Компьютерные технологии реверсивного проектирования

Анатолий Губанов, Владимир Власов

Оцифровка прототипа или образца

Оптическая головка

Генератор лазерной линии (ГЛЛ)

Плата обработки оптической информации SURFA

Под термином «реверсивное проектирование» понимается комплекс технологий для реализации схемы: идея—макет—изделие (в отличие от привычной для инженера схемы: идея—чертеж—изделие). Сейчас, когда требования к внешнему виду изделия стали более жесткими и успех изделия на рынке чаще определяется его дизайном, нежели чисто функциональными возможностями, инженеру приходится все чаще обращаться к технологиям реверсивного проектирования. Традиционно форма изделия снималась с макета методом слепков или путем использования копировальной обработки. Многоступенчатые технологии определяли высокую стоимость работ и часто не могли решить всех задач, особенно при создании сложных многоразъемных форм. Новые возможности в этой области открывают технологии оцифровки и обработки данных. Оцифровка макета или образца может быть проведена на объемных сканерах, на контрольно-измерительных машинах или на станках с ЧПУ, оснащенных измерительными головками. Таким образом, мы получаем электронный макет изделия, представленный в виде упорядоченного или неупорядоченного массива точек в пространстве. Этап реверсивного проектирования берет на себя преобразование точек в данные, которые воспринимаются системами компьютерного проектирования: сечения, поверхности, твердые. Далее процесс создания изделия идет по традиционному пути (рис. 1).

Весь процесс реверсивного проектирования включает следующие этапы:

• оцифровка прототипа;
• обработка оцифрованных данных и подготовка компьютерной модели прототипа;
• конструкторско-технологическая проработка изделия на основе полученной модели;
• разработка управляющих программ для оборудования с ЧПУ связанных с внесенными изменениями;
• изготовление изделия или оснастки.

На примере технологии лазерного сканирования и программного обеспечения фирмы Delcam далее показаны все этапы проектирования пресс-формы для изготовления резинового сапога. Была поставлена задача изготовить пресс-форму по готовому образцу, то есть практически сделать копию формы.

Оцифровка прототипа или образца

Сканирование проводилось на объемном лазерном сканере Replica 860 фирмы 3D Scanners (рис. 2), который представляет собой автоматизированную систему оборудования и программного обеспечения, позволяющую быстро создавать трехмерную компьютерную модель объемных тел большого разнообразия форм и размеров.

Система включает в себя:

• установку лазерного объемного сканирования;
• компьютер Pentium-100;
• плату управления и комплекс программ, управляющих работой установки;
• комплекс программ для редактирования данных.

Лазерный объемный сканер представляет собой управляемую от компьютера установку с тремя линейными осями движения X, Y и Z. Рабочий орган установки — оптическая головка, которая закреплена на ползуне, перемещающемся в вертикальном направлении (ось Z). Сканирование осуществляется в ходе линейных перемещений рабочего органа. Управление перемещениями системы осуществляется от компьютера через интерфейс RS 232.

Оптическая головка

Оптическая головка представляет собой рабочий орган установки лазерного объемного сканирования (рис. 3).

Она состоит из корпуса (1), оптического датчика (2), включающего в себя камеру (2а) и системы линз (2в), призмы (3), генератора лазерной линии (4) и зеркал (5).

Работа оптического датчика (рис. 4) основана на принципе триангуляции лазерной линии. Генератор лазерной линии (4) проецирует ее на объект (6). Оптический образ линии снимается под некоторым углом зеркалом (5) и передается через призму (3) в датчик (2). Таким образом, высотные изменения объекта сканирования превращаются в изменение формы линии оптического образа (7).

Применение в конструкции головки двух противоположных зеркал позволяет уменьшить возможность возникновения теневых областей. Теневые области возникают в том случае, когда след лазерной линии не виден под данным углом из-за резких высотных перепадов формы поверхности образца. Таким образом, если одно из изображений отсутствует, то компьютерная модель рассчитывается по-другому. Если в наличии имеются оба изображения, то, для того чтобы исключить многозначность данных в точке, в качестве результирующего значения принимается среднее.

