Ранее было сказано, что мы освоили гуманное трехмерное сканирование реальных объектов из мира антиквариата. Это так. Но за рамками остались сложности, которые пришлось преодолеть, и их достаточно много. С течением времени, по мере формирования личного опыта, удалось проблемы решить и сформулировать мысли, допустимые и необходимые к публикации с точек зрения и защиты авторсикх прав, и саморекламы, и защиты страждущих от получения боли и отчаянья от порчи неудачными экспериментами уникальных сканируемых объектов.
Методы трехмерного сканирования как способ создания трехмерных моделей реальных объектов грубо делятся на фуфломицинные, в духе модели изучения иностранного языка «под гипнозом во сне», и работающие. С учетом того, что реальные объекты, достойные трехмерного сканирования, это арт-объекты, скорее всего антиквариат, со всеми отметками времени, сразу становится понятен ассортимент материалов, объектов — это деревянные, металлические, стеклянные, керамические, каменные, бумажные и т.п. изделия. Так вот всякие там фотограмметрии, «воссоздание по фотографии», трехмерная лепка, ультразвук, емкостные методы, световые, лазерные увы, не рабочие. Всевозможные способы, основанные на отражении тех, или иных волн, будь то механические волны (звук, ультразвук), или электромагнитные (свет, магнетизм, емкостные) увы, из-за многообразия свойств не работают. Божественные следы времени в виде патины, местами почти абсолютно черной, и натертые до блеска потертости на вогнутостяях и выгнутостях убивают все световые методы. Отражение звуковой волны от блестящей и патинированной поверхности, металла, дерева и подгнившего дерева столь различны, что основанные на звуковых волнах методы тоже не рабочие.
Реально работающий метод — контактное сканирование. Нежно, в теории — перышком, ищем точку контакта со сканируемым объектом, находим контакт и записываем точку контакта. Оптимисты, и автор по началу тоже, обрадовавшись снизившимся ценам на контактыне датчики по картинке —
цена вопроса немного выше 3000 руб. в ценах осени 2025г., покупают и думают, ну все, задача решена! Радость оптимистов понятна — ранее такого рода датчики от мастеровитых изготовителей (Verser, наш человек, Сергей, честь ему и хвала за работу) стоили близко к 300$ и это считалось очень дешево по сравнению с оригинальными Renishaw. Китайский, конечно, хуже и по электронике, и по величине хода щупа, причем многократно, но не специалистам этого не понять. Однако общим является то, что изготовители скопировали друг у друга — диаметр кончика 2мм и усилие пружины, обеспечивающей работу датчика. Кончик в 2мм не просунуть куда надо у реального объекта. А усилие пружины столь значительно, что…. Если таким датчиком попробовать найти край пальца, то будет очень больно, если край поролона — будет продавлен насквозь, если найти поверхность подстаканника, то будет микровмятина и нарушение оксидной пленки (патины), у деревянного на грани разрушения материи объекта — просто труха. На память приходит эксперимент слона по определению разницы между человеком и мышью — они однаковые, поскольку теплые и мягкие. Хорошо, что у автора хватило ума попробовать на донышке личного пдстаканника и провести замеры усилий.
А замеры таковы — усилие вертикального срабатывания датчика такого рода порядка 0,5кг. Замена пружины на менее сильную приводит к тому, что раз в несколько тысяч или десятков тысяч проб датчик не возвращается в исходное положение. Автору пришлось такой датчик полностью разобрать и попытаться изменить конструкцию его позолоченных контактов — это позволило добиться устойчивой работы с усилием срабатывания порядка 215гр. десятки тысяч раз подряд, но не сотни (этот предел с многократно меньшим усилием был преодолен позднее).
