三维CT扫一扫，铸件“隐私”全揭晓
2016-03-15 浏览量：484
（转自：材料与测试网）
使用先进的三维CT系统进行自动化检测
铸造是浇注某种液体（通常是金属或塑料）到模具中，从而生产出我们想要的固体工件。当然以上只是纯理论，实际生产出的这些“固体”工件通常都会存在空隙或夹杂物，而这或多或少都会影响工件成品的性能。工件存在气孔可不是什么好事，因为这可能导致成品强度下降或者是遗留许多开口孔，从而导致其性能无法达到要求。
但如果通过精加工工艺将这些空隙去除，或者是判断出其尺寸及形状等不会对工件性能造成影响，那么这样的工件是可以接受的。或者说，这些孔洞本身就是有意为之，目的是降低产品重量而对性能不产生影响，那么当然也是可以接受的。如果是这种情况，孔洞的尺寸就显得至关重要了。
因此我们所面临的挑战是，从可接受气孔或人为气孔中区分出那些不符合标准的气孔，后面可以将更多的生产时间花在这些不良工件上，以免它们被投放到市场中。
三维CT系统适用于各种各样的应用，且无论是单独检测还是在线检测都非常灵活。
理想的检测流程
如果空隙在工件外侧，通过目视就可以很容易的进行识别并评估。而内部空隙的处理则较为困难，用于识别这些空隙的技术主要包括二维射线检测或三维计算机断层扫描（3D CT）技术。理想的检验流程可以是：
1. 100%检测铸件，并且速度要足够快，以保持生产流程的推进。
2.检测流程是可重复、可重现且足够精确的，这样能够排除所有不合标准的工件，避免错误排除那些带有不影响性能孔洞的工件。
3.实现上述目标的同时，无需频繁进行校准或后期处理。
4.提供扫描结果的三维显示，实现有意义的分析。
5.能够对工件进行分析，对其好坏进行分类。
显然，通过二维检测技术来实现以上目标是非常困难的。除非这个工件是扁平的，否则二维检测技术所能提供的信息非常有限，甚至可能导致误判，错误地将完全可接受的工件丢弃。
当今工件的属性日益复杂，要实现以上检测目标，就必须使用3D CT技术。然而实际上，即使是使用3D系统，要实现上述的第一个目标也绝非易事。好消息是，最好的3D CT系统现在可以在短短90秒内，对复杂如汽车发动机缸盖这样的工件进行彻底检测，对活塞零件的检测只需要30秒，而对那些塑料的医疗用品更是只需要几秒钟。但是，在不同的3D系统中，其提供的检测精确度、易用性，以及考虑到重新校准和掌握需求时的实际信息传输量存在很大的变化。
利用先进的3D CT技术可以在10秒内完成对铸件的检测，用红色突显出孔洞并给出实际测量的孔洞尺寸。
传统CT技术
起初CT技术被开发用于生成对象内部特征的图像，而不要求非常精确地进行测量。
在医疗应用中，CT用于诊断疾病、外伤或畸形，但不能对其属性进行精确测量。在大多数情况下，医师只是简单地浏览一下，发现存在的问题，或者是获取一些进行手术的实际数据。
在工业应用中，传统CT技术主要用于进行无损检测（NDT），确定工件内部是否存在缺陷。我们通常将具备可识别内部缺陷的工件视为次品，无关乎其缺陷程度。出于这个原因，即使CT系统存在一些实质性的测量误差，或者是在测量时存在显著的“偏离”，我们都是完全可以接受的。精确和可重复的测量需要特定的系统设计。举例来说，即使是一个能够产生真实图像的便携式扫描器，但如果需要更准确的数据，同样需要结合一个合适的坐标测量机（CMM）。
高精度测量
补偿CT系统测量误差的方法之一是将一个“容差系数”增加至系统提供的数字中。换句话说，该系统提供一个合理的近似尺寸测量值，同时系统软件增加一个正/负范围，以补偿测量的不确定性。属于这个扩大范围内的空隙才是判废工件的主要原因。这是一种比较保守的，旨在排除可能出现问题工件的方法。这种“安全第一”的方法所存在的问题是，可能会导致那些实际上完全合格的铸件最终接受报废处理，同时降低了工艺成品率，提高了生产成本。
测量数据的偏差是由于系统缺乏精确重复性导致的，要解决这个问题，通常是通过对系统进行频繁的重新校准，以减少测量值的变化，或者是通过连续对已知尺寸的标准偏差进行持续对比来处理的。频繁的校准可以提高精确度，但其成本过高且减慢了整个测量的进程。另外，虽然在重新校准后精度立刻得到了提高，但随着时间的流逝，精度又在逐渐下降。
另一种纠正偏离的方法是“缩放”。这是将被分析工件与已知尺寸标准工件进行持续对比，使用软件补偿测量中发现的已知错误数量。当然这都只是从理论上来说，实际问题是，在不同尺度和密度的情况下，CT测量的误差率是非线性的。这是因为X射线不是单色的，当遇到工件边缘时会发生不同波长的散射。
