Streszczenie
W artykule przedstawiono głmówne moliwoci inynierii odwrotnej. Omówiono narzdzia do odtwarzania geometrii skanowanych elementów. Scharakteryzowano równie problemy zwizane ze skanowaniem rónych struktur materiałów. Zaprezen-towano metod odtwarzanai geometrii koła rutownicy oraz błotanika pojazdu samochodowego. W pracy przedstawiono charakterystyczne wady skanowania wia-tem strukturalnym.
Słowa kluczowe: inĪynieria odwrotna, skaner 3D Wprowadzenie
Obecnie inĪynierii odwrotna znajduje bardzo szerkie zastosowanie w wielu dziediznach prze-mysły ale tekĪe Īycia codziennego. WspółczeĞnie inĪynierii a odwrotna funkconuje równolegi z inĪynieriią tradycyjną.
Pierwszym etapem w procesie iĪynierii odwrotnej jest pozyskanie informacji w formie cyfrowej z rzeczywistej geometrii elementu. Jest to takzwana dygitalizacja danych analogowych (w naszym przypadku rzeczywistego elementu) do postaci cyfrowej moĪliwej do odczytania.
Obecnie geometriĊ elementu moĪemy przetworzyü na formĊ cyfrową róĪnymi technikami. Współczesny rozój nauki sprawił Īe posiadamy wiele metodo umoĪliwających digitalizacje obie-gów. Meteedy te moĪa podzieliü ze wzglĊdu na metody stykowe, bezstykowe oraz hybrydowe [5]. 1. Inynieriia odwrotna
InĪynieria odwrotna jest podejĞcie na wspak do inĪynierii w ujĊciu tradycyjnym. Zakładajaü iĪ tradycyjna inĪynieriia jest procesem przebiegającym od pomysły, który generuje potrzeby poprzez koncypowanie, wytwarzanie aĪ do fizycznego produktu, to w takim ujĊciu inĪynieria odwrotna jest procesme przebiegającym od fizycznego produktu poprzez jego digitalizacjĊ, analizĊ i wytworzenie nowego takiego samego bądz ulepszonego produktu. Analizując literaturĊ moĪna spotkaü siĊ z wie-loma definicjami inĪynierii odwrotnej, wszystkie te definicje wiąĪe jedna wspólna cecha, a mianowicie jest to pozyskiwanie informacji z fizycznych obiektów i przetwarzanie je na formĊ cyrowĊ [3.4].
1.1. Metody digitalizacji obiektów
Pierwszym etapem podczas procesu inĪynierii odwrotnej jest pozykanie informacji o obiekcjie. W przypadku digitalizacji geometrii jako dane analogowe rozumiemiey geometriĊ obiektu, którą chcemy przetworzyü na postaü cyfrową. GeometriĊ obiektu moĪna doprowadziü do postaci cyfrowej
odkształcenia siĊ elementu, gabarytów, materiału z którego wytworzony został element oraz jego właĞciwoĞü. W pracy gółwna uwaga została poĞwiĊcona digitalizacji obiektu poprzez uĪycie Ğwiatła strukturalnego jako jednej z główny i najbardziej rozpowszechnionych metod dyskretyzacji obiek-tów [2].
Rysunek 1. Metody digitalizacji obiektów ħródło: [3].
1.2. Metoda digitalizacji obiektu wiatłem srukturalnym
Obecnie dostĊpnych jest wiele róĪnych urządzeĔ pozwalających digitalizowaü elementy bez-stykowo. Zaletą urządzeĔ wykorzystujących metody beztykowe jest to iĪ nie jest konieczny kontakt fizyczny ze skanowanym elementem [1].
Metody skanowania Ğwiatłem strukturalnym zalicza siĊ do stosunkowo szybkich metod, ponie-waĪ w jednym cyklu uzyskuje siĊ duĪą iloĞü informacji. Zasada działania aktywnego skanera otycznego oparta jest o uzyskanie informacji o połoĪeniu i kształutu obiektu na podstawie triangu-lacji.
Triangulacja polega na obliczaniu miejsca przeciĊcia siĊ płaszczyzny i półprostej w przestrzeni. KaĪdemu punktowi na obrazie aparaty idoowiada pewien promieĔ Ğwiatła (rys 2, rys 3). KaĪdemu rzutowi kolumny Ğrodków pikseli obrazu odpowiada pewna płaszczyna. Znając równaia póprostych odpowiadających punktom obrazu aparatu i płaszczyzn odpowiadjacych oĞwietlanjącym te punkty kolumnom, moĪna odtworzyü jego połoĪenie w przestrzeni.
Rysunek 2.Zasada działania skanera ħródło: [4].
Skaner wykonuje zdjĊcia geometrii obiektu oĞwietlone specjalnym wzorem. Wzory pozwalają na przyporządkowanie puktom obrazu numeru kolumny obrazu projektora. Na podstawie tych da-nych, połoĪenia projektora wzglĊdem aparatu oraz parametrów obiektywów tych urządzeĔ, oprogramowanie jest wstanie odtworzyü rówania półprostych i płaszczyzn odpowadajacych punk-tom obrazu.
