Как 3D-сканер Rexcan и инженерный анализ с помощью Geomagic помогли при воссоздании классического автомобиля

Южнокорейская компания Solutionix разрабатывает и производит высокоточные 3D­сканеры, принцип работы которых базируется на проецировании лучей белого света на сканируемый объект. Эта технология позволяет получать непревзойденные по точности результаты. Кроме того, 3D­сканеры Solutionix обладают еще одним важным преимуществом, которым другие производители, применяющие ту же технологию, похвастаться не могут. Дело в том, что сканеры Solutionix оснащены сменными линзами, и если, к примеру, вам нужно отсканировать объект принципиально иного размера, то вы можете использовать линзы, предназначенные для более обширной зоны сканирования. Объекты разного размера можно сканировать и с помощью одного комплекта линз: сканеры Solutionix позволяют настраивать зону сканирования, устанавливая линзы в одно из четырех возможных положений. Доступно сканирование глубоких зон объекта с применением угла триангуляции 10°. Калибровка всех без исключения сканеров Solutionix производится на месте — в отличие от устройств других производителей, которые нужно отправлять в сервисный центр или на завод­изготовитель (рис. 1).

Рис. 1

Модельный ряд компании Solutionix представлен восемью 3D­сканерами, которые различаются по характеристикам и цене. Для сканирования с высокой точностью различных по величине объектов, а также обратного инжиниринга и контроля качества компания Solutionix предлагает 3D­сканеры Rexcan третьей (314, 320) и четвертой (414, 420, 450, 480) серий. Серии различаются между собой используемыми источниками света: в Rexcan3 это галогенные лампы, а в Rexcan4 — светодиоды. Модели оснащены камерами с разной разрешающей способностью, что непосредственно влияет на точность сканирования (рис. 2).

Для сканирования объектов малого размера, таких как ювелирные изделия,  конструкторы Solutionix создали сканер Rexcan DS2. Он позволяет с высокой точностью сканировать небольшие по размерам и насыщенные деталями объекты. Совсем недавно вышла новая модель Rexcan CS+, предназначенная для сканирования небольших и средних объектов. Процесс сканирования в CS+ полностью автоматизирован, что позволяет нажатием одной кнопки отсканировать весь объект. В новом сканере сочетаются превосходное качество и доступная цена.

Рис. 2

Для преобразования данных, полученных при 3D­сканировании объектов, и последующей работы с созданными трехмерными моделями в самых разнообразных приложениях разработано ПО Geomagic. Программные продукты Geomagic Studio, Geomagic Qualify и Geomagic Wrap применяются по всему миру. Специалисты высоко ценят преимущества этих программ: простоту обучения и работы, интуитивно понятный интерфейс, высокую скорость. Ну а прежде всего то, что эти программы позволяют сократить сроки вывода продуктов на рынок и заметно повысить их качество.

Компания Brian Coombs Design использовала 3D­сканер Rexcan 420 с программным обеспечением Geomagic Studio (ведущим ПО в области преобразования трехмерных сканов в высокоточные полигональные и исходные модели САПР для реверс­инжиниринга, дизайна изделий и быстрого прототипирования) при решении проблем, связанных с компоновкой в рамках проекта по воссозданию классического спортивного автомобиля Ford GT40 (рис. 3 и 4).

Рис. 3

Рис. 4

Скорость — неотъемлемая составляющая жизни Брайана Кумбса. Он возглавляет команду инженеров, ответственных за проектирование механической конструкции и подвески Bloodhound SSC — британского проекта автомобиля, оснащенного реактивным ракетным двигателем. Этот автомобиль призван сохранить принадлежащий Великобритании мировой рекорд наземной скорости (1610 км/ч).

Однако создается впечатление, что для Брайана Кумбса эта задача не относится к разряду сложных, требующих полной отдачи, поскольку в свободное время в своем доме, расположенном в Ирландии, он занимается воссозданием копии классического спортивного автомобиля Ford GT40.

GT40 с доработанным двигателем V8 объемом 5 литров обладает впечатляющей мощностью. К сожалению, в старой копии GT40, которую Кумбс купил в виде сборочного комплекта несколько лет назад, механизмы (в частности, коробка передач) могут не выдержать такой нагрузки.

«Коробка передач для этого автомобиля стоит очень дорого, — отмечает Кумбс. — Поэтому, восстанавливая автомобиль, я решил сконструировать собственную коробку, используя детали, оставшиеся у меня от старого гоночного автомобиля Indy производства Reynard».

Имея большой опыт проектирования в области автоспорта (о чем свидетельствуют многие годы работы в нескольких гоночных командах, включая команду Red Bull — участницу гонок «Формулы­1»), Брайан Кумбс обладает достаточными навыками, необходимыми для выполнения этой задачи, а кроме того, знаком с современными технологиями CAD/CAM. Поэтому вместо традиционных ручных методов Кумбс использовал 3D CAD (Siemens NX), чтобы создать цифровую трехмерную CAD­модель автомобиля, на основе которой можно было бы перепроектировать и изготовить некоторые новые детали.

Однако, даже с учетом этого, проектирование коробки передач — дело весьма непростое. Создавая ее из существующих компонентов, необходимо добиться, чтобы, установленная в соответствующий картер, она вписалась в свободное место под капотом, не задевала другие детали и была правильно расположена по отношению к ним. Конечно, можно было бы построить физическую модель, вручную установить ее на место и произвести необходимые измерения, однако это заняло бы много времени, которого у Кумбса как раз не было.

