Jornal of KONES 2008 NO 2

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No. 2 2008
MATERIAL DENSITY CONSIDERATION ON THE POSSIBILITY OF
ENGINE PARTS IMAGING WITH COMPUTED TOMOGRAPHY
Tadeusz Markowski, Olimpia Markowska, Sawomir Miechowicz
Rzeszów University of Technology
Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautic
Al. Powstaców Warszawy 8, 35-959 Rzeszów, Poland
tel.: +48 17 8651642, fax.: +48 17 8651150
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
Abstract
The article presents the possibility of data acquisition and processing of the gear-wheels with different
densities and complex shape geometry imagine recognition with Computed Tomography (CT). Reverse Engineering
(RE) techniques allow for obtaining the geometry of the real parts and the whole machineries. It is especially useful if
CAD data of the parts doesn't exist. The reason may be to fabricate a spare part or to create a CAD model for further
development. It can be applied for tests, quality verification and further development of the product. Computed
Tomography, as one of RE techniques, allows for accurate and precise part measurements, enabling description of
internal and external structures. It is one of the most significant tools for nondestructive testing of materials, quality
assurance and reengineering. The only limitations are the part thickness, density, and the power of CT x-ray tube. The
article presents problems of data acquisition with the imaging of engine parts, especially gear-wheels, with different
density. The influence of part density and volume parameters on the quality of imaging of the CT measure technique in
this article is presented. The specific fields of interest could be a machinery failure analysis, inspection of assemblies,
investigations of material properties changes as density distribution, etc. The CT data for the analysis was
preprocessed with Able 3D Doctor and Catia V5 software.
Keywords: transport, Reverse Engineering, modelling, Computed Tomography, CAD
WPYW RODZAJU MATERIAU I GSTOCI NA DOKADNO
OBRAZOWANIA CZCI MASZYN Z WYKORZYSTANIEM
TOMOGRAFII KOMPUTEROWEJ
Streszczenie
W artykule przedstawiono moliwoci akwizycji i przetwarzania danych kó zbatych o rónych gstociach oraz
obrazowania skomplikowanych geometrycznie czci maszyn z wykorzystaniem tomografii komputerowej (TK).
Inynieria odwrotna (RE) umoliwia otrzymanie geometrii rzeczywistych obiektów, czci maszyn i caych urzdze.
Jest szczególnie uyteczna w przypadku, kiedy dane CAD danej czci nie istniej. Moe by ona wykorzystana do
wytworzenia czci zamiennej lub modelu CAD do dalszych bada rozwojowych. Mona j równie zastosowa do
testów, kontroli jakoci oraz w procesie rozwoju gotowego produktu. Tomografia komputerowa jako jedna z technik
inynierii odwrotnej, umoliwia dokadne pomiary czci maszyn, geometryczny opis wewntrznych i zewntrznych
cech obiektu. Jest jednym z podstawowych narzdzi w badaniach nieniszczcych, badaniach materiaów, dla
zapewnienia jakoci oraz inynierii odtworzeniowej. Jedynymi ograniczeniami metody s grubo badanego obiektu,
jego gsto oraz moc róda promieniowania rentgenowskiego. Artyku prezentuje problemy zwizane z akwizycj
danych oraz obrazowania elementów silników, czci maszyn ze szczególnym uwzgldnieniem kó zbatych o rónej
gstoci. Przedstawiono równie wpyw gstoci (rodzaju materiau) oraz objtoci na jako obrazowania
w badaniach czci maszyn metod tomografii komputerowej. Do obszarów zastosowa naley zaliczy badania
niezawodnoci elementów maszyn, diagnozowanie uszkodze, pkni, zuycia czci maszyn z elementami
wewntrznymi, jak kanay, komory, analiza pracy zoonych mechanizmów itp. Obróbka danych tomograficznych do
bada zostaa przeprowadzona przy uyciu pakietu oprogramowania Able Corp. 3DDoctor oraz Catia V5.
Sowa kluczowe: transport, inynieria odwrotna, modelowanie, tomografia komputerowa, CAD
T. Markowski, O. Markowska, S. Miechowicz
1. Wstp
Zastosowanie nowoczesnych technik pomiarowych oraz obliczeniowych umoliwia uzyskanie
nowych jakociowo wyników bada
, modeli numerycznych testowanych obiektów oraz symulacji
zachodzcych procesów fizycznych. Bardzo przydatnym narzdziem na polu symulacji i analizy
numerycznej jest in
ynieria odwrotna.
