王倩妮，蘇宇航，郭廣平

（中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京 100095）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片在高溫、高壓的惡劣環(huán)境中工作，有很高的強(qiáng)度要求，壁厚是保證葉片強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)，需要進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量［1］。目前超聲測(cè)厚技術(shù)是航空高溫合金空心葉片主要測(cè)量手段。隨著航空葉片越來越多地使用單晶材料，而單晶材料各向異性的特點(diǎn)影響了超聲測(cè)厚準(zhǔn)確性。另外，對(duì)于曲率較大的測(cè)量點(diǎn)由于難以接收超聲波反射信號(hào)而無法測(cè)量壁厚。工業(yè)CT 技術(shù)成為了航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片壁厚測(cè)量的又一選擇。

工業(yè)CT 技術(shù)是通過若干投影數(shù)據(jù)，利用重建算法獲得試件截面圖像的一種無損檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)過程不受零件材料、形狀的限制，得到的CT 圖像不受其他區(qū)域干擾，在零件的CT 圖像上可以直觀地進(jìn)行尺寸測(cè)量。高質(zhì)量的圖像是高精度工業(yè)CT尺寸測(cè)量的基礎(chǔ)，采用的測(cè)量方法對(duì)于測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性同樣有很大影響。

1 尺寸測(cè)量方法介紹

受工業(yè)CT 系統(tǒng)的固有特性和空間分辨率的限制，被測(cè)零件的CT 圖像邊緣并不存在銳利的邊界，只有灰度值的過渡區(qū)域?；诠I(yè)CT 圖像的尺寸測(cè)量方法根本在于確定被測(cè)零件與背景的邊界。目前常用的尺寸測(cè)量方法主要有基于灰度值變化曲線的半高法和和基于圖像分割的半自動(dòng)測(cè)量法。

1.1 半高法

半高法是根據(jù)CT 圖像沿尺寸測(cè)量方向的灰度值變化曲線，將曲線波峰和波谷的中間點(diǎn)定為被測(cè)零件與背景的分界點(diǎn)進(jìn)行尺寸測(cè)量的方法，具體操作步驟為：①在CT 圖像上沿待測(cè)尺寸方向劃一條直線S，如圖1所示。②得到沿此直線的灰度值變化曲線，如圖2所示。③取曲線上最大灰度值和兩側(cè)最小灰度值的中間點(diǎn)（A、B 兩點(diǎn)）作為零件與背景的分界點(diǎn)。④測(cè)量A、B 兩點(diǎn)的間距作為所測(cè)部位的厚度測(cè)量值。

圖2 圖1中直線S處灰度值變化曲線圖

圖2為理想的灰度值變化曲線圖，實(shí)際的CT圖像由于受到探測(cè)器響應(yīng)不一致、射線散射、射線束硬化等因素影響，曲線的波峰、波谷并不像圖2中平直。而且受到零件結(jié)構(gòu)影響，兩側(cè)波谷處灰度值可能不完全一樣，此時(shí)可以分別根據(jù)兩側(cè)的灰度值分別確定被測(cè)零件與背景的邊界。

1.2 半自動(dòng)測(cè)量法

半自動(dòng)測(cè)量法是根據(jù)圖像分割算法，將CT 圖像中被測(cè)零件與背景區(qū)分開，得到被測(cè)零件的邊界，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行尺寸測(cè)量的方法。受被測(cè)零件結(jié)構(gòu)及材料復(fù)雜性及多樣性的限制，并沒有一個(gè)對(duì)所有零件都適用的圖像分割方法。目前常見的圖像分割算法大致可分為：基于邊緣的分割算法、基于閾值的分割算法、基于區(qū)域的分割算法、基于偏微分方程的分割算法［2］。

