Lockeed在期限内完成了对1950年制的战斗机三维扫描工作

◎公司概述

Lockheed Martine公司的导弹和炮火控制部开发、制造并支持先进战斗、导弹、火箭和空间系统。公司由七个项目/任务领域组成:攻击性武器、空中防御、反装甲部、海军军需品、炮火控制和传感器,炮火支持和产品开发。LM M&FC公司大概有雇员10,000,其中4,000人在奥兰多工作。

◎商业伙伴

Berding 3D扫描公司服务业于工业、工程和制造业,同时也面向艺术和科学,其拥有各种复杂的、成套的和型状多样的数据用于3D CAD设计、归档、工程分析和虚拟实现,以保存那些没有数据化定义的对象,而在制造业则是为了争取时间、成本和质量。Berding 3D位于米尔福德,俄亥俄州,近辛辛那提市。

◎背景

2005 年,Lockheed Martin公司的导弹和炮火控置部开始对已有50年历史的瑞典造喷气式战斗机,Saab A-35 Draken的空气动力学性能产生了兴趣。LM M&FC的空气动力学专家需要这架飞机的精确数据图,以导入工程分析工具获得真实的空气动力学性能。

Lockheed Martin需要整架飞机完整,精确的表面数据,以及机上武器和炮舱的高精度扫描数据。于是他们求助于Berding 三维扫描能力,产生飞机的表面数据用于计算器飞行仿真。

这些数据都是为了确保武器发送系统能够在21世纪战斗环境中生存。像Lockheed Martin之类的航空承包商都不断地寻求能减少产品验证成本的方法。一种解决方案就是能用商业性活动替代军事演习设施,用数字化方式而非实物方式。

Berding 3D扫描公司的技术经理Mat Cappel遇到了三维扫描和三维抄数挑战:

●速度:

Lockheed Martin面临的形势很紧急,因为飞行仿真需要90天连续不断地数据处理。初始表面数据要在一个星期内获得,而Berding 3D完成了任务。

●模型大小:

对于数字化扫描而言,Drakens是一个庞然大物。这架飞机有50英尺长,31英尺的机翼跨度和近14英尺高的方向舵支架。为了使档案尺寸最小化,采用了两种扫描仪:一种是针对细区域的高精度三维扫描仪,一种是针对平坦区域的低精度扫描仪。

●灵活性:
Berding 3D需要一款能同时处理来自高低精度三维扫描仪数据的处理软件。为了解决这些挑战,Berding 3D转而求助于PolyWorks®,InnovMetric软件公司开发的世界领先点云处理软件。

◎商业挑战
获取一架长50英尺,机翼跨度31英尺全尺寸飞机的3D外型。快速产生NURBS曲面导入拟真软件。处理来自高和低两种精度的三维扫描仪数据。

◎解决方案

选择该领域正确的团队

Berding 能争取到这个任务,是由于其拥有在长距和短距扫描方面读一无二的经验,这也得归功于Berding 3D能快速应对。它在2005年感恩节前一周接到了Lockheed Martin的电话。Cappel和一位扫描仪操作者三天后搭上了去洛杉机的飞机。扫描工作在两天内完成,他们赶上了回家过感恩节。扫描是在加利福尼尔莫哈书沙漠的Inyoken进行的。剩余的Drakens中六架被打磨后飞到这里。(Drakens在瑞典语中是"龙"的意思。)

在Saab A-35项目中,Berding 3D需快速处理几个GB且精度差别极大的点云数据,并将其转换成单个CAD模型。在高精度3D扫描仪中,Berding搜集了60片点云,平均每片点云有66,000,000个点。这些都是用高精度扫描仪得到的相邻近距点云片,每片有两英呎见方。

低精度扫描工作由大地三维扫描仪完成。技术人员总共收集了大约两千万个点。”即使是最小的空气动力造型,这个精度也足够了,而对于诸如铆钉头和绞链点这样的次要数据这个精度又不会显得过高”,Cappel说到,”这种低精度扫描对于我们更像是地质勘查。”

所有三维扫描和数字化工作之后–大约250片高和低精度的点云,共计4.6GB的数据—Berding最终交付给Lockheed Martin的是一份相对较小的200MB未压缩数据。

Polyworks是组合远程和短程数据的最佳软件,也是能如此有效地做此工作的唯一软件。若不能混和高精度和低精度的点云,整架飞机的数字化可能是不能实现的。Mat Cappel Berding 3D项目经理