1.3 .Etepy procesu digitalizacji obiegktó przy uyciu wiatła strukturalnego
Proces skanowania obiektów moĪna podziliü na 3 podstawowe etapy: dobór parametrów ska-nowania, dopasowanie poszczególnych skanów oraz obróbka otrzymanych danych.
Dobór parametrów skanownia. W celu odwzorwania jak najwiĊkszej iloĞci widocznej geo-metri konieczne jest odpowiednie dobranie parametrów skanowania jednymi z najwaĪniejszych prarametrów sią Sensor Image oraz Ambient Light Image. Pierwszy parametr odpowiedzialny jest za oĞwitlnie powierzchni obiektu w taki sposób aby na obiekcie nie było widocznych czerwonych punktów (rys.4). Widocznoü czerwonych punktów na obiekcie moĪe spowodowaü powstawanie re-fleksów i błĊdną digitalizacjĊ skanowanej powierzchni.
Rysunek 4. Nieprawidłowy dobór parametrów skanowania
Kolejnym istotnym parametrem podczas skanowania obiektu jest Ambient Light. Jest to dodat-kowe doĞwietlnie obiektu które umozłiwa zwiĊkszenie iloĞci danych otrzymywanaych ze skanowania
Dopasowanie poszczególnych skanow. W oprogramowaniu Cometplus istnieje kilka metod do-pasowywania poszczególnych skanów do siebie jedną z nich jest Free Matchig. Free matachnig jest najprostszą formomą skonowania i dopasowywania poszczególnych elementów. Podczas wykony-wania pierwszego skanu naleĪy go wykonaü w taki sosób aby skan posiadał jak najwiĊcej
charakterystycznych powierzchni. Ułatwia to dopasowywania rĊczne kolejnych skanów poprzez wskazywanie w przybliĪeniu podobych punktów. DostĊpne sa trzy metody wstĊpnego dopasowania
–„1 pair points”– wymaga zdefiniowania jednej pary punkótw Funkcja jest stosowana je-dynie dla elementów o charakterystycznych kształtach
–„N-pair points”– umoĪłiwia okreĞlenie dowolnej iloĞci par punków NajczĊsciej wyko-rzystywana funkcja
–„Automatically”– funkcja automatycznego dopasowania (wymaga pokrycia 60% po-wierzchi dygitalizowanej) ĩadko wykorzystywana
Wykorzystując funkcjĊ „N-pair points” w wiĊkszoĞci przypadków wystaczy wskazaü 2 do 3 par punktów po czym program automatycznie pokazuje jek zorientował dwa skany wzglĊdem siebie rys5. JeĪeli dopsowanie jest odpowiednie wybieramy opcje „Start Matchnig” w tym momencie obiekt jest dokładnie dopasowywyany a w dowlnym prawym rogu pokazywane jest stopieĔ dopa-sowania elementów.
Rysunek 5. Dopaswoanie skanów
Obróbka otrzymanych danych ze skanera ObróbkĊ danych ze skanera moĪna podzieliü na 3 podstawowe etapy. Oczyszczanie skanów z niepotrzebnych rzeczy, przekształcenie chmury punk-tów w sietkĊ trójkąpunk-tów oraz uzupełnienie niezeskanowancyh miejsc. Podczas skanowania oprócz obiektu, który nas interesuje zdigitalizowne mogą zostaü równieĪ rzeczy z najbliĪszego otoczenie (np. punkty referencyjne, stolik, na którym znajdował siĊ obiekt) Najprostszą metodą „mask end cut” po aktywacji tego narzĊdzia w prosty sposu tak jak narzĊdziem wycinania moĪna usunąü nie-protrzbne elementy. Kolejnym tapem jest przekształcenie chmury punktów w siatkĊ trójkątów pozwala to na zmiejszenie „wagi” pliku. Do tego celu moĪe nam posłyĪyci narzĊdzie Automatic Post Procesing które oprócz zmiany chmury punkótw na siĊtkĊ trukątów pozwala równieĪ zreduko-waü „szumy” czyli pojedyncze punkty lub okreĞlone przez uĪytkownik grupy punktów w przestrzeĔ. Ostatnim etapem jest uzupełnianie niemoĪliwych mniejesc do zeskanowania w tym przypadku naj-lepszą metodą jest wykorzystanie osobnego oprogramowanie niewykorzystującego oprogramowania skanera np. Geomagic. Programy do zewnĊtrzenej obrubki są bardziej intulicyjne i posiadają szersze mozłiwoĞüi uzupełniania skanów.
