6 - 2000

«Я, Вань, такую же хочу!»

— А это кто в короткой маечке?
Я, Вань, такую же хочу!

Из песни В.Высоцкого

Александр Рагулин

В связи с изменением экономической ситуации в России все больше предпринимателей, как отечественных, так и зарубежных, пытаются разместить заказы на отечественных предприятиях. И все чаще руководители предприятий слышат из уст заказчиков в той или иной форме фразу, вынесенную в заглавие этой статьи.

На самом деле, задумайтесь, как часто на вашем столе появляется не чертеж изделия или пресс-формы, а образец бутылки, баночки для парфюмерии, домофона (спасибо Юрию Михайловичу!). А тех производителей оснастки, кто еще не держал в руках прототип зеркала ГАЗ 3111, скоро вообще можно будет пересчитать по пальцам одной руки.

В статье «Компьютерные технологии реверсивного проектирования» журнала «САПР и графика» № 1’2000 уже рассказывалось об одном из подходов обратного проектирования (reverse engineering). На примере литьевой формы сапога авторами подробно описан процесс проектирования и производства. Подобный подход, безусловно, имеет право на законное место под солнцем, но, к сожалению, у него есть два недостатка. Первый — далеко не всегда в качестве исходного материала мы имеем жесткий образец (форма, шаблон). Под словом «жесткий» автор имеет в виду не столько физическую твердость измеряемого образца (для лазерного сканирования она значения не имеет), сколько точное соответствие физических размеров прототипа требуемым размерам готового изделия. Зачастую мы имеем дело с далеко не идеальным образцом, уже включающим в себя ошибки его производства (утяжины, усадки и т.д.), а также эксплуатационные дефекты (трещины, сколы). Таким образом, начиная работу с подобного образца, мы заранее соглашаемся на некоторые допущения. Второй недостаток — достаточно высокая цена сканирующего оборудования. Для получения плотного облака точек обычная контрольно-измерительная машина (КИМ) не подходит, так как время сканирования на такой машине превысит все разумные величины. Здесь необходим либо лазерный сканер (типа Replica фирмы 3D Scanners), либо КИМ с возможностью непрерывного сканирования (типа Cyclone фирмы Reneshaw). Средняя стоимость данной системы колеблется в пределах 60-130 тыс. долл. Быстро окупить такие капиталовложения сложно.

Как же бороться с этой напастью? Как не упустить заказчика? Как с максимальной отдачей вложить средства в развитие производства? Надеюсь, вам удастся найти ответ на эти вопросы в данной статье.

Итак, наша задача — получить комплект оснастки по образцу изделия. При этом следует учесть, что предоставленный образец может быть геометрически не идеален.

Для решения такой задачи применим принципиально иной метод — вместо сплошного сканирования объекта будем сканировать только кривые, формирующие геометрию объекта. Подобный подход позволяет сократить время сканирования (требуются десятки точек вместо миллионов) и дает возможность влиять на точность создаваемой модели, ибо никто не заставляет нас использовать непосредственно сканированные кривые и мы можем их исправить (ввести параллельность, установить необходимый размер). Да и оборудование для этих целей может быть попроще. Подойдет и старенькая ручная КИМ, но оптимальную производительность при данном подходе обеспечивают так называемые измерительные руки. На рис. 1 показан процесс работы с такой рукой.

Далеко не последнее место в решении задач обратного проектирования занимает программное обеспечение. Для выполнения данной работы использовался гибридный моделировщик PowerSHAPE британской фирмы Delcam plc с приложением PS-Arm, которое позволяет использовать КИМ для непосредственного ввода данных в PowerSHAPE.

Используя измерительную руку, строим образующие кривые. На рис. 2 показан результат таких построений. Заметьте, что кривые, образующие второй глаз черепашки, отсутствуют. В отличие от тотального сканирования, данный метод проектирования исключает необходимость повторять симметричные элементы — мы просто построим их зеркальным отображением.

По завершении сканирования образующих кривых начинается следующий этап — построение 3D-модели изделия. Здесь раскрываются удивительные способности PowerSHAPE. На рис. 3 представлен фрагмент кривых, полученных сканированием. Обратите внимание на то, что различные сегменты пересекающихся кривых имеют разное количество точек. PowerSHAPE — система, подкупающая своей простотой в использовании наряду с поразительной мощью. Все, что надо сделать для создания поверхности, — это выбрать одним движением мыши все кривые и… создать поверхность! На рис. 4 показан сей созидательный процесс, а на рис. 5 — созданная поверхность в закрашенном виде. Удивительная особенность PowerSHAPE состоит в том, что кривые могут не иметь точного пересечения (допускаются зазоры в пределах точности). В этом случае система создаст поверхность, лежащую между образующими кривыми. Но самое интересное заключается в том, что никто не запрещает вам задать произвольную (!) точность создания поверхности. Что этот математический изыск дает на практике? Ответ прост: такая возможность системы позволяет использовать для измерения недорогие (но, как следствие, менее точные) измерительные устройства.