筆者使用VGStudio MAX 軟件的表面提取工具進(jìn)行圖像分割。VGStudio MAX 是工業(yè)CT 圖像顯示和分析專用軟件，其表面提取工具分為標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)兩種模式。標(biāo)準(zhǔn)表面提取方法根據(jù)CT 圖像直方圖，測(cè)定背景峰值和材料峰值，自動(dòng)計(jì)算材料邊界的灰度值，是一種基于閾值的圖像分割方法；高級(jí)模式是在標(biāo)準(zhǔn)模式的基礎(chǔ)上，對(duì)已測(cè)定邊界周圍的像素進(jìn)行解析，補(bǔ)償因射束硬化或其他偽影造成的局部偏差，得到更為準(zhǔn)確的邊界。與標(biāo)準(zhǔn)模式相比，高級(jí)模式會(huì)耗費(fèi)更多的處理時(shí)間，可根據(jù)圖像質(zhì)量分析是否需要使用高級(jí)模式。

2 工業(yè)CT掃描

筆者使用標(biāo)準(zhǔn)試塊組成了兩種尺寸試驗(yàn)件：一個(gè)模擬葉片封閉內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，由厚度0.5～3.5mm 的13片標(biāo)準(zhǔn)試塊組成，結(jié)構(gòu)及各試塊編號(hào)如圖3 所示，編號(hào)為1～13號(hào)的試塊厚度分別為1.00，3.50，3.50，0.75，2.00，2.00，0.50，1.00，1.00，3.50，0.50，0.50，2.00 mm；另一個(gè)為由20 片試塊組成（由薄到厚編號(hào)為1～20）的校準(zhǔn)試塊，如圖4所示，試塊1～20 號(hào)的具體厚度為0.50，0.60，0.70，0.80，0.90，1.00，1.10，1.20，1.30，1.40，1.50，1.60，1.70，1.80，1.90，2.00，2.25，2.45，2.65，3.00 mm。在工業(yè)CT尺寸測(cè)量過程中，為了避免CT 圖像質(zhì)量不佳而導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差，經(jīng)常放置一個(gè)校準(zhǔn)試塊與被測(cè)零件一起進(jìn)行CT 掃描，必要時(shí)用以校正尺寸測(cè)量結(jié)果。

將模擬葉片和校準(zhǔn)試塊放置在視場(chǎng)中間和外側(cè)分別進(jìn)行了CT 掃描。工業(yè)CT 系統(tǒng)和掃描主要參數(shù)為：射線源能量為6 MeV，空間分辨率為2LP／mm，圖像矩陣大小為4096×4096，重建視場(chǎng)半徑為300mm，切層厚度為1mm，三代扇束掃描。

3 測(cè)量結(jié)果

3.1 半高法測(cè)量結(jié)果

半高法測(cè)量使用軟件IPT＿IPS，為了減少人工劃線不穩(wěn)定性帶來的誤差，每個(gè)試塊測(cè)量3次，測(cè)得尺寸D1、D2、D3，取三者平均值作為該試塊尺寸測(cè)量值D測(cè)量＝，測(cè)量誤差絕對(duì)值，測(cè)量結(jié)果見表1～表2。33個(gè)試塊工測(cè)量值中，6個(gè)測(cè)量值的誤差大于0.05mm，結(jié)果誤差較大的測(cè)量值像中于厚度為0.50mm 的試塊。

表1 模擬葉片測(cè)量結(jié)果 mm

表2 校準(zhǔn)試塊測(cè)量結(jié)果 mm

3.2 半自動(dòng)測(cè)量結(jié)果

使用VGStudio MAX 軟件進(jìn)行半自動(dòng)測(cè)量，分別用標(biāo)準(zhǔn)模式和高級(jí)模式進(jìn)行了圖像分割，再使用VGStudio MAX 自帶的測(cè)量工具“卡尺”完成了尺寸測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表3～表4。表中D測(cè)量－標(biāo)準(zhǔn)和α標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)分割模式測(cè)量結(jié)果，D測(cè)量－高級(jí)和α高級(jí)為高級(jí)分割模式測(cè)量結(jié)果。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，基于標(biāo)準(zhǔn)模式圖像分割的測(cè)量值有14 個(gè)誤差大于0.05 mm，基于高級(jí)模式圖像分割的測(cè)量值只有4個(gè)誤差大于0.05mm，且均出現(xiàn)在厚度為0.50mm 的試塊。

