雙探測器的新型工業(yè)CT機設(shè)計*

羅子倫，姚震，吳元，科瓦廖夫·米哈伊爾·雅科夫列維奇，丁榮杰，劉凱杰

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州 510006；2.深海精密科技（深圳）有限公司，廣東 深圳 518107；3.白俄羅斯國家科學(xué)院信息問題聯(lián)合研究所，明斯克 220050）

0 引言

數(shù)字X射線成像（Digital Radiography,DR）和工業(yè)計算機斷層掃描（Industrial Computed Tomography,ICT）是工業(yè)X射線無損檢測領(lǐng)域中的兩個重要技術(shù)分支。DR是20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)的一種實時的X射線數(shù)字成像技術(shù)。相對于現(xiàn)今仍然普遍應(yīng)用的X射線膠片照相（Film）或計算機X射線成像（Computed Radiography,CR），檢測最大的優(yōu)點是實時性強，可以實時地對試件進行無損檢測。ICT成像技術(shù)以DR成像為基礎(chǔ)，采集被掃描試件不同角度的數(shù)字投影序列，通過三維重建算法對掃描區(qū)域內(nèi)被檢試件進行三維CT成像[1]。以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢測試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)、尺寸，被譽為當(dāng)今最佳無損檢測和無損評價技術(shù)[2]。廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能、兵器、汽車、電子半導(dǎo)體等領(lǐng)域產(chǎn)品和關(guān)鍵零部件的無損檢測、無損評價以及逆向工程中[3]。目前工業(yè)界測量的兩種傳統(tǒng)的方法——激光掃描、三坐標(biāo)測量機，但這些方法都存在著固有缺陷，難以對物體內(nèi)部進行三維精確測量，而工業(yè)CT掃描技術(shù)能很好地解決傳統(tǒng)方法的不足。不同的工業(yè)CT機由于其設(shè)計目標(biāo)不同，難以同時滿足對大件零件的完整掃描同時兼顧掃描精度。為了滿足上述的問題，本文設(shè)計了一款新型工業(yè)CT機，通過增加一個小面積、高精度的探測器，從而實現(xiàn)待測大件零件快速的精確測量。

1 新型工業(yè)CT機的設(shè)計目標(biāo)

（1）目標(biāo)檢測對象及檢測要求

結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測是當(dāng)前無損檢測領(lǐng)域的難題之一，目前的檢測大多是針對結(jié)構(gòu)件外表面或淺表面的缺陷檢測，對于結(jié)構(gòu)件內(nèi)表面的缺陷檢測手段比較少[4]。本次設(shè)備的主要設(shè)計目標(biāo)主要是針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部缺陷檢測，如航空航天復(fù)雜壓鑄件、新能源汽車關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)件、軍工用復(fù)合材料、各類增材制造零部件等，除此之外也可廣泛應(yīng)用到科研、考古、電子半導(dǎo)體等領(lǐng)域。

（2）附加功能

掃描模式的數(shù)量，有無圖像優(yōu)化算法也是評價工業(yè)CT機性能的一項重要指標(biāo)。本次設(shè)備除了需要有斷層掃描成像（即CT成像）、數(shù)字X射線成像和動態(tài)成像外，一般還需要擁有更高端的大視野掃描、螺旋掃描、平面掃描等多種功能。在對掃描數(shù)據(jù)的三維重建方面，除了使用性能優(yōu)秀的重建算法外，還額外增加了專門的圖像優(yōu)化算法，對金屬偽影、射線硬化偽影、環(huán)狀偽影等由于射線作用機理和檢測對象等原因[5]導(dǎo)致的瑕疵的優(yōu)化功能。

（3）檢測速度和檢測精度

新型設(shè)備針對結(jié)構(gòu)差異較大的被檢測物體與復(fù)雜的檢測場景進行設(shè)計，以求能提供更加靈活的檢測方案。目標(biāo)在追求檢測速度的掃描方案中，達到對350 mm3的空間實施完整的CT成像僅需要3～5 min，且精度可以到0.1 mm；不僅可以快速檢測，還可通過切換不同的掃描模式可以實現(xiàn)掃描速度和檢測精度的不同側(cè)重與均衡。

2 工業(yè)CT系統(tǒng)模塊設(shè)計

本系統(tǒng)是由X射線發(fā)生裝置、X射線成像裝置、圖像處理單元、機械控制單元及電氣控制單元等5部分組成。機械及電氣控制單元放置在射線防護工房內(nèi)，上面安裝X射線發(fā)生裝置與X射線成像裝置，通過線纜連接至圖像處理單元，操作人員通過操作臺上的各類按鈕、搖桿、鍵盤、鼠標(biāo)等實施檢測工作。在檢測物體時，物體隨轉(zhuǎn)臺作360°旋轉(zhuǎn)，X射線穿過被測物體，每隔一定角度由探測器接收衰減后的信號，得到相應(yīng)的透射圖像，一系列的透射圖像通過數(shù)學(xué)變換獲得物體橫截面的二維重構(gòu)圖像，再通過算法整合多個二維圖像最后電腦重建被測物體的三維模型[6]。