Inynieria odwrotna (ang. Reverse Engineering-RE) znajduje coraz szersze zastosowanie
w dziedzinach zwizanych z produkcj i eksploatacj silników spalinowych oraz ukadów
napdowych. Techniki inynierii odwrotnej umoliwiaj okrelenie geometrii obiektu
rzeczywistego, czci maszyn, od modelu prototypu do gotowego produktu na kadym etapie
eksploatacji. Modele elementów uzyskane metodami inynierii odwrotnej na podstawie
rzeczywistych czci maszyn czy urzdze
, uwzgldniaj rzeczywiste warunki zwizane
z eksploatacj. Uwzgldnienie tych czynników w analizie, dziki modelom tworzonym na bazie
eksploatowanych elementów maszyn, pozwala na uzyskanie bardziej dokadnych danych elementu
oraz popraw warunków obsugi i eksploatacji maszyny. Metody inynierii odwrotnej mog by
szczególnie przydatne w diagnozowaniu uszkodze
, pkni, zuycia czci maszyn z elementami
wewntrznymi, jak kanay, komory, itp., zoonych mechanizmów, oraz bada
zmian wasnoci
materiaów itp.
Dobór odpowiedniej metody akwizycji danych dla potrzeb inynierii odwrotnej jest
szczególnie istotny dla elementów maszyn o zoonych ksztatach. Mona wyróni kilka metod
uzyskiwania danych [1], jednak w przypadku czci silników z elementami wewntrznymi, np.
komory, kanay dolotowe itp., najbardziej efektywna jest tomografia komputerowa. Gówn zalet
tej techniki jest moliwo otrzymania zewntrznej i wewntrznej geometrii badanego obiektu
z du dokadnoci [2, 3, 4].
W artykule przedstawiono wasne dowiadczenia bada
metod tomografii komputerowej
typowych elementów, czci silników i ukadów napdowych stosowanych w przemyle
samochodowym i lotniczym wykonanych z rónych materiaów. Przykadowe, wybrane czci
wykorzystane do bada
tomograficznych pokazano na Rys. 1.
Rys. 1. Przykadowe, wybrane czci maszyn wykorzystane w badaniach TK
Fig. 1. An example of tested objects with CT
2. Akwizycja danych
Wród technik digitalizacji obiektów trójwymiarowych w zastosowaniach przemysowych
mona wyróni metody dotykowe i optyczne - do odwzorowywania powierzchni zewntrznych
oraz tomografi komputerow - do odwzorowywania elementów zawierajcych cechy
312
Material Density Consideration on The Possibility Of Engine Parts Imaging With Computed Tomography
wewntrzne. W zastosowaniach zwizanych z produkcj i eksploatacj silników spalinowych
tomografia komputerowa jest najbardziej odpowiedni metod. Dane tomograficzne obiektu
z postaci rastrowej (Rys. 2) mona przetworzy do trójwymiarowej postaci chmury punktów,
a nastpnie modelu powierzchniowego w formacie STL. Stanowi on format wejciowy do
wytworzenia fizycznego modelu wybran metod szybkiego prototypowania (ang. Rapid
Prototyping-RP), a take gotowego elementu maszyny jako czci zamiennej np. metod
odlewania próniowego. Obróbka danych otrzymanych z tomografu poprzez specjalistyczne
oprogramowanie umoliwia otrzymanie plików o standardach typowych dla systemów
CAD/CAM/CAE [4].
Dane uzyskane przy uyciu inynierii odwrotnej zawieraj informacje o obiekcie
rzeczywistym w przeciwie
stwie do wirtualnego projektu CAD. Mog przez to zawiera
informacje o warunkach wspópracy poszczególnych czci maszyny. Na ich podstawie mona
wykry ewentualne bdy konstrukcyjne, technologiczne, czy wady materiaowe. Mona dziki
temu ograniczy koszty eksploatacji i napraw krytycznych, bardzo kosztownych elementów
maszyny.
Nie wszystkie elementy maszyn mona jednak bada t metod. Istotnym ograniczeniem jest
wielko badanego obiektu oraz rodzaj materiau, z jakiego dany element jest zbudowany.
