컴퓨터화를 위한 서페이스 데이터 생성
비행 시뮬레이션
Lockheed Martin은 1950년대 전투기에 대한 엄격한 3D 스캐닝 및 포인트 클라우드 처리 기한을 준수합니다.
2005년, Lockheed Martin 미사일 및 사격 통제 부서는 50년된 스웨덴제 전투기인 Saab A-35 Draken의 공기역학에 흥미를 느꼈습니다. LM M&FC 공기역학 전문가들은 실제 공기역학적 성능을 얻기 위해 엔지니어링 분석 도구로 가져올 수 있는 매우 정확한 항공기 데이터 맵이 필요했습니다.
전체 항공기의 완전하고 정확한 서페이스 데이터와 무기 및 기총창의 고해상도 스캔이 필요했습니다. Lockheed Martin은 컴퓨터화된 비행 시뮬레이션에 입력할 서페이스 데이터를 생성하는 스캐닝 기능이 필요하여 Exact Metrology를 선택했습니다.
21세기 전투 환경에서 무기 납품 시스템이 살아남으려면 데이터가 필요했습니다. Lockheed Martin과 같은 항공우주 계약업체는 높은 테스트 비용을 줄일 수 있는 방법을 끊임없이 찾고 있습니다. 한 가지 해결책은 군용 테스트 시설 대신 상업적 활동을 이용하고 물리적 수단보다는 디지털 방식을 사용하는 것입니다.
과제
- 길이 50피트, 날개 폭 31피트의 실물 크기 비행기의 3D 형상 캡처
- NURBS 서페이스를 시뮬레이션 소프트웨어에 신속하게 제공
- 고해상도 및 저해상도 스캐너에서 얻은 데이터 처리
스캐닝 및 디지털화에 관해 세 가지 큰 문제가 발생했습니다.
- 속도: Lockheed Martin은 비행 시뮬레이션에서 90일간 계속해서 데이터를 처리해야 했기 때문에 서두르고 있었습니다. 초기 서페이스 데이터는 일주일 만에 필요했고 Exact Metrology가 그 데이터를 확보했습니다.
- 모델 크기: Draken은 디지털화하기에는 너무 거대한 모델이었습니다. 항공기의 길이는 50피트가 넘고 날개 폭은 31피트이며 방향타 높이는 거의 14피트에 달합니다. 파일 크기를 최소화하기 위해 매우 상세한 영역에 대해 고해상도 스캐너(Konica-Minolta의 VIVID 910), 평평한 영역에 대해 저해상도(하지만 더 빠름) 스캐너(Leica의 Cyra2500)라는 두 가지 유형의 스캐너가 사용되었습니다.
- 유연성: Exact Metrology에서는 고해상도 및 저해상도 스캐너에서 얻는 데이터를 처리할 수 있는 소프트웨어 솔루션이 필요했습니다.
이러한 과제를 해결하기 위해 Exact Metrology에서는 InnovMetric Software의 선도적인 포인트 클라우드 처리 소프트웨어 솔루션인 PolyWorks® 를 선택했습니다.
솔루션
현장에서 적합한 직원 선택
Exact Metrology가 이 일을 맡게 된 이유는 장거리 및 단거리 스캐닝에 대한 독특한 경험 때문이었습니다. 또한 이를 통해 Exact Metrology에서는 즉시 대응할 수 있었습니다.
추수감사절(2005년) 일주일 전에 Lockheed Martin으로부터 전화가 왔습니다. Exact Metrology의 관리자인 Matt Cappel과 스캐너 작업자는 3일 후 로스앤젤레스로 가는 비행기를 탔습니다. 스캔은 이틀 만에 완료되었고 그들은 추수감사절을 맞아 집으로 돌아갔습니다. 스캐닝은 캘리포니아 모하비 사막의 Inyokern에서 수행되었습니다. 나머지 Drakens 중 여섯 대는 개조되어 그곳으로 날아갔습니다.
