奔赴火星的承诺：火星车设计制造中的测量工程
奔赴火星的计量承诺 在起飞后8个月多一点，好奇号火星车在8月6日凌晨降落在那片红色的土地。采用精密的着陆技术，利用空中起重机将好奇号降落在盖尔陨坑内部的山脚下。历经近两年的时间或者称为一个火星年 — 在着陆后的主要任务是研究火星是否适合微生物生存，包括适合生存的化学成分。 在好奇号火星车翱翔太空之前，为了完成这个6个轮子、18,000磅重、小型汽车大小的好奇号火星车的制造，我们进行了大量辛苦的工作。 制造之初好奇号火星车 对于喷射推进实验室(JPL, Pasadena, CA)来说，压力可以说是巨大的，在这里，科学家、工程师以及技术人员夜以继日的工作，为火星科学研究实验室(MSL)进行火星车巡航阶段以及下降阶段设备的设计、制造与测试。 Gerald Clark，JPL的高级质量工程师与品质保证检测服务的负责人说，MSL项目是一个银河级的原型系统，产品开发阶段涉及了数以万计的零部件。在大多数情况下，团队需要为该项目的每一个零部件制造三个及以下的部件。 第一批零部件用于各种破坏与非破坏性试验。第二批用于火星任务。一个完全一样的火星车将建造于模拟火星环境实验室，用来演练飞跃数百万英里到达火星的动作。 NASA火星实验室的成员在5月将测试火星车带到了位于加利福尼亚莫哈韦沙漠的杜蒙特沙丘。测试火星车经历了各种沙质的斜坡。 除了管理一个10人的团队、开展各种检测工作，Clark的工作还包括了评估与采购用于完成超过10,000种零件、组件、装配件验证的测量设备。 尽管MSL项目中硬件的建造方法被称为“并行工程”，对Clark和他的团队来说，这意味着“所有的事情同时发生”。 Clark过去工作于传统的军工/航天制造环境下，在那里设计、计划与制造是严格组织的。“最初，我想我们的工程师和制造人员是一帮牛仔，” Clark说。“看起来他们缺乏严格的管理。但是，退一步了解这个运行时间短、一次性制造许多零部件的环境，就会发现相对之前许多的任务，实验室是多么的成功，我觉得我是一个需要适应的人。” 整合是关键好奇号火星车正在制造中 Clark觉得他那支精干的团队要适应令人发狂工作节奏、完成海量同时制造的零部件验证工作，关键所在是质量团队要成为专家 — 不仅是测量设备和软件应用，还需要帮助设计与制造人员实现特殊零部件的开发，并制造出符合要求的成品，绝对不存在失败的可能性。事实上，一些测量机(CMMs)和其他一些设备缺乏统一的接口，在Clark的建议下，被搬离制造现场。 今天，JPL拥有来自海克斯康计量各种尺寸的测量机，还包括配备触发测头的ROMER关节臂以及Leica激光跟踪仪，均配备来自海克斯康计量统一的PC-DMIS企业计量解决方案(EMS)软件。另外，JPL超过200个合约部件制造商以及所有独立的测量实验室可以采用不同类型的测量设备，使用同一软件完成工件的测量、产生标准化的报告。作为回报，精干的测量团队有个各种不同的选择，以配合实验室无法预测的工作节奏。 除了使用的测量设备，通用测量程序一般在JPL编制，采用脱机编程工作站在设计之初以及制造阶段。最终，这些程序被应用于并行工作的工程和制造环节，产生标准化的输出：PDF、RTF文件或者PC-DMIS数据程序文件。 在JPL，编程的第一步是将A版本的UG CAD文件以step格式导入到PC-DMIS。在这一步，工程师将与质量人员合作，明确最为重要的设计参数和适合的基准。来自检测团队的人员凭借指向与点击编程技术建立检测程序。 因为整个太空船是一个样品，设计指标直到制造已经开始了还没有确定。“我们需要制造之前从未做过的，取得之前没有的成就，”Clark说。“设计修改在整个制造与装配过程中不断的出现。” 例如，决定将一些的重要的部件精炼以减轻重量，这就导致了增加结构刚性的需要，以增强刚性质量比。这样，更改的设计与制造过程要求对关键参数和测量策略进行更改 – 这是经常要发生的事情。 当需要验证一个完工部件，设计一般需要从Rev A升级到Rev E、F甚至G。对程序的更改需要进一步咨询工程师，这样使得测量程序能够很快的更改。PC-DMIS开放的结构允许修改可以在任何地点、任何顺序进行。 