1.新的检测方法使SQUARE D掀起数字化制造的新浪潮
几个月以前，如果Rus Emerick想要检测一个制造零件，那将需要花费三个星期和16000美元。在今天，他只需用两天和很少的费用就能做到。Emerick是Schneider电气公司Square D品牌下的设计职员，他正在使用一种新型的软件，这种软件整合了非接触式3D扫描仪的快速性和计算机辅助检测(CAI)的简易性。新技术将为公司在过去制造效率低下的流程上节省时间和费用。
向3D迈进
Square D在配电和工业控制、系统和服务领域可以说是最受认可的品牌。公司在美国有17000名员工，其中300多名负责设计和检测零件。
象大部分制造大批量产品的公司一样，Square D用3D CAD/CAM工具，因为这些工具可以大大加快设计流程，减少开发成本。
制造过程中唯一没有被数字化的部分是关键检测阶段，Emerick说：“在这个检测阶段我们发现是否产品已准备好投入生产。我们检测模型，从检测信息里我们能够在零件投入生产之前改正一些问题。”
公司对所有的零件做首件检测，这包括检测每一个特征和尺寸相对于原模型是否有瑕疵或偏差。通常公司已使用坐标测量仪(CMM)用于检测。CMM测量仪可以 通过结合空间和正交关系来定位零件上的点坐标。但是处理过程即慢又昂贵，这就是Emerick为什么决定迈向3D检测。
“我们在3D中设计。为什么我们不在3D中检测？”他说。
检测的新方法
用CMM机器检测，要求设计者们除了有零件的3D CAD模型外还要创建2D制图。制图用来检测零件的特殊位置，以确 保零件符合设计。
“2D制图中的尺寸被输入到CMM测量仪中，零件的关键位置被探头探测，探测值的表格被制作。”Emerick说，“然后设计者必须一行接一行的观察，判断是否探测尺寸在公差内，判断是否需要校正。想象一下必须看1200行的尺寸，这是非常耗时和乏味的。
Emerick对3D检测工具做了调查，最终他选择了Geomagic公司 (位于美国Research Triangle Park, N.C.)出品的Geomagic Qualify软件。Square D已经在过去的几个月里测试了这种产品，计划今年部署它作为制造检测流程中的一个正式部分。
Geomagic Qualify可以处理从3D扫描仪里得到的点云数据。它提供制造零件和CAD模型之间的图形比较，自动执行首件检测、工具确认、磨损分析、对象对齐和2D/3D尺寸分析。报告能够以多种标准格式生成，其中包括Microsoft Word、PDF文档、Microsoft Excel、可自定义的图形格式，或嵌入VRML模型的HTML文档。“通过产生整个零件的点云，现在我能够测量零件的任何位置，而没有象制图上被限制在特定位置。” Emerick说，“通过比较CAD数据库和CAM制造的零件，现在我能即时看到哪里发生差异，并能评价偏差的影响或严重程度。你不必成为使用软件的专 家，用户界面很直观，只需按照一个简单的流程：对齐，比较，评价和报告。”
从三个星期到两天
Emerick想用最近的一个例子来说明3D检测改变公司运转的方式。
最近设计者想检测一个电路断路器的塑料铸造盖板，他们发现零件有1295个尺寸必须被检测。
“用旧的方法，我们将必须为2D制图上的每个尺寸支付12.50美元，再
用CMM测量仪一一测量它们，只是为了去发现两个偏离公差的尺寸。”他说，“用Geomagic Qualify，我能很快看出那两个不符合CAD模型的特征。我不必测量所有1295个尺寸。”
用旧的方法将需要三个星期，相反用Geomagic Qualify只需两天，Emerick说。
“产品越快通过检验，就越快被制造，越快被运出，”他说，“时间就金钱。”
3D贯穿整个流程
Square D的新的检测方法将使3D成为整个设计和制造周期的一部分。这也使Square D处于正意识到自动检测3D新技术意义的公司的最前沿。