Draken 프로젝트의 경우 Exact Metrology는 최대 10,000배 또는 10의 5승배 크기의 다양한 해상도로 된 수 기가바이트의 포인트 클라우드 데이터를 단일 CAD 모델로 신속하게 처리해야 했습니다. 고해상도 작업에서 Exact Metrology는 각각 평균 250,000개의 포인트에 해당하는 266개의 포인트 클라우드를 수집했습니다. 이것은 Minolta VIVID 910 스캐너를 사용하여 약 2평방피트의 이미지를 캡처하는 근접, 단거리 작업이었습니다.
저해상도 스캔은 Leica Geosystems의 Cyra2500을 사용하여 수행되었습니다. 이러한 스캔을 위해 기술자들은 약 2천만 포인트를 수집했습니다. "이것은 가장 작은 공기역학적 형상의 경우에도 확실히 정확했지만 리벳 헤드 및 힌지 포인트와 같은 불필요한 데이터를 캡처할 만큼 해상도가 높지는 않았습니다."라고 Cappel은 말했습니다. "저해상도 작업은 우리에게는 측량 응용에 더 가깝습니다."
약 250개의 고해상도 및 저해상도 스캔을 통해 4.6GB의 데이터를 집계하는 모든 스캐닝 및 디지털화 작업을 마친 후 Exact Metrology에서 Lockheed Martin에 제공한 최종 결과물은 상대적으로 작은 200MB의 압축되지 않은 파일이었습니다.
스캔 정렬
260개의 스캔을 단일 모델로 정렬하는 데 PolyWorks|IMAlign™ 모듈이 사용되었습니다. PolyWorks 정렬 기술의 경우 부품에 타겟이나 마커를 사용할 필요가 없습니다. 대신 스캔 자체의 기하학적 모양을 사용하여 서로 정렬합니다. Cappel은 “비행기에서 타겟을 사용할 필요가 없어 스캐닝 프로세스가 극적으로 향상되었습니다.”라고 말했습니다.
폴리곤 모델
스캔이 정렬된 후 결과로 생성된 포인트 클라우드 모델은 PolyWorks|IMMerge™ 모듈에서 STL(Stereolithography Tessellation Language) 형식의 폴리곤 모델로 변환되었습니다. PolyWorks는 서페이스 곡률에 맞는 폴리곤 메쉬(삼각형)를 생성하여 모서리와 필렛 전체에서 높은 해상도를 유지하면서 평평한 영역에 더 큰 삼각형을 생성합니다. 일부 시뮬레이션 소프트웨어 패키지의 경우 STL 파일을 처리할 수 있지만 Lockheed Martin M&FC에서 사용하는 시스템에서는 이 기능이 지원되지 않았습니다. CAD에서 사용할 수 있는 파일이 필요했습니다.
곡선 네트워크 구축
CAD에서 사용할 수 있는 모델을 만들기 위해 PolyWorks는 폴리곤 모델에서 NURBS(비균일 유리 B-스플라인)라는 서페이스의 수학적 표현을 계산합니다. NURBS 서페이스를 계산하기 전에 폴리곤 모델에 곡선 네트워크가 구축되어 서페이스가 맞춰질 위치를 결정합니다. PolyWorks에는 곡선 네트워크를 생성할 수 있는 자동 및 수동 도구가 있습니다. PolyWorks의 추출 알고리즘을 사용하여 마우스 클릭 한 번으로 형상 곡선을 추출할 수 있습니다. 그리고 사용자는 클릭 몇 번만으로 곡선 네트워크를 수동으로 개선할 수 있습니다.
NURBS 서페이스
그런 다음 NURBS 서페이스가 곡선 네트워크에 자동으로 맞춰졌습니다. 이러한 서페이스는 IGES 또는 STEP 파일로 Lockheed Martin의 분석 시스템으로 내보내졌습니다. 최종 결과물은 정확성, 파일 크기 및 패치 수라는 측면에서 Lockheed Martin의 요구 사항을 충족했습니다.
