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(丹東華日理學(xué)電氣有限公司，丹東 118000)

目前對(duì)立方體結(jié)構(gòu)或球狀結(jié)構(gòu)等大型工件的工業(yè)CT檢測(cè)，一般都將工件等放置夾持到承載的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，由于受到承載工件檢測(cè)平臺(tái)的限制，檢測(cè)工件與接觸的承載平臺(tái)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(cè)的問題，而往往需要關(guān)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(shí)接觸面部分或第一次所夾持部位轉(zhuǎn)到上面，再進(jìn)行第二次掃描，才能完成整個(gè)工件的檢測(cè)。此外，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，需要尋找一個(gè)最佳的透照角度，才能實(shí)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(duì)現(xiàn)有簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的單一方向旋轉(zhuǎn)移動(dòng)方式是無法實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一種基于3D球形檢測(cè)平臺(tái)的工業(yè)CT檢測(cè)裝置，這種裝置的應(yīng)用將不受空間廣域局限，可靈活選擇透照方向角度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)高精度高靈敏度的掃描。

1 3D球形檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能

基于3D球形檢測(cè)平臺(tái)的工業(yè)CT檢測(cè)裝置由移動(dòng)吊臂裝置、3D球形檢測(cè)平臺(tái)、射線源探測(cè)器掃描裝置、系統(tǒng)控制臺(tái)等4部分構(gòu)成。通過系統(tǒng)控制臺(tái)對(duì)各信息進(jìn)行反饋匯總后，發(fā)送驅(qū)動(dòng)控制命令，移動(dòng)射線源和探測(cè)器到達(dá)預(yù)定檢測(cè)位置?？刂乞?qū)動(dòng)3D球形檢測(cè)平臺(tái)中的萬向驅(qū)動(dòng)輪裝置滾動(dòng)，從而帶動(dòng)球形工件托盤承載內(nèi)部工件沿著所需檢測(cè)的軌跡方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)開啟射線源探測(cè)器掃描裝置的掃描成像功能，完成CT掃描檢測(cè)。其中移動(dòng)吊臂裝置、射線源探測(cè)器掃描裝置和系統(tǒng)控制臺(tái)均是已有的成型技術(shù)[1]。

移動(dòng)吊臂裝置作為輔助結(jié)構(gòu)，分別由Y軸縱向移動(dòng)裝置、橫向?qū)蚣?、射線源前后移動(dòng)機(jī)構(gòu)、探測(cè)器前后移動(dòng)機(jī)構(gòu)、探測(cè)器升降機(jī)構(gòu)、射線源升降機(jī)構(gòu)、探測(cè)器固定架、射線源固定架等構(gòu)成。

射線源探測(cè)器掃描裝置主要由射線源和對(duì)應(yīng)接收的探測(cè)器核心部件構(gòu)成。裝置針對(duì)不同厚度、不同形狀的工件選用不同的射線源探測(cè)器配置，對(duì)于尺寸相對(duì)較小、厚度較小的工件，選擇XY-450kV型號(hào)的移動(dòng)射線機(jī)，配用XRD0822AP3平板探測(cè)器成像板進(jìn)行掃描成像;對(duì)于尺寸相對(duì)較大、厚度較大的工件，射線機(jī)無法穿透，采用2～9 MeV的直線加速器，配用XIH8808系列線陣器進(jìn)行掃描。

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

圖1 3D球形檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

3D球形檢測(cè)平臺(tái)(見圖1)由萬向驅(qū)動(dòng)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(dǎo)軌、中間連接板、球形工件托盤等構(gòu)成。其中，升降絲杠副裝置中的絲杠通過標(biāo)準(zhǔn)軸承座安裝固定在立架的上下端，上端連接固定驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在立架的側(cè)立面上安裝固定升降直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)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(gè)牛眼萬向球，并在支撐架中間用螺釘固定萬向驅(qū)動(dòng)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(gè)牛眼萬向球，并在支撐架中間用螺釘固定萬向驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dǎo)向作用。再通過上下部萬向輪驅(qū)動(dòng)裝置及中間水平的萬向輪驅(qū)動(dòng)裝置的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾球沿著W1，W2，W3，W4水平軸向轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，滾球通過摩擦將動(dòng)能傳導(dǎo)到聚氨酯球殼，從而使得檢測(cè)工件伴隨球殼做任意軌跡方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 工作原理與檢測(cè)流程

