11 - 2001

Практический подход к реверсивному инжинирингу

Павел Ведмидь

Реверсивный инжиниринг предполагает создание компьютерной модели изделия по результатам обмера самого изделия или его макета (прототипа). В последнее время спрос на такие работы значительно вырос. Фирма «Делкам-Урал» для обмера изделия использует лазерную измерительную машину Replica фирмы 3D Scanners, для работы с оцифрованными данными — пакет CopyCAD фирмы Delcam, а для моделирования — гибридный моделировщик PowerSHAPE этой же фирмы.

Работа данного комплекса уже рассматривалась в нашем журнале («САПР и графика» № 1’2000). В настоящей статье мы расскажем о работе этого программно-аппаратного комплекса на примерах реально выполненных изделий, обратив особое внимание на некоторые практические методологические приемы.

Первое изделие, о котором мы будем говорить, — это резиновая маска респиратора. Заказчик АО «Сорбент» (г. Пермь) предоставил ныне выпускаемую маску, чертежи оснастки на нее, деревянный макет пуансона для новой маски и саму новую маску, выполненную по этому макету «на коленке» (по выражению самого заказчика). Новая маска обладает улучшенными эргономическими показателями, и их воспроизведение в модели имеет решающее значение. Однако макет новой маски, выполненный вручную, оказался несимметричным и имел локальные неровности. Задача состояла в том, чтобы получить компьютерные модели формообразующих вставок для новой маски, которые будут использоваться в старой пресс-форме. Отклонения от симметричности и локальные неровности должны быть устранены. На рис. 1 показаны старая и новая маски, а на их фоне чертеж существующей оснастки. На рис. 2 представлен деревянный макет пуансона, установленный на столе лазерной измерительной машины Replica.

Вследствие использования лоскутной лазерной триангуляции Replica измеряет до 14 тыс. точек поверхности в секунду. При этом на сканирование типичного объекта уходит всего несколько минут независимо от сложности его геометрической формы. Программное обеспечение установки позволяет редактировать результаты оцифровки, используя функции манипуляции и фильтрации для изменения плотности и плавности данных. Точность отдельного отсчета по оси Z составляет около 0,05 мм, однако благодаря значительной плотности данных измерения точность определения поверхности существенно повышается. Replica имеет возможность оцифровывать точки, лежащие на расстоянии не более 10 мкм друг от друга (до 10 тыс. точек на один квадратный миллиметр поверхности).

Сканирование выполнено с двух сторон совместно с тремя сферами; CopyCAD позволяет совмещать данные, сделанные с разных положений, по трем сферам.

На рис. 3 показаны так называемые сканлинии после первой обрезки — отсечения опорной плоскости (участки сфер сохранились). Далее проводилось совмещение моделей по трем сферам. Триангуляция модели была осуществлена почти автоматически, после чего с помощью правки треугольников выполнено удаление сфер и некоторых выступающих треугольников в районе разъема. Результирующая модель на этой стадии показана на рис. 4. Цветными линиями обозначены конструкционные линии, созданные автоматически по кромкам модели. Они уже могут быть переданы в любой моделировщик через формат IGES или DXF.

Для получения описанных результатов использовался только один модуль CopyCAD — Digitise. Хотя имеется еще модуль Surfacing, предназначенный для создания поверхностей по треугольной модели, но его мы для этой модели не использовали. Причин этому несколько.

Во-первых, поскольку изделие несимметрично, необходимо не простое копирование, а копирование с исправлением формы. Во-вторых, для обеспечения гладкости формы и лучшей управляемости поверхность должна иметь меньшее количество образующих, а для обеспечения точности — большее. Использование Surfacing может дать неоправданно большое число образующих. Для его уменьшения можно было бы выполнить предварительное сглаживание оцифрованных данных средствами ПО машины Replica, но это привело бы к размыванию острых кромок, которые тоже нужны.

Digitise позволяет получать сечения по треугольной модели, в том числе и наборы сечений, созданные смещением или разворотом. На рис. 5 показан набор сечений, созданный в CopyCAD, а на рис. 6 — набор сечений с переопределенными точками, созданный уже в PowerSHAPE (о переопределении точек речь пойдет ниже). Белым цветом обозначены будущие образующие поверхности. На рис. 7 и 8 представлена законченная модель маски. Внешние формы одной половины (из-за симметрии) описаны всего пятью поверхностями. По модели изделия были созданы модели формообразующих вставок оснастки с использованием данных чертежа прежней оснастки (рис. 9) и чертеж пуансона, необходимый для доработки остальных частей пресс-формы (на рис. 10 показан фрагмент чертежа). Чертеж получен по компьютерной модели в модуле PS-draft.

