当利用3D扫描仪开发超精密螺杆转子

利用3D扫描仪开发超精密螺杆转子

EBARA Densan公司是EBARA Corporation旗下的全资子公司，经营范围包括风力和水力机械系统、水处理系统、环境保护系统和半导体制造设备。公司的机电一体化部门利用其长期积累的旋转机械和电气设备控制技术，开发出各种产品，如小巧而高效的紧凑化流体机械和永磁电动机。

技术难题的出现

EBARA Densan公司的机电一体化部门正在开发的在小型家用燃料电池中使用的鼓风机必须具有高效率、低成本和超长使用寿命的优点，这就要求开发出不带正时齿轮的双轴正排量螺旋式鼓风机。

图1 燃料电池鼓风机的转子和外壳

“我们使用了一个啮合装置（图1）中的两个螺杆转子。但事实上，这些叶片是精心设计的，不会相互接触。 这就要求在制造过程中进行高精度的精确铸模。”EBARA Densan公司机电一体化部门的YASUO NARUI先生表示。

除了常规的铝材料（图2）之外，转子的制造材料日益变得多样化（如热固性树脂），这使他们“很难应用我们以往在常规设计和加工方面积累的经验。” 作为一种应对措施，他们必须在早期阶段对形状进行彻底检查，并将检测出的任何缺陷反馈到冲13、帮助：可以使用操作说明、实验提示和术语等模设计、加工和铸模流程。

图2 铝质螺杆转子

无需喷涂和贴点的3D扫描仪

EBARA Densan公司引入了柯尼卡美能达的非接触式3D扫描仪RANGE7，用于在成型阶段进行形状评估。该公司也考虑了其他品牌的扫描仪，但是这些产品需要花费太多时间来比较测量数据和CAD数据，而且无法达到公司的要求。 更重要的是，高度精确的数字化对于验证超精密转子的任何铸模错误和缺陷都是必不可少的。 出于这个原因，应在无需使用防反射涂层的情况下，对铝和其他光亮材料进行扫描。

最新型号的非接触式3D扫描仪RANGE7就是满足他们的严格要求的解决方案，这些要求包括精确性、易用性，以及测量光亮表面的功能，而使用传统光学扫描仪通常很难对光亮表面进行测量。 “很早以前就想寻求一款真正做到无需喷涂显影剂希望大家能有所了解、无需贴标识点的3D扫描仪，但市场上一直没有出现，直到RANGE7的上市，它的表现令人难以置信。” 同这类性能测定相当重要时，NARUI先生还表示，“RANGE7在经济高效性方面也非常出色”。

在早期阶段检测超精密转子的缺陷

如果在生产原型的尺寸检测中检测出缺陷，则可以在早期阶段将这些缺陷反馈到冲模设计和加工方法，从而成功提高开发效率。

EBARA Densan公司在使用RANGE7的同时，搭配了形状检测软件RapidformXOV，帮助他们在成型阶段检测超精密螺杆转子的缺陷。过程如下：（1）在RapidformXOV软件中导入CAD设计数据，制定检测计划（包括GD/T、检测报告等）。（2）开模完成后，试做螺杆转子；用RANGE7配合自动转台来实现全自动化的扫描和全局拼接，得到扫描数据。（3）将扫描数据导入RapidformXOV，执行之前定义的检测计划中，软件自动进行CAD设计数据和扫描数据的比较，并完成所有的测量工作，生成的色彩图显示等检测报告。（4）分析检测报告，找出缺陷，反馈到模具设计端，进行修模（图3）。

图3 在成型阶段检测超精密螺杆转子缺陷过程示意图

与传统检测手法相比，RANGE7可以大大缩短时间和成本，并实现一些不可替代的检测手段。而与其他扫描仪相比，使用RANGE7无需喷涂显影剂和贴点，消除了显影剂造成的厚度误差，降低了工作量，减少了环境污染；自动转台的使用则不仅让操作人员一键就可以完成整个扫描过程，更排除了扫描过程中的人为误差，实现了3D扫描的“傻瓜式”操作。