“在这儿，这能真正改变事情运转的方式，”Emerick说，“我们期望Geomagic Qualify在首件检测过程中为我们节省大量的时间和费用。我们的设计者们将能够立即识别零件的哪里不符合CAD数据库，然后提供屏幕查看的3D图形报 告反馈给加工部门，使他们能很快理解哪里出现问题，从而作出必要的改进。”
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2.数字成型取样和处理引导赛车头盔的快速流体动力学(CFD)计算分析
在2004年雅典奥运会以前，英国自行车队委托谢菲尔德大学的英国运动工程研究组（SERG）进行计算流体动力学(CFD)研究以改进他们设备的空气动力。运用逆向工程技术, 计算流体动力学(CFD)和先进的可视化方法，综合的高科技软件帮助该队获得四块奥运会奖牌。
大赛前的计算流体动力学分析
2004年6月，在雅典夏季奥运会开始前的几个星期，自行车运动管理中心通过规定，强调只有通过公认的实验室正式安全测试的头盔才能被用于奥林匹克追逐比赛。英国自行车运动队有四种头盔设计满足了规格要
求，每种头盔有不同的空气动力形式。
为了确定哪一种头盔更适合比赛，该运动队求助于英国运动工程研究组(SERG)来进行计算流体动力学(CFD)分析。运动工程研究组无法用CAD创建为计算流体动力学(CFD)分析需要的数字模型，因为没有足够时间从设计草稿来建模，而且CAD不适合创建这样的有机形状。为了满足头盔和运动员的精确建模, 必须用逆反工程的数字建模去满足计算流体动力学(CFD)分析的需求。
运动工程研究组决定最好的解决方法是逆向工程技术。逆向工程技术就是利用扫描硬件设备来数字化捕获实物对象，并专门用逆反工程软件自动创建精确的带有相关结构特性的三维模型，这些结构特性被用于设计、工程、检验和定制生产。
运动工程研究组用装于法如金臂(Faro Gold arm)上的非接触式激光三维扫描仪ModelMaker X70捕获运动员和头盔的几何形状。扫描一个头盔约25分钟，时间与设计的复杂程度有关。法如臂在实体上运动，获取点云数据和三座标信息。
运动工程研究组策划从不同的角度扫描运动员在比赛中的位置数据、一个角度从空气动力学算优势，另一个角度从赛车人的低头骑车以及头盔形状效果的数据算优势。因为时间紧急，他们最后没有用赛车人，用了一个研究人员代替赛车人测人体形状。人体被扫描两个多小时，在扫描过程中允许休息。完整的扫描被分成几个相连的部分—上臂、下臂、手，以便消除扫描过程中由于突然运动而带来问题。
优化复杂的扫描数据
扫描来的四个不同的头盔点云数据被输入到Geomagic Studio软件。Geomagic Studio软件被广泛用于汽车业和医学逆向工程技术，汽车业用它生成数字模型，用于精确计算流体动力学(CFD)分析，医疗界用它定制适合人体的个性化生产。
Geomagic Studio软件自动对齐扫描数据，从点云生成多边形网格，模型被清除扫描带来的洞眼和缺陷。在多边形网格上创建曲面片，然后与CAD/CAE或快速成形机接轨。
扫描人体的点云数据约六百万个，原始点基本用统一方式处理。由于运动工程研究组的研究人员在扫描过程中的微小移动，必须做一些附加的降噪和对准数据工作。
运动工程研究组用了Geomagic Studio的降噪特性以及编辑和过滤工具，去优化人体数字模型。Studio软件的多边形几何再造功能被用来填补缺失数据，如体毛、眉毛由于激光散射未被获取的数据。其它Geomagic Studio工具被用来细化耳朵和紧密缝隙处的扫描数据，使模型高度逼真。多边形和NURBS曲面片被用于人体模型，并被Studio以STEP格式文件输出，因为易用的几何文件不应太大。
用可视化证明结果
STEP文件含有每种头盔设计和人体几何形状，人体的曲面再被网格化，用于计算流体动力学(CFD)分析，每个模型周边都有一个流体动力学分析区。网格数量从二百万到七百万单元，取决于模型的几何形状。为了获取边界层流动特征细节，在可能的分析区生成棱形单元。
计算流体动力学(CFD)分析软件用的是Fluent公司的软件，它将这次边界数据和运动工程研究组(SERG)以前的一个英国骑车项目获得的实体条件数据结合起来。
