ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Przemysław Siemiński 1, Marcin K. Wojs 2, Szymon Kozieł 3, Szymon Błaszczyk 4 ODTWORZENIE GEOMETRII DENKA TŁOKA SILNIKA PERKINS 1104 PRZY WYKORZYSTANIU ELEMENTÓW INŻYNIERII ODWROTNEJ DO ZASTOSOWANIA W PROGRAMIE AVL FIRE 1. Wstęp Celem inżynierii odwrotnej w mechanice jest zbadanie istniejącego urządzenia lub pojedynczych części jak zostały wytworzone, z jakiego materiału, jak działają, jakie mają właściwości, itd. Może to służyć do naprawy obiektu lub wykonania jego kopii, albo może też być pomocne w zaprojektowaniu współdziałających z nim podzespołów. Głównym aspektem inżynierii odwrotnej jest pomiar kształtu, czyli skanowanie zewnętrznych powierzchni. Dzięki temu możliwe jest opracowanie cyfrowego, wirtualnego modelu przestrzennego obiektu, który przydatny jest do wielu zastosowań tj.: wykonanie modelu 3D CAD, a na jego podstawie dokumentacji płaskiej, programowania obrabiarek CNC, drukowania 3D [1], prowadzenie analiz inżynierskich MES (wytrzymałościowych, termicznych, przepływów, itp.. Poza mechaniką, inżynieria odwrotna wykorzystywana jest w muzealnictwie, archeologii, a także w medycynie gdzie pomagają w przygotowaniu skomplikowanych operacji chirurgicznych. Metody inżynierii stosuje się też w projektowaniu wzorniczym, szczególnie w projektowaniu uchwytów anatomicznych lub ergonomicznych [3]. Celem zastosowania skanowania 3D w niniejszej pracy, było opracowanie modelu bryłowego tłoka silnika spalinowego na podstawie rzeczywistego obiektu. Wykonano to ze względu chęć przeprowadzenia analiz numerycznych denka tłoka silnika diesla. Sprzęt, który został wykorzystywany do pomiarów kształtu denka tłoka to skaner 3D, zwany też nieraz digitalizatorem [4]. Rozróżnia się dwie grupy skanerów przestrzennych: stykowe i bezstykowe. Do pierwszej grupy należą ramieniowe skanery stykowe (ramiona pomiarowe), skanery piezoelektryczne, sondy pomiarowe montowane na maszynach współrzędnościowych lub obrabiarkach CNC. Druga grupa to skanery światła białego, skanery i trakery laserowe oraz urządzenia fotogrametryczne. Do badań wykorzystano system pomiarowy ScanBright polskiej firmy Smarttech [2]. System składa się ze skanera 3D światła białego (rys. 1) oraz z oprogramowania komputerowego w postaci Mesh3D w wer Wraz ze skanerem wykorzystywano 1 Dr inż. Przemysław Siemiński Instytut Podstaw Budowy Maszyn, Wydział SiMR PW. 2 Mgr inż. Marcin K. Wojs Instytut Pojazdów, Zakład Silników Spalinowych, Wydział SiMR PW. 3 Szymon Kozieł - student IV roku na wydziale SiMR, kierunek Mechanika i Budowa Maszyn, specjalizacja Wspomaganie Komputerowe Prac Inżynierskich 4 Szymon Błaszczyk - student IV roku na wydziale SiMR, kierunek Mechanika i Budowa Maszyn, specjalizacja Wspomaganie Komputerowe Prac Inżynierskich 157

2 podzielnicę sterowaną ręcznie (rys. 1), która ułatwiała składanie chmur punktów uzyskiwanych z pomiarów obiektu z różnych kierunków. Skanery światła białego (tj. ScanBright) zbudowane są m.in. z detektora (kamery cyfrowej) i emitera (projektora multimedialnego) zamontowanych jednoznacznie na sztywnym profilu aluminiowym. Emiter, sterowany poprzez oprogramowanie, wyświetla na mierzonym obiekcie raster w postaci linii biało-czarnych (tzw. prążki Graya) [4]. Natomiast detektor rejestruje obrazy (robi zdjęcia) tak oświetlonego obiektu, które następnie są zbierane i przetwarzane matematycznie, a ich wynikiem jest wirtualna chmura punktów (plik tekstowy ze współrzędnymi punktów XYZ). Ponadto w czasie pomiarów pobierane są informacje o kolorze tekstury w postaci palety RGB. W programie Mesh3D możliwe jest przetwarzanie chmur punktów na siatki trójkątów. Jednak ze względów funkcjonalnych w Mesh3D wyeksportowano tylko plik tekstowy ze współrzędnymi punktów, a następnie wyczytano go do systemu SolidWorks z uruchomionym modułem ScanTo3D. Rys. 1. Pomiar tłoka na stanowisku ze skanerem 3D ScanBright firmy Smarttech. Poza skanerem 3D do pomiarów kształtu tłoka zastosowano też maszynę współrzędnościową (rys. 2) serii LK V firmy Nikon Metrology, a udostępnioną do badań przez firmę Smart Solutions z Warszawy [5]. Pomiary na maszynie współrzędnościowej realizowane były poprzez rejestrację wybranych kilkunastu punktów na ścianach obiektu. Pomiary odbywały się przez ręczne sterowanie dżojstikiem ruchów stykowej sondy pomiarowej. Wynik pomiarów w postaci pliku IGES przeniesiono do systemu 3D CAD (SolidWorks). 158

