Проектирование математических моделей методом комбинированного реверсивного инжиниринга с использованием программных продуктов фирмы Delcam plc

Реверсивный инжиниринг автомобильной детали на заводе «АвтоВАЗ»

Сканирование детали оптической установкой GOM

Построение реальной математической модели в системе ATOS

Построение реальной математической модели в CopyCAD

Реинжиниринг прогулочного судна на заводе «Прогресс»

Сканирование модели судна

Совмещение сканированных данных

Построение реальной модели матрицы палубы

Построение аппроксимированной модели судна

Выводы

Мы продолжаем публиковать работы, занявшие призовые места на ежегодном конкурсе студенческих работ, проводимом в России компанией Delcam plc. На этот раз предлагаем читателям ознакомиться с выдержками из работы студента Тольяттинского государственного университета Максима Нестерова, выполненной под руководством А.В.Скрипачева.

Острая конкуренция во всех отраслях промышленности требует от современных компаний быстрой реакции на запросы потребителей. Одним из немаловажных средств достижения данной цели является технология трехмерного сканирования, позволяющая выполнять работы по обратному инжинирингу, прототипированию и 3D-дизайну.

Метод реверсивного инжиниринга позволяет сократить время на разработку математической модели, а порой является единственной возможностью математически описать какое-либо уникальное изделие, на которое отсутствует конструкторская документация. Сегодня, когда требования к внешнему виду становятся все более жесткими и успех изделия на рынке напрямую зависит от дизайна, инженерам все чаще приходится обращаться к технологии реверсивного инжиниринга.

Схема технологического процесса при реверсивном инжиниринге отличается от стандартной тем, что она применяется в тех случаях, когда на изделие обычно отсутствует конструкторская документация. Прежде эта задача решалась разными способами: снималась форма макета методом слепков, использовалась копировальная обработка и т.д., но данные приемы не обеспечили требуемую точность и качество построения (особенно сложных геометрических форм), а кроме того, отличались высокой стоимостью работ.

Новые возможности в области реверсивного инжиниринга предоставляет бесконтактный способ оцифровки данных — лазерное сканирование и оптические системы трехмерной оцифровки. Данные системы уже опробованы и протестированы на сотнях предприятий по всему миру.

Реверсивный инжиниринг автомобильной детали на заводе «АвтоВАЗ»

Сегодня самыми распространенными и востребованными являются два способа сканирования: лазерное сканирование в системе G-Scan с использованием ручной измерительной машины ROMER с лазерной головкой и программных продуктов фирмы Delcam plc и оптическое сканирование в системе ATOS с помощью оптичес кой установки GOM. Чтобы вы­явить сильные и слабые стороны каждой из систем, на заводе «АвтоВАЗ» была выполнена тестовая работа по реверсивному инжинирингу детали 2110-5401379 для машины ВАЗ-2110.

Схема технологического процесса реверсивного инжиниринга одинакова для каждой из указанных систем, а исходными данными для построения реальной модели является облако точек, поэтому было принято решение выполнять сканирование однократно в системе ATOS. Такой выбор был обоснован тем, что применительно именно к этой детали оптическое сканирование является менее трудоемким и более быстрым.

Сканирование детали оптической установкой GOM

В процессе оцифровки оптической установкой GOM (рис. 1) на поверхность детали проецируются интерференционные изображения, а полученное изображение захватывается цифровыми камерами, установленными на каждом конце сенсорной головки. В процессе калибровки определяется угол и положение этих камер. Выполненное измерение состоит из нескольких отдельных видов. Трехмерная координата для каждой полученной точки изображения вычисляется при помощи цифровой обработки изображения (рис. 2). Самоклеящиеся точечные маркеры, случайным образом распределенные по поверх­ности модели, позволяют системе ATOS трансформировать каждый вид в систему координат объекта.

Построение реальной математической модели в системе ATOS

На основе полученного облака точек с заданной точностью аппроксимации нами была сгенерирована модель полигонов (триангулированная модель). «Дыры» в тех местах, где были наклеены точечные маркеры, были автоматически «затянуты» с учетом кривизны геометрии модели (рис. 3).

Далее, по сгенерированным в полуавтоматическом режиме кривым, были построены поверхности. Поверхности строились последовательным обходом траектории каждого из полигонов, образованного набором кривых (рис. 4). Геометрия построенной модели в точности повторяет геометрию триангулированной модели в заданном поле допуска.

