泰琛测试技术(上海)有限公司
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  • 2020-05-13

    工业CT的核心之一——扫描运动控制系统

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    工业CT是应用于工业领域的计算机断层扫描技术。它是以不损伤被检测对象的性能为前提的一种无损检测技术,与射线照相、超声等常规无损检测方法对比,工业CT具有检测速度快、分辨率高、不受被测对象几何结构限制等优点,广泛应用于工业设备、产品的无损检测及质量评估中,被公认为是20世纪后期最伟大的科技成果之一。

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    工业CT技术涉及了光电子技术、精密机械与控制、仪器仪表、核物理学、微电子学、计算机图像处理与模式识别等学科领域,是典型的技术密集型高科技技术,被广泛应用在国防、航天、航空、电子、机械、电力及石油等工业领域,实际工业中的主要应用有诸如发动机内部裂纹、航天航空零件的材质的检测等,为我国尖端行业的工业设备的安全和可靠运行提供了重要铺垫和安全保障。除此之外,工业CT系统还被广泛应用于预防滑坡、探矿找水、放射性污染检测等领域,为人们的安全保障提供了重要的检测手段,强有力的推动了社会的发展。

    工业CT系统由于涉及到多种学科领域,因此它的子系统组成也多样化,其中凸显在运动控制子系统、数据处理子系统、辅助子系统、机械子系统等四个主要系统上。而运动控制系统是工业CT控制系统关键技术之一。其中,运动控制系统的主要部件是运动控制器本身,主要负责被检测工件的旋转、平移和射线源-探测器等扫描运动轴的扫描运动。在工业CT扫描过程中,扫描运动控制器需要实时采集各个运动轴的位置信息,实现精确的运动控制;同时,需要监控系统状态、控制射线源和采集系统在预定位置分别出束和采集。因此,运动控制系统的控制性能好坏将会直接影响工业CT扫描位置的精度、采集数据的有效性和图像重建的准确性。

    实现对扫描系统的精确控制,除了加工本身的要求外,机械系统的刚度也是不可忽视的,特别在被检工件比较巨大笨重时更是如此。运动的驱动部件一般选用步进电机或伺服电机。相比之下,步进电机比较适合于轻便廉价的系统,伺服电机得到了更多的应用。无论采用哪一种电机驱动,精确的测量系统常常是不可少的。特别是那些经常运行于启停状态的电机,更要靠独立且精确的位置测量系统来监测运动的准确性,常用的位置测量元件是光栅尺和旋转编码器。安装这些设备不仅是为了防止电机“丢步”同时还应该注意导轨丝杠等可能存在的“空行程”。因此在安装位置的选择上应当有所考虑。

    仅从对于最后检测效果考虑,机械系统的精度自然是越高越好。但是到了一定程度以后,加工精度的提高往往带来生产成本呈指数般地上升。合理的要求是在成本没有快速上升以前,达到尽可能高的加工精度。通常情况下,都希望机械加工精度能够高到几乎不是CT图像质量的影响因素,实际上还是只能在价格和性能之间折中。经验上有一个很好的参照标准,就是测量投影数据时的像素尺寸大小。如果在完成采集一个断层所需要的全部数据的过程中,由于机械精度的影响,使采集到投影数据对应的“体素”距离理想位置最大偏差不到像素尺寸的1/3时,被认为是可以接受的系统;偏离理想位置不到1/5时,被认为是很好的系统。

    工业CT领域常用的两种扫描方式,即TR方式和RO方式。RO扫描方式无疑具有更高的射线利用效率,以得到更快的成像速度;然而,TR扫描方式的伪像水平远低于RO扫描方式的,可以根据样品大小方便地改变扫描参数(采样数据密度和扫描范围),特别是检测大尺寸样品时其优越性更加明显;射线源探测器距离较小,从而提高信号幅度;另外,探测器通道少还有降低系统造价、便于维护等重要优点。TR方式比起RO方式除了必须增加工件扫描运动之外,系统设计上也有所不同。同时具有两种扫描方式的系统,实际上还是基于RO方式的结构,在进行TR扫描时只是部分避免了RO扫描的固有缺点,如消除年轮状伪像,并且可以扫描较大样品。但从根本上说,为了迁就RO扫描几何条件的要求,往往增加了射线源到探测器的距离,牺牲了一些非常贵的信号强度。所以说同时具有两种扫描方式的CT,采用的几何条件对于TR方式来说很可能不是最佳的。

    随着工业CT技术的快速发展壮大,工业CT面临的对象千差万别,除了对产品进行检测外,还对装配线进行快速检测,检测的精度要求越来越高,同时伴随着DR成像技术及三维成像技术的发展,对CT的成像速度提出了更高的要求,相应的对CT运动控制器控制精度提出了更高的要求,也即对控制系统精度要求更高。更高的控制精度要求就需要了解扫描运动对象的对象模型,基于扫描运动对象模型分析来优化和改善控制系统的精度。对象模型是通过对各运动轴高精度实时测量及分析来获得的。在工业CT的运动控制系统中,各运动轴基本是闭环控制,配置了相关的运动行程开关和光栅,基于这些运动状态测量传感器,再结合测量装置可以实现运动轴状态信息的测量。因此,为了实现某些实际应用场合对工业CT控制技术的高精度要求,在工业CT现有的控制系统基础上,研究和开发工业CT运动位置状态测量与模型识别系统具有重要工程应用价值和实际意义。

     


    泰琛测试专注于为客户提供 工业CT扫描工业CT检测无损检测3D扫描孔隙率检测X-Ray检测失效分析 等专业技术服务以及认证、培训、咨询及设备代理一站式服务。






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