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3D掃描儀各行業解決方案-能源裝備篇

5/15/2017

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綜述
 能源工業是國民經濟與國防建設的重要基礎和支柱型產業,同時也是涉及多個領域高新技術的集成產業,如鍋爐、渦輪機、電廠熱能、風機、壓縮機、內燃機、水力機械以及核能工程等。


       能源轉化設備往往比較精密的,同時體積比較大,難以移動,如一些大型葉片、葉輪、安裝架以及一些複雜的曲面結構等,在測量檢測方面存在一些難題。如傳統的三坐標、測繪儀對於採集複雜結構的面體的海量點雲數據有困難,2D的光學照相則會產生數據轉化過程中的誤差,傳統測量手段難以滿足日漸提高的標準要求。能源設備的設計製造方面同樣有諸多挑戰,如效率低、成本高、穩定性不足、一些關鍵部件需要從國外進口等問題。
​

  歐美的能源設備製造公司,如通用電氣、西門子,無一不在尋求和逐步使用新的測量方式和先進製造技術。如風電製造領域,面對超大的葉片尺寸和嚴格的尺寸公差要求,先進的非接觸式3D掃描設備被廣泛採用。而美國圖希諾能源動力公司(Tushino Power Machine Tools)完成了超大型水電渦輪的失蠟鑄造,3D列印出來的蠟模重70kg,直徑150cm,且內部呈蜂窩狀結構,最終鑄造出來的成品重達1990KG。相比傳統分葉片鑄造或CNC的方式,3D列印+失蠟鑄造的方式,更加高效、成本更低、渦輪的整體品質更好。
圖片
方案重點
針對不同的能源動力裝備,先臨三維提供的綜合解決方案不盡相同,但是核心內容基本相通,以下部分針對風電裝備做個說明,可供參考:

        風電葉片的設計、選材和工藝,是決定風電裝置性能與功率的主要因素,影響到風力發電的單位成本,為了提高風機的效能和降低成本兩因素,葉片的製作正向大型化發展。一般來講,風電葉片的長度為數米,甚至十幾米,如此大的尺寸,以往幾乎沒有合適的測量設備可以對它進行3D測量檢測。而先臨的3D數字技術解決方案能夠很好的解決上述難題:
- 能夠快速獲取曲面信息,提供完整有效的葉片3D數據,與CAD設計數據對比進行檢測,能有效提升能源行業大型部件的測量和檢測效率,保證精度,為用戶在配件修復,提升安裝精度等方面帶來便利。
- 可用於逆向工程,優化葉片設計,。
-葉片通過彎曲試驗分析以測量葉片的穩定性,先臨三維拍照式3D掃描儀能夠輕鬆,靈活對葉片表面的變形程度進行準確分析,為企業提供有價值的形變數據;
- 獲取的3D數據可用於工程規劃、吊裝、裝配、管道佈線、方案評估、校驗、佈局仿真、三維可視化管理、... 等。
- 設計過程中可以3D列印等比例縮小模型,用於風洞試驗、環境模擬、碰撞試驗、結構仿真等測試。
圖片
方案價值
 先臨三維綜合解決方案給企業帶來的效益:

1.掃描時間少,減少工廠停工時間,工作效率得到極大提高
 -測量快速,操作時間短,相較於傳統的三坐標測量方式,測量效率大大提高;
 -使用便攜式的測量設備,能夠在各場所進行測量,適應大尺寸、難移動工件的   掃描條件;

2.測量全面,可獲取設備及現場完整、精確的3D數據。即使是複雜的葉輪和超大尺寸物件,也能夠輸出詳細全面的數據結果。
 -可以對曲面複雜的,大型的物件進行全面測量,數據完整清晰,如葉輪,葉片;
 -根據獲取的數據,可為用戶繪製PI&D、設備佈置等專業圖紙,為管理及設計人員提供完整、精確的現場3D模型; 
3.測量精度高,檢測報告具體,準確
- 擁有高精度3D掃描儀及測量設備,整體測量誤差小(控制在200mm×150mm範圍約為0.02mm),與物件CAD數據進行對比,能夠輸出詳細,具體,準確的誤差報告,保證產品質量,有效避免代價高昂的返工時間與費用;
- 對能源行業中重要設備和管線進行全面安全檢測。
- 可以進行施工和設計方案的比對
 
