CC BY
110
УДК 004.925.83: 004.925.84
А. А. Грибовский, А. В. Пирогов, Е. Е. Алёшина
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА НОВЫХ ИЗДЕЛИЙ
Рассматриваются задачи создания моделей изделия на основе исходного прототипа со сложной геометрией и анализа их точности. Описываются возможности использования моделей, полученных после трехмерного сканирования.
Ключевые слова: трехмерное сканирование, твердотельное моделирование, полигональная модель.
Одна из особенностей современного производства — тенденция к усложнению геометрии изделий и увеличению их номенклатуры. В связи с тем что не все изделия создаются на основе трехмерной модели, возникают сложности при их модификации. При работе с готовым продуктом, для которого отсутствует документация, требуется создание его виртуальной модели. Получить ее можно путем обмера с использованием трехмерных сканеров. Такая технология позволяет формировать модель в несколько раз быстрее и точнее по сравнению с традиционными технологиями, а для сложных изделий она является единственной возможностью получения корректной геометрии.
Современные системы, применяемые в приборостроении, работают на основе одного из трех принципов:
— точечная триангуляция (точечное сканирование);
— линейная триангуляция;
— интерференционное проецирование (оптические сканеры).
В зависимости от используемой технологии варьируются скорость формирования моделей и точность получаемой геометрии. Сравнение основных характеристик всех трех методов по пятибалльной шкале представлено в таблице.
Метод
Параметр точечной линейной интерференционного
триангуляции триангуляции проецирования
Точность 5 2 4
Скорость 1 3 5
Передача сложных поверхностей 1 4 4
Мобильность 2 5 4
В настоящей статье рассматривается система ЛТОБ, использующая принцип интерференционного проецирования и обеспечивающая высокую скорость получения полигональной модели. Данная система была выбрана из-за сочетания высокой производительности и точности.
Для примера: скорость формирования поверхности для точечного измерения лежит в районе единиц—сотен точек за одно измерение, для лазерных сканеров — от тысяч до десятков тысяч, а для оптических систем — сотни тысяч—миллионы. Примерное время одного измерения для всех методов — 1 с.
Современные системы трехмерного сканирования позволяют формировать корректные модели с высокой степенью детализации за несколько часов. Однако к настоящему времени из-за особенностей полигональной структуры модели они получили распространение только в ряде областей, связанных с компьютерной графикой и проведением инженерного анализа.
При использовании оптического сканирования на изделие проецируются интерференционные линии, которые фиксируются двумя камерами, расположенными на трехмерном
сканере под определенным углом. После сопоставления с использованием специализированного программного обеспечения снимков, полученных с обеих камер, генерируются координаты точек на поверхности. Таким образом, по результатам сканирования формируется „облако" точек, представляющее собой упорядоченное скопление сотен тысяч или миллионов точек (это скорее набор данных, чем модель в традиционном конструкторском понимании этого слова). Для работы с полученными данными в виде модели проводится операция поли-гонизации, которая заключается в соединении соседних точек в треугольники с минимально возможной длиной ребер.
Связи в полученных полигональных моделях можно разрушить без вмешательства в структуру соседних областей. При этом из моделей вычленяется треугольник, в результате чего нарушается замкнутость соответствующей поверхности. Из-за такой структуры связей невозможно произвести добавление или вычитание стандартных конструкторских примитивов, таких как отверстие или выступ. При попытке создать вырез будут удалены те треугольники, которые входят в зону выреза, что приведет к их „вырыванию" из окружающих связей. Для получения точного выреза требуется модификация сопрягаемых элементов, что приводит к изменению структуры, ее перестройке и возможной деформации связей за границей выреза. Такие изменения могут вызвать погрешности, порой критичные для точности изготовления, и некорректные сдвиги триангулярной поверхности, приводящие к полной модификации модели. Особенности, столь критичные для конструирования, не играют значительной роли в компьютерной графике и анимации, для которой триангулярные поверхности давно стали стандартом де-факто, поэтому использование трехмерного сканирования в этой области и в смежных с ней областях не вызывает существенных сложностей и широко распространено.