Генератор лазерной линии (ГЛЛ)

ГЛЛ предназначен для создания яркой узкой лазерной линии и проецирования ее на поверхность сканируемого объекта.

В качестве источника излучения в генераторе (рис. 5) используется полупроводниковый лазер (1) с длиной волны, равной 70 нм, и мощностью 5 мВт. Пучок света преобразуется в линию (5) при помощи системы линз (3). Ширина лазерной линии определяется диаметром светового пучка, падающего на линзу (3b), и регулируется при помощи изменения расстояния l1 вращением регулировочной гайки (2). Направление лазерной линии и угол падения пучка света регулируются винтами (6).

Длина лазерной линии ограничивается только степенью рассеивания луча света. Наиболее яркий участок длиной до 100 мм остается в центре. Выбор отрезка линии, на котором будут отслеживаться изменения формы поверхности, определяется настройкой.

Плата обработки оптической информации SURFA

Специализированная электронная плата обработки графической информации SURFA 3D Frame Grabber, установленная в корпусе компьютера, связывает его с оптическим датчиком и выполняет геометрические расчеты, позволяющие преобразовать двухмерные оптические образы, создаваемые датчиком, в трехмерную точечную модель. Через внешние разъемы SURFA связана с фотокамерой и ГЛЛ. В конструкцию платы включен 16-разрядный математический процессор, который обрабатывает видеоизображения со скоростью свыше 14 тыс. точек в секунду. Изображения с фотокамеры подвергаются фильтрации по степени яркости, после чего в изображении остаются только точки, принадлежащие лазерной линии. Если порог чувствительности недостаточно высок и толщина линии больше, чем одна точка, окончательное положение линии определяется математически, методом усреднения.

Внутренняя оперативная память платы составляет 8 Мбайт и позволяет хранить до 2 млн. точек поверхности.

Рассмотрим порядок работ, выполняемых в ходе моделирования, на примере изготовления литьевой формы для резинового сапога.

I этап — создание компьютерной модели прототипа. В качестве прототипа использована действующая литьевая форма сапога, на которую отсутствовали чертежи (рис. 6).

Процесс сканирования осуществляется по оптической бесконтактной схеме с очень высокой скоростью — до десятков тысяч точек в секунду, и высокой плотностью — до десятков тысяч точек на один квадратный миллиметр.

В результате процесса оцифровки получаем комплект компьютерных моделей поверхностей прототипа в виде упорядоченного набора точек или набора линий профи (рис. 7). Средствами программного обеспечения, поставляемого со сканером, данные можно отредактировать: усреднить, сгладить, ограничить и т.д.

II этап — создание компьютерной модели нового изделия. На этом этапе созданные путем оцифровки точечные модели прототипа собираются, оптимизируются, по необходимости векторизуются и редактируются средствами программного пакета CopyCAD, разработанного Delcam специально для целей реверсивного проектирования. Определенную проблему представляет невозможность сканирования детали на сканерах и контрольно-измерительных машинах одновременно со всех сторон. Для сложных изделий, когда нет элементов привязки, она решается методом трех сфер. На деталь закрепляются вспомогательные шарики, три из которых должны быть видны с двух установок. Увязка моделей, сканированных с разных сторон, производится по сферам в системе CopyCAD.

CopyCAD позволяет получить данные в различной форме для дальнейшей работы над изделием. Первый этап обработки данных в CopyCAD — получение триангулированной модели, которую можно сохранить в формате STL. Модель после необходимого редактирования (сглаживание, ограничение, объемные и пространственные преобразования и т.д.) может быть передана в пакет механообработки PowerMILL для подготовки управляющих программ на станки с ЧПУ. Подобный подход реализует принципы электронного копировального фрезерования. Преимущества его по сравнению с традиционной копировальной обработкой очевидны за счет возможностей использования всех вероятных стратегий обработки, предоставляемых PowerMILL, в отличие от простых строчных проходов при обычном копировании. Для более глубокой проработки изделия в системе объемного моделирования данные необходимо преобразовать в поверхностный вид. Для этого средствами CopyCAD по триангулированной модели строятся поверхности.

