1. Что такое реверс-инжиниринг и где он применяется?
Реверс-инжиниринг (обратное-проектирование) — это процесс воссоздания трехмерной цифровой модели изделия по его физическому образцу. Этот метод широко применяется в машиностроении, аэрокосмической и автомобильной промышленности, реставрации, а также при модернизации и ремонте оборудования.
2. Зачем нужен реверс-инжиниринг в промышленности, производстве и реставрации?
Реверс-инжиниринг позволяет:
- воссоздать чертежи утраченных деталей;
- упростить процессы будущего ремонта и модернизации;
- контролировать качество и точность геометрии;
- оцифровывать объекты для анализа и хранения данных и создание изделия.
Проблематика -> как получать геометрические параметры для последующего моделирования?
Существует 3 основных подхода:
1. Ручной обмер;
2. Использование координатно-измерительных машин (КИМ);
3. 3D-сканирование.
В данной статье подробно не рассматриваются достоинства и недостатки этих методов. Более подробная информация по этому вопросу представлена в дополнительных источниках [см. ссылка 1, ссылка 2].
Автор статьи имеет практический опыт моделирования изделий по криволинейной геометрии с использованием как ручного обмера, так и 3D-сканирования. Этот опыт позволил убедиться в значительном превосходстве технологии сканирования в таких критериях, как скорость, удобство и точность.
В частности, при разработке багажной системы из листового металла возникала задача точно повторить контур крыши автомобиля для боковых элементов багажника, а также обеспечить аэродинамичную форму лицевого спойлера с учетом зазора до лобового стекла.
При использовании ручного метода обмера процесс был трудоемким: требовалась установка измерительного правила, фиксация точек отсчета, снятие размеров, зачастую с участием нескольких специалистов. Нередко условия (высота автомобиля, ограниченное освещение, недоступные зоны) создавали дополнительные сложности.
Более того, после отправки автомобиля обратно к клиенту нередко выяснялось, что необходимо было снять дополнительные уточняющие размеры. Уже изготовленные тестовые образцы нередко требовали 2–3 итерации подгонки, чтобы добиться приемлемого качества посадки и геометрии.
Применение лазерного сканирования позволило существенно упростить процесс моделирования. Время, затрачиваемое на сбор данных, сократилось в разы. Ключевым преимуществом является то, что вся геометрическая информация становится доступной для инженера в любой момент, без необходимости повторного доступа к физическому объекту. Это позволяет сразу создавать тестовые образцы, близкие к финальному варианту, и зачастую избегать повторных корректировок.
В качестве подложки при моделировании может использоваться как облако точек, так и его производная — поверхностная (полигональная) модель. Последний вариант предпочтительнее, поскольку требует меньших вычислительных ресурсов. Также на рынке доступны готовые облака и полигональные модели автомобилей, в том числе поэлементно — крыша, кузов, рама, днище кузова, салон, моторный отсек и т.д. Приобретение таких моделей часто оказывается дешевле, чем заказ полного сканирования автомобиля в своём регионе.
Изображение на рисунке взято из статьи [см. ссылку 3].
Остаётся открытым вопрос: где и как обрабатывать данные лазерного сканирования? Какие данные можно использовать в качестве подложки для моделирования? Откуда берётся полигональная модель? Эти аспекты будут подробно рассмотрены в следующей главе.
3. Где найти полноценный инструментарий для обработки данных сканирования?
После выполнения лазерного сканирования объекта формируется облако точек, которое требует предварительной обработки. Как правило, необходимо выполнить сшивку отдельных фрагментов, удалить шумы, произвести обрезку, уменьшить плотность облака, а также провести ряд других операций. Некоторые из этих функций частично реализованы в штатном ПО сканирующего оборудования. Однако гораздо более широкий и гибкий инструментарий представлен в специализированном решении nanoCAD Облака точек.
Именно в нём производится импорт облака точек, его предобработка, а затем — построение поверхностной модели отсканированного объекта. В качестве первого примера будет рассмотрено моделирование колесного диска, облако точек которого было загружено с платформы Sketchfab [см. ссылку 4].
4. Построение поверхностной модели
На основе облака точек формируется поверхностная модель. В данном случае облако точек имело высокое качество, вследствие чего итоговая модель получилась весьма детализированной — с числом граней 8 790 484, что делает её избыточно «тяжёлой» для дальнейшей обработки.
Для работы с такими моделями nanoCAD Облака точек предоставляет широкий набор инструментов, включая функцию упрощения сетки с сохранением топологии. Это критически важно для оптимизации моделей без потери качества формы.
После применения упрощения количество граней удалось сократить до 100 000, что делает модель более удобной для последующего использования в моделирующем ПО.