3 Rys. 2. Ustawienie tłoka do pomiarów na maszynie współrzędnościowej. 2. Opis skanowania denka tłoka Do skanowania został użyty skanera firmy SMARTECH znajdującego się na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych. Jest to skaner światła białego do średniej wielkości elementów (do obiektów o przekątnej ok. 600 mm). Mierzone kształty powinny być nieprzezroczyste i niepołyskliwe, najlepiej jasne (białe, kremowe, jasno zielone, żółte). Można to uzyskać malując obiekt farbą lub pokrywając go ręcznie specjalnym preparatem (pudrem) do skanowania 3D. Dokładność tego urządzenia wynosi +/- 0,1 mm [3], co w porównaniu np. z maszyną współrzędnościową nie jest wysoką precyzja, lecz wystarczającą dla potrzeb szybkiego, szkicowego budowania modelu 3D obiektów z powierzchniami swobodnymi, trudnymi do zamodelowania w systemie 3D CAD. Wykonanie skanowania poprzedziło przygotowanie powierzchni denka tłoka do procesu skanowania 3D poprzez pomalowanie go na biało (rys. 3), a to dlatego, że tłok był lśniący, bo był wykonany ze stopu Al. Głównym celem było wykonanie pomiarów wnętrza zagłębienia, a szczególnie wzniesienia. Problemem były ścianki dookoła wybrzuszenia, które są pochylone względem czoła tłoka pod kątem ujemne. Nie było wiadomo czy wybrana metoda skanowania umożliwi zebranie wszystkie niezbędnych rejonów. 159

4 Rys. 3. Widok na ściany tłoka pomalowane na biało celem skanowania 3D. Na początku pomiarów zdecydowano, że czoło tłoka zostanie zeskanowane z kilku kierunków. Chodziło o to, aby móc w pełni zmierzyć wewnętrzne zagłębienie, które ma podcięcie o kącie ujemnym (względem płaskiej powierzchni czoła). Zagłębienie zmierzono korzystając z podzielnicy, dla której wyznaczono w programie jej oś obrotu. Następnie dokonano pomiaru wgłębienia w czole tłoka (umieszczonego na podzielnicy) z 4 kierunków, co 90. Uzyskane w ten sposób chmury punktów poddano usunięciu szumów i nieciągłości na ich granicach, a następnie dopasowywano automatycznie w programie Mesh3D poprzez ich zsunięcie o kąt obrotu. Po tym wykonano tzw. dopasowanie dokładne, korzystając z wbudowanego w program algorytmu minimalizacji błędu średnio-kwadratowego dopasowania chmur, którego wartość przedstawiana jest parametrem RMS. Udało się uzyskać wartość 0,07 mm, co należy uznać za zadowalające. Następnie chmury punktów wygładzono i uproszczono (zmniejszono ilość punktów). Widok połączonej chmury punktów czoła i zagłębienia tłoka uzyskanej w wyniku skanowania 3D pokazano na rys

5 Rys. 4. Uzyskana w wyniku skanowania 3D chmura punktów czoła i zagłębienia tłoka. Przygotowana chmura punktów, posłużyła do wygenerowania modelu 3D w środowisku SolidWorks. W programie został wykorzystany kreator przygotowania siatki trójkątów. Postępując zgodnie z instrukcjami, po kilku próbach udało się stworzyć odpowiednią siatkę. Dalsza obróbka sprowadzała się do stworzenia powierzchni na podstawie wygenerowanej siatki. Kilkakrotne testy różnych opcji programu doprowadziły do uzyskania najlepszego efektu końcowego. Mając ostateczną powierzchnię górną (rys. 5) wraz z zagłębieniem dołączono do niej zamodelowaną powierzchnie walcową tłoka. Dzięki temu na podstawie gotowego modelu powierzchniowego, został stworzony model bryłowy tłoka do silnika o ZS (rys. 6). Rys. 5. Uzyskana w 3D CAD powierzchnia NURBS czoła i zagłębienia tłoka. 161

