工业测量——工业CT应用的新高度

国际金属加工网 2015年02月28日

WENZEL Volumetrik发布的新一代电脑断层扫描工作站exaCT,为工业CT设立了新的参考标准,在工业测量领域中跨出了革命性的一步。

温泽测量仪器(上海)有限公司

WENZEL Volumetrik作为温泽集团的下属子公司之一,继承了温泽集团精益求精的理念,多年来一直致力于无损检测技术的开发与应用。现在WENZEL Volumetrik已经发布了新一代工业断层扫描工作站exaCT。exaCT工业CT工作站以其专利技术的工业探测器、缜密的机械结构以及完全自主开发的强大软件包,领跑于工业CT在精密测量方面的应用,为无损检测领域设立了新的参考标准,在测量领域当中跨出了革命性的一步。

从二维到三维,从探伤到测量

X射线的应用,让人们对无损检测有了初步的认识。X射线对物体穿透式的成像方式,可以在不破坏零件的前提下,对材料内部的结构及缺陷进行观察分析。射线检查将零件在X射线方向上的空间结构压缩到了一张胶片中,形成一张二维图像。由于零件前后不同断层的重叠和图像的相互干扰,射线检查成像的分辨率和精度只能停留在较低的水平上,因此它只能对零件进行定性的结构与缺陷分析。

工业CT的出现,颠覆了人们对无损检测的传统认识。CT技术是基于从大量二维图像数据应用计算机重建物体三维结构的一种方法。它在二维图像成像过程中只采集特定断层的投影数据,用来重建该剖面的图像。相比于射线检查,CT图像消除了不同断层图像之间的干扰,特定断层的图像对比度得到了明显的增强,同时图像的灰度数值能真正与材料的辐射密度产生对应的关系。此外,工业CT技术能够重建物体的三维结构,相比二维图像更能直观地进行理解,因此工业CT被越来越多地用来检查材料缺陷、机械零件内部结构以及装配正确性等等。

就目前来说,工业CT在材料探伤、零件失效分析领域的应用更为普遍,而人们对工业CT在测量领域的应用认知还比较少。少量的应用也仅限于一些简单几何尺寸的大致测量,离真正的几何尺寸与行为公差测量还存在相当的差距。造成这种现状的原因是多方面的,就工业CT技术本身来讲,主要原因在于之前的工业CT在硬件与软件方面的性能尚不能满足工业测量的要求。

在硬件方面,能够达到工业测量要求的工业CT设备需要满足几个方面的要求:稳定的X光源、精密的探测器及缜密稳定的机械结构。首先,稳定的X射线源是CT扫描数据精度与重复性的基础保证,当工业CT用于尺寸与形位公差测量时,这一点显得尤为重要。探测器作为CT设备中最重要的部件之一,对系统的分辨率和精度起到至关重要的作用。作为应用于工业测量的CT设备,需要针对工业测量的要求对探测器进行量身定制。目前,CT探测器绝大多数都是为了医用目的而研发的,其应用对象就是人体组织,它在分辨率和精度等方面的要求不是很高,而工业测量所提出的要求要远远高于医用CT,因此将医用CT探测器应用到工业CT上往往难以满足要求。最后,当然也是非常重要的一点,测量设备的机械结构必须具有很高的精度与稳定性。作为一款测量设备,工业CT也无法例外。

WENZEL Volumetrik exaCT工作站作为一款达到工业测量要求的工业CT,从设计之初就充分考虑了针对工业测量的一切需求。exaCT选用了稳定的闭合管X射线源,在提供高质量射线的基础上,也大大减少了所需的维护。而专门针对工业应用自主研发并生产的探测器,相比医用探测器极大地缩小了像素尺寸,提高了工业CT的空间分辨率;同时增强了探测器的动态特性(位数),提高了工业CT的密度分辨率,最终使得工业CT能够达到更高的精度。在机械结构方面,exaCT沿袭了德国温泽在三坐标测量机领域超过30年的设计制造经验,采用了花岗岩和气浮轴承的结构设计,为其高精度和长期稳定性打下了坚实的机械基础。