简而言之，要真正产生快速、可重复且准确测量结果的唯一方法是，使用从物理上确保工件的精确测量或无需对孔隙尺寸进行补偿的系统。确定某种系统能力的最佳方法是通过直接的观察再结合评估系统，最好是在最具挑战性的条件下，才能够更好地观察出这种系统的实际性能。测量明显不同尺寸的工件，然后重复测量过程（对小尺寸、大尺寸工件分别进行测量）。通过与已知系统获取的结果进行对比（如CMM），然后对系统设置进行观察，同时对可重复性和测量精度进行评估。
无损检测系统不走“高精度”路线的原因
最初设计针对无损检测的测量系统的初衷是用在某些涉及紧密公差测量的领域，这些测量系统能够弥补原先系统的不足。
首先，大多数系统都允许对X射线源、试样及X射线探测器的位置进行宽幅调整，以适应不同尺寸的试样。但这种灵活性也导致高昂的成本。
第一，自由度的增加会产生显著的错误来源，同时降低系统的精度，而这往往都是不必要的。在许多情况下，这种“灵活性”真正的好处是让制造商重新调整现有系统，同时在制造这类系统时发挥规模优势。事实是，这些声称“无所不能”的测量系统往往会让你在测量精确度上付出代价。
另一个潜在的错误来源是测试期间转动工件的旋转平台。这是一个在测试期间必须移动的组件，但其运动的稳定性和可预测性取决于平台转动的轴承技术。高精度旋转轴的成本较高，但在测量期间能提供更准确的定位。由单个组件、可调节组件和低级转轴引起的运动量可能很小，但这些量累计之后则会导致对工件和缺陷测量的显著误差。因此测量中并不需要发生很严重的错误就可能导致将一个质量良好的工件送到废料堆中，尤其是当系统“出于安全起见”而夸大了测量误差。
温度变化也可能会影响精度。即使只是几度的变化也可能显著影响结果，因为CT系统的组件受温度影响发生了扩张或收缩的现象。如果检测目标只是通过无损检测简单的发现工件内部的缺陷，以确认没有量化问题，那么由于温度变化而产生的误差则不会影响结果。但是孔洞一般都非常小，要对其进行测量必须要考虑温度的影响。
虽然系统可以定期进行重新校准以排除温度变化的影响，但是重新校准就必须停止系统运行并降低产量。而那些致力于最小化或消除温度变化影响的系统成本较高，但这些系统在运行中可以带来更高的成本效益，同时能够产生可靠且可重复的测量结果。
最终决策
虽然系统软件不能充分弥补系统物理精度的损失，但其能够对结果进行评估，并且在某些时候能够对一些复杂的工件做出决策。
工件测量的理想标准是其原始的CAD设计。幸运的是，计算机可以很容易地识别出3D CAD模型是通过哪些模具制成的，同时将CT扫描这些模型的数字化结果进行比较，指出来自原始模型的所有偏差，并突出那些超出可接受范围的偏差。这对于任何CT系统来说都是一个关键特征，但必须要与来自CT系统的准确数据相比较时才有效。
评估系统
显然，不是所有的应用都需要最高的精度和最大的信息传输量。对于那些确实需要的，我们在确定其系统性能上也分若干步骤。首先就是从以下方面来定义你的需求：
• 待评估工件的尺寸范围
• 可接受的孔隙程度
• 是否需要对铸件进行100％检测
• 生产线的运行速度
• 测试流程怎样持续
• 误检的成本
• 进度延误的成本
• 用于测试设备的预算
• 测试单个工件的成本，其中包括准备时间、校准和扫描时间
• 运营成本，其中包括误检合格工件或漏检有缺陷工件的成本
具备了以上这些信息，你就可以开始评估系统。但是我们要明白一点，在实验室或其它控制环境下能达到的性能，未必就能在生产线上实现。
测试的时候请使用你自己的工件。
除非你愿意频繁地重新调整线上系统，否则在对工件测试前不要进行提前校准。
要对持续测试的结果进行监控，以确保系统的重复性和再现性。
确保自己明白可接受工件定义的范围以及如何确定这个范围。
检查数据和表现出的性能，然后弄清厂商承诺的操作上可重复性的程度。
检查系统适应温度变化的程度，以及需要进行哪些校准，以使系统的精度不因时间流逝而下降。
检查软件是否可用于补偿测量变化。
最后，立足于你的财务情况来决策“大格局”，包括劳动力成本、生产率和废料可避免成本或设备成本来进行综合判断。
当然，如果在经济状况允许的条件下是可以选择当今最好的3D CT技术，这种技术已经可以实现对铸件100％的检测，同时又不会减慢生产进度；几乎不需要进行调整或校准；并且可以保证精度，确保递交的工件不存在空隙问题，同时不会报废那些符合标准但系统发出警报的工件。
*** 结束 ***