计算流体动力学(CFD)结果被输入到CEI公司的 EnSight软件，它产生了高度细节化的流线可视效果，表现头盔的空气动力学性质。英国运动工程研究组集中选择表现模拟中的阻力和升力，用等值面表现尾流结构和质子的流线型，以便让涡流和回流路径可视。
基于尾流结构和回流路径可视化，运动工程研究组可以很快识别模型的不同几何元素(如头盔和骑车人)怎样相互作用和相互影响。他们能够查明导致高阻力的大尾流。根据该结果，SERG能够推荐一种最理想的头盔款式，以便降低空气动力阻力和升力。
英国运动工程研究组所做的这种最优化的自行车设计和头盔建议，为英国自行车队在雅典夏季奥运会自行车比赛上的成功作出了贡献。为了2008年北京夏季奥运会，他们又在同英国自行车队合作。
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3.哈飞汽车使用GEOMAGIC QUALIFY缩短新车研制周期
哈飞汽车集团是中国主要汽车生产企业，具有年产40万辆整车和45万台汽车发动机的生产规模，拥有轿车及微车五大系列近百个品种和汽车发动机三大系列几十个品种。自成立哈飞汽车集团来，就引入Geomagic Qualify检测软件和Hexagon的激光扫描仪。
图1 宋工在检测车门
负责哈飞汽车检验工作的宋金华工程师举例说：“在微车HF10研制过程中哈飞遇到了这样的问题：在仪表板及A立柱等内饰件验具还没有生产出来的情况下，为了加快新车研制速度，要掌握首件的质量是否可以装车使用。我们实施了一种新的首件检验方法，就是将激光扫描仪和Geomagic Qualify结合使用实现计算机辅助检测。这一新方法用激光扫描仪取代了CMM 系统，在同样的时间内，以前使用的CMM仅捕捉少数几个点，而扫描仪却能捕捉几百万个点，将扫描内饰件的3D数据集保存为数据文件，并将其导入Geomagic Qualify软件中，与内饰件的CAD 模型进行比较，Qualify软件提供了两者之间的自动精确的3D图形比较。使我们快速掌握了内饰件的质量信息，再把信息反馈给加工部门，使他们能很快了解哪里出现问题，从而作出必要的改进。”
图2 三维比较
宋工补充道：“Geomagic Qualify结合激光扫描仪的快速准确简单的检验工作流程也被哈飞人应用到路宝车门焊接总成的检验过程。产品到这个阶段已无法到车门内外板验具上检验。我们把扫描仪获取的点云数据导入Geomagic Qualify软件中，将其与车门的 CAD 模型进行比较。只需按照一个简单的流程：对齐、比较、评价和报告就可轻松完成检验工作。”
宋工总结说：“Geomagic Qualify实在是太神奇了，只需鼠标一点，就将完美地点云对齐到CAD数模上了，直观的3D比较颜色偏差图，方便识别回弹和切边错误的边界比较在检测车门时很管用，2D比较还可以检查对车门形面是否符合玻璃升降要求，间隙和面差功能能检测车门与车框的配合。”
宋工感叹道：“Geomagic Qualify还有自动生成报告的功能,使用新的车门扫描数据,只需两分钟就可以自动重复一样的检验过程。这是何等高效的检验方法啊！”
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4.GEOMAGIC软件结合 PRO/ENGINEER进行逆向设计
AST使用Geomagic Studio软件来实现夯具铸件的逆向工程设计，用平面截面，使其平行或垂直于对称平面，由此而得到的模型使得AST能够在Pro/ENGINEER中尽快创建一个参数化模型。
具体实现过程如下：在一个具有40年历史的旧图纸基础上逆向设计一个铁轨夯具铸件，而图纸与实际铸件相差很大。使用扫描仪来捕捉所有的表面几乎是不可能的，因此你就需要用一套新的办法来建立你的数字模型，并验证其准确性。你的最终产品----一套完整而准确的数字化模型，可以用来制造新的铸件，其中包括型芯和型腔----必须在两个星期内交货。
