Методология и принципы сапр цифрового рентгеновского 3D микротомографа для визуализации и изучения внутренней структуры органических и неорганических материалов

УДК 681.3.012

МЕТОДОЛОГИЯ И ПРИНЦИПЫ САПР ЦИФРОВОГО РЕНТГЕНОВСКОГО 3D МИКРОТОМОГРАФА ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ИЗУЧЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Управления качеством» факультета инновационных технологий, национального исследовательского Томского Государственного Университета (НИТГУ)

Аспирант факультета инновационных технологий, Национальный исследовательский Томский государственный университет,.

Студент факультет инновационных технологий, Национальный исследовательский Томский государственный университет,.

Национальный исследовательский Томский государственный университет

E-mail: stas. *****@***ru

Актуальность работы обусловлена представлением разработанного алгоритма проектирования рентгеновских  микротомографов, принципов функционирования, критериев САПР, метрики программного продукта, а также  логистической структуры системы автоматического проектирования для нужд неразрушающего контроля, в частности изучения органических и неорганических соединений  методом рентгенографии.        

Ключевые слова: САПР, РМТ, алгоритм САПР, критерии САПР, принципы и методология построения, метрики ПО.

Цель: Ознакомление с теоретическими основами САПР для рентгеновских томографов, их логистической структурой и принципами построения. А также представлена методология написания программного продукта (структура, метрики, методика) для данных нужд с примерами расчетов различных составляющих рентгеновской микромографии.

В наш век информационных технологий и всеобщей глобализации, когда каждая минута в жесткой конкурентной борьбе играет  решающую роль в успешности разработки, необходимо разрабатывать и осваивать новые способы всестороннего ускорения технологической подготовки производства новых изделий. Эта задача в современных условиях решается путем разработки типовых технологических процессов, использования автоматизированных систем проектирования, а также их техническая и программная реализация,  стандартной и обратимой оснастки, которая значительно ускорит и облегчит работу конструкторского отдела по разработке нового продукта.

Поэтому данная статья посвящена разработке и формированию методологической основы проектирования, а также структуры самих элементов САПР для рентгеновского 3D микротомографа.

Подобранные параметры системы  РМТ должны обеспечивать достаточную высокую разрешающую способность, позволять качественно исследовать органические и неорганические объекты, иметь достаточное высокое быстродействие, а также определение характеристик и геометрических параметров исследуемого объекта. Разработка программного и методического продукта для проектирования рентгеновских  томографов значительно ускорит и облегчит работу конструкторского отдела по разработке рентгеновского аппарата под конкретные требования и цели.

Таким образом, смысл процесса проектирования в любой САПР независимо от объекта проектирования один и тот же: получить в соответствии с замыслом такую информационную модель, которая позволяет создать систему – оригинал, полностью соответствующую замыслу.

САПР для рентгеновского 3D микротомографа должен базироваться на следующих принципах: принцип системного единства, принцип совместимости, принцип типизации, принцип развития [4].

САПР должен иметь ряд признаков:

1. Объектно – ориентированное взаимодействие человека и ЭВМ.

2. Сквозная информационная поддержка на всех этапах обработки информации на основе интегрированной базы данных.

3. Безбумажный процесс обработки информации.

4. Интерактивный режим решения задач, выполняемый в режиме диалога пользователя и ЭВМ.

Комплекс средств автоматизации проектирования современных САПР включает семь видов обеспечения: техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое, методическое, организационное.

Так как САПР для рентгеновского микротомографа имеет вид программного продукта, то перед разработкой необходимо разработать  и оценить  основные метрики данного ПО. Метрики качества ПО, а также ее логистической структуры регламентируются  и оцениваются в соответствии со стандартом ISO/IEC 9126 [5].

Внешние метрики продукта:

надежности продукта, которые служат для определения числа дефектов (отсутствие логистических и программных ошибок; точные и соответствующая информация во время проектирования) функциональности, с помощью которых устанавливаются наличие и правильность реализации функций в продукте (возможность проектирования различными способами: по виду материала, по показателям рентгеновской трубки, детектора, мощности, а также исследуемой толщины исследуемого материала, в том числе реализован проектирование  по нескольким критериям) сопровождения, с помощью которых измеряются ресурсы продукта (скорость, память, среда); (легкая иерархическая структура, не требующая высокопроизводительных компьютеров, высокая совместимость с системами, высокий показатели скорости –  до  нескольких секунд на формирование ответа на запрос) стоимости, которыми определяется стоимость созданного продукта.

