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测量型工业CT技术创新与应用

2021-05-19

 

全尺寸精密测量是高端制造技术中不可或缺的一个基础性手段,大力推广应用测量型计算机断层扫描(Computerized Tomography,CT)技术对于解决航空航天、先进制造、精密电子以及新材料开发等领域核心制造技术难题具有重要意义。在国家自然科学基金、郑洛新国家自主创新示范区首批创新引领型产业集群专项等支持下,中国人民解放军战略支援部队信息工程大学联合中信重工机械股份有限公司、郑州信大先进技术研究院等,针对工业CT用于尺寸测量时的一致性、准确性、稳定性和适用性等瓶颈问题,开发了工业CT图像复原、系统参数标定、图像伪影校正等方法,研制了微米级三维全尺寸测量型CT系统,开辟了一条使用工业CT对复杂工件进行全尺寸测量的新途径。
该项目的整体技术达到国际先进水平,所取得的创新性成果已经在河南省内外10余个领域70余家科研院所和企业的200余种工业部件质量测量与工艺改进项目中得到成功应用。以该项研究成果为理论和技术支撑,中国人民解放军战略支援部队信息工程大学获批河南省成像与智能处理重点实验室,与上海材料研究所联合开展了工业无损检测技术培训,培养硕士和博士等研究人才20余名、工程技术研发人才15名、射线无损检测工程师23名。项目获国家授权发明专利17仲(一种基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法,ZL201510545714.5;X射线CT转台单侧两次螺旋扫描单层重排重建方法,ZL201610512467.3等)、软件著作权25项;发表学术论文40篇,其中SCI、EI收录论文30篇;出版专著1部。
 
1 主要科技创新
提出了全能段覆盖的金属伪影校正技术,通过低能段硬化校正、高能段散射校正、中能段混合校正有效去除金属造成的图像带状阴影与杯状伪影,成功解决了不同材料的测量一致性的难题。
提出全变分最小化约束图像复原和动态时间弯曲变电流投影融合方法,解决了CT图像退化引起的图像边界定位不准问题,准确恢复边缘信息,显著提升了测量准确性。
提出基于旋转轴投影位置不动性的系统几何参数在线标定算法,解决了系统几何参数随时间劣化造成的图像重影问题,增强了测量稳定性。
提出半覆盖双螺旋双向视野扩展扫描模式和解析型单层数据重排重建算法,解决了测量量程受限难题,实现了大视野成像,拓宽了测量系统的适用性。
项目研制的测量型工业CT系统(微焦点M系列高分辨工业CT)经河南省计量科学研究院依据国家标准《无损检测仪器工业用X射线CT装置性能测试方法》进行检测,结果为:体素尺寸8 μm,测量精度4 μm,穿透厚度30 mm Fe,检测直径达到770 mm,检测高度700 mm。所研制的测量型工业CT系统结构示意如图2所示。
 
2 应用情况
项目成果成功应用于航空航天、增材制造、农业育种、精密电子、材料研究、文物考古和国防军工等10余个领域70余家单位的测量分析,解决了发动机叶片、矿石、柔性梁、复合材料等200余种产品难以触及与隐藏部位尺寸与缺陷测量、孔隙度分析等应用难题(图3、图4、图5)。累计实验2 000余次,提升了测量精度和效率,降低了生产不合格产品的风险,节约了研制及生产成本,有力推动了各个领域企业的提质增效进程。
 
3 社会经济效益
该项目积极响应国家军民融合战略,充分发挥高校技术理论和科研人才优势、先进技术研究院工程化能力和成果转化优势、成像公司对接市场和产业化优势以及中信重工公司典型应用联合研发优势,以市场需求为导向,“产学研用”有机结合、深度合作,着力解决制约行业发展的共性关键技术,成功研制了一系列测量型工业CT成像系统产品,助力以破碎机、磨机产业应用为代表的大型工程构件、高端产品制造提质增效,经济效益和社会效益显著。
中信重工机械股份有限公司牵头,联合河南省内多家科技单位成立的河南省智能工业无损检测创新技术产业联盟,围绕工业CT成像技术,有力推动河南省产业整合,形成跨领域的高新技术产业群体,搭建了河南省工业CT生产线,如图6所示。联合北京百慕航材高科技股份有限公司共同建立航空精密铸造全流程智能检测实验室,为国家重点工程提供安全技术保障。