Аналогичным образом было выполнено сканирование и моделирование супинатора для обуви. Макет супинатора получен на основе ортопедических медицинских данных. Новая форма супинатора является лечебной, и ее копирование имеет важное значение. Здесь, естественно, речь не идет о симметрии, но корректирование локальных неровностей все же требуется. Модель в формате треугольников, созданная в CopyCAD, представлена на рис. 11. Этот пример демонстрирует такую функцию PowerSHAPE, как переопределение точек (REPOINT). PowerSHAPE переопределяет количество и позиции опорных точек, стараясь сохранить форму кривой. На рис. 12 показаны сканлинии с расположенными на них точками (для наглядности обозначена каждая третья линия). На этой стадии уже выполнено прореживание точек по допуску (0,02 мм), но все равно их осталось достаточно много. В сканлиниях точки соединены прямыми линиями. Загрубить допуск на этой стадии мы не могли, поскольку это вызывало огранку при триангуляции. Поэтому пришлось снова получать набор сечений по треугольной модели (рис. 13). На этой стадии использован допуск 0,05 мм, и число точек существенно уменьшилось. Это произошло не только за счет допуска, но и за счет того, что здесь точками заданы кривые (с контролем касательности). При создании поверхности по этим линиям в PowerSHAPE можно использовать две опции: с сохранением позиций точек (по возможности) или с автоматическим переопределением позиций. Однако оба этих способа здесь не обеспечили нужного решения. Было проделано ручное переопределение точек кривых так, чтобы продольные образующие следовали вдоль перегиба поверхности, и по ним была создана поверхность (рис. 14). На рис. 15 приведена законченная модель изделия, на рис. 16 — одна из полуформ пресс-формы. Обратите внимание, что разъем здесь, как и в предыдущем случае, неплоский.

На рис. 17 показан отражатель уличного фонаря, на рис. 18 — его модель в CopyCAD, а на рис. 19 — поверхностная модель в PowerSHAPE. При создании рифленых поверхностей везде использовалась функция переопределения точек, иначе в некоторых местах получались складки. Отслеживать вручную каждую линию перегиба здесь нецелесообразно, поэтому было задано заведомо большее их количество — 90 (от 24 до 30 точек в разных образующих). Далее число образующих было уменьшено путем автоматического удаления лишних образующих, не влияющих на форму в пределах заданного допуска.

Рассмотрим еще одно изделие — корпус миксера (рис. 20). Сканируемое изделие предполагалось использовать как прототип, точное копирование опять не требовалось. Для простоты модификации надо было не только минимизировать число образующих, но и постараться описать их геометрически правильными кривыми, а также расположить их так, чтобы результат модификации можно было проще представить. Треугольная модель в CopyCAD была получена аналогично тому, как описано выше. Резкий перегиб поверхности был принят как граница между наружными и внутренними поверхностями. Затем строились сечения и передавались в PowerSHAPE. Расположение сечений показано на рис. 21, причем для наружных и для внутренних поверхностей использовалось разное расположение сечений. Благодаря индивидуальному подходу к каждому сечению основную поверхность изделия удалось описать тремя лоскутами (рис. 22, каждый лоскут показан разным цветом). Четвертая поверхность (обозначенная белым) была создана по крайним образующим и «подшита» по касательной к соседним поверхностям.

На рис. 23, 24, 25 показаны модели дверных ручек, выполненные для завода «Исеть» (г. Каменск-Уральский). Обратите внимание на форму поверхностей разъема. Здесь стоит отметить, что сканируемые ручки имели доработанные вручную кромки, что затрудняло поиск наиболее подходящего разъема, поэтому потребовался перебор вариантов линии разъема при моделировании. Образующие поверхности на этой стадии корректировались (в крайних точках), чтобы «пришить» их к линии разъема. Особенно это было важно для завитка на ручке, показанной на рис. 25. (При создании этого рисунка использована функция «Динамическое сечение», дающая очень наглядное представление об изделии.) Обычно линия разъема создается по готовому изделию как след точек на поверхности, где нормаль является горизонтальной. Но бывают ситуации (как в данном случае), когда дизайнер обращает особое внимание на линию разъема, и тогда от нее моделируются основные поверхности.

На рис. 26 показаны модели деталей кузова автомобиля ВАЗ, предназначенные для создания штампов, также выполненные по описанной технологии. С точки зрения моделирования в PowerSHAPE эти изделия проще рассмотренных выше. В качестве особенностей работы отметим исправление дефектов листовой штамповки — неравномерного отгиба и рифлений на кромках.

В заключение подчеркнем, что рассмотренный подход позволяет обойтись только одним модулем системы CopyCAD — Digitise, стоимость которого составляет примерно треть цены полного пакета. Для этого необходим мощный поверхностный моделировщик, каким является PowerSHAPE. PowerSHAPE — гибридный моделировщик, функции работы с твердыми телами которого от версии к версии становятся все мощнее, но в случаях, описанных в настоящей статье, использовались именно функции работы с поверхностями.

«САПР и графика» 11'2001