В любом производстве большую роль играет контроль за качеством производимой продукции. Особенно это заметно при производстве hardware продуктов. Качество и конкурентоспособность производимой продукции определяется отделом контроля качества продукции. Отдел качества, с помощью измерений, контролирует технологические параметры производственных процессов, характеристики и свойства изготавливаемых деталей. На выполнение измерительных процессов уходит до 15% затрат всего производства. Некачественное измерение детали на одном этапе, приведет к ошибкам в сборке на другом. Ранее на качество измерения воздействовал один фактор, который невозможно предугадать - человеческий. Вы могли купить сколь угодно точные средства измерений, такие как линейки, штангенциркули, нутромеры и т.д., но если человек пользовался ими неправильно или ошибся в размерах - последствия могли стоить компании десятки тысяч долларов. Например, в авиакосмической промышленности один из известных случаев произошел с истребителем пятого поколения Lockheed Martin F-22 Raptor.
В процессе производства F-22 произошла ошибка измерения толщины при нанесении радиопоглощающего материала (РПМ), который имеет решающее значение для обеспечения скрытности самолета. Материала нанесли на несколько миллиметров меньше. Из-за человеческой ошибки в измерениях, покрытие RAM не было нанесено на требуемую толщину. Слишком тонкое покрытие RAM нарушило скрытность самолета, сделав его более заметным для радаров противника. Исправление ошибки потребовало доработки и дооборудования уже выпущенных самолетов, что привело к перерасходу средств и задержке программы. Программа подверглась общественному и политическому контролю в связи с перерасходом средств и проблемами с эксплуатационными характеристиками, вызванными ошибкой измерений. Компания Lockheed Martin понесла репутационный ущерб, и этот инцидент повлиял на ее будущие контракты и проекты.
Сейчас крупные компании стараются исключить влияние человеческого фактора на измерения. Повсеместно на производственные линии устанавливаются координатно-измерительные машины (КИМ) и 3D-сканеры, которые способны проводить и запоминать измерения без участия человека. Такие устройства также подскажут вам, когда что-то пойдет не так и размеры детали будут не попадать в допуска.
Помимо контроля качества продукции, КИМ и 3D сканеры используются для реверс-инжиниринга деталей и устройств. Реверс-инжиниринг - процесс создание 3D-модели объекта по его готовому образцу. Он используется для сохранения информации об объектах для их дальнейшего ремонта или воспроизведения, восстановления изношенных или вышедших из строя деталей. Процесс реверс-инжиниринга сложных поверхностей сложно представить без современных средств измерения, таких как КИМ и 3D сканеры.
Современные методы измерения
Современные методы измерений условно делятся на ручные и автоматические. Ручные методы измерения деталей предполагают использование инструментов и приборов, управляемых человеком, для измерения размеров и характеристик объектов. Пример ручных методов измерений это всем известные нам линейки, штангенциркули, рулетка, микрометр, калибр. Хотя эти методы широко использовались на протяжении десятилетий, в современном производстве наблюдается тенденция перехода на автоматические измерительные системы. Также, этими инструментами практически невозможно измерить сложную криволинейную поверхность.
Автоматические измерительные системы
Автоматические измерительные системы обеспечивают высокую степень точности и повторяемости в сравнении с ручными методами контроля. Операторы-люди, которые могут допускать ошибки из-за таких факторов, как усталость, уровень квалификации или субъективные суждения. Автоматические измерительные системы позволяют быстро проводить измерения и контроль деталей, зачастую за долю времени, требуемого для ручных методов. Повышение скорости измерений увеличивает пропускную способность и сокращает время производства, что в свою очередь положительно сказывается на себестоимости.
На данный момент на рынке огромное множество автоматических измерительных систем начиная от привычных координатно-измерительных машин, до автоматизированных систем визуального контроля с искусственным интеллектом.
Координатно-измерительные машины
КИМ - это универсальные, высокоточные машины, которые используются для измерения геометрических характеристик объекта. С помощью измерительного щупа они касаются различных точек на поверхности объекта, собирая данные для создания цифровой 3D-модели. Основным компонентом КИМ является измерительный щуп, который обычно устанавливается на подвижном механизме. Щупы бывают различных типов, например контактно-триггерные и непрерывно-контактные. Щупы с сенсорным триггером точечно контактируют с поверхностью объекта для сбора данных, а щупы с непрерывным контактом должны поддерживать контакт во время всего процесса измерения. КИМ работают в трехмерной декартовой системе координат (оси X, Y и Z). Эти оси перпендикулярны друг другу и определяют трехмерное пространство, в котором производятся измерения.