对于树脂钻子，RANGE7也可以用于捕捉树脂成型之后的尺寸变化，以及了解铸模情况。特别是RANGE7可以扫描高光泽和黑色表面的优势使它不仅可以检测产品本身，还可以直接测量模具，这为模具制造的形状纠正提供了新的思路，而在这些方面，设计和加工通常依赖于以往的经验。NARUI先生在3D打印机方面表示，公司有意扩大RANGE7的应用范围。 “除了螺杆转子以外，我们还将来把RANGE7的应用范围扩大到外壳、轴承、喷嘴和其他部件。通过在成型阶段进行尺寸评估，我们期望RANGE7能够帮助提高开发效率，进行制造方法的检查，降低部件的成本。”

RANGE7的优势

由于光学原理所限制，一直以来，扫描高光泽表面是非接触式3D扫描仪的瓶颈。2008年4月日本柯尼卡美能达株式会社研发出了世界上第一款能够在不喷涂显影剂的前提下，成功扫描高光泽表面的非接触式3D扫描仪。2009年4月，柯尼卡美能达公司又研发出另一项技术——扫描黑色物体表面。由于黑色物体表面对于光的反射率极低，几乎无法成像，因此与高光泽表面一样，扫描黑色物体时，之前非接触式3D扫描仪都需要喷涂显影剂。因此，柯尼卡美能达 RANGE7成为了全球第一个成功集成高光泽和黑色物体表面扫描功能的非接触式3D扫描仪。

柯尼卡美能达在传承悠久的光学制造工艺的基础上，配合精密的机械设计和先进的电子技术，采用高性能CMOS传感器为RANGE7提供了高精度的质量保证。更关键的是，RANGE7的精度标准严格按照VDI/VDE 2634标准推荐的球规检测方法来标定，其精度经过实测，已达到全球领先水平，可以确保客户在制造领域的高精密性和高可靠性。

由于高光泽表面容易形成镜面反射光，使入射光反射回3D扫描仪的能量非常弱，无法形成有效的3D扫描数据。所以通常必须喷涂显影剂来增加样品表面的漫反射，从而达到增加反射能量的目的。而由于激光具有光点小、能量集中、精度高的特点，比传统白光容易得到更强的反射能量，所以使用柯尼卡美能达前一代的VIVID 9i，已经能得到高光泽表面扫描数据。但对于表面结构复杂的高光泽物体（图5a），尤其是有凹面的样品，存在多重反射问题，形成大量噪点（图5b）极大影响了扫描数据的准确性和可靠性。而新一代的RANGE7在使用了更高灵敏度的传感器的同时，创造性地发明了“多重反射光消除技术”，解决了高光泽表面物体扫描的难题（图5c）。

图5 图中为一个存在多重反射问题的高光泽表面样品（a），使用VIVID 9i扫描数据仍然存在多重反射噪点（b），而使用RANGE7扫描数据则顺利的解决了多重反射问题（c）

在扫描时样品时，RANGE7仅发射出单条探测激光束，且其频率较传统结构光扫描仪要低得多。激光束会直接扫描到样品表面，也会通过样品表面的凸起或凹陷部位反射后间接照射到样品上，再反射回来。前者我们称为“直接反射光”，后者则称为“多重反射光”。最后扫描仪接受到的光是“直接反射光”与“多重反射光”的叠加。要想得到准确的数据，则必须要消除掉“多重反射光”成分。

RANGE7在对反射回来的能量进行时间轴的分析时，会发现“直接反射光”成分的峰值的时间轴位置和“多重反射光”成分的时间轴位置是不重合的（图6），这就为消除“多重反射光”成分提供了可能。RANGE7采用了一系列的技术手段，如阈值过滤、时间轴控制和3D数据直线检测等技术来保证测量高光泽表面的精确性和可靠性。

图6 中心像素点的信号强度—时间图

而对于其他使用结构光的3D扫描仪来说，由于发出的是高频率的正弦波光信号，所以大量的发射光、直接反射光、多重反射光叠加在一起，既可能有信号叠加饱和问题，又可能有相位偏移和低幅值问题，所以很难把“多重反射光”成分剥离出来。(end)