Следующая, хотя и далеко не последняя, особенность PowerSHAPE заключается в том, что его создатели заложили в систему колоссальные возможности по сглаживанию геометрии. Наряду со сглаживанием отдельных кривых, образующих поверхность, и сглаживанием отдельных точек поверхности допускается сглаживание поверхности целиком или упрощение поверхности до заданной точности. Результат сглаживания показан на рис. 6.

Таким образом, шаг за шагом мы строим модель сканируемого объекта. Процесс этот живой, допускающий внесение любых (!) изменений и поправок в конструкцию создаваемого объекта. На рис. 7 показан итог работы по восстановлению математической модели черепашки. Как сказал поэт: «Остановись мгновенье, ты прекрасно!» Но радоваться рано. Что мы имеем? Лишь красивую математическую модель — кучку цифр в глубинах компьютера.

Очередной шаг — создание модели формообразующей оснастки. И здесь PowerSHAPE имеет свои неоспоримые преимущества. Справедливости ради надо отметить, что PowerSHAPE является практически единственной CAD-системой, которая создавалась специально (!) для инструментального производства. Глубокому рассмотрению всех особенностей PowerSHAPE будет посвящена статья в одном из следующих номеров, здесь же мы просто посмотрим систему в действии.

Первый шаг на пути к оснастке — создание линии разъема. Система позволяет сделать это как в автоматическом (рис. 8), так и в диалоговом режиме. По заданной линии разъема PowerSHAPE строит поверхность разъема. Надо отметить большое количество опций, доступных для управления формой этой поверхности (рис. 9). Создание поверхности разъема — ответственное дело, поэтому наряду с автоматической процедурой существует процедура ручной проверки и исправления поверхности разъема. Существующий в системе механизм проверки модели на возможность обработки фрезой заданного радиуса позволяет технологу внести в конструкцию необходимые изменения на этапе проектирования.

Имея поверхность разъема, мы должны проверить, соответствует ли созданная нами модель заданным литейным уклонам. В PowerSHAPE такая проверка выполняется элементарно просто — существует специальный метод отображения модели, при котором области, соответствующие заданному уклону, окрашиваются зеленым цветом, области, соответствующие заданному в пределах допуска, — желтым, а не соответствующие уклону — красным (рис. 10). Вспомните, как часто конструктор изделия заботится о введении уклонов? Боюсь, многие из вас на своем опыте знают ответ — никогда. PowerSHAPE позволяет вводить литейные уклоны в уже созданную модель. При этом исчезает необходимость изменения геометрии модели изделия. На рис. 11 автоматически созданные поверхности литейных уклонов выделены другим цветом.

Теперь у нас есть соответствующая технологии изготовления, модель изделия и поверхность разъема, и нам необходимо получить модели полуматриц. Здесь нам поможет еще одна особенность системы: PowerSHAPE — это действительно гибридный моделировщик. Что это значит? Это значит, что из любого набора поверхностей можно создать твердотельный объект. Слово «любого» выделено не зря. Твердотельный объект в PowerSHAPE может содержать дыры; более того, он может быть вообще не замкнут! И с такими телами PowerSHAPE может выполнять булевы операции! Эту возможность поясняет рис. 12. Для того чтобы пользователь не запутался в направлениях твердотельных операций, можно использовать одну из сервисных возможностей графического интерфейса, а именно — динамическое сечение (рис. 13). Система позволяет динамически перемещать по модели секущую плоскость, скрывая отсеченную часть или показывая ее прозрачной. Итак, воспользовавшись логическим объединением и пересечением, мы получим модели двух полуматриц (рис. 14).

Для создания управляющих программ обработки по созданным в PowerSHAPE моделям использовался другой программный продукт фирмы Delcam plc — PowerMILL, о котором уже неоднократно упоминалось на страницах журнала «САПР и графика». Как «лучший в классе» продукт он заслуживает более глубокого рассмотрения, которое, несомненно, появится на страницах журнала. В данной же статье мы просто приведем на рис. 15 результат его работы.

В заключение хотелось бы сказать, что для решения любой задачи необходимо искать взвешенное решение. Далеко не всегда выбор дорогостоящих решений и реализация глобальных проектов являются залогом успеха. Часто для решения конкретных задач существуют свои изящные решения — о них просто надо знать. Надеюсь, эта статья поможет вам расширить область поиска таких решений.

«САПР и графика» 6'2000