◎点云对齐

Polyworks IMAlign模块用来将260片点云对齐成一个模型。Polyworks的对齐技术不需要在部件上设目标点或标记。它是靠各片点云的几何形状来相互对齐的。Cappel说,”不在飞机上设目标点大大改进了扫描过程。”

◎三角化模型

点云数据对齐后,将点云数据模型导入PolyWorks/IMMerge模块,进而转换成STL格式的三角化模型。

Polyworks基于表面曲率生成三角化网格,保留边缘和倒角处的高分辨率(小三角网格),而在平坦区域产生较大的三角网格。

某些拟真软件可以处理STL格式的档案,但Lockheed Martin M&FC部门使用的软件部支持此格式。所以需要一个在CAD软件中可编辑的档案。

以我们的经验,Polyworks是唯一一个产生NURNS曲面,且这些曲面在CAD软件中能真正有用的软件。由其它逆向工程软件生成的NURBS曲面导入CAD后,必须花额外的数小时编辑和修改才能使用。

所有与我们合作的Lockheed成员告诉我们,他们都惊异于这些数据的质量跟完整性。拟真过程为产生尖脉冲和重启这类足以毁掉拟真过程的现象。InnovMetric的应用工程师给了我们很大的帮助。他们就像为我们团队配备了额外的技术员,帮助我们客服了困难。”–Mat Cappel Berding 3D项目经理

◎软件的NURBS曲面

为了建立一个可用的CAD模型,Polyworks在三角化模型上建立了一种面的数学表征,称之为NURBS。在计算出NURBS曲面之前,要在三角化模型生成一个曲线网格,来决定哪里需要拟合曲面。Polyworks提供自动和手动两种方式创建曲面网格。用Polyworks的抽取算法单击鼠标就可以将特征线抽出。用户只需点几下鼠标,就可以技术性手动改进曲线网格。

◎NURBS曲面

然后在曲线网格上自动拟合NURBS曲面。这些面以IGES或STEP格式导出到Lockheed Martin的分析系统。最终交付的文件在精度、文件大小和面片数量上满足了Lockheed Martin的要求。

三个因素很大程度上决定了NURBS曲面的质量

NURBS曲面下由Polyworks产生的高质量三角模型

创建曲线网格时抽取重要特征线的能力以及用这些关键曲线约束NURBS曲面的生成

在创建曲线网格时,允许产生T型结,从而确保合理的面片分布。

◎优势

从扫描到最终交付,Berding花费了两个半周来获取、编辑并格式化大量的Saab A-35的扫描数据,以满足Lockheed Martin的要求。”对于一个几十GB数据量的化,这是一个非常快的交付周期”,Mat Cappel说道。

◎可量化的优势:

●整架飞机,每个外表面,仅由两个人在两天之内完成扫描数字化。用其它方法将花费2到4倍更长的时间,因此在数据获取上节约了67%到80%的时间。

●能精确地处理4GB的数据,只有Polyworks可以信赖。否则文件只能分成几份,需要额外的合并和数据组合步骤,这将使处理时间倍增。

●其它竞争软件不可能这么快,时间是最关键的。Poyworks比其它效率低的软件节约了近两周的时间。

●相对于在风洞中的物理试验,基于计算器的模拟节约了大量成本。

◎展望未来

正如Lockheed Martin对Berding 3D所说的,Saab A-35的项目意图是对这一商业公司生产的待测试飞机获取其空气动力学方面更多的信息,这一任务已经完成。

Draken的空气动力性能对于当时来说是具革命性意义的,且时隔半个世纪,在当今仍旧不可小觑。Draken是用来:

●在战区附近的小规模领空执行短程起降任务

●是兼具高速和低速性能的优化组合

●在几分钟内重新装备导弹

●飞机的四个组件可用螺栓连接,可以随时替换、发送或升级

归功于Berding和InnovMetric,Lockheed Martin目前已经掌握了Draken在飞行仿真系统中的所有空气动力信息,且是快速并以极小的成本获得的。

数据获取上节约了67%到80%的时间

数据处理上节约了50%的时间

◎你知道吗?

Draken的设计者给予了它洁出的空气动力学性能,领先同时期技术几十年,是第一架设计阶段制造了全尺寸风洞模型的飞机,而不是1/8比例(或更小)风洞模型,模型越大,试验结果越好。

是Saab在瑞典的Linkoping于1949年设计制造的。它是欧洲第一架超音速战斗机。几款新型的Draken仍在服役中,都是做为民用。1955至1974年间有600多架Draken用于瑞典、丹麦、芬兰和奥地利的空军事业。


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