Rys. 2. Obrazy tomograficzne wybranych czci maszyn uytych do bada
Fig. 2. The chosen 2D CT imaging of tested parts
3. Przetwarzanie danych
Modele uzyskane przy uyciu inynierii odwrotnej s bardziej skomplikowane, zawieraj
wicej elementów i inn struktur ni modele CAD. W przeciwie
stwie bowiem do nich s
uzyskiwane metodami dyskretnymi. W wyniku pomiarów technikami optycznymi i dotykowymi
mona uzyska w sposób bezporedni trójwymiarow chmur punktów (Rys. 3.).
313
T. Markowski, O. Markowska, S. Miechowicz
Rys. 3. Trójwymiarowa chmura punktów-dyskretny obraz badanego koa zbatego – liczba punktów ograniczona dla
lepszej wizualizacji obiektu
Fig. 3. 3D points cloud as a result of the gear-wheel testing-the number of points limited for visualization reason
only
Chmura punktów jest najczciej stosowanym formatem zapisu danych w technikach RE.
Stanowi interfejs do zapisu wektorowego systemów CAD [5]. Format pliku danych zaley od
przewidywanego zastosowania modelu. Otrzymany model 3D moe suy do wytworzenia
fizycznego elementu jako kopii badanej czci wybran technik RP. Istnieje równie moliwo
póniejszego wytworzenia czci funkcjonalnej z oryginalnego materiau np. metod odlewania
próniowego.
W przypadku tomografii komputerowej dane s uzyskiwane metod poredni. Wynik pomiaru
ma posta zbioru obrazów rastrowych. Kady obraz zawiera informacj z pojedynczej warstwy
skanowanego obiektu. Skada si ona z macierzy pojedynczych wokseli. Element macierzy
stanowi matematyczn interpretacj gstoci HU-Housfielda w odniesieniu do skali odcieni
szaroci obrazu. Jego warto jest proporcjonalna do wspóczynnika osabienia promieniowania
rentgenowskiego po przejciu przez badany obiekt [3, 6]. Wygenerowany w trakcie rekonstrukcji
warstw zbiór obrazów moe by ródem danych do wizualizacji 3D objtociowej VR
(ang. Volume Rendering-VR) lub powierzchniowej. Pozwalaj one na tym etapie na kontrol
poprawnoci przeprowadzonego badania. Do uzyskania modelu CAD niezbdna jest transformacja
danych do modelu wektorowego. Obróbka cyfrowa obrazu rastrowego pozwala wyodrbni zbiór
punktów stanowicych zarys krawdzi w danym przekroju badanego obiektu.
Rekonstrukcja obrazu 2D wie si z oddzieleniem fragmentów obiektu od wystpujcych
znieksztace
obrazu, szumu oraz ta. W metodzie warstwowej etap okrelenia krawdzi obiektu
moe by poczony z wyznaczeniem konturu wektorowego obiektu. Zabieg ten jest
przeprowadzany dla caego zbioru obrazów badanego obiektu. Po opisaniu w procesie segmentacji
maski obiektu nastpuje okrelenie wokseli brzegowych obiektu w caym zbiorze. Wyliczone
wspórzdne punktów krawdzi stanowi reprezentacj obiektu w postaci chmury punktów. Do
wyznaczenia modelu siatkowego konieczne jest okrelenie powierzchni badanego obiektu. Posta
chmury punktów jako zbioru ich wspórzdnych XYZ nie definiuje jednoznacznie ksztatu
elementu. Nie wystpuje informacja o wzajemnych zalenociach, czy poczeniach punktów.
Bdna interpretacja cech powierzchni moe wpywa na przydatno modelu do dalszych analiz.
Wikszo dostpnych aplikacji do obróbki chmur punktów nie jest w stanie automatycznie
rozpozna i przyporzdkowa punktów wewntrznych i zewntrznych do odpowiednich
powierzchni obiektu [7]. Konieczna jest interwencja operatora, jego znajomo budowy modelu
oraz cech powierzchni obiektu. Czsto wystpuje wic konieczno wykonania dodatkowych,
pomocniczych operacji obliczeniowych. Otrzymany tym sposobem model cechuje dua
dokadno wymiarowa.
Najwikszy problem wpywajcy na dokadno pomiarów w badaniach TK stanowi
artefakty, tj. zakócenia obrazu wynikajce z duej gstoci materiau badanego obiektu (Rys. 4).
314
Material Density Consideration on The Possibility Of Engine Parts Imaging With Computed Tomography
Zagadnienie korekcji artefaktów w obrazowaniu czci maszyn o duej gstoci dla potrzeb
inynierii odwrotnej zostao opisane w [6, 8]. Technika pomiaru zostaa opisana w [4]. Na Rys. 2.
zostay przedstawione wybrane obrazy rastrowe badanych czci maszyn otrzymane przy uyciu
wielorzdowego tomografu spiralnego Siemens Sensation 10.
