Jornal of KONES 2008 NO 2
Transkrypt
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