Software di mappatura ultrasonora per componenti aeronautici e industriali

Author(s):
A. Tatì - ENEA

Industry:
Research, Aerospace/Avionics

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
ENEA ha sviluppato per le proprie attività di ricerca sui nuovi materiali e componenti utilizzati in campo industriale e civile, un sistema ed un software di acquisizione ed elaborazione dedicato ai controlli non distruttivi (non destructive testing). Le prove utilizzano i metodi applicati negli esami clinici, quali radiografia ed ultrasuoni e diversi altri, più specifici, in grado di garantire l’assenza di difetti, che ne compromettano il funzionamento, e allo stesso tempo non “invadano” o distruggano l’oggetto esaminato. La sfida è migliorare l’interfaccia utente, le prestazioni in termini di velocità d’ispezione e il controllo di componenti con superficie complessa.

The Solution:
Il software, progettato e realizzato in LabVIEW di National Instruments, gestisce, tramite le scheda elettronica NI PCI 7358 il sistema motorizzato a 6 gradi di libertà e la scheda oscilloscopio PCI 5112 acquisisce i segnali provenienti dai sensori ultrasonori. I dati ottenuti sono elaborati per ottenere delle mappature in bianco e nero e falsi colori che evidenziano i difetti presenti nel materiale. L’interfaccia utente è stata migliorata sfruttando le potenzialità grafiche di LabVIEW, il tempo richiesto per l’ispezione si è ridotto di circa un decimo e il sistema è in grado di acquisire il profilo curvo del componente, tramite tastatore e poi procedere all’ispezione ultrasonora dello stesso.

Breve riassunto
I sistemi automatici d’ispezione, sviluppati in ENEA già da diversi anni per migliorare le attività diagnostiche sui nuovi materiali e componenti impiegati sia nel campo industriale che civile, rappresentano un valido supporto alle attività di controllo non distruttivo, in quanto forniscono una rappresentazione visiva dei risultati ottenuti, sotto forma di una serie di immagini facilmente leggibili e confrontabili con l’oggetto esaminato.
La tecnologia consiste in un sistema di generatore di impulsi ultrasonoro, di un ricevitore a banda passante e di sonde che permettono la trasmissione dell’onda ultrasonora. La tecnica è ampiamente sperimentata in campo industriale per il controllo dei componenti metallici, ceramici, intermetallici, compositi in particolare dell’incollaggio dei componenti sandwich del settore aeronautico e, nel campo civile, per il controllo della qualità del calcestruzzo.
Peculiarità del sistema è l’abbinamento tra un sistema “puntuale”, rappresentato da una sonda ultrasonora e un posizionatore di precisione, costituito da guide lineari e rotative che spostano la sonda stessa.

Introduzione
L’esame ultrasonoro è un metodo molto efficace se abbinato ad un sistema d’ispezione motorizzato. Gli ultrasuoni sono onde meccaniche smorzate di frequenza maggiore di 20 KHz e sono generate da una sonda piezo-elettrica.
Nella modalità Pulse-echo la sonda è posta sopra (o lateralmente) al materiale da ispezionare, l’onda prodotta attraversa il materiale, come il suono che si propaga nell’aria, la presenza di eventuali difetti all’interno genera delle onde di riflessione chiamate echi di difetto. La superficie opposta del pezzo genera un eco definito “di fondo”.
La sonda, che ha emesso il primo impulso ( echo di superficie ), riceve tutti gli echi riflessi dai difetti e dal fondo con tempi funzione della distanza a cui si trovavano (come l’orecchio riceve gli echi in montagna prima dalle cime vicine e poi da quelle lontane ). L’insieme degli echi si chiama segnale ultrasonoro o A-scan e contiene l’informazione dello spessore ( Z) attraversato. Inoltre dall’ampiezza dell’eco del difetto è possibile determinare la sua grandezza geometrica.
Il sistema automatico è in grado di acquisire questa informazione per ogni punto della superficie dell’oggetto. Nella maggior parte dei casi la superficie è piana ed è sufficiente muovere la sonda lungo 2 assi cartesiani per ottenere la scansione della superficie (XY). Utilizzando la potenzialità del computer è possibile salvare per ogni punto XY l’intero A-scan (Z) al fine di ottenere una matrice tridimensionale in cui ad ogni terna XYZ è associata l’ampiezza del segnale.
Ampiezza bassa nessun difetto  Alta
Ampiezza media difetto piccolo (accettabile)
Ampiezza alta difetto piccolo (accettabile)

Grazie alle potenzialità di calcolo dei nuovi computer è possibile ricostruire ed interrogare la matrice tridimensionale, che rappresenta il volume del campione, tramite un software dedicato che estrae la sezione (slice) d’interesse. La tecnica è paragonabile alla tomografia assiale computerizzata effettuata con i raggi X. La matrice tridimensionale ottenuta può essere rappresentata da una nuvola di punti (clouds ) contenuti in un parallelepipedo di dimensione XYZ dove le prime due coordinate rappresentano il piano di scansione e la terza coordinata è lo spessore attraversato dall’onda ultrasonora.
È possibile estrarre dal volume delle sezioni (slice), chiamate mappe ultrasonore. L’interno del campione e le discontinuità in esso presenti verranno così visualizzate in pianta o in sezione in immagini in falsi colori a cui lati sono riportati i riferimenti spaziali espressi in mm.

Sistema a 6 gradi libertà
Nel settore aeronautico il software è stato utilizzato per il controllo dei componenti degli elicotteri. Il software controlla un sistema automatico d’ispezione a 6 gradi di libertà ( 5 lineari, 1 rotativo) ed è stato progettato e costruito in collaborazione con le ditte: Simitecno, Comeb ed Eurosystem.

Software
Il software sviluppato in LABVIEW tramite la scheda NI PCI 7358 controlla e muove i 6 assi, singolarmente o contemporaneamente, sfruttando le potenzialità del DSP interno della scheda.
Il sistema è in grado di apprendere i profili, tramite un tastatore dimensionale (Testina Renishaw). La testina è collegata al sistema automatico e tramite il software di acquisizione e la scheda NI PCI 7358 cattura le coordinate spaziali del profilo direttamente sul pezzo in esame. Se è disponibile un disegno su carta verrà digitalizzato e trasformato in un’immagine raster, prendendo i punti direttamente sull’immagine dello schermo dopo una calibrazione. Inoltre, è stato sviluppato un programma che estrae le traiettorie direttamente da un file vettoriale (CAD) tramite i coseni direttori delle unità che formano la tessitura (texture) digitale del campione.
In seguito il sistema calcola, dalle coordinate del profilo del pezzo, la traiettoria che la sonda ultrasonora deve eseguire sul piano XY. Ad ogni punto della traiettoria XY la sonda si posiziona perpendicolarmente alla superficie del campione tramite un asse motorizzato rotativo, ad un certa distanza imposta e calcolata. Viene eseguita una direttrice verticale lungo l’asse Z. L’insieme delle direttrici di ogni punto restituiscono lo sviluppo della superficie curva del pezzo in esame. I segnali ultrasonori vengono acquisiiti tramite la scheda NI PCI 5112 e processati per ottenere la mappatura ultrasonora finale.
Il software di elaborazione elabora l’insieme dei dati ultrasonori al fine di analizzare l’intero spessore del pezzo partendo dalla superficie d’ispezione fino alla superficie opposta.

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A. Tatì
ENEA
tatiangelo@casaccia.enea.it

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