圖2 3D球形檢測(cè)平臺(tái)CT裝置應(yīng)用控制原理框圖

2.1 工作原理

3D球形檢測(cè)平臺(tái)CT裝置應(yīng)用控制原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)控制臺(tái)作為智能檢測(cè)系統(tǒng)的控制中心，計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)連接運(yùn)動(dòng)控制部分的運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、位置反饋單元、探測(cè)器成像采集單元、射線源控制單元等。運(yùn)動(dòng)控制器通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制移動(dòng)吊臂X軸伺服電機(jī)A、移動(dòng)吊臂Y軸伺服電機(jī)B、移動(dòng)吊臂Z軸伺服電機(jī)C、3D球形檢測(cè)平臺(tái)Z軸伺服電機(jī)D、3D球形檢測(cè)平臺(tái)W1軸伺服電機(jī)E、3D球形檢測(cè)平臺(tái)W2軸伺服電機(jī)F轉(zhuǎn)動(dòng)。通過采集位置反饋信息實(shí)現(xiàn)各軸電機(jī)的精確定位，從而完成整套裝置檢測(cè)流程的自動(dòng)化，操作臺(tái)采用一體化工業(yè)計(jì)算機(jī)作為控制軟件的運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，可完成機(jī)械傳動(dòng)定位控制、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控和運(yùn)動(dòng)位置校正，射線發(fā)射與圖像采集的同步控制，工作報(bào)警提示等。系統(tǒng)控制臺(tái)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(jìn)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(jìn)行工件內(nèi)部識(shí)別。射線源探測(cè)器掃描裝置受系統(tǒng)控制臺(tái)的控制，開啟工作時(shí)，射線源發(fā)射出X射線或高速粒子流穿透被檢測(cè)工件，照在靠近工件檢測(cè)位置的數(shù)字探測(cè)器上，探測(cè)器將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)字信號(hào)，再將信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)控制臺(tái)上，系統(tǒng)控制臺(tái)裝有專用CT掃描成像軟件，對(duì)工件進(jìn)行斷層掃描，掃描一個(gè)固定圓周后，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)圖像重建，形成斷層掃描圖片和三維模型，再進(jìn)行內(nèi)部缺陷判斷及存儲(chǔ)等綜合處理。

2.2 檢測(cè)流程

3D球形檢測(cè)平臺(tái)的CT裝置檢測(cè)流程圖如圖3所示，裝置智能檢測(cè)程序包括裝載上件階段、射線源探測(cè)器準(zhǔn)備階段、CT掃描階段、圖像重建階段、缺陷識(shí)別判斷階段等。

圖3 3D球形檢測(cè)平臺(tái)的CT裝置檢測(cè)流程圖

裝載上件階段：將待檢測(cè)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(cè)平臺(tái)的下支撐架上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dǎo)向作用。再分別調(diào)整上下位置的萬向輪驅(qū)動(dòng)裝置，與球殼中心頂緊，調(diào)整側(cè)面的萬向輪驅(qū)動(dòng)裝置與球殼側(cè)面中心頂緊。

射線源探測(cè)器準(zhǔn)備階段：系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)送驅(qū)動(dòng)命令，將移動(dòng)吊臂移動(dòng)到3D球形檢測(cè)平臺(tái)球殼中心兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)調(diào)整探測(cè)器升降機(jī)構(gòu)和射線源升降機(jī)構(gòu)，將高度調(diào)整到待檢測(cè)位置，調(diào)整射線源前后移動(dòng)機(jī)構(gòu)和探測(cè)器前后移動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別向中心軸線的X1軸和X2軸前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)到最佳焦距位置。

CT掃描階段：系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)送驅(qū)動(dòng)命令，驅(qū)動(dòng)上下部萬向輪驅(qū)動(dòng)裝置及中間水平的萬向輪驅(qū)動(dòng)裝置的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，沿著W1，W2，W3，W4軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾球滾動(dòng)，滾球通過摩擦將動(dòng)能傳導(dǎo)到聚氨酯球殼，從而使得檢測(cè)工件伴隨球殼做所需方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)不同型號(hào)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(cè)器開啟掃描功能對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)系統(tǒng)控制臺(tái)控制驅(qū)動(dòng)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(jié)束。若工件較大無法一次掃描全部，則系統(tǒng)控制臺(tái)驅(qū)動(dòng)平移移動(dòng)吊臂升降或橫向移動(dòng)一個(gè)檢測(cè)掃描有效區(qū)至下一個(gè)掃描區(qū)域，再次開啟射線源探測(cè)器掃描檢測(cè)工件，按旋轉(zhuǎn)空位精度要求，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工件，直至旋轉(zhuǎn)一周，掃描結(jié)束。重復(fù)掃描檢測(cè)動(dòng)作直至工件全部檢測(cè)完畢。

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

缺陷識(shí)別判斷階段：系統(tǒng)控制臺(tái)通過自身計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)構(gòu)建的三維圖像模型或斷層切片圖像進(jìn)行圖像分析，識(shí)別缺陷位置及缺陷大小，完成后進(jìn)行檢查存檔，并支持導(dǎo)出檢測(cè)結(jié)果。

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

3 結(jié)語

經(jīng)過試驗(yàn)證明，這種基于3D球形檢測(cè)平臺(tái)的工業(yè)CT檢測(cè)裝置，具有可實(shí)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(cè)臺(tái)裝置的翻轉(zhuǎn)，具有選擇角度靈活，掃描精確，檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的創(chuàng)新性和技術(shù)領(lǐng)先性。這種裝置可用于工業(yè)CT檢測(cè)系統(tǒng)，使被檢測(cè)工件在CT檢測(cè)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(cè)需求。