Внутренние метрики продукта включают:

метрики размера, необходимые для измерения продукта с помощью его внутренних характеристик; (размер программного продукта должен иметь соответствующий размер под технические возможности) метрики сложности, необходимые для определения сложности продукта (легкая иерархическая структура, высокая совместимость с системами) метрики стиля, которые служат для определения подходов и технологий создания отдельных компонентов продукта и его документов (простой и понятный интерфейс программы, не требующий дополнительного обучения, крупные окна для ввода и вывода информации).

Для облегчения  выбора конструктивных параметров  рентгеновского микротомографа был разработан элемент методики реализации САПР, применение которой не зависит от области дальнейшего применения РМТ.

Выбрать тип РМТ в соответствии с техническим заданием. Определить виды материалов, а также их возможные максимальные и возможные размеры, которые будут исследоваться на данном РМТ. Определить допустимые погрешности рентгенооптической системы. Выбрать приемник (рентгеновский детектор) и источник (рентгеновская трубка) излучения, исходя из требований по разрешению, точности, цветовым и яркостным характеристикам восстановленного изображения. Рассчитать потребляемую мощность и максимальный потребляемый ток для составляющих РМТ. Определить компоновку составляющих РМТ, спроектировать корпус и рассчитать параметры высоковольтного источника питания Разработать и рассчитать корпус РМТ в соответствии со строжайшими международными стандартами безопасности. Они соответствуют ROV от 18.6.2002 (<1 мкЗв/ч) для механизмов полной защиты, американским стандартам безопасности и защиты от радиации[3].

В разрабатываемом РМТ предполагается использовать рентгеновскую трубку мощностью 10 Вт. На основе расчета интенсивности рентгеновского излучения и в зависимости от объекта рассчитывается толщина просвечиваемого материала:

Где – конечная и начальная интенсивности излучения соответственно; – полный линейный коэффициент ослабления; x – толщина слоя вещества [1].

Выбрав фиксированный ток на аноде и зная мощность рентгеновской трубки,  с помощью несложных расчетов, на основании выше представленной формулы интенсивности,  можно получить зависимость необходимого  напряжения на рентгеновской трубке от вида материала и его толщины. [2]  В табл. 1 приведены данные о материалах и их толщинам, которые могут быть исследованы с помощью данной рентгеновской трубки, разработанные и рассчитаны в соответствии ГОСТ 20426-82.

Таблица 1. Зависимость напряжения рентгеновской трубки от вида и толщины исследуемого материала при постоянном значении тока на аноде 80 мкА

Толщина просвечиваемого сплава, мм, на основе	Напр. рентгеновской трубке, не выше, кВ
Железа	титана	алюминия	магния
0,04	0,1	0,5	1,8	20
0,4	1	5	14	40
0,7	2	12	22	50
1	3	20	35	60
2	6	38	57	80
5	10	54	80	100
7	18	59	105	120

Таким образом, в данной статье были представлены основные понятия САПРа для рентгеновских способов исследования материала, логистическая структура, представлены основные метрики ПО, а  также основные признаки и критерии разработки и реализации для данных систем. Представлена методика написания элемента САПР, выраженная в пошаговом выполнении действий для проектирования данных систем.

Работа выполнена по программе повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского государственного университета.

Литература

, , Практика радиографического контроля: учебное пособие. Томск : Изд-во Томского политехнического ун-та, 2011. 288 с. , , Современные методы исследования материалов и нанотехнологий: лабораторный практикум. Томск : Изд-во ТГУ, 2013. 410 с. , , Основы радиационного неразрушающего контроля: учеб.-метод. пособие для студентов физического факультета. Казань : Изд-во КГУ, 2008. – 66 с.: ил. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении. М : Машиностроение, 1985. 304с ил. правление проектами по созданию программного обеспечения:  М : Изд-во ЛОРИ, 2007. Радиационный контроль: справочник. М : Машиностроение, 2008.