Rys. 4. Problem artefaktów obrazowych w badaniach TK - znieksztacenia obrazu badanego koa zbatego
wykonanego ze stali
Fig. 4. CT imaging artefacts of tested gear-wheel made of steel
4. Wpyw materiau badanego elementu na dokadno obrazowania tomograficznego
Tomografia komputerowa naley do najbardziej zoonych metod pomiarowych, a wynik
pomiaru jest obliczany metod poredni. Z tego te powodu na dokadno pomiaru ma wpyw
bardzo wiele czynników [3]. Ze wzgldu na sam istot pomiarów TK mona wyróni trzy
gówne czynniki decydujce o moliwoci wykonania badania oraz dokadnoci obrazowania
testowanego obiektu. Nale do nich: napicie lampy Rtg, grubo warstwy badanego obiektu,
oraz rodzaj materiau z jakiego badany obiekt jest wykonany. Napicie lampy Rtg decyduje
o energii wyemitowanej wizki promieniowania. Na podstawie tego parametru mona okreli
zakres oraz rodzaj moliwych do przeprowadzenia bada
dla danego urzdzenia pomiarowego.
Pozostae dwa czynniki: grubo oraz rodzaj materiau s cile powizane z badanym obiektem.
Przyblione, orientacyjne zalenoci doboru tych parametrów zostay przedstawione na Rys. 5.
Rys. 5. Zalenoci wzgldnej przenikalnoci promieniowania oraz energii wizki w funkcji gruboci badanego
obiektu dla wybranych materiaów
Fig. 5. Relative Transmission and X-ray Energy Emission on the tested object thickness
315
T. Markowski, O. Markowska, S. Miechowicz
Na podstawie przeprowadzonych bada
dostpnych czci maszyn dokonano podziau na
obiekty „mikkie”, „rednie” i „twarde”. Do pierwszej grupy zaliczono wszystkie elementy
wykonane z tworzyw sztucznych. Dla pomiarów przy napiciu lampy 140 kV, elementów
z tworzyw sztucznych, szczególnie kó zbatych, nie wystpuje ograniczenie wymiarowe (Rys. 5).
Nawet najwiksze badane elementy o wymiarach 250x250 mm w paszczynie pomiarowej
cechoway si bardzo du dokadnoci [2, 4]. Obrazowanie czci maszyn z tej grupy
materiaów nie stanowi problemu. Ograniczeniem jest wic jedynie wielko przestrzeni
pomiarowej urzdzenia skanujcego. Przykad badania koa zbatego wykonanego z tworzywa
sztucznego oraz uzyskany model zostay przedstawione na Rys. 6.
Rys. 6. Badane koo zbate z tworzywa sztucznego oraz wygenerowany model STL na podstawie badania metod TK
Fig. 6. The tested gear-wheel object and a STL model generated based on the CT examination
Do drugiej grupy czci maszyn zostay zaliczone elementy wykonane ze stopów aluminium.
Ze wzgldu na szerokie zastosowanie materiaów tej grupy w przemyle samochodowym
i lotniczym, badaniom czci tej grupy powicono szczególn uwag. Gsto HU badanych
elementów, podobnie jak materiaów grupy pierwszej, równie nie stanowia problemu
w badaniach TK z wykorzystaniem standardowego róda promieniowania 140 kV. Nie
zaobserwowano pogorszenia jakoci ani wystpowania artefaktów obrazowych na wybranej grupie
modeli. Na podstawie danych literaturowych pogorszenie jakoci dla stopów aluminium i takiego
napicia wystpuje przy gruboci obiektu powyej 400 mm. (S to dane orientacyjne). Ze wzgldu
na brak modeli o podobnych gabarytach warunek ten, nie zosta jednak sprawdzony. Badane
czci maszyn charakteryzuj si podobn dokadnoci do elementów grupy pierwszej. Przykady
badania elementów wykonanych ze stopów aluminium oraz wygenerowane modele 3D zostay
przedstawione na Rys. 7, 8, 9.