Полученная модель удовлетворяет требованиям точности ±0,25 мм, но имеет следующие недостатки: во-первых, поверхности данной модели выглядят некорректно (то есть нет явных поверхностей скругления и основных формообразующих поверхностей), а во-вторых, сопрягающиеся поверхности не имеют тангенциальной гладкости сопряжения.

Построение реальной математической модели в CopyCAD

После сканирования в системе ATOS облако точек было передано в формате ACS в пакет CopyCAD и триангулировано (рис. 5). Этот пакет трехмерного моделирования позволяет работать с облаком точек (редактирование, фильтр «шума», генерация треугольников и т.д.) и с триангулированными моделями (редактирование треугольников, создание поверхностей). На начальном этапе CopyCAD дает возможность контролировать точность построения поверхностей, что позволяет получить модель, которая максимально приближена к реальному прототипу.

Далее триангулированная модель была аппроксимирована — были исключены и перестроены треугольники, имеющие некорректные размеры и форму, а кроме того, с помощью функций CopyCAD модель была «выглажена».

После того как триангулированная модель была доработана, в CopyCAD были построены все формообразующие поверхности, а затем модель была экспортирована в PowerSHAPE, где были созданы все поверхности скругления (рис. 6).

В результате построенная модель удовлетворяет всем требованиям технического задания (рис. 7).

Анализируя результаты выполненной работы можно сделать следующие выводы.

1. Оптическое сканирование. Система ATOS позволяет быстро и качественно отсканировать модель, но имеет ряд жестких технических требований, а именно: качественное освещение помещения (не допускается ни мерцания ламп, ни перепадов света); непо­движность модели относительно стойки оптической установки (не допускается даже малейшей вибрации); поверхность модели не должна отражать свет и должна иметь однотонную светло-матовую окраску. Данное программное обеспечение позволяет в полуавтоматическом режиме довольно быстро построить математическую модель в требуемом допуске, но концепция построения не удовлетворяет технологическим требованиям — как правило, сгенерированные в ATOS лоскуты поверхностей, из которых состоит реальная модель, не могут быть использованы для дальнейшей работы, так как имеют сложное математическое описание. Кроме того, подобная модель не содержит явных поверхностей скругления и основных формообразующих поверхностей. Тем не менее, используя систему ATOS, можно быстро и качественно получить полное представление о соответствии геометрии изделия ее математической модели.

2. Лазерное сканирование. Сканирование больших деталей лазерной головкой представляет собой довольно трудоемкий процесс, так как лазерная головка имеет сравнительно небольшую область сканирования. Однако следует подчеркнуть, что оборудование для лазерного сканирования имеет относительно небольшую стоимость и высокую мобильность, то есть легко монтируется и переносится. Сканирование выполняется в единой системе координат, что позволяет избежать дополнительной погрешности при совмещении отдельных групп точек. Лазерная головка легко настраивается практически под любые типы поверхностей и освещение. В процессе построения поверхностей в CopyCAD данные могут легко передаваться в моделировщик PowerSHAPE и обратно для более тщательной доработки, что позволяет получить математическую модель, удовлетворяющую всем технологическим требованиям. В процессе построения математической модели в CopyCAD ведется постоянный анализ отклонений от исходных триангулированных данных, чтобы избежать грубых ошибок на начальном этапе.

По окончании проделанной работы была разработана методика сканирования и построения математической модели, соединяющая в себе разные приемы сканирования, в том числе сканирование непосредственно набора кривых, что позволяет сократить время на доработку облака точек и триангилированной модели и сразу приступить к построению поверхностей.

Реинжиниринг прогулочного судна на заводе «Прогресс»

Основываясь на разработанной нами методике, на самарском заводе «Прогресс» специалистами фирмы «Делкам-Самара» была выполнена работа по реинжинирингу моделей матриц корпуса, палубы и внутренней палубы прогулочного судна «Аквалайн-150». Уникальность данной работы заключалась в том, что впервые были совместно использованы разные способы стратегии сканирования.

Первый способ — сканирование массива кривых контактным способом с помощью измерительной руки ROMER (полученные данные в дальнейшем были использованы в качестве образующих для поверхностей). Этот способ позволяет быстро и качественно получить основные формообразующие поверхности.

Второй способ — сканирование облака точек бесконтактным способом с помощью измерительной руки ROMER и лазерной сканирующей головки G-Scan (по полученному облаку точек в дальнейшем генерировалась триангулированная модель, по которой строились поверх­ности). Указанный способ дает возможность описать математически сложные мелкие участки изделия: гравировку, мелкие пазы и т.п.