针对这一情况，一个典型的反应就是对提出这一想法的人的思维水平提出质疑。在这一案例中，该要求被提到Advanced Simulation Technology（AST）公司，这一公司享有能够根据客户需求利用相关技术发展的美誉。
Advanced Simulation Technology（AST）公司为该项目提供了必要的创意，其核心要素来源于Geomagic软件，Geomagic软件能够在两个星期的期限内根据一个现实存在的夯具而创造出一个准确的数字模型。
客户需求
使用一个夯具来压实一条新铺设的铁轨的砾石。其中夯具的振动头的工作原理类似于一个锤击式凿岩机，该振动头不断的压击碎石以形成一个水平的铁轨路基，或者形成一个适当的升高曲线。
位于弗吉尼亚罗阿诺克的HUB公司接受了为美国北卡夏洛特南方铸造厂（Southern Casting）加工新的夯具铸造式样的任务。HUB 公司与AST 的主席Chip Potter合作，根据以往项目的经验，HUB 公司知道Chip Potter具有能够创造性的应用某项技术的天赋。
“Chip拥有技术方面的知识，但是关键在在于他善于倾听顾客的需求。” Don Cloeter说，他和他的兄弟共同拥有HUB公司。
AST擅长于为设计和制造的目的来分析模型，其中涵盖两方面对HUB工程非常关键的领域：实体模型与数控加工的接口，以及对大型复杂的零部件扫描和表面处理。
该夯具铸造项目从两个原始资源开始：一是一张40年前的旧图纸，二是一个现有的铸件。
图纸只提供了基本的尺寸，但是却没有关于如何使得样品从沙模中取出而不受损的拨模角度（draft angles）的相关信息。样品的内部特征、不同肋板的深度和倒角半径，图纸同样没有给定。
寻求殊途
AST公司首先使用Capture3D的GOM ATOS IIe扫描设备来获取（搜集关于）铸件表面的三维信息（尺寸）。ATOS扫描设备利用白光将条纹式样照射到一个物体表面上，通过位于扫描仪传感头两侧的照相机来捕捉数据。
AST大约会花费一天半的时间来完成扫描。这一操作过程是非常辛苦的，因为这需要拿着300磅重的铸件不断的移动到所需的位置，以捕捉到尽可能多的表面数据。但是该铸件有非常多的表面缺陷（会被扫描仪捕捉到），而且边缘内表面和内孔的相关数据无法被捕捉到。
将ATOS扫描仪获得的多边形数据导入Geomagic Studio软件，将扫描数据转化成精确的模型，从而为下游的计算机辅助设计、辅助制造和辅助工程分析服务。
AST利用Geomagic Studio软件对模型进行整理和补洞，使表面平滑，并且自动填充未被扫描设备捕获的部分。然后，从一个多边形模型生成一个NURBS曲面模型。但是，针对不同的工作要求，AST会采用不同的方法。
AST没有生成曲面模型，而是用Geomagic Studio软件在合理猜测的基础上自动创建对称平面，然后通过平面截面（此平面平行或垂直于对称平面）来截取整个模型。
AST的研究工程师史蒂夫.莱林斯基（Steve Lelinski）说：“Geomagic Studio根据位移间隙建立精确的对称平面，对于整个工作进程而言是非常关键的”。
截面提供给Pro/ENGINEER用来定位调整以及用来确定尺寸和特征，原始图纸被用来作为一个概念性的参考。在该模型被逐渐精细化的过程中， AST将在Pro/ENGINEER和Geomagic Studio软件之间来回穿梭。 Geomagic Studio软件将主要从事从模型上截取越来越小的正交切片，从两英寸逐渐减小到八分之一英寸。随着模型不断细化，通过Pro/ENGINEER来检查其细节并且进行调整。
随心编辑
史蒂夫.莱林斯基（Steve Lelinski）说：“之所以选择这种方法，最重要的原因就是它能为我们提供一个可供编辑的参数模型，除此以外，该零件必须结合扫描的数据和原始的图纸”。
根据其观点，一个完成的曲面模型很难改变，而AST需要能够快捷方便地修改相关零部件的特征。事实上，模型完成后，HUB公司将它提交给客户，这时一个特征需要去除，由于AST创建了一个参数化的截面模型，使得改动变得相对容易。