Затем модель можно экспортировать в сторонние системы через распространённые обменные форматы: .dwg, .stp, .igs, .stl, .dae и другие. Если говорить про такие системы поверхностного моделирования, то вот наиболее популярные из них: Blender, Alias, 3D Max, Maya 3D, Rhino 3D и др.
Если же речь идёт о твердотельном моделировании, то отечественная компания-разработчик «Нанософт» предлагает собственные решения, интегрированные с nanoCAD Облака точек, благодаря единой Платформе nanoCAD. В машиностроительном сегменте такими решениями являются nanoCAD Standart Mech и nanoCAD «Механика PRO» — далее в статье будет рассмотрен их функционал более подробно.
Платформа nanoCAD предоставляет набор инструментов для работы с облаками точек: импорт, обрезка, построение сечений, изменение раскраски и прочие операции, необходимые для эффективного выполнения базовых работ с данными лазерного сканирования.
Таким образом, для решения машиностроительных задач доступны два ключевых продукта:
- nanoCAD Standart Mech — конфигурация платформы nanoCAD, включающая модули 3D, Механика и Растр. Это dwg среда, предназначенная для классического машиностроительного проектирования.
- nanoCAD Механика PRO — самостоятельное решение, созданное на основе усовершенствованного функционала модуля «Механика». Оно не требует наличия Платформы nanoCAD и ориентировано исключительно на потребности инженера-машиностроителя.
На этом этапе мы временно отходим от примера с колесным диском и переходим к рассмотрению возможностей проектирования листовых конструкций на основе данных лазерного сканирования в nanoCAD Standart Mech.
5. Построение CAD-модели в nanoCAD Standart Mech по облаку точек
Обработанное облако точек импортируется в модуль «Механика», где оно используется в качестве подосновы для построения сборочной модели багажной конструкции из листового металла. Поскольку облако точек внедорожника в открытом доступе найти не удалось, была использована модель из стороннего программного обеспечения, преобразованная в облако точек. Для демонстрации функциональных возможностей конфигурации nanoCAD Standart Mech этого вполне достаточно.
Автор статьи имеет практический опыт проектирования аналогичных изделий в зарубежных САПР-системах, в том числе силовых элементов и багажных систем для внедорожников. Учитывая популярность туризма и востребованность подобных изделий как в России, так и за рубежом, представленный опыт может быть полезен и интересен инженеру, занимающемуся листовым моделированием.
Как упоминалось ранее, Платформа nanoCAD предоставляет базовые инструменты для работы с облаками точек, которые можно применять в модуле Механика. В этом случае облако точек выполняет роль трехмерной подложки, служащей ориентиром для моделирования. Однако важно учитывать предварительную обработку облака, выполненную в специализированном решении nanoCAD Облака точек.
Одним из ключевых факторов, влияющих на эффективность работы, является визуальная читаемость данных лазерного сканирования. Некоторые типы сканеров не фиксируют цвета реального объекта, и в результате облако отображается в серых оттенках или в монохроме. Для решения этой задачи предусмотрена функция пересчёта нормалей, которая позволяет «раскрасить» облако в более наглядный вид, упрощающий интерпретацию. Это существенно облегчает визуальное восприятие и позволяет инженеру быстро распознавать элементы крепежа, кузовные панели и другие детали.
Обратившись к примеру на рисунках 1-2, становится очевидно, сколько времени потребовалось бы на ручные обмеры крыши и прорисовку штатных креплений для рейлингов. Использование облака точек буквально помещает весь автомобиль «на ладонь», что даёт возможность сразу приступить к созданию эскизов деталей и формированию сборочной модели изделия, поэтапно добавляя в неё новые конструктивные элементы.
Для сборки добавляем в модель закладные элементы и конструкционный профиль.
Добавляем в сборку лицевой спойлер, усиливающие косынки, светодиодную балку и метизы.
После чего можно вывести контуры для раскроя, например, в формате DXF, а также чертежи на гибку металла.
Таким образом, на примере продемонстрировано, как подготовленное облако точек служит основой для создания полноценной машиностроительной сборки в nanoCAD Standart Mech. Решение предоставляет все необходимые инструменты для проектирования листовых конструкций, включая классические команды: создание сгибов, формирование штамповок, обработку углов, построение разверток, массивов, а также элементов оформления. Все эти функции интегрированы в среду и успешно применяются при моделировании изделий различной сложности.
6. Построение CAD-модели в nanoCAD Механика Pro по векторной подложке
Программа nanoCAD Механика PRO предоставляет инструменты для твердотельного параметрического моделирования. Данные, подготовленные в nanoCAD Облака точек (сечения, контуры, геометрические характеристики), вставляются в виде векторных подложек. Они служат основой для создания эскизов и направляющих для операций построения, таких как вращение, вытягивание и других.