Rys. 7. Obudowa czci ukadu paliwowego silnika spalinowego wykonana ze stopu aluminium (kolejno): obiekt
rzeczywisty, model konturowy, model STL-widoki i przekrój, (widoczna budowa wewntrzna badanego elementu)
Fig. 7. The part of fuel system of internal combustion engine made of aluminum alloy: real object, contour model,
STL model and STL cross-section
316
Material Density Consideration on The Possibility Of Engine Parts Imaging With Computed Tomography
Rys. 8. Tok silnika spalinowego-wysokoprnego samochodu ciarowego (kolejno): obiekt rzeczywisty, model
konturowy, model STL - przekrój, (dobrze widoczna budowa wewntrzna badanego elementu)
Fig. 8. A piston of a truck engine: real object, contour model, STL model cross-section
Rys. 9. Element ukadu hamulcowego: model konturowy, model STL (dobrze widoczna okadzina hamulcowa oraz nity)
Fig. 9. The tested object model data: contour model, STL model
Rys. 10. Koo podatne przekadni falowej: obiekt rzeczywisty, oraz wygenerowany model STL
Fig. 10. A flexible gear-wheel: real object, a STL model
Rys. 11. opatka silnika turbinowego: obiekt rzeczywisty, model konturowy
Fig. 11. A turbine blade: real object, a contour model
317
T. Markowski, O. Markowska, S. Miechowicz
Czci maszyn nalece do trzeciej grupy materiaów to elementy wykonane ze stali oraz
stopów tytanu. Badane czci pokazano na Rys. 10, 11. Badanie takich elementów wymaga
zastosowania wikszych energii róda promieniowania. W tej grupie obrazowanych materiaów
wystpuj artefakty obrazowe (Rys. 4). Jest to szczególnie widoczne w przypadku opatek
silników lotniczych wykonanych ze stopów tytanu. W takim przypadku wymagane jest ródo
promieniowania o napiciu minimum 450 kV [6]. Dla napicia 140 kV moliwe jest obrazowanie
elementów o niewielkich gabarytach wykonanych ze stali (Rys. 10, 11).
4. Wnioski
-
Zastosowanie rentgenowskiej tomografii komputerowej umoliwia dokadne obrazowanie
elementów maszyn zarówno ich powierzchni zewntrznych, jak i przestrzeni wewntrznych.
Dla czci ze stopów tytanu napicie lampy rentgenowskiej powinno wynosi powyej
450 kV.
Stopy aluminium charakteryzuj si relatywnie nisk gstoci HU. Pomiar elementów o
gruboci do 300 mm przy napiciu lampy Rtg 450 kV nie stanowi problemu.
Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach 2007 - 2009 jako projekt badawczy
rozwojowy (R03 021 02). This research work is financed from the funds allotted for science in
2007 - 2009, as a research and development project titled “Developing of innovative gear boxes
with a typical teeth” (R03 021 02).
Literatura
[1] Motavalli, S., Review of Reverse Engineering Approaches, International Journal of Machine
Tools & Manufacture 40/2000, Vol. 35, No. 1-2/2000.
[2] Urbanik, A., Miechowicz, S., Przestrzenna analiza dokadnoci obrazowania tomografu
medycznego, Spatial Analysis of CT Accuracy, Polish Journal of Radiology, Vol. 69, Suppl. 1,
372(319), Mikoajki 2004.
[3] Markowski, T., Miechowicz, S., Czynniki wpywajce na rozdzielczo przestrzenn CT dla
potrzeb Reverse Engineering, Wyd. Akademii Morskiej w Gdyni, 2005.
[4] Miechowicz, S., Sobolak, M., The Efficiency of Utilization of Siemens Sensation 10 CT
Scanner for Reverse Engineering, Prace Naukowe Instytutu Technologii Maszyn
i Automatyzacji Politechniki Wrocawskiej Nr 85/2004, Wrocaw 2004.
[5] Xinming, L., Zhongin, L., Tian, H., Ziping, Z., A Study of a Reverse Engineering System
Based on Vision Sensor for Free-Form Surfaces, International Journal of Machine Tools
&Manufacture 40/2001.
[6] Markowski, T., Miechowicz, S., Markowska, O., Some aspects of CT data acquisition for
Reverse Engineering, Prace Zachodniego Centrum Akademii Transportu Ukrainy, Lwów,
Wydawnictwo "Logos" Lwów 2006.
[7] Tai, C., Huang, M., The processing of data points basing on design intent in reverse
engineering, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 40/2000.
[8] Yu, et al., A Segmentation-Based Method for Metal Artifact Reduction technical report
Academic Radiology, Vol 14, No. 4, April 2007.
318