1 - 2000

Модельщик-2000: системы 3D-сканирования

Андрей Макачев, Александр Чайкин

Оцифровка с помощью тактильной измерительной головки

Вместо заключения

Дизайнер-модельщик, вручную создающий объемную модель, многие годы являлся одной из главных фигур современного промышленного производства. Современные компьютерные системы объемного моделирования и машинной обработки тоже позволяют выполнить подобные изделия. Однако этот метод связан со значительными затратами на приобретение специализированного оборудования и CAD/CAM-программ. Кроме того, очень трудно и дорого найти компетентного профессионала, который смог бы эффективно их использовать.

Поэтому в процессе запуска какого-либо изделия в серийное производство нередко возникает вопрос: как лучше изготовить литьевые формы и штампы — сохранить ручное производство моделей или перейти на технологию CAD/CAM, даже если это потребует на первом этапе избыточных вложений и длительного времени обучения?

Фирма CIELLE, известный производитель фрезерно-гравировальных станков, нашла такой ответ на этот вопрос, который совмещает достоинства ручного моделирования и технологических инноваций, сохраняя суммарные затраты на адекватном уровне. Согласно подходу CIELLE дизайнер-модельщик, как и раньше, вручную создает объемную модель будущего изделия, а затем эта модель оцифровывается с помощью современных средств объемного сканирования. Литейная форма проектируется и изготавливается в CAD/CAM-системе на основе ее цифрового образа.

Оцифровка позволяет ввести в компьютерную среду сложный рельеф поверхности модели для выполнения простого копирования или использования ее цифрового образа в качестве исходных данных для проектирования и изготовления технической документации и технологической оснастки.

Последовательное считывание координат трехмерных профилей позволяет реконструировать поле точек, которое может считаться отображением считываемой поверхности с заданной большей или меньшей точностью. После соответствующей обработки цифровой модели она может использоваться в дальнейшем производстве, например, как база для расчета рабочей программы изготовления копии или ее масштабирования.

В системах 3D-оцифровки фирмы CIELLE используется три различных способа. Все они зарекомендовали себя как весьма надежные. Они различаются между собой скоростью съемки, пространственным разрешением, проработкой деталей с различной морфологией и, естественно, ценой:

  • тактильное однонаправленное измерение с помощью механического датчика;
  • лазерное измерение с линейной триангуляцией;
  • лазерное измерение с круговой триангуляцией.

Выбор типа измерительной системы полностью определяется требованиями к выполняемым измерениям. Для того чтобы сделать правильный выбор, следует учитывать различия в производительности, уровне точности и возможности построения аналитических формул описания поверхности. Наконец, необходимо получить данные об экономической эффективности и итоговое значение соотношения «цена/функциональность».

Все три типа измерительных систем включают в себя три компонента:

  • трехмерный пантограф (фрезерный станок);
  • считывающую головку (тактильную или лазерную);
  • специальное программное обеспечение.

Благодаря наличию законченных решений весь процесс — от измерения до производства протекает не только просто, но и быстро. Более того, соотношение «цена/функциональность» весьма привлекательно. Так, система считывания и изготовления форм на базе станка ALFA 16/10, тактильной измерительной головки и программного обеспечения Incicam Mode стоит около 15 000 долл. США. Это весьма конкурентоспособное значение по сравнению с суммарной стоимостью отдельных компонентов.

Более точные системы CIELLE поставляются на базе более солидных станков, прецизионных лазерных измерительных головок и более сложного программного обеспечения. Несмотря на то что они удовлетворяют самым различным требованиям, их стоимость также ниже суммарной стоимости компонентов.

Оцифровка с помощью тактильной измерительной головки

Свою первую электронно-механическую измерительную систему фирма CIELLE создала в 1989 году для обеспечения возможности производить прецизионные измерения глубины обработки поверхностей, параллельность которых к основанию не гарантировалась. В частности, она использовалась при обработке перфорированных листов из нержавеющей стали.

Современная тактильная измерительная головка представляет собой электронное устройство, дополняющее рабочий шпиндель. Щуп головки приходит в соприкосновение с поверхностью обмеряемого изделия в опорных точках построения при перемещении головки вдоль осей X и Y над сканируемой поверхностью. Щуп имеет скользящую посадку по оси Z, поэтому траектория наконечника щупа в опорных точках измерения повторяет сечение профиля поверхности в направлении перемещения головки.

Тактильная измерительная головка оснащена микрометрическим сенсором перемещения щупа с рабочим ходом по вертикали 20-25 мм. (Положение щупа по оси Z в точках контакта со сканируемой поверхностью преобразуется в значение третьей координаты, что при известных значениях по осям X и Y, которые задаются управляющей программой, однозначно определяет пространственные координаты считываемой точки поверхности. Полное сканирование поверхности позволяет построить пространственную сеть, определяющую цифровую модель сканируемого изделия. — Прим. ред.)

Связанная с цифровым контроллером и перемещаемая станком по командам программы гравировки, головка автоматически сканирует поверхность только на том участке, где должна производиться гравировка. Эта процедура позволяет получить точную информацию о рельефе поверхности, подлежащей гравировке. (В принципе, гравировку по криволинейной поверхности можно производить с помощью гравировальной насадки и плавающего шпинделя той же фирмы CIELLE. Однако применение такой технологии возможно лишь при гравировке поверхностей с небольшими уклонами и без резких перепадов по высоте. Кроме того, может произойти попадание стружки под упорную поверхность насадки, что, как правило, приводит к ошибкам по глубине гравировки и/или к появлению на обрабатываемой поверхности царапин. — Прим. ред.)

Скорость формирования цифровой модели рельефа сканируемой поверхности связана с двумя базовыми факторами процесса:

  • скоростью электронного механического сканирования, которая зависит от заданного шага опорных точек сети. При задании большего шага сканирование происходит быстрее (в квадратичной зависимости. — Прим. ред.);
  • построением профиля поверхности, который может иметь и физические ограничения числа опорных точек.
В начало В начало

Вместо заключения

Необходимо отметить, что и до сих пор, по прошествии десяти лет, тактильные измерительные системы являются наиболее надежными в области 3D-сканирования. Новейшие трехкоординатные тактильные системы будут описаны в следующей статье.

Поскольку при сканировании механической тактильной головкой изделие «ощупывается», то при этом его поверхность неизбежно подвергается механическому воздействию. Если модель сделана из пластичного материала, то возможна деформация его поверхности при проведении сканирования в точках прикосновения щупа. Кроме того, точность измерения профиля поверхности механическим устройством имеет свои физические ограничения.

Превзойти физические ограничения и перейти на качественно новый уровень позволили последние исследования в области бесконтактного 3D-сканирования. Новые методы не только имеют существенно более высокую точность, но и совершенно не деформируют поверхность моделей, даже когда те изготовлены из пластичных материалов.

Следующая статья расскажет о таких системах.

По материалам фирмы CIELLE, опубликованным в CAD master

«САПР и графика» 1'2000