В процессе измерения КИМ перемещает датчик в направлениях X, Y и Z в соответствии с запрограммированной траекторией измерения.
Для датчиков с контактным триггером датчик опускается для контакта с деталью в заданных точках измерения. При контакте датчик посылает сигнал на КИМ для регистрации координат точки контакта.
В датчиках с непрерывным контактом датчик поддерживает контакт с поверхностью заготовки, собирая непрерывный поток точек данных по мере перемещения по запрограммированной траектории. Точки данных собираются в трехмерном пространстве с записью координат X, Y и Z каждой точки.
Собранные данные анализируются программным обеспечением КИМ для расчета различных размеров, таких как расстояния, углы, отклонения от номинальных (требуемых) размеров. Программное обеспечение может создавать трехмерное цифровое представление поверхности объекта, часто называемое облаком точек. Имея облако точек вместе с размерами, инженер-механик проводит реверс-инжиниринга детали, проектируя твердотельное тело в CAD программе.
Достоинства
Высокая точность и повторяемость: КИМ обладают исключительной точностью и повторяемостью, что делает их идеальным решением для задач, требующих жестких допусков, например, в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Точность КИМ достигает 1-2 мкм.
Контроль скрытых элементов: КИМ могут проверять внутренние и скрытые поверхности объектов, за счет степеней свободы руки машины.
Стандартизация измерений: КИМ имеют долгую историю и хорошо зарекомендовали себя в промышленных стандартах и процессах обеспечения качества. КИМ используют в сертификационных центрах как эталоны точности измерений
Недостатки
Контактные измерения: В КИМ используются контактные датчики, которые осуществляют физический контакт с объектом. Это может привести к повреждению или деформации хрупких деталей.
Медленный сбор данных: КИМ обычно требуют больше времени для измерения детали, особенно сложной формы, по сравнению с 3D-сканерами.
Ограничение размера детали: Размеры КИМ ограничивают размер деталей, которые можно измерить. Для измерения очень больших объектов может потребоваться специализированное оборудование.
Фиксированное расположение: КИМ, как правило, являются стационарными, что означает необходимость подносить детали к машине.
3D-сканирование
3D-сканеры разделяют на лазерные и оптические. В основе их работы лежат разные принципы, но обе технологии позволяют создавать цифровое представление физических объектов. Вот как они работают.
Лазерный 3D-сканер излучает пучок света на поверхность сканируемого объекта. Лазерный луч обычно представляет собой узкий сфокусированный пучок света. Когда лазерный луч падает на поверхность объекта, он отражается от материала поверхности. Сканер измеряет время прохождения лазерного луча от сканера до объекта и обратно благодаря детектору, с использованием принципа времени пролета или методов фазового сдвига. Детектор принимает отраженное лазерное излучение и измеряет временную задержку или фазовый сдвиг лазерного излучения, вызванный его взаимодействием с поверхностью объекта.
Сканер измеряет временную задержку или фазовый сдвиг лазерного излучения для миллионов точек на поверхности объекта и формирует трехмерное облако точек. Каждая точка в облаке представляет собой определенное место на поверхности объекта и имеет координаты X, Y и Z. Для получения полной 3D-модели объекта сканер перемещают вокруг всего объекта. Некоторые лазерные сканеры являются ручными и управляются пользователем, в то время как другие устанавливаются на роботизированную руку или на стационарную базу.
Оптические 3D-сканеры проецируют на поверхность объекта структурированный световой рисунок или лазерную сетку. Эта схема содержит известные сканеру геометрические характеристики.
В сканере установлена одна или несколько камер высокого разрешения, которые как бы “фотографируют” изображение поверхности объекта, освещенной проецируемой световой моделью. На поверхности объекта световой рисунок деформируется и искажается. Программное обеспечение сканера анализирует искажения и деформации проецируемого светового рисунка на полученных изображениях. Сравнивая известную геометрию проецируемой картины с искаженной картиной на изображениях, сканер вычисляет 3D-координаты точек на поверхности объекта. Эти точки образуют трехмерное облако точек. Как и в лазерных сканерах, собранные данные облака точек обрабатываются программным обеспечением. Программное обеспечение выравнивает снимки, удаляет шумы и создает целостную цифровую 3D-модель.
Достоинства
Бесконтактное измерение: 3D-сканеры работают не прикасаясь к объекту, что делает их пригодными для работы с хрупкими или деликатными предметами. Такой бесконтактный подход позволяет избежать возможных повреждений детали.