6 Rys. 6. Ostateczny model bryłowy uzyskany w systemie 3D CAD użyty do porównania z pomiarami na maszynie współrzędnościowej. Do sprawdzenia poprawności odwzorowania geometrycznego modelu 3D została użyta maszyna współrzędnościowa. Wygenerowany model CAD, został wczytany do oprogramowania pomiarowego maszyny współrzędnościowej. Następnie w systemie został zaprogramowany schemat toku pomiarów. Po dokonaniu pomiarów stworzono raport porównujący model rzeczywisty z modelem uzyskanym z procesu skanowania. Wyniki te przedstawia ilustracja na rys

7 Rys. 7. Wyniki odchyłek zmierzone na maszynie współrzędnościowej. 3. Wykorzystanie modelu 3D w programie AVL Fire Zeskanowany tłok jako model 3D został następnie wykorzystany jako podstawa do obliczeń i symulacji w programie AVL Fire. Program ten jest rozbudowanym, wielofunkcyjnym systemem do symulacji termodynamiki płynów, ze szczególnym naciskiem na zagadnienia związane z badaniem silników spalinowych i układów napędowych. Elementem głównym wykorzystanym podczas symulacji był profil oraz przekrój denka tłoka. Program na ich podstawie stworzył siatkę niezbędną do przeprowadzenia obliczeń. Rys. 8 przedstawia siatkę wygenerowaną przez program AVL. Natomiast na rys. 9 przedstawiona została symulacja prędkości rozprzestrzeniania się strugi paliwa w profilu uzyskanym przy pomocy skanera. Program pozwala również przygotować symulacje rozkładu temperatur w wybraniu tłoka oraz wpływu zmian jego geometrii na zmiany temperatur w poszczególnych lokalizacjach. Przykład takiego rozkładu przedstawiony jest na rys. 10 dla 734 stopni OWK. 163

8 Rys. 8. Siatka (mesh) wnętrz denka tłoka dla 732 st OWK. Rys. 9. Prędkość rozchodzenia się strugi paliwa dla 714 st OWK (przekrój, rzut z boku). 164

9 Rys. 11. Rozkład temperatury w komorze spalania dla 734 st OWK (przekrój, rzut z boku) Literatura: [1] Siemiński P., Wojs M.: Wykonanie dyszy Venturiego metodami szybkiego prototypowania zastosowane do badań w odpieniaczach akwarystycznych. Mechanik nr 2/2011 s [2] Materiały informacyjne firmy Smarttech: [3] Wyleżoł M.: Zastosowanie inżynierii odwrotnej do modelowania uchwytów ergonomicznych. Modelowanie Inżynierskie. T. III, Nr 34, Politechnika Śląska Gliwice 2007, s [4] Wyleżoł M.: Inżynieria odwrotna w modelowaniu inżynierskim przykłady zastosowań. Wirtualna Biblioteka Inżynierska Stowarzyszenia ProCAx: [5] Materiały informacyjne firmy Smart Solutions: Streszczenie Celem pracy było zastosowanie inżynierii odwrotnej w celu stworzenia modelu CAD denka tłoka silnika spalinowego. Model posłużył do badań rozchodzenia się mieszanki w komorze spalania. Użyto do tego skanera 3D oraz maszynę współrzędnościową, na której sprawdzono uzyskany z chmury punktów model. Wynikiem skanowania była chmura punktów, która następnie została poddana obróbce w programie SolidWorks. Na koniec model został zaimportowany do programu AVL Fire, gdzie został wykorzystany podczas symulacji prędkość rozchodzenia się strugi oraz temperatur uzyskiwanych przez olej napędowy podczas wtrysku. Słowa kluczowe: inżynieria odwrotna, skanowanie 3D, CMM, silnik, tłok, MES. 165

10 REVERSE ENGINEERING PISTON SCANNING Abstract The aim of this work was to use reverse engineering to create a CAD model car piston. Model was used to study the propagation of the mixture in the combustion chamber. We used a 3D scanner and the coordinate measuring machine (CMM), where we checked the resulting model from the scan. Our work we began with the preparation of the reality model to be scanned (we painted surface with white paint). Then we create concepts scan and we started working. The result was scanning point cloud, which then gave up working in SolidWorks. We started by creating a grid of triangles, then the surface model and eventually created a solid model. At the end we compared reality model with CAD model on the CMM. Keywords: reverse engineering, scanning 3D, CMM, diesel engine, piston, MES. 166