1.4.Ograniczenia metody digitalizacji obiektu wiatłem strukturalnym
Digitalizacji obiektów Ğwiatłem strukturalnym jest prostą, szybką i dokładną metodą archiwi-zowania obiektów trójwymiarowych w postaci cyfrowej. Jednak jak kaĪda z dostĊpnych metod skanowania 3D posiada niedoskonałoĞci, które mogą sprawiü problem podczas digitalizacji pew-nych obiektów [4]
Podczas digitalizacji obiektów skanerem wykorzystującym Ğwiatło strukturalne naleĪy zwróciü uwagĊ na powierzchnie obiektu skanowanego. Powierzchnia ta nie powinna byü błyszcząca ani ciemna gdyĪ skaner nie bĊdzie wstanie zinterpretowaü powierzchni, na którym bĊdzie wyĞwietlana projekcja prąĪków (rys 3). Problem ten moĪna rozwiązaü wykorzystując prostą metodĊ napylania obiektu skanowanego tlenkiem tytanu, który pozostawia na obiekcie gładką biała i matową po-wierzchnie idealną do skanowania (rys 6).
Skaner podczas pierwszej próby digitalizacji obiektu nie był wstanie „zauwaĪyü obiektu” nato-miast po napylenie obiektu tlenkiem tytanu skaner bez problemu odczytuje powierzchniĊ obiektu (rys 7).
Rysunek 7. Obiekt zeskanowany
Napylanie obiektów tlenkiem tytanu umoĪłiwai digitalizowanie tych obiektów przy pomocy skanerów wykorzystujących Ğwiatło stuktóralne. DziĊki tej metodzie mamy moĪłiwoĞü szybkiego dokłądnego skanowania obiektów o skoplikowanych kształtach, róĪych rozmiarach, jednakrze metodĊ tą moĪana wykorzystaü tylko do obiektów kóre moĪa poddaü działaniu wody. Metoda ta niesprawdzi siĊ na obiektach muzealnych które mogą uledz uszkodzenie przez działanie wody. 2. Podsumowanie
Digitalizacja obiektu w prcesie inĪynierii odwrotnej jest jedym z czterech etapów. Jednakrze im wiĊcej uwagi zostanie poĞwiĊcone na dokłade odwzorowanie obiektu podczas tego etapu tym efekty koĔcowe procesu inĪynierii odwrotnej bĊdą lepsze. NaleĪy mieü ĞwiadomoĞü iĪ istnieje wiele róĪnych metod dyskredycaji. Aby dokonywaü właĞciwego wyboru urządzeĔ i metody digitalizacji obiektu naleĪy za kaĪdym razem przeprowadziü analizĊ samego obiektu tj.; materiał, z którego jest wytworzonych, powierzchnia, geometria obiektu itp. NaleĪy równieĪ uwzglĊdniü iloĞü i jakoĞü da-nych, które chcemy uzyskaü o obiekcie, oraz dokładnoĞü, jaką chcemy uzyskaü podczas całego procesu inĪynierii odwrotnej.
PostĊp technologiczny sprawił, iĪ proces digitalizacji obiektów jest znacznie prostszy niĪ to miało miejsce parĊ lat temu to jednak mnogoĞü metod digitalizacji sprawia, iĪ nieodpowiedni dobór metody moĪe spowodowaü, iĪ proces inĪynierii odwrotnej zakoĔczy siĊ z niezadowalającym
skut-Bibliografia
[1] Liss M., ĩółtowski B., KałaczyĔski T., Łukasiewicz M.: Naprawa powypadkowa a właci-woci konstrukcji nonej pojazdów, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarządzania Wiedzą, – 2014, vol 68, s. 176–190, ISSN 1732-324X.
[2] Łukasiewicz M., KałaczyĔski T., Musiał J, Shalapko J. I.: Diagnostics of buggy vehicle trans-mission gearbox technical state based on modal vibrations, Journal of Vibroengineering, September 2014. Volume 16, Issue 6, Pages (2624–3168). Numbers of Publications from 1359 to 1407, ISSN 1392-8716.
[3] Motavalli S., Review of Reverse Engineering Approaches. Computers Idustrial Engineering.
Vol. 35,1998,p.25–28.[4] Szelewski M., Metrologiczna analiza dyskretyzacji na współrzdnociowych maszynach po-miarowych i modlelowych w systemie CAD wybranych elementów w procesie inynierii odwrotnej, Politechnika PoznaĔska PoznaĔ 2008.
[5] ĩółtowski B. Łukasiewicz M. KałaczyĔski T. ,Techniki Informatyczne w badaniach stanu maszyn, Wydawnictwa Uczelniane Uniwesytety Technologiczno-Przyrodnicze w Bydgosz-czy 2012.
THE STRUCTURE OF DATABASE ARCHIVING 3D SCANNING IN THE PROCESS OF REVERSE ENGINEERING
Summary
The article presents głmówne possibility of reverse engineering. Discusses the tools to play the scanned geometry elements. Also characterized the problems associ-ated with con-scan different structures of materials. Presents a method odtwarzanai geometry wheels shot blasting and błotanika vehicle. The paper presents the charac-teristic defect scanning the world structural.
Keywords: reverse engineering, 3D scanner
Tomasz KałaczyĔski Marcin Łukasiewicz Łukasz Zgórski
Zakład Pojazdów i Diagnostyki Wydział InĪynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: kalaczynskit@utp.edu.pl
Tomasz Kasprowicz Zakład Sterowania
Wydział InĪynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: tomasz.kasprowicz@utp.edu.pl