Быстрое получение данных: 3D-сканеры позволяют быстро получить большое количество точек объекта, обеспечивая полное представление о геометрии объекта за относительно короткое время. Крупный объект величиной несколько метров можно отсканировать за 10 минут.
Работают со сложной геометрией: 3D-сканеры отлично справляются с измерением и оцифровкой сложных и произвольных форм, что может быть затруднительно для традиционных КИМ.
Цвет и текстура: Некоторые 3D-сканеры наряду с геометрией могут получать информацию о цвете и текстуре, что очень важно для реверс-инжиниринга, оцифровки старых деталей.
Портативность: 3D-сканеры портативны и могут использоваться в различных местах, что делает их удобнее для проведения полевых работ или измерений на месте.
Недостатки
Ограниченная точность: Хотя 3D-сканеры обеспечивают высокую точность, порядка 40-50 мкм, их точность не конкурирует с точностью КИМ, которая доходит до 1-2 мкм , особенно в условиях жестких допусков.
3D-сканеры сканируют только видимую поверхность объекта, что делает их не пригодными для измерения скрытых или внутренних элементов.
Высокоотражающие или прозрачные поверхности могут создавать проблемы для 3D-сканеров, вызывая неточности при получении данных. Их нужно дополнительно обрабатывать специальными спреями, стоимость которых порой доходит до 50$ за баллон.
Измерения в EnCata
В нашей деятельности точность изготовления деталей порой играют решающую роль в проекте, особенно если проект потенциально может нанести вред человеку. В таких проектах все детали должны быть изготовлены в точности с конструкторской документацией, а размеры должны попадать в заданные допуски. Для измерений и контроля геометрии мы используем Координатно-измерительную машину Faro. Она также помогает нам в реверс-инжиниринге. К нам обращаются крупные производства с запросами в реверс-инжиниринге деталей и узлов крупных промышленных установок. Производители технологического оборудования перестают оказывать поддержку оборудованию или не занимаются продажей отдельных запасных частей через какое-то время после его выпуска. При запросе ремонта или запасных частей, они предлагают заменить все оборудование целиком. Тут то и приходит на помощь реверс-инжиниринг. Исходная деталь может быть сломанной или со следами эксплуатации, с помощью КИМ мы не только можем измерять геометрию, но и, благодаря ПО, достраивать недостающие части.
Недавно к нам обратилось промышленное предприятие для реверс-инжиниринга устройства, которое встроено в технологическую линию. Устройство работает в агрессивных средах, поэтому при его реверсе важно было подобрать правильные материалы и покрытия.
На образце заказчика были повреждения которые нужно было восстановить при моделировании с наименьшими отклонениями, так как Устройство является частью производственного процесса и будет устанавливаться в технологическую линию. Также требовалось обновить узлы, учитывая при этом их химическую стойкость, поскольку Устройство работает в агрессивных средах.
Работа началась с проведения хим. анализа. Мы отдали части Устройства в химическую лабораторию для определения состава материала. Испытания показали, что используется марка стали AISI 304. Сталь устойчива к кислоте и выдерживает краткосрочное поднятие температуры до 900 градусов по Цельсию. Широко применяется в пищевой промышленности. Стойкости AISI 304 не хватало данному узлу. поэтому при реверсе мы сразу заложили более химически стойкую сталь - AISI 316L. AISI 316 разработана на базе AISI 304, улучшенная добавлением ~2,2% молибдена, благодаря чему сталь становится особенно устойчивой к коррозии, высоким температурам и агрессивным средам.
После определения материалов мы принялись к обмеру устройства. Мы выбрали КИМ, поскольку детали металлические, их можно измерять контактными средствами измерения и на выходе точность модели будет выше. Мы разобрали устройство на детали и шаг за шагом создавали их трехмерные модели с помощью КИМ, при этом мы восстанавливали утраченную геометрию. В процессе моделирования мы обновили все комплектующие и оптимизировали конструкцию для изготовления на современном оборудовании. После чего мы изготовили прототип и протестировали его. Устройство прошло все испытания и заняло свое место в технологическом процессе Заказчика.
Вывод
Измерения - неотъемлемая часть любой современной разработки и производства. На современном предприятии представить разработку, постановку на производство и контроль качества без автоматических систем измерения практически невозможно.
Автоматические системы измерения помогают нам в ежедневной работе при реверс-инжиниринге деталей и узлов. Благодаря КИМ и 3D-сканерам мы воссоздаем неисправное оборудование и улучшаем его до современных реалий.