电子阀，微型隔膜气泵，并为流体学应用提供系统解决方案。Pneutronics的阀生产线包括：一种孔径从.003至.250的微型数字、比例、多媒质螺线管阀，可应用于一系列医疗技术和分析器具上。

2003年，Pneutronics预寻求一项技术，可以在非破坏性方式下分析一种 阀体。该产品，XValve  ®是一种两位三通的微型气阀（24mm x 8mm  x9mm），其组成是一个玻璃填充聚合物的阀体壳，不锈钢内核，不锈钢激励，带弹性密封圈的活塞和一个螺线管。

寻找一个能同时精确测量塑料和硅橡胶零件的解决方案是一项决定于技术水平的重大要求。 Pneutronics的开发工程师Drew Brenner为获得度量过程的完整“数字”报告，在求助Bolton Works和它的CT-scanning服务前调查了多种方案。

检测过程
 

1) 零件数字化

为了处理X-Valve总成中的多种材料，Bolton Works一开始单独扫描了（蓝色）塑料壳体，产生了由1500个点云图像组成的数据，各个图像间间距20 μm。该点云数据文件大小为1.8G。这些点云图像形成的3D点云模型由大约6百万个数据点组成。

优势

• 采集如此多数据点的益处是重大的，尤其同传统测量技术比较而言。
• Pneutronics仅用一台CT- scan就获取了研究阀体所需的所有数据，减少了花费在新测量项目的额外扫描工作上的时间。
• 最重要的是，大量的数据点极大地改进了模型的精度和细节处，从而获取了精确的设计数据和 完整的产品分析。

2) 同CAD比较

扫描并产生了3D模型后，用“best fit”方式将点云数据同3D CAD模型对齐。软件将点云上每个点同CAD表面比较，记录偏差并以彩虹图的形式显示。彩图直接地提供给Pneutronics关于实物和3D CAD设计零件之间的偏差信息。

“通过CT-scan技术和PolyWorks软件的组合，Pneutronics减少了其产品开发时间，获得了阀的重要输入数据。同传统检测方式比较，由于能分析更精确的数据而精简了测试过程。” Drew Brenner，Pneutronics研发工程师

3) 形位公差

PolyWorks软件允许Pneutronics测量形位公差（GD&T），并对装配总成定义了基于基准的参考坐 标系统，有效地开发了一种机械制图标准。它利用3D CAD模型自动从点云中抽取基本几何体，例如平面，圆柱，圆锥等。为了定义气阀的基准平面，软 件识别了3D CAD模型中的平面。PolyWorks通过利用同这一CAD特征相距0.25mm的点，从点云中抽取了相应的平 面。它进一步排除了部分点，这些点的法向偏离了表面法向20度公差带范围。通过这种过滤措施，从百万个扫描到的点当中构建了一个正确的基准。初始的best-fit对齐仅使点云数据同CAD靠的足够近以便软件能辨识形成基准和其他特征的点资料。

制图纸显示了被抽取的基准，圆柱，平面等之间的关系。规定了最大/最小材料条件下的公差。这
些关系被输入到PolyWorks检测模块。这是很关键的，因为如果制图纸规定了某一圆柱应该按基准 A、B和C定位，那么软件就该相应的虚拟对齐点云。抽取了希望的特征并按制图纸上定义的进行了 比较后，信息导出到Excel用于文档编辑。

4) 虚拟装配

Pneutronics想加强X- valve的特定性能特征，需要精确的GD&T报告来表征关键尺寸的当前状态。Brenner决定评估不锈 钢和带有塑料壳体的橡胶零件之间的相互作用阀体总成由不同材料的零部件组成，包括塑料、橡胶、不锈钢和铜线。各种材料的密度不同，意 味着对每个零件CT scan不得不采用不同的能量级。将不同的材料分拆开单独扫描，并试图重新组合成精确的模型是 不可行的。所以决定用另一种方式进行虚拟装配。

圆柱形的不锈钢部件是用传统的工具，如比较仪和卡尺等测量的。当确认了零件的这些尺寸都在 公差范围内，就可以用不锈钢圆柱和橡胶阀的CAD模型在PolyWorks中进行虚拟装配，并在3D空间 内将扫描的壳体数模覆盖其上。

图8显示了3D圆柱(来自CAD模型)同扫描的塑料壳体之间的装配关 系。图9显示了橡胶阀同塑料壳体阀座之间的位置关系（绿色代表拟合处于公差范围内）。虚拟 装配从几何尺寸上验证了设计，并确认阀体各部件间间隙足够近。验证了设计之后，研究的焦点 就转向了装配过程。

带有高电压的CT scanner用来单单可视化金属零件。扫面数据揭示（图10），当激励器压入壳体后，它可以移出 对齐位置。因此需要修改装配过程。

几何检测和虚拟装配从器械角度了解了零件间的相互关系，使Pneutronics集中精力于装配过程 来加强阀体质量，而非设计过程。

自动化和报告

PolyWorks提供了强大的脚本语言使专业人士自动化整个检测任务。所有之前在此文章中讨论的工 作都可以自动化，并通过一键式鼠标完成。仅需导入下个点云数据并将结果输出到Excel页或上传 至HTML格式的网络服务器。这种自动化水平对检测多孔工具极其有用。Bolton Works从2003年就开始用PolyWorks对来自CT-scan的数据自动生成检测报告。

优势

正如Pneutronics案例结果显示，CT scanning对微型阀执行可行的检测过程，是一种有成本效益的方式。使用传统的“接触式”测量 工具相当困难。在Pneutronics，CT- scanner同恰当软件的组合应用建立了完整的数字化检测过程，且适用于生产过程的不同阶段（设 计，样机，生产和装配）。通过全局分析，GD&T测量和虚拟装配，这种检测方式在认证零部件时 非常高效。

基于各种理由，PolyWorks是处理CT-scanner数据的最适合的工具：

• PolyWorks 有效地处理由CT-scanner产生地大数据（2GB）。
• PolyWorks通过data-to-CAD的比较，提供了及时的全局分析。
• PolyWorks拥有独一无二的内嵌GD&T，用以验证零件符合ASME  Y14.5M-1994标准。
• PolyWorks使用户可以将扫描数据同CAD模型进行“虚拟装配”。
• PolyWorks提供的强大的脚本语言来自动化检测过程。

CT  scanners需要坚实的资本投入。Bolton Works将CT scanning作为一项服务，使之成为一项供应得起的技术，且基于点云和PolyWorks软件的帮助，客 户可以在当地进行产品分析。