3D-сканирование как инструмент обратного инжиниринга агрегатов

Как известно, метод обратного проектирования в области машиностроения – это процесс изучения существующих физических объектов для определения их свойств, в зависимости от поставленной задачи. Это может быть как изучение свойств материалов, из которых изготовлен объект, определение их марки, так и снятие размеров объекта, его геометрических параметров.

Когда может появиться необходимость применения реверс-инжиниринга? Я столкнулся с необходимостью создания динамического и статического оборудования в рамках построения цифрового двойника крупного предприятия ГПНС, используя как облака точек цехов, так и различную документацию на оборудование. Ранее необходимость возникала в связи с созданием базы твердотельных моделей отсканированной 3D сканером оснастки деталей разгонных блоков для ее дальнейшего изготовления на станках с ЧПУ.

В данных случаях, 3D модели оборудования создавались мною в различных программных комплексах и в рамках статьи я хотел бы показать один из способов создания 3D модели, используя облака точек и такие программы как Polyworks и Geomagic Design X.

Сканирование объекта в моем случае проходило при помощи специального оборудования от компании Leica. Использовался лазерный трекер Leica Absolute Tracker, представлен на фото:

Рис. 1 Leica Absolute Tracker

Так же использовался ручной инструмент Leica Absolute Scanner:

Для некоторых объектов сканирования (в основном для таких, у которых есть технологические отверстия, углубления, пазы, либо необходимо замерить плоскостность объекта, как например сотопанели космического комплекса «Метеор-3М», в замерах которого я принимал участие) необходимо использование дополнительного оборудования для снятия координат, например, набор отражателей TBR разного диаметра или же контактный щуп Leica T-prob с набором рубиновых, керамических и игольчатых наконечников:

В рамках сканирования рассматриваемого объекта дополнительное оборудование в виде отражателей и щупа не потребовалось.

Основные требования, которые необходимо соблюдать при сканировании объектов следующие:

Про аккуратность использования оборудования нужно напоминать себе каждую минуту.

Объект сканирования, о котором пойдет речь далее, это вал-шестерня небольшого размера (фото которого, к сожалению, утеряно). Никаких данных о марке стали, методе изготовления данного вала и методе термической обработки зубьев нет, и, признаться, эти свойства в данном случае неважны. Резьба, нарезанная в верхней части вала, так же не будет моделироваться. Вал был выбран как хороший пример для улучшения навыков сканирования и твердотельного моделирования. Облако точек, получившееся в результате сканирования, выглядит так:

Данное облако точек содержит около 4.1 млн точек. Большое количество точек в данной ситуации объяснятся тем, что зубья шестерни были просканированы достаточно тщательно. Пробелов в облаке точек практически нет. Это удобно при дальнейшем моделировании: получится лучше разбить полигональную модель на примитивные поверхности.

Второй шаг – преобразование данного облака точек в замкнутую полигональную модель. Полигональная модель – это модель, которая состоит из полигонов, где каждый полигон модели представляет из себя многоугольник, вершины которого являются точками облака. В данном случае полигональная модель несет в себе большое количество полигонов (программа Polyworks позволяет регулировать степень полигональности модели) и называется высокополигональной моделью. Так же бывают и низкополигональные модели, в случае, когда точек не так много. Полученная высокополигональная модель вала-шестерни выглядит так:

На данном этапе, работа в программном комплексе Polyworks окончена, а полигональная модель экспортируется в формате PRT. Для дальнейшего преобразования полигональной модели в твердотельную будет использоваться комплекс Geomagic Design X.

Работа в данной программе заключается в создании твердого тела на базе преобразованной полигональной модели и дальнейшем сравнении полученного тела с первоначальной полигональной моделью в целях поиска отклонений, неточностей и ошибок моделирования. Моделирование в данном программном комплексе подразумевает в нашем случае работу с примитивами. Примитивы – это простые формы поверхностей: цилиндры, конические поверхности, плоскости, поверхности, полученные путем вращения. Однако, возможно и моделирование нестандартных, сложных поверхностей, образованных по какому-либо закону.

Первый шаг работы с полигональной моделью – это её условное упрощение, разбиение на сектора (они так же являются, в основном, примитивными поверхностями):

Это разбиение производится программой автоматически, но необходимо выставить правильные параметры разбиения. Правильные параметры – это такие, при которых количество секторов станет оптимальным: за них можно будет зацепиться и создать простые поверхности первого и второго порядков. В противном случае, этих секторов будет либо слишком большое количество (поверхности на их базе строить будет трудоёмко), либо же слишком малое количество (поверхность не получится примитивной, будет иметь сложную неправильную форму).

Второй шаг работы с моделью – создание на базе ранее полученных секторов касательных к ним поверхностей. Поверхности необходимо создавать таким образом, чтобы их можно было усечь друг относительно друга и получить замкнутую полую внутри сложную поверхность – в таком случае программа в автоматическом режиме объединит поверхности и, заполнив пустоту выбранным материалом, создаст твердое тело. В случае с данным валом, было решено разделить его на несколько частей (несколько цилиндрических твердых тел и шестерня) и создавать каждую из них последовательно, а затем соединить все части в одно твердое тело. Первое тело – шестерня. Необходимо выбрать несколько секторов одной из сторон косого зуба и построить поверхность:

Затем выбрать сектора другой стороны зуба и так же построить еще одну поверхность. Можно либо создать массив поверхностей, посчитав количество зубьев шестерни, либо же создавать поверхности каждого из зубьев отдельно:

При создании поверхностей программа так же предлагает гибкие настройки в виде допустимого отклонения поверхности от секторов, гладкости полученной поверхности. Усекаем поверхности:

Далее создается примитивное твердое тело – цилиндр. Диаметр его больше для дальнейшего удобства замены поверхности.

На нем можно создать фаски и далее использовать функцию вырезания для замены цилиндрической поверхности тела зубьями шестерни:

Конечный результат представлен на рисунке 12:

Подобрав радиус скругления острых частей шестерни, переходим к созданию остальных частей вала. Как я сказал ранее, это обычные примитивные цилиндры, диаметр которых подобран с помощью секторов:

Создав остальные части вала, можно перейти к проверке полученного результата и поиску ошибок моделирования. Проверка будет произведена с помощью встроенного инструмента Geomagic Design X. Полигональная модель, состоящая из секторов, находится в тех же координатах, что и созданное твердое тело, поэтому проверка будет сводиться к их наложению и заданию предельного отклонения:

Как видно на данном рисунке, есть отклонение в верхней части вала-шестерни: в том месте находилась резьба создавать которую не нужно. Модель зубьев шестерни находится в поле допустимых отклонений, как и размеры внешних диаметров вала.

В заключение можно сказать, что данный метод реверс – инжиниринга может помочь в создании малогабаритных запасных частей механизмов и машин, которые играют большую роль в работе крупных промышленных предприятий.

#облакоточек #reverse-engineering