每天都不平凡好奇号主机检测 如此众多的零部件，分布于设计与制造的不同阶段，对Clark和他的同事来说难以预测每天会发生什么。“有时，你都不知道下个小时会发生什么，”Clark说。“我们80%的零部件都是由外部供应商提供。我们能够知道它们何时到位，我们提前对最复杂的工件进行编程使之不成为检测领域的瓶颈。” JPL的计划不是以周计，而是以天甚至小时。“我们保持着持续的沟通，”Clark说。“在不同测量系统上拥有统一的软件平台帮助我们适应这变化的环境。谁测量、测量什么、在那里测量、用那台设备 - 我们经常做最后一分钟的改变。” 通过邮件远程进行源头测试。Clark最近一天内进行了三次，而一天内两次是经常的事。不用到供应商现场进行工件验收，Clark要求其制造伙伴将测量程序以及所有的数据点发邮件给他，减除CAD模型一边减小文件的大小。“我们不能承受派人出差只进行源头测试，”Clark说。“只要我们能够获得数据，PC-DMIS允许我们对任何过程进行分析，使用的基准或者相关特征的位置。拥有可分析的数据和派人到现场观察测量过程具有同等效果。我们甚至可以用这些数据回答‘如果…又怎样’这样的问题。” “你可以在软件中随意的调整，分析发现的不符合之处，与工程师商议判定汞加纳的验收，”Clark说。“这样，我们可以远程进行源头测试认定，推荐需要的更改，并在我们的实验室进行检测工作。” JPL购买的ROMER关节臂测量机，配备的是PC-DMIS Portable软件，并将其整合于检测团队的工作过程中，用于加工过程中的检测。只需很少的调整，用于测量机的程序也可以应用于关节臂。利用关节臂，一些工件还固定在设备上时，利用原来的基准就可以测量。 JPL还通过利用关节臂测量测量机行程范围外的特征而实现测量范围的扩展。这种测量可以通过将关节臂与测量机纳入到同一测量程序中或者是将关节臂采集的数据导入到主程序中获得。任何一种情况下，JPL都能够避免将工件送到一个独立实验室所需的时间和费用 。 当实验室需要测量的工件很大，JPL使用一台DEA龙门式测量系统，是从JPL一个加工供应商那里，利用夜班的时间租用。JPL还利用来自独立检测实验室的服务以应对测量的高峰。无论零件在那里测量，检测设备使用的都是同一测量软件，这样程序和报告在JPL检测供应商层面保持一致。 Clark说统一测量软件的最大好处在于给予了实验室何时、何地、如何测量工件、谁来测量的灵活性。 “PC-DMIS EMS允许利用单一检测程序传递检测规划，在各种设备、各种场合完成测量，”Clark说。“一旦条件变化，我们还有其他选择。统一的软件平台使得检测团队将注意力集中在完成全部工件品质控制的大场景。” 好奇号与火星会面好奇号的相机 一旦在火星着陆，固定在好奇号机械臂的相机将会在很近的距离拍摄岩石、泥土图片，了解小于头发丝宽度的细节。在制造机械臂和立体相机的过程中，超高精度测量机Leitz PMM-C，配备LSP-S扫描测头以及PC-DMIS软件用于镜头的检测，因为该机精度高、触测力小。 一个测量需要在500 mm的行程区间测量一个3英寸直径的镜头，测量重复性达到位置精度的五分之一。尽管在理论上能够实现，在实际操作中，由于过程的不确定性而增加了测量的难度。另外一项测量的挑战存在于镜头的组装，需要将支撑杆保持垂直与平行。 来自海克斯康计量的应用专家进行了详尽的重复性试验，意图找到不确定度的源头。应用团队确定测量不确定度在温度变化过程中表现明显。利用自动测头更换架以及温度补偿系统，并贯彻一些基本的计量理念，帮助获得理想的结果。关于镜头的匹配，在科学家们移动镜头时，PC-DMIS进行测量，这确保了镜头在伸缩过程中保持居中。 控制温度帮助减少由于机器结构以及测量机部件不对等伸缩所造成的误差，比如测头加长杆、探针以及夹具。采用自动测头更换架、选定适合的测量时间也能够优化测量结果。重复性从五分之四降低到了五分之一，稳定了制造过程，减少装配时间，提升了制造产品的确信度，并满足了制造要求。因为在火星上设备更换出错是不允许的。
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