史蒂夫.莱林斯基（Steve Lelinski）说“假如我们的工作是建立曲面模型，需要修改时，我们要么开始删除三角面片和重新构面，要么就拆解曲面，修改然后组合起来，而这两种办法都很慢而且很难做到”。
根据莱林斯基的说法，AST的分段切片的方法为自己创建了一个实用的模型，该模型既可以反映原设计图纸的意图，又能反映零部件实体的具体细节。而如果通过典型的扫描建面步骤，要实现这种组合模型是非常困难的，而且典型的表面扫描方式在应对变更时是非常费时。
他说“通过使用Geomagic Studio软件截面功能和Pro/E中重建模型，我们可以实现将相关的特征部分从一开始就置于其正确的位置，而其所提供的尺寸和厚度都非常准确”。
截面模型的灵活性也使得决定拨模角度（draft angles）变得更加容易。 AST使用扫描的数据，来获取铸件表面顶部和底部的测量参数，然后进行了一个数学运算来计算出合理的角度。当交叉截面被用于模型时，拨模角度可被调整。
AST使用Geomagic Qualify软件来对Pro/ENGINEER的模型（从扫描数据到夯具铸件）进行逆向检测;
逆向检测
AST的最后一个独创性，体现在其对成品模型的检测。这样一个过程，按照Chip Potter的说法被称为 “逆向检测”，不同于典型的生成部件与CAD的检测， AST使用Geomagic Qualify软件用扫描数据来检测CAD模型。
由Geomagic Qualify软件自动生成的色差图让使用者很容易区分出CAD模型对扫描模型的偏差。总体而言，除了相关的内孔错位以及壁厚可变的问题以外，CAD模型是准确的。经过大约六次的迭代纠错，对拨模角度（draft angles）进行微调，确定铸造收缩，并进行重新检测， 最终AST可以得到一个准确的模型。整个过程-从扫描到加工再到验证确认-可以在分配的两个星期的时间内完成。
捕捉久远的设计意图
并没有一个好的办法能够告诉你采用AST的操作流程可以节省多少时间，原因很简单，因为没有别的办法，可以在一个合理的时间内实现对相关铸件的精确再造。Geomagic Studio软件进行八分之一英寸的截面工作，相比来说，手动测量需要数百次，而且要想实现对铸件的曲面部分做出精确的测量几乎是不可能的。三坐标测量机（CMM），在此并不适用，因为相关的探头将无法测量出铸件实体的偏移，收缩和翘曲。
波特（Potter）说“由于老图纸不能很好地反映实际铸件，因此没有别的办法能够这样节约高效地来完成这一任务。事实上，我们在获得这个项目前，别人尝试过一些其他的办法，都以失败告终。采用这种方法，在两个星期里，我们就能够建立一个比较完善的参数化模型，而且该模型能够体现久远的40年前的设计意图”。
应用Geomagic Studio软件逆向设计一个实际的夯具铸件的最终Pro/ENGINEER参数模型
最终完成的模型被送到HUB公司，在这里将其输入到SurfCam软件中，并进行修改，比如将型芯拉出来，并且为型腔创作分割线，然后生成与现实的铸件相匹配的模型。创建刀具路径然后将模型送往HUB 公司的大型Johnford CNC数控机床进行切削。将最后的成品铸件清洗并喷漆，然后在30天的最后期限之前将其运送到南方铸造厂（Southern Casting）。
本土完成
对于HUB公司的Don Cloeter来说，该项目证明，技能和技术是可以兼具成本和效益的，这对于原有的认识是一个挑战，因为通常这种想法被视为是不切实际，因此要解决这一问题，往往需要送往海外通过一种低成本的劳动力来进行加工处理。
“我对AST的工作质量很满意，而我的顾客对我们的工作也很满意。我认为这表明了，技术熟练的专业人员可以使用新技术以合理的成本来解决有关的难点问题。我们所使用的方法，从表面上看相对于运到海外加工可能成本是比较高的，但在最后核算起来，你会发现您花费了大约相同或更少的成本，却得到了一个更好的解决方案”。
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