基于3D球形檢測平臺的工業(yè)CT裝置

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(丹東華日理學電氣有限公司，丹東 118000)

目前對立方體結構或球狀結構等大型工件的工業(yè)CT檢測，一般都將工件等放置夾持到承載的旋轉(zhuǎn)平臺上，由于受到承載工件檢測平臺的限制，檢測工件與接觸的承載平臺位置或者夾具夾持位置屬于成像掃描限制區(qū)域，存在邊界遮擋障礙缺陷，無法全方位清晰地一次完成CT掃描檢測的問題，而往往需要關閉射線系統(tǒng)后人工二次調(diào)換工件安裝位置，使其第一次放置時接觸面部分或第一次所夾持部位轉(zhuǎn)到上面，再進行第二次掃描，才能完成整個工件的檢測。此外，對于一些結構復雜的工件，需要尋找一個最佳的透照角度，才能實現(xiàn)最佳二維投影數(shù)據(jù)的采集，完成高精度的三維建模，這對現(xiàn)有簡單旋轉(zhuǎn)平臺的單一方向旋轉(zhuǎn)移動方式是無法實現(xiàn)的。針對以上問題，設計了一種基于3D球形檢測平臺的工業(yè)CT檢測裝置，這種裝置的應用將不受空間廣域局限，可靈活選擇透照方向角度，實現(xiàn)連續(xù)高精度高靈敏度的掃描。

1 3D球形檢測平臺結構設計與功能

基于3D球形檢測平臺的工業(yè)CT檢測裝置由移動吊臂裝置、3D球形檢測平臺、射線源探測器掃描裝置、系統(tǒng)控制臺等4部分構成。通過系統(tǒng)控制臺對各信息進行反饋匯總后，發(fā)送驅(qū)動控制命令，移動射線源和探測器到達預定檢測位置?？刂乞?qū)動3D球形檢測平臺中的萬向驅(qū)動輪裝置滾動，從而帶動球形工件托盤承載內(nèi)部工件沿著所需檢測的軌跡方向轉(zhuǎn)動，同時開啟射線源探測器掃描裝置的掃描成像功能，完成CT掃描檢測。其中移動吊臂裝置、射線源探測器掃描裝置和系統(tǒng)控制臺均是已有的成型技術[1]。

移動吊臂裝置作為輔助結構，分別由Y軸縱向移動裝置、橫向?qū)蚣堋⑸渚€源前后移動機構、探測器前后移動機構、探測器升降機構、射線源升降機構、探測器固定架、射線源固定架等構成。

射線源探測器掃描裝置主要由射線源和對應接收的探測器核心部件構成。裝置針對不同厚度、不同形狀的工件選用不同的射線源探測器配置，對于尺寸相對較小、厚度較小的工件，選擇XY-450kV型號的移動射線機，配用XRD0822AP3平板探測器成像板進行掃描成像;對于尺寸相對較大、厚度較大的工件，射線機無法穿透，采用2～9 MeV的直線加速器，配用XIH8808系列線陣器進行掃描。

系統(tǒng)控制臺是智能檢測系統(tǒng)的控制中心，采用丹東華日理學電氣股份有限公司的型號為XRC-MCC的系統(tǒng)控制臺。

圖1 3D球形檢測平臺結構示意

3D球形檢測平臺(見圖1)由萬向驅(qū)動輪裝置、牛眼萬向球、上下支撐架、上連接法蘭板、立架升降絲杠副裝置、升降直線導軌、中間連接板、球形工件托盤等構成。其中，升降絲杠副裝置中的絲杠通過標準軸承座安裝固定在立架的上下端，上端連接固定驅(qū)動電機驅(qū)動。在立架的側(cè)立面上安裝固定升降直線導軌，直線導軌與連接法蘭板螺釘連接固定，連接法蘭板另一端用螺釘固定上下支撐架的上支撐架，上支撐架四角處用螺釘安裝固定4個牛眼萬向球，并在支撐架中間用螺釘固定萬向驅(qū)動輪裝置，立架底端通過螺釘與上下支撐架的下支撐架連接固定，同樣在下支撐架的四角用螺釘安裝固定4個牛眼萬向球，并在支撐架中間用螺釘固定萬向驅(qū)動輪裝置，在立架中間位置，用螺釘安裝中間連接板，中間連接板上用螺釘固定安裝一組萬向驅(qū)動輪裝置。在上下支撐架的牛眼萬向球中間放置需要承載工件的球形工件托盤。上下支撐架上面的牛眼萬向球與球形工件托盤的外球殼緊密接觸，以起到支撐導向作用。再通過上下部萬向輪驅(qū)動裝置及中間水平的萬向輪驅(qū)動裝置的伺服電機轉(zhuǎn)動，從而帶動滾球沿著W1，W2，W3，W4水平軸向轉(zhuǎn)動和垂直軸向轉(zhuǎn)動，滾球通過摩擦將動能傳導到聚氨酯球殼，從而使得檢測工件伴隨球殼做任意軌跡方向轉(zhuǎn)動。