И что же такое 215гр. усилия срабатывания? Это примерно 2,11 Ньютона. Формулу давления, надеюсь, помнят все — Силу поделить на Площадь, Ньютоны делить на Метры Квадратные. У шарика диаметром 2мм при касании с плоским дном площадь касания стремится у нулю, но любой материал имеет свойство упругости — немного прогнется, площадь контакта растет. Вопрос лишь в том, выгнется ли обратно? Да, выгнется, если создаваемое давление будет МЕНЬШЕ предела прочности (упругой деформации) материала. Чему же равен предел прочности материалов? У дерева поперек волокон порядка 4-5МПа (МегаПаскалей), у серебра ок. 157МПа, меди ок. 200МПа, керамики на много больше, а вот олова, лежащего в основе сплава Британий, всего лишь от 14МПа. и это значение обеспечивает радиус контакта в 0.22мм.! Т.е. щуп будет продавливаться в сплав до тех пор, пока диаметр лунки не достигнет 0.44мм! (после этого площадь вырастет, что снизит давление до величин, меньше, чем предел прочности и рост размера лунки прекратится). Конечно, сплав на то и сплав, чтобы его свойства были лучше, чем исходного материала. Оригинальный сплав существенно прочнее исходного олова, данные не раскрываются, но обильно представленные на антикварном рынке российские изделия в духе WMF, не говоря уже о польских Плевкевичах, ощутимо слабее Британия. А дерево даже твердых пород (дуб) в три раза слабее даже оригинального олова, что уж говорить про обычные для резных изделий породы не твердой древесины.
В итоге пришлось создавать свою собственную конструкцию датчика для трехмерного сканирования с усилием срабатывания в единицы граммов. Вполне достойный результат для прославления российской инженерной мысли — усилие срабатывания порядка 5 граммов, что на кончике иглы диаметром 0.1мм создает давление меньше 46КПа. В 90 раз мягче, нежнее прославленных промышленных датчиков. В реальности, к сожалению, ушло несколько месяцев на пробы и ошибки с коррекцией собственной контструкции датчика — размеры качели, вес, профиль сечени коромысла, способы прижима, углы контакта контактов и форма контактов, скорости туда и оубратно, ускорения, число степеней свободы конуструкторских решений зашкаливало. Борьба с ложными срабатываниями и их причинами. Сотни и сотни часов экспериментов. Т.е. сделать атомной силы прижим и изуродовать исследуемый предмет может любой дурак. А вот нежно отсканировать — лишь избранные, ВАЮ — из их числа.
Однако граммы граммами, а облако точек это облако точек. Какая связзь? — важная. Усилие срабатывания жестко ограничивает несколько параметров — размер кончика зонда и диаметр ноги зонда. Нога должна все эти граммы выдеражть без значимых (для результата) отклонений (изгибов), а размер кончика зонда, который определяет площадь, на которую давит усилие срабатывания датчика, определяет давление на поверхность. Датчик нашей конструкции может срабатывать при усилии 5гр (и тут датчик реагирует почти на каждый чих и вибрацию самого измерительного станка — очень нервное поведение и не вполне рабочее для имещегося станка). А маститые брэнды от 450гр, даже после вмешательства ниших же же же рук, от 250гр. В 50 раз отличается усилие срабатывания = в квадратный корень из 50 может быть уменьшен диаметр кончика зонда с точки зрения давления и в корень третьей степени с точки зрения изгиба. Сложно для понимания? Покажу на картинках. Вот оригинал, который мы сканируем —
Видны серебро блестящее, патина, небольшие горошинки, из которых соформирована поверхность. Вот работа датчика именитых брэндов (после нашей доработки, до нее качество было и вовсе отвратное) —
А вот результат работы собственной конструкции датчика —
Разницу видите? то-то и оно. Патина не пострадала. И горошинки на месте. Ложные срабатывания имеются, но их можно вручную выделить и удалить или довериться разным математически выверенным фильтрам. И да, хотелось бы видеть результаты работы конкурирующим методов трехмерного сканирования по таким поверхностям 🙂 — умрут от отравления никотином.