表3 模擬葉片測(cè)量結(jié)果 mm

表4 校準(zhǔn)試塊測(cè)量結(jié)果 mm

4 測(cè)量結(jié)果分析

4.1 不同測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖5，6為使用不同方法測(cè)量模擬葉片及標(biāo)準(zhǔn)試塊的測(cè)量誤差比較。從圖中可以看出，半高法和使用高級(jí)模式分割算法的半自動(dòng)法得到的測(cè)量值比較接近。在測(cè)量小于0.6mm 的小尺寸試塊時(shí)，兩種方法均出現(xiàn)了較大的誤差。在待測(cè)尺寸不小于0.6mm時(shí)，半高法測(cè)量誤差90%在0.05mm 之內(nèi)，使用高級(jí)模式分割算法的半自動(dòng)法測(cè)量誤差100%在0.05mm 之內(nèi)。使用標(biāo)準(zhǔn)模式的半自動(dòng)法測(cè)量偏差值無明顯規(guī)律，且44%測(cè)量偏差值在0.05mm以上。

圖5 模擬葉片不同測(cè)量方法對(duì)比

圖6 模擬葉片不同測(cè)量方法對(duì)比

4.2 測(cè)量值校正

在實(shí)際尺寸測(cè)量檢測(cè)中為避免過大的誤差，經(jīng)常會(huì)使用經(jīng)校準(zhǔn)尺寸標(biāo)準(zhǔn)試塊，并對(duì)測(cè)量值進(jìn)行校正。最簡(jiǎn)單的測(cè)量值校正算法是線性插值算法，將測(cè)量值記為D測(cè)量，選取校準(zhǔn)試塊中與D測(cè)量最接近的兩片，這兩片試塊實(shí)際值記為Ti、Ti＋1、測(cè)量值記為Si、Si＋1，則

選用高級(jí)模式圖像分割的半自動(dòng)測(cè)量法，以校準(zhǔn)試塊尺寸及測(cè)量值（見表4）校正模擬葉片測(cè)量值（見表3），測(cè)量值與校正值與實(shí)際尺寸的誤差對(duì)比見圖7。與測(cè)量值相比，校正值的誤差基本都在0.05mm以下，避免了小尺寸測(cè)量誤差過大的情況；但是對(duì)于尺寸大于0.75mm 原本測(cè)量精度較高的點(diǎn)，不但沒有減少誤差，反倒由于引入了校準(zhǔn)試塊測(cè)量的誤差，導(dǎo)致誤差擴(kuò)大。因此，僅推薦對(duì)小于0.75mm的尺寸測(cè)量值進(jìn)行修正。

圖7 測(cè)量值與校正值誤差對(duì)比

表5 模擬葉片尺寸測(cè)量校正結(jié)果 mm

5 結(jié)論

通過對(duì)工業(yè)CT 尺寸測(cè)量半高法和半自動(dòng)法測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析，得出：①準(zhǔn)確圖像分割算法是半自動(dòng)測(cè)量法的基礎(chǔ)，只有進(jìn)行了正確的邊界提取，才能得到高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)；②半高法和半自動(dòng)測(cè)量法都能得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，但是半自動(dòng)測(cè)量法的效率高于半高法；③零件在CT 掃描視場(chǎng)中的位置對(duì)于尺寸測(cè)量結(jié)果影響較小，因此，在射線束能量足夠且盡量避免零件間散射線影響的前提下，適當(dāng)增加單次CT 掃描的零件數(shù)量是可行的；④由于高能工業(yè)CT 系統(tǒng)對(duì)小尺寸（小于0.8 mm）測(cè)量誤差較大，可針對(duì)小尺寸測(cè)量增加數(shù)據(jù)校正。

［1］程云勇，張定華，卜昆，等.基于工業(yè)CT 測(cè)量數(shù)據(jù)的空心渦輪葉片三維壁厚分析［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2009，31（5）：791－796.

［2］劉玲慧.工業(yè)CT／DR 圖像缺陷檢測(cè)算法研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

［3］GB／T 29067－2012 無損檢測(cè) 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像（CT）圖像測(cè)量方法［S］.