2 工作原理與檢測流程

圖2 3D球形檢測平臺CT裝置應用控制原理框圖

2.1 工作原理

3D球形檢測平臺CT裝置應用控制原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)控制臺作為智能檢測系統(tǒng)的控制中心，計算機通過以太網(wǎng)連接運動控制部分的運動控制器、電機驅(qū)動裝置、位置反饋單元、探測器成像采集單元、射線源控制單元等。運動控制器通過伺服驅(qū)動器控制移動吊臂X軸伺服電機A、移動吊臂Y軸伺服電機B、移動吊臂Z軸伺服電機C、3D球形檢測平臺Z軸伺服電機D、3D球形檢測平臺W1軸伺服電機E、3D球形檢測平臺W2軸伺服電機F轉(zhuǎn)動。通過采集位置反饋信息實現(xiàn)各軸電機的精確定位，從而完成整套裝置檢測流程的自動化，操作臺采用一體化工業(yè)計算機作為控制軟件的運行平臺，實現(xiàn)人機交互控制，可完成機械傳動定位控制、運動狀態(tài)監(jiān)控和運動位置校正，射線發(fā)射與圖像采集的同步控制，工作報警提示等。系統(tǒng)控制臺通過其核心軟件系統(tǒng)，根據(jù)透照射線斷層掃描采集的數(shù)字信息進行系統(tǒng)圖像的重建過程，生成三維工件掃描模型或斷層切片圖像；最后再進行工件內(nèi)部識別。射線源探測器掃描裝置受系統(tǒng)控制臺的控制，開啟工作時，射線源發(fā)射出X射線或高速粒子流穿透被檢測工件，照在靠近工件檢測位置的數(shù)字探測器上，探測器將接收到的信號轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)字信號，再將信號傳輸?shù)较到y(tǒng)控制臺上，系統(tǒng)控制臺裝有專用CT掃描成像軟件，對工件進行斷層掃描，掃描一個固定圓周后，通過計算機進行系統(tǒng)圖像重建，形成斷層掃描圖片和三維模型，再進行內(nèi)部缺陷判斷及存儲等綜合處理。

2.2 檢測流程

3D球形檢測平臺的CT裝置檢測流程圖如圖3所示，裝置智能檢測程序包括裝載上件階段、射線源探測器準備階段、CT掃描階段、圖像重建階段、缺陷識別判斷階段等。

圖3 3D球形檢測平臺的CT裝置檢測流程圖

裝載上件階段：將待檢測工件最外沿邊角處墊上專用膠墊后，將立方體形狀的合金鑄件放置到聚氨酯球形工件托盤的下半球內(nèi)，再旋緊扣上上半球球殼，將球形殼體連同工件用吸盤吊裝到3D球形檢測平臺的下支撐架上，驅(qū)動電機調(diào)節(jié)升降絲杠副裝置，降下上支撐架使得上下支撐架上面的牛眼萬向球與球形工件托盤的外球殼緊密接觸，起到導向作用。再分別調(diào)整上下位置的萬向輪驅(qū)動裝置，與球殼中心頂緊，調(diào)整側(cè)面的萬向輪驅(qū)動裝置與球殼側(cè)面中心頂緊。

射線源探測器準備階段：系統(tǒng)控制臺發(fā)送驅(qū)動命令，將移動吊臂移動到3D球形檢測平臺球殼中心兩側(cè)，驅(qū)動調(diào)整探測器升降機構和射線源升降機構，將高度調(diào)整到待檢測位置，調(diào)整射線源前后移動機構和探測器前后移動機構，分別向中心軸線的X1軸和X2軸前后移動，調(diào)節(jié)到最佳焦距位置。

CT掃描階段：系統(tǒng)控制臺發(fā)送驅(qū)動命令，驅(qū)動上下部萬向輪驅(qū)動裝置及中間水平的萬向輪驅(qū)動裝置的伺服電機轉(zhuǎn)動，沿著W1，W2，W3，W4軸向轉(zhuǎn)動，從而帶動滾球滾動，滾球通過摩擦將動能傳導到聚氨酯球殼，從而使得檢測工件伴隨球殼做所需方向的轉(zhuǎn)動，根據(jù)不同型號工件，將球殼連同工件調(diào)整到最佳透照旋轉(zhuǎn)角度位置。射線源探測器開啟掃描功能對工件進行檢測，同時系統(tǒng)控制臺控制驅(qū)動聚氨酯球沿最佳透照角度旋轉(zhuǎn)， 旋轉(zhuǎn)空位精度為20 s，直至旋轉(zhuǎn)一周，掃描結束。若工件較大無法一次掃描全部，則系統(tǒng)控制臺驅(qū)動平移移動吊臂升降或橫向移動一個檢測掃描有效區(qū)至下一個掃描區(qū)域，再次開啟射線源探測器掃描檢測工件，按旋轉(zhuǎn)空位精度要求，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工件，直至旋轉(zhuǎn)一周，掃描結束。重復掃描檢測動作直至工件全部檢測完畢。

圖像重建階段：系統(tǒng)控制臺通過自身計算機所加載的CT掃描軟件，將透照后探測器采集到的二維投影數(shù)據(jù)，通過軟件的特殊算法進行三維重建，構建可視化的三維圖像模型或斷層切片圖像。

缺陷識別判斷階段：系統(tǒng)控制臺通過自身計算機軟件，對構建的三維圖像模型或斷層切片圖像進行圖像分析，識別缺陷位置及缺陷大小，完成后進行檢查存檔，并支持導出檢測結果。

結束收尾階段：掃描結束后關閉射線系統(tǒng)，移走移動吊臂，吊裝卸下聚氨酯球，取出工件，完成檢測。

3 結語

經(jīng)過試驗證明，這種基于3D球形檢測平臺的工業(yè)CT檢測裝置，具有可實現(xiàn)任意角度旋轉(zhuǎn)和無遮擋夾持端的特性，可以避免檢測臺裝置的翻轉(zhuǎn)，具有選擇角度靈活，掃描精確，檢測效率高等優(yōu)點，具有明顯的創(chuàng)新性和技術領先性。這種裝置可用于工業(yè)CT檢測系統(tǒng)，使被檢測工件在CT檢測過程中方便地翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，滿足鍛件等大型件內(nèi)部缺陷的檢測需求。