Тем не менее оптимальный выход нашелся. Картер коробки передач был отсканирован 3D­сканером Rexcan 420, а затем на основе полученных данных с помощью программного обеспечения Geomagic Studio была создана точная цифровая 3D­модель, пригодная для использования в компоновочных целях в CAD­системе.

3D­сканирование

При 3D­сканировании Брайан Кумбс вновь столкнулся со скоростью, правда в несколько ином аспекте. Как уже было сказано, для получения формы картера коробки передач использовался 3D­сканер Rexcan 420, который имеет две CCD­камеры с разрешением 2 мегапиксела (в модельный ряд 3D­сканеров Solutionix также входят сканеры с разрешением 1,4; 5,0; 8,0 мегапикселов) и обеспечивает получение миллионов точек в секунду с точностью до ±20 микрон.

Сканер применялся в сочетании с автоматическим поворотным столом Solutionix, рассчитанным на детали весом до 70 кг. После установки картера на поворотном столе сканер был настроен на сканирование сверху под углом 45°. С помощью программного обеспечения Solutionix ezScan, направляющего и координирующего движения поворотного стола, верхняя половина картера была автоматически отсканирована с шагом в 10° вращения поворотного стола. После этого картер был перевернут и процесс повторился для сканирования нижней половины.

Приблизительно за час было получено 72 отдельных скана. Средствами программного обеспечения Solutionix ezScan эти сканы автоматически сшивались друг с другом для создания из облака точек единой полигональной 3D­модели картера коробки передач. И хотя в объединенную модель вошла лишь пятая часть из приблизительно 50 миллионов полигонов, полученных при сканировании, этого оказалось вполне достаточно. Чтобы ускорить последующую обработку данных, модель была упрощена, в результате чего количество полигонов на плоских поверхностях было уменьшено, а на кривых поверхностях сохранено. Это позволило без ущерба для точности модели сократить количество полигонов приблизительно до  миллиона.

Трехмерная модель поверхности

Следующим шагом стало преобразование полигональной модели в точную цифровую 3D­модель поверхности, пригодную для использования в системе CAD. Для этого модель была экспортирована из системы сканирования Solutionix в программное обеспечение Geomagic Studio. Как мы уже упоминали, это ПО применяется для преобразования данных, полученных при 3D­сканировании материальных объектов, в цифровые 3D­модели, пригодные для последующего использования в самых разнообразных приложениях — от архивирования археологических находок и произведений искусства до инженерного анализа, разработки продуктов в соответствии со специфическими требованиями заказчика и быстрого прототипирования.

Прежде всего необходимо было, используя стандартные инструменты Geomagic Studio, восстановить полигональную модель, заполнив «дыры» в тех местах, где при сканировании не удалось полностью получить данные определенных частей картера. В результате этого процесса, который занял не более десяти минут, была получена единая, полностью замкнутая полигональная 3D­модель (рис. 5).

Рис. 5

Затем была применена программная функция Create Features (Создать элементы) для выбора и идентификации простых геометрических элементов, таких как цилиндры, отверстия и плоскости на модели, которые можно напрямую передать в CAD­систему как параметрические объекты.

На завершающем этапе использовалась команда AutoSurface для преобразования полигональной модели, включающей геометрические элементы, в поверхностную модель на основе NURBS (неравномерного рационального B­сплайна). Этот автоматический процесс довольно прост, выполняется буквально двумя щелчками мыши и занимает около двух минут. Далее была вызвана функция 3D Compare (Сравнить 3D), предназначенная для сравнения полигональной и поверхностной моделей с целью подтвердить геометрическую целостность конечной поверхностной модели (рис. 6).

Рис. 6

После этого конечная модель была готова к экспорту в CAD­систему в формате STEP (*.stp) — там она может применяться как отдельная твердотельная модель внутри трехмерной CAD­модели шасси автомобиля, подмоторной рамы и подвески. Это гарантирует, что, когда придет время установки новой коробки передач, она правильно встанет на место, полностью согласуясь с другими частями (рис. 7).

Рис. 7

Потребность в скорости

Весь процесс сканирования картера коробки передач и создания его точной цифровой трехмерной поверхностной модели занял приблизительно два часа.

Вот что говорит об этом Брайан Кумбс: «У меня слишком мало свободного времени на мой проект восстановления GT40, а почти автоматический процесс сканирования с использованием сканера и поворотного стола Solutionix в сочетании с автоматической обработкой данных сканирования, возможной благодаря Solutionix ezScan и программному обеспечению для обработки полигональных моделей и инженерного анализа Geomagic Studio, сэкономил мне очень много времени. Большая часть операций выполняется одним или двумя щелчками мыши».

Однако скорость в этом случае вовсе не является компромиссом за счет качества.

«Хотя для создания цифровой 3D­модели картера коробки передач потребовалось всего два часа, что само по себе впечатляет, я был поражен разрешением и точностью исходных данных сканирования, а также качеством конечной трехмерной поверхностной модели, — отмечает Кумбс. — Теперь я абсолютно уверен: спроектированное мной в виртуальном мире без проблем будет установлено на реальном автомобиле».

После завершения проекта скорость вновь станет одной из целей Кумбса: на своей перепроектированной и восстановленной копии Ford GT40 он планирует принять участие в гонках.  

По материалам компаний Solutionix и Consistent Software Distribution

САПР и графика 3`2013