Такой подход позволяет точно воспроизвести геометрию изделия, минимизировать ручной труд и значительно ускорить цикл разработки.
Обратимся к nanoCAD Облака точек и сгенерируем векторы, которые затем скопируем и вставим в nanoCAD Механика PRO для создания эскизов обода диска и плоскости крепления к ступице.
Если же говорить о геометрических данных, то в nanoCAD Облака точек есть обширный функционал для распознавания форм объектов. Как правило, о нём говорят в контексте распознавания трубопроводных систем, но и в машиностроительной отрасли он может быть полезен. Например, с его помощью можно точно распознать отверстия под крепления колеса к ступице и использовать эти геометрические данные при построении эскиза.
Затем с помощью этих данных осуществляем моделирование в nanoCAD Механика PRO. Для создания такой модели воспользуемся операцией «Вращение по эскизу».
Диск мы смоделировали в условном виде, чтобы продемонстрировать связку программных обеспечений. На примере показаны обработка данных сканирования и последующая передача контуров в эскизы машиностроительного ПО.
Аналогичным образом можно создавать сложные формы с применением команды «Вытягивание по сечениям». Возможно, мы рассмотрим это в рамках отдельной статьи, посвящённой задачам судостроения.
После создания параметрической модели у нас всегда есть возможность сравнить её с облаком точек. Таким образом можно выявить отклонения, допущенные в ходе моделирования по облаку точек, либо же выявить отклонения и износ реальной детали от новой идеальной параметрической модели.
Особенно ярко этот эффект может проявиться при использовании массивов, например, при работе с гребным винтом или аналогичными изделиями. Об этом мы расскажем в заключительной части статьи.
Программа nanoCAD Механика PRO предоставляет инструменты для твердотельного параметрического моделирования. Данные, подготовленные в nanoCAD Облака точек (сечения, контуры, геометрические характеристики), вставляются в виде векторных подложек. Они служат основой для создания эскизов и направляющих для операций построения, таких как вращение, вытягивание и других.
7. Построение CAD-модели в nanoCAD Механика Pro по полигональной модели
Построение поверхностной (полигональной, mesh) модели, о которой упоминалось в пункте 4, также может эффективно использоваться в качестве трёхмерной подложки для параметрического моделирования. При этом важно контролировать уровень детализации: избыточное количество полигонов усложняет работу системы, поэтому целесообразно применять функции топологического упрощения в nanoCAD Облака точек.
В качестве примера можно привести параметрическую модель фланца выпускного коллектора, созданную на основе отсканированного автомобильного двигателя.
Ключевым этапом является точная установка рабочей плоскости для построения эскиза. После её задания создаётся замкнутый параметрический контур, который затем используется в стандартных инструментах твердотельного моделирования: выдавливании, скруглении, массиве и других операциях формообразования.
8. Как провести сравнение CAD-модели с облаком точек в nanoCAD?
Заключительный этап — сравнение полученной модели с исходным облаком точек. В nanoCAD Облака точек реализован инструмент анализа отклонений, визуализирующий расхождения с помощью цветовой перекраски облака точек и шкалы предоставляющей количественную оценку точности.
Вернёмся к колесному диску из пункта 6 и передадим модель из nanoCAD Механика PRO в nanoCAD Облака точек. Так как это ПО одного вендора, можно произвести экспорт в DWG или просто скопировать и вставить модель через буфер обмена (Ctrl+C, Ctrl+V), не используя промежуточные обменные форматы.
Предельное значение отклонения для анализа задаётся пользователем. В нашем случае оно составило 3 мм.
По завершении операции облако перекрасилось в соответствии с картой отклонений. Количество точек, находящихся в том или ином диапазоне, можно отследить на диаграмме в специальном виджете.
Завершая статью, подведём итоги рассмотренного материала. Мы разобрали проблему реверс-инжиниринга с использованием классического ручного обмера и то, как эта проблема решается с применением лазерного сканирования. Мы изучили возможности связки программного обеспечения nanoCAD Облака точек и nanoCAD Standart Mech / nanoCAD Механика PRO, а также преимущества такого подхода: обширные возможности по обработке данных сканирования, подготовке векторных подложек и моделей, а также ускорение процесса моделирования на основе этих данных. В заключение мы выявили допущенные отклонения в ходе моделирования с помощью команды сравнительного анализа в nanoCAD Облака точек.
Надеемся, что данный материал был для вас полезен при изучении этих продуктов для решения задач в области машиностроения.
Если Вас заинтересовали обозначенные в статье решения nanoCAD, оставляйте заявку на бесплатный дистрибутив по ссылке, и мы поможем на всех этапах тестирования, а также окажем техническую поддержку в период эксплуатации лицензий.
По всем вопросам:
☎ 8 (800) 201-63-85
✉ cad@maxsoft.ru