PolyWorks는 실제로 CAD에서 작동하는 NURBS 서페이스를 생성합니다.
NURBS 서페이스의 품질에 크게 영향을 미치는 세 가지 요소는 다음과 같습니다.
- NURBS 서페이스의 기반이 되는 PolyWorks의 고품질 폴리곤 모델의
- 곡선 네트워크를 구성하고 NURBS 서페이스 생성을 이러한 중요한 곡선으로 제한하면서 중요한 형상 곡선을 결정하는 기능.
- 곡선 네트워크를 생성하는 동안 T-분기를 사용할 수 있는 가능성. 이에 따라 더 논리적인 패치 레이아웃이 보장됨.
장점
스캐닝부터 최종 결과물까지 Exact Metrology에서 Lockheed Martin의 요구 사항에 맞게 엄청난 양의 Saab A-35 스캔 데이터를 캡처, 편집 및 서식화하는 데 2주 반이 걸렸습니다. "작업할 양이 수 기가바이트인데 이 정도면 매우 빠르게 처리된 것입니다."라고 Cappel은 말했습니다. 데이터 수집 시간은 67~80%, 데이터 처리 시간은 50% 절감된 것으로 추정됩니다.
“우리와 함께 일했던 Lockheed 직원들은 모두 데이터의 품질과 포괄성에 매우 만족했다고 말했습니다. 시뮬레이션 일정을 망칠 수 있는 결함이나 재시작 건이 없었습니다. InnovMetric의 응용 전문가는 우리에게 큰 도움이 되었습니다. 마치 우리 직원 중에 기술 직원을 추가로 두어 어려운 부분을 극복할 수 있게 해 준 것 같았습니다.” Matt Cappel, Exact Metrology 관리자
정량화 가능한 장점:
- 단 두 사람이 전체 항공기, 모든 외부 서페이스를 이틀 만에 스캔하고 디지털화했습니다. 다른 방법은 2~4배 더 오래 걸리므로 데이터 수집 시간이 67%~80% 절약되었습니다.
- PolyWorks만이 4GB의 데이터를 정확하게 처리할 수 있었습니다. 그렇지 않으면 파일을 여러 개로 나눠야 추가 병합 단계와 데이터 조립이 필요하고 처리 시간이 두 배, 세 배까지 늘어날 수 있었습니다.
- 경쟁 패키지는 속도가 전혀 빠르지 않았으며 시간은 매우 중요했습니다. PolyWorks는 효율성이 떨어지는 소프트웨어에 비해 약 2주를 절약했습니다.
- 풍동에서의 물리적 테스트 대신 컴퓨터 기반 시뮬레이션이라는 측면에서 비용이 크게 절감되었습니다.
미래
Lockheed Martin이 Exact Metrology에 설명했듯이 Saab A-35 프로젝트의 목표는 상업 회사를 통해 잠재적인 테스트 항공기의 공기 역학을 더 많이 파악하는 것이었고 이는 달성되었습니다.
Draken의 공기역학은 당시로서는 혁명적이었고 반세기가 지난 오늘날에도 여전히 인상적입니다. Draken은 다음과 같이 설계되었습니다.
- 전투 지역 근처의 소형 비행장에서 짧은 이착륙 가능
- 고속 및 저속 성능의 최적화된 조합
- 몇 분 안에 임무 재무장
- 항공기의 4개 부분을 교체하거나, 수리를 위해 보내거나, 업그레이드할 수 있도록 볼트로 모두 고정
Exact Metrology와 InnovMetric를 사용하면서 Lockheed Martin에서는 이제 비행 시뮬레이션 시스템의 모든 공기역학적 세부 사항을 매우 저렴한 비용으로 신속하게 확보하고 있습니다.