工业CT的整体性能不仅仅取决于它的硬件,软件在计算机断层扫描术中起到的作用也是至关重要的。可以说,工业CT的硬件决定了设备整体性能的理论极限,而软件则是将设备的实际性能推向这个理论极限的关键所在。软件与硬件的兼容性和匹配度、软件的基本构架以及对大数据的处理能力、三维数据重建算法的优劣还有软件评价功能的完整性等等,都从方方面面影响到工业CT的最终性能。CT扫描不同于光学扫描,它获取的不仅仅是物体的表面数据,而是从内到外的体积数据,因此CT扫描的数据量要高出普通扫描好几个数量级。可以说,工业CT的发展很大程度上要依赖计算机处理能力的进步。CT数据的处理流程从探测器图像读取开始,还要大致经过A/D转换、三维重建、表面构造及不同种类的后期评价等等,任何一步都离不开计算机硬件和软件的处理。因此,充分利用了现今计算机处理能力的软件框架才能更好地处理CT庞大的数据量。在这个基础上,工业测量所用到的软件在算法上也必须要经过专业的认证,才能保证测量结果的可靠性。

WENZEL Volumetrik exaCT所使用的软件,从探测器图像读取开始就完全采用WENZEL集团自主研发的软件,在软硬件兼容方面给予exaCT最佳的保障。而软件的整体构架,以及后续的数据处理算法则紧跟计算机硬件的发展水平,使得exaCT在处理大型数据方面拥有巨大的优势,完全超越了上一代工业CT的性能。至于数据评价方面,WENZEL也提供了最为完备的功能,从缺陷检测到装配分析,从材料补偿到逆向工程,尤其是尺寸与形位公差测量,使用了三坐标测量机上的专业软件,能够实现所有的几何测量功能。

应用案例分析

1. 尺寸与形位公差测量

消费电子类产品,如下图所示,零件为手机壳体,壳体内部有许多非常微小难以测量的几何元素,无法用传统方法进行测量。

使用exaCT对零件进行CT扫描,得到三维数据,然后对其进行尺寸与形位公差测量

2. 缺陷检测

汽油发动机供油管路焊接塑料件,如图所示,玻纤强化塑料长管为零件主体,两端的帽子与主体为同种材料。共四种焊接工艺,分别扫描四个工件,分析每种工艺所产生的缺陷,并确定一种工艺用于后续的量产。

用exaCT工业CT工作站扫描待检测部件,下图所示的红色区域为摩擦焊接面,蓝色区域为溶胶扩散区。重点观察摩擦焊接面与溶胶扩散区气孔大小及其分布。对四种工艺生产的部件进行逐一检测,最终确定焊接效果最佳的工艺。

3.逆向工程

对现有的涡轮增压器叶轮进行扫描,得到零件的CAD模型。CT扫描得到的三角网格面质量很高,没有碎面及空洞,如下图所示。对三角网格面进行曲率分析,以便合理划分面片。将整个零件划分面片后生成IGES曲面,最后导入CAD软件进行后处理。

结语

仅需一次CT扫描,就可以获得零件内外部的所有几何结构。不同于其它扫描技术,CT扫描能够重建零件从内而外的完整三维模型。经过WENZEL Volumetrik exaCT工作站的扫描,零件内部哪怕一个小至5um的细小缺陷都躲不过X射线的探测。这也是WENZEL Volumetrik将其CT工作站命名为exaCT的原因。WENZEL Volumetrik独有的专利探测器技术以及温泽集团享誉30年的高精度三坐标测量机制造经验,使得WENZEL Volumetrik exaCT工作站在市场上独树一帜,并且逐步在工业CT领域占据领先地位。

exaCT工作站集成了无损检测的几乎所有功能,例如尺寸与形位公差测量、材料缺陷分析及装配分析等,并将所有的功能集成到了一起。随着工业CT技术的应用,工业测量正在步入一个新的纪元。并且,WENZEL Volumetrik以其exaCT工作站的出色性能,领跑于这场技术革命的前沿。

 


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