Трехмерные модели, полученные с использованием объемного сканирования, могут применяться в приборостроении для таких задач, как:
— визуализация изделий;
— прототипирование — в данную задачу входит получение копий с использованием технологии быстрого прототипирования [1]. Системы, подобные Objet Eden 350v, напрямую работают с данными, получаемыми со сканера, и корректно выстраивают прототипы на их основе;
— анализ конструкции (включает измерение размеров, а также отклонений по форме);
— твердотельное моделирование (включает создание на основе полигональной модели твердого тела, к которому может быть применен весь набор инструментов CAD-моделирования);
— построение простейших примитивов, данный класс примитивов можно передавать в CAD-системы через соответствующие интерфейсы.
Создание моделей с коренными изменениями в конструкции требует специализированных средств редактирования, предоставляемых CAD-системами при работе с твердотельными объектами. Рынок трехмерного моделирования динамично развивается и быстро реагирует на возникающие проблемы, предоставляя средства для их решения как в виде отдельных продуктов, так и в виде модулей, интегрируемых в существующие программные продукты [2].
Для решения задачи построения твердотельного объекта на основе полигональной модели были предложены соответствующие средства [3]. Несмотря на разнообразие таких решений существует общая методика построения, включающая несколько этапов (рис. 1), которые позволяют получить модель оптимальным способом:
— определение характерных участков модели — изначально определяются те участки, которые требуют повышенной точности построения;
— определение границ кривизны;
— построение контуров на основе границ;
— создание патчей (патчи, представляющие собой переходные участки в областях большой протяженности, разделяют области с одинаковой кривизной на ряд участков);
— построение сетки на основе патчей [4].
Формирование твердотельной модели
Загрузка триангулярной поверхности
Да
Создание контуров модели
Формирование границ
I
Формирование поверхностей
I
О
Сетка корректна? ,. Нет
Формирование сетки на основе патчей
Создание патчей
1
Редактирование патчей
Рис. 1
В итоге формируется результирующая поверхность (так называемая САО-поверхность), на основе которой строится твердое тело. Последовательность преобразования из полигональной модели в редактируемую САО-модель представлена на рис. 2 (в полученной твердотельной модели в соответствии с эскизом был сделан вырез с использованием системы Сайа).
Рис. 2
Полученную модель можно использовать для написания управляющих программ, создания пресс-форм или литьевых форм для изготовления крупных партий деталей. При этом средства твердотельного моделирования, поддерживаемые в CAD-системах, позволяют формировать как принципиально новые конструкции, базирующиеся на исходной модели, так и объекты, которые будут сопрягаться с исходным по каким-либо поверхностям [5].
Анализ конструкции является неотъемлемой частью подготовки производства новых изделий. В простейшем случае это может быть сравнение полученной модели с ее прототипом, а для ответственных и сложных конструкций приходится прибегать к инструментам CAE-систем. В связи с важностью данного направления на рис. 3 приводится пример контроля построенной модели в одной из систем анализа Geomagic Qualify, предоставляющей набор инструментов для контроля модели, построенной на основе полигональной поверхности [6]. В зависимости от степени автоматизации при построении модели и времени, затраченного на
данный процесс, формируется тело, более или менее приближенное к оригиналу. В результате проведенного анализа можно получить наглядное отображение тех участков, которые соответствуют или не соответствуют допустимым значениям отклонений.
Рис. 3
Благодаря отображению всех отклонений в пространстве (трехмерное) или в конкретных сечениях (двумерное) можно быстро принять решение о целесообразности использования полученной модели.
На данный момент системы оптического сканирования, используемые совместно с соответствующим программным обеспечением, позволяют подготовить модели для решения широкого круга задач. Благодаря распространенной практике использования прототипов в новых разработках применение такого инструментария ускоряет выпуск технологической документации при сохранении эксплуатационных свойств изделия на высоком уровне.