4.大尺寸工件3D列印,可實現複雜構件的一體化精密鑄造
- 3D列印尺寸可達150cm*75cm*55cm,滿足大部分能源裝備精密部件的成型需要;
- 3D列印出來的模型,還可以用於失蠟鑄造;
- 等比例縮小的3D列印模型,則可以用於前期設計過程中的各種測試,既提高效率,還能降低成本。
 
​
客戶案例
火力發電機渦輪葉片的逆向設計與氣孔法向量的高精度檢測:
A. 面臨的問題:
    該研究所對項目技術指標非常嚴苛:
●非常高的精度要求,整體誤差需要控制在0.01mm以下,以確保轉子的正常運轉;如果葉片的質量無法得到嚴格的控制,不僅影響工作,即使運轉起來,對汽輪機的損害也非常大,會產生強大的震動,甚至會影響廠房安全
●對葉片上的散熱通氣孔進行精確定位
●準確地確定氣孔的法向量

B. 先臨三維的解決方案:
    葉片曲面構造質量直接影響到轉子轉動的效率,因此逆向設計工程師必須使用強大的設計曲面工程——根據實際情況,先臨三維提供的解決方案中使用: OpticScan-D雙目系列3D掃描儀+逆向設計軟件(如Shiningform XOR)+3D檢測軟件(如Shiningform XOV)協助該研究所進行高端技術的研究和突破。
    使用OpticScan-D雙目系列3D掃描儀獲取渦輪葉片精確的3D測量數據。將3D模型導入逆向建模軟件(如Shiningform XOR)進行曲面造型。

​


圖片
在使用ShiningformXOR進行逆向設計之後,需要及時得到偏差結果。SHININGFORM XOV檢測軟件能夠對物體特徵進行細緻分析,如孔位、輪廓、曲率等等,同時還能捕捉並體現剖面的形位偏差,如平行度和圓度等。而傳統檢測軟件只能對CAD數據和掃描數據進行簡單的偏差對比。
    XOV軟件能自動完成測量數據與CAD數據的坐標係對齊,從而實現快速比對檢測和質量控制。通過SHININGFORM XOR軟件進行逆向設計可以得到仿形渦輪葉片的CAD數據,利用3D掃描儀掃描得到工件的3D測量數據。
圖片
        3D色譜偏差分析、單點誤差註釋分析與二維界面扭曲分析
大型風力發電機輪轂使用3D掃描儀高精度檢測:
A. 面臨的問題:

    佳力風能需要對是輪轂上的上百個尺寸,如高度、直徑、深度等進行詳細檢測,以保證輪轂質量的合格。如果輪轂尺寸不合格,就不能和其他部件有效進行裝配。但風電發電機輪轂體積大,重量重,難以移動,受空間限制的影響較大,尤其是內腔的3D數據獲取,需要便攜式的測量方式才能快速地進行全面3D測量並進行檢測。
 
B. 先臨三維的解決方案:
 
    針對佳力風能的情況,先臨三維提供的解決方案使用: Shining3D-Metric攝影測量系統+ZScanner激光掃描儀+3D檢測軟件(如Shiningform XOV)。
    攝影測量系統軟件可準確計算提取物體空間框架坐標,特別對大型工件有較為明顯的優勢。將Shining3D-Metric攝影測量系統運算所得框架坐標信息與Z-Scan手持式掃描儀結合,使工件的整體精度得到了良好的控制。
    使用ZScanner3D激光掃描儀獲取工件表面信息,能夠對內腔等部位進行輕鬆的掃描,以達到細節全面,精度良好的理想需求。
    最後將將該工件的stl數據導入Shiningform XOV軟件中,與原始的CAD模型進行針對性數據比對,即可得出非常直觀的三維檢測色譜圖,根據比對報告,佳力風能可以很清晰地看到實際工件與CAD圖紙的整體偏差,清晰知曉工件的質量,如哪個位置有突起或者凹進;也可以通過Shiningform XOV軟件分析各孔位及裝配位的相對位置信息,以使佳力風能及時對工件進行改進,持續一向秉承的品質要求。

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