На рис. 8 показан промежуточный результат работы: триангулированная модель изображена серым цветом, а построенные поверхности — голубым. Для построения поверхности следует мышью указать участок, где планируется создать лоскут. Соседние лоскуты сшиваются автоматически с сохранением касательности. Отклонение построенной поверхности от фактических значений точек оцифровки отображается цветовой шкалой (рис. 9). При больших отклонениях рекомендуется создавать более мелкие лоскуты. Если важно обеспечить гладкость поверхности в ущерб точности, лоскуты могут быть максимально большими.

Иногда для работы достаточно снять с модели набор сечений, которые в дальнейшем будут использоваться для построения поверхностей в системе объемного моделирования. В этом случае модель рассекается в различных направлениях и плоскостях и полученные сечения передаются в систему моделирования. Подобный набор сечений триангулированной модели показан на рис. 10.

III этап — созданная таким образом поверхностная модель изделия подвергается конструкторско-технологической проработке в программном пакете компьютерного моделирования PowerSHAPE, где производится окончательное построение изделия, формообразующих элементов пресс-формы и электродов для электроэрозионной обработки (рис. 11). PowerSHAPE представляет собой гибридный моделировщик, ориентированный на подготовку изделия для изготовления в инструментальном производстве. Кроме обычного набора функций для моделирования сложных поверхностей и твердых тел он имеет специальные возможности для построения элементов формы и вторичного инструмента.

В данном случае при моделировании формы для сапога проводилось дополнительное сглаживание поверхностей, построение полуформ и взаимная увязка полуформ и центральной колодки для создания равномерного зазора с обеих сторон. В связи с высокими требованиями к чистоте поверхности и для нанесения текстуры на поверхности, формирующие внешнюю сторону сапога, требуется изготовление электродов для электроэрозионной обработки. Для создания электродов выделенные поверхности автоматически корректируются на величину межэлектродного зазора. Модель электрода показана на рис. 12.

IV этап — механическая обработка формообразующих элементов формы и электродов на станках с ЧПУ. Для подготовки управляющих программ предназначен пакет PowerMILL, решающий весь комплекс задач: черновую и получистовую обработку, чистовую обработку с различными стратегиями, подчистку контуров и т.д. На рис. 13 и 14 показаны отдельные фрагменты программ, а на рис. 15 — имитация обработки на экране в модуле ViewMILL.

V этап — контроль формы. Завершающим этапом является контроль соответствия изготовленной формы и математической модели, по которой она сделана. В составе комплекса программного обеспечения для изготовления сложной технологической оснастки от фирмы Delcam для этого служит пакет PowerINSPECT. PowerINSPECT работает в комплексе с координатно-измерительной машиной и получает от нее информацию через последовательный интерфейс RS232. Привязка детали и компьютерной модели ведется по конструктивным элементам — отверстиям и плоскостям, или в случае их отсутствия — свободно, как минимум по шести произвольно измеренным точкам (рис. 16).

Результаты измерения сравниваются с объемной компьютерной моделью и отображаются на экране компьютера. Финальной стадией является формирование отчета в формате Excel, где приводятся все отклонения точек и делается заключение о соответствии формы заданным техническим требованиям.

Описанный выше комплекс программных пакетов для решения всего круга задач, стоящих перед инженером при проектировании и изготовлении изделий сложных пространственных форм, объединен под общим названием Power Solution. В Power Solution реализованы две главные идеи: развить возможности мощных систем поверхностного моделирования, работавших ранее на UNIX-станциях, и одновременно создать легкий и интуитивный пакет под Windows NT, не требующий многомесячного освоения сотен команд. Именно простота работы определила сегодняшний успех популярных твердотельных моделировщиков типа SolidWorks. Теперь и Delcam вышел на рынок с легким в работе гибридным моделировщиком и полным комплексом программ для инструментального производства.

«САПР и графика» 1'2000