Трехмерное сканирование изделий позволяет создать конкурентоспособную продукцию, а также предоставляет средства для контроля и поддержания ее качества на высоком уровне. Нами рассмотрена основная часть средств, позволяющих применять трехмерное сканирование при подготовке производства. В настоящее время использование оптических сканеров сводится к единичным случаям. Статья демонстрирует важность исследования данной области как одного из направлений ускорения подготовки производства.
список литературы
1. Зильбербург Л. И., Молочник В. И., Яблочников Е. И. Моделирование приборов, систем и производственных процессов. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 156 с.
2. Vârady T., Michael A., Terék F., Terék Z. Automatic Extraction of Surface Structures in Digital Shape Reconstruction. // Geometric Modeling and Processing. Berlin — Heidelberg: Springer, 2006. Vol. 4077.
3. Cramblitt B. Mold Development with Digital Shape Sampling and Processing // MoldMaking Technology Insider. 2007.
4. Marks P. Capturing a Competitive Edge Through Digital Shape Sampling & Processing (DSSP) // The Society of Manufacturing Engineers. 2005.
5. Басов К. А. CATIA V5. Геометрическое моделирование. СПб: Питер, 2008. 270 с.
6. Binder J. Automating the inspection process // Aerospace America. 2006. October.
Сведения об авторах
Андрей Александрович Грибовский — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; E-mail: griandrey@yandex.ru
64
Ю. В. Федосов, С. Ф. Соболев
Александр Владимирович Пирогов
Екатерина Евгеньевна Алёшина
студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; E-mail: avpir@mail.ru
аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; E-mail: aleshina.ekaterina@gmail.com
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 14.12.09 г.
УДК 621.3; 65.012.4
Ю. В. Федосов, С. Ф. Соболев
ПОСТРОЕНИЕ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА В ЛАБОРАТОРИИ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА
Рассмотрены основные принципы работы учащихся в лаборатории поверхностного монтажа. Приведены примеры подхода к созданию модели обучения, а также рекомендации по выбору оборудования.
Ключевые слова: учебный процесс, производство печатных плат, технологический процесс.
В последнее время технологическое оборудование постоянно усложняется. Вследствие возрастающей сложности учащимся становится все труднее представить себе принципы его работы, особенно если они раньше не имели опыта общения с таким оборудованием. Также вследствие возрастающей сложности существующего оборудования увеличивается количество необходимых приемов и нюансов практической работы с ним, поэтому приходится изучать все больше и больше его особенностей, которые невозможно описать на лекциях: нужно непосредственно взаимодействовать с оборудованием, чтобы понять, как оно работает.
Если раньше процессы проектирования и производства изделия были несколько отдалены друг от друга, то в настоящий момент все больше внедряется РБМ-систем, обеспечивающих единую информационную среду предприятия, теснее увязывающих эти процессы. Таким образом, все службы и цеха предприятия работают в тесной взаимосвязи — данные САПР сразу передаются в цех, где на основе этих данных изготавливается новое изделие.
Если учащийся планирует по окончании института работать на современном предприятии, то сами условия производства диктуют необходимость изучения всех предметов в комплексе: процесса проектирования и процесса изготовления. Таким образом, чтобы студент лучше понимал процессы, которые лежат в основе изготовления изделий, он должен понимать все способы взаимодействия программного обеспечения и оборудования, а также те способы передачи данных, которые имеются на современном предприятии.
Можно отметить тенденцию к развитию у учащихся единой точки зрения на производство, на обобщение уже имеющихся у них знаний о производстве и генерирование новых в процессе обучения.
В имеющихся условиях возникает возможность более тщательного, продуманного контроля процесса обучения. Возникает возможность отслеживать не только то, как студент работает на лекциях, не только то, как проявляет себя на практических занятиях, но и как он применяет полученные в процессе обучения навыки применительно к конкретным производственным условиям. Соответственно критериев для оценки деятельности учащегося становится больше.