Сканирование модели судна

Сканирование решено было производить посредством измерительной руки ROMER и лазерной головки G-Scan, что обосновывалось сравнительно небольшой себестоимостью оборудования, удовлетворительной точностью и высокой мобильностью измерительного прибора.

Совместное использование двух способов сканирования позволило значительно сократить временные и материальные затраты, так как были задействованы сильные стороны каждого из них.

Элементы детали условно были разбиты на три группы:

• правильные геометрические объекты были измерены поверхностями-примитивами (плоскости, цилиндры, конусы, сферы) и пр.;

• сложные поверхности с относительно большими габаритами были сканированы набором кривых (перед сканированием модель была визуально размечена монтажной лентой, причем стратегия разметки непосредственно зависела от способа построения данной поверхности в пакете-моделировщике);

• элементы модели, которые сложно описать математически, были сканированы лазерной головкой, что позволило получить облако точек, наиболее точно описывающее геометрию детали.

Совмещение сканированных данных

Вся модель была отсканирована в одной системе координат (основание измерительной руки не перемещалось относительно модели на протяжении всего периода сканирования и независимо от стратегии сканирования), поэтому совмещение разных фрагментов модели свелось к тому, что они были импортированы в один файл.

Одной из самых сложных моделей была матрица палубы — данная модель имела совокупность сложных и простых геометрических элементов, построение которых осуществлялось с использованием различных приемов и стратегий.

Построение реальной модели матрицы палубы

Прежде всего модель была разбита на участки в зависимости от сложности и способа построения. Далее мы рассмотрим некоторые элементы модели палубы, на которых можно наиболее наглядно продемонстрировать основные приемы построения.

Панель приборов палубы

Панель была отсканирована в программе G-Scan и триангулирована с высокой точностью в CopyCAD (рис. 8). Построение математической модели преимущественно велось в CopyCAD, а при необходимости доработки или правки поверхности модель экспортировалась в пакет трехмерного моделирования PowerSHAPE.

Построения в CopyCAD в основном велись двумя наиболее удобными способами: посредством создания поверхности путем обхода сети кривых (рис. 9) и указания четырех вершин лоскута (рис. 10).

Носовая часть палубы

Этот фрагмент модели (рис. 11) визуально разбивается на множество больших поверхностей, которые легко можно получить набором кривых. Поэтому носовая часть была визуально размечена монтажной лентой, по которой в дальнейшем и производилось сканирование кривых, причем разметка велась с учетом того, как данная поверхность будет строиться в CAD-пакете.

Сканирование кривых осуществлялось с помощью приложения PS-Arm, что позволило получать кривые непосредственно в CAD-пакете PowerSHAPE. Полученные кривые (рис. 12) были аппроксимированы: исключены явные выбросы, освобождены касательные вектора, на кривых, образующих одну поверхность, было выравнено количество точек. По полученным кривым были построены поверхности с использованием функций PowerSHAPE.

Элементы кормы палубы

Некоторые элементы кормы (рис. 13) с учетом точности аппроксимации можно было принять за поверхности-примитивы (плоскости, цилиндры, сферы и т.д.), которые с легкостью можно получить, измерив их в PowerINSPECT.

После того как элементы палубы были измерены, их экспортировали в PowerSHAPE, где они были ограничены друг другом и при необходимости скруглены, что дало возможность получить реальную модель данного элемента.

Построение аппроксимированной модели судна

По требованиям технического задания первоначально необходимо было построить аппроксимированную модель судна без радиусов.

После тщательного анализа реальной модели было принято решение: симметричные части строить только по одной из сторон (признанной наиболее «правильной»). Процесс аппроксимации заключался в том, что необходимо было «выгладить» и упростить все поверхности (по возможности привести их к виду четырехугольного лоскута, поверхности уклона необходимо было построить, выдерживая целые значения углов).

Построение аппроксимированной модели с радиусами свелось к тому, что поверхности полученной аппроксимированной модели были скруглены между собой (рис. 14 и 15).

Конечным результатом этой работы является математическая модель прогулочного судна «Аквалайн-150» (рис. 16), состоящая из моделей корпуса, палубы и внутренней палубы.

Выводы

В данной работе кратко описано построение математических моделей матриц судна «Аквалайн-150» методом комбинированного обратного инжиниринга с использованием программных продуктов фирмы Delcam plc, измерительной руки ROMER и лазерной сканирующей головки G-Scan.

Разработанную методику комбинированного инжиниринга целесообразно применять для проведения работ по трехмерному сканированию, прототипированию и 3D-дизайну.

«САПР и графика» 2'2005