2.1 X射線成像裝置

為了滿足檢測速度與檢測精度的要求，系統(tǒng)的成像裝置采用了雙數(shù)字平板檢測方案，主平板主要用于快速檢測，需要其能承受更高的電壓，能夠在數(shù)據(jù)傳輸過程中不丟幀。因此選擇了深海精密公司DS4343HR高動態(tài)范圍定制款數(shù)字平板探測器作為系統(tǒng)的主探測器，配合不同的圖像讀取方式實現(xiàn)高幀率成像，具有450 kV的耐輻射能級，16位ADC，139 μm的像素尺寸，獨特的底層技術(shù)，可保證主平板能夠具有優(yōu)異的圖像效果。主平板不同的防護措施和閃爍體，最高可工作在15 MeV的環(huán)境，可滿足加速器級別的高能成像需求。

從平板則更加偏向于滿足檢測精度的設(shè)計需求，需要比主平板更小的像素尺寸。同時為了可以伸入到狹窄空間，需要更小的整體尺寸。為滿足上述需求，本次設(shè)計采用品臻1313D高動態(tài)范圍數(shù)字平板探測器作為從探測器，平板像素為85 μm，可以捕捉更多缺陷細節(jié)。

2.2 X射線發(fā)生裝置

X射線發(fā)生裝置主要由金屬陶瓷X射線管、高頻高壓發(fā)生器組、油冷卻器、油管、高壓線纜組成。方案采用英國高美公司的CF系列450 kV，最大功率1 500 W，使用小焦點HP射線管的射線機。該射線機具有精確的反饋系統(tǒng)，對X射線管的電流和電壓提供穩(wěn)定的監(jiān)控，可滿足系統(tǒng)對于穩(wěn)定性的要求。45 kHz的高壓工作頻率和高美獨特的可變頻技術(shù)，既可以滿足小焦點的X射線管，又滿足高輸出功率的射線管，可用于NDT實時成像及各種測量和精度校準(zhǔn)系統(tǒng)上。此外射線機的工作狀態(tài)受內(nèi)部電器監(jiān)控，可使發(fā)射裝置更加安全和可靠，油絕緣的高壓系統(tǒng)也更容易散熱。

控制方式與通信接口方面，裝置設(shè)置了模擬控制和數(shù)字控制兩種控制模式，以及RS232、RS422和以太網(wǎng)3種通信接口，可滿足不同的應(yīng)用需求，具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 射線發(fā)生裝置系統(tǒng)框圖

2.3 主體機械裝置

合理的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計可為運動控制打下堅實基礎(chǔ)[7]，系統(tǒng)的機械裝置主要包括：設(shè)備底座及水平導(dǎo)軌，射線機立柱及其垂直滑臺及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，大平板立柱及其垂直滑臺及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，小平板滑臺，工件轉(zhuǎn)臺及十字滑臺等。機械結(jié)構(gòu)總體布局如圖2所示。

圖2 機械結(jié)構(gòu)總體布局

射線機立柱固定，其上安裝有垂直滑臺，射線機安裝在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，可沿垂直方向做直線運動和俯仰角擺動；小平板安裝在頂梁上固定的運動滑臺上，可沿垂直與水平方向做直線運動；大平板立柱可以水平運動，其上安裝有垂直滑臺，大平板安裝在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，可沿垂直方向做直線運動和俯仰角擺動；工件轉(zhuǎn)臺安裝在十字滑臺上，十字滑臺安裝在底座的水平導(dǎo)軌上，可沿XY兩個水平方向做直線運動，可滿足探測裝置在探測過程中的位置移動需求。

2.4 運動控制模塊

工業(yè)CT控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣決定CT掃描運動的同步控制精度、數(shù)據(jù)采集時間以及最終圖像重建的質(zhì)量[8]，需要運動控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r追隨、精準(zhǔn)定位、快速響應(yīng)，創(chuàng)造高精、高效、平穩(wěn)的速控環(huán)境[9]。整個系統(tǒng)電氣控制部分元器件，包括運動控制器PLC、高性能伺服驅(qū)動器、伺服電機和運動控制操作界面HMI等。電氣控制拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電氣控制拓撲結(jié)構(gòu)

因此，本文選用高性能工業(yè)計算機、PLC-AS系列運動控制器、臺達A系列伺服驅(qū)動器及電機組成系統(tǒng)的運動控制模塊，其中計算機圖像采集處理，PC端通過以太網(wǎng)與PLC、射線機、探測器連接，可實現(xiàn)自動化控制。PLC運動控制器與運動控制操作界面、計算機圖像采集處理PC端都通過基于以太網(wǎng)的Modbus Tcp通訊協(xié)議進行連接，運動控制操作界面HMI實時顯示設(shè)備狀態(tài)及有故障情況，從而達到故障快速診斷和維護，進而使設(shè)備具有數(shù)字化和信息化，能高效地處理、交換數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

開發(fā)了一款專門用于CT設(shè)備的圖像工作站軟件DeepVISION，系統(tǒng)軟件主要包含幾大模塊：平板探測器模塊、圖像處理模塊、測量與繪制模塊、射線控制模塊、機械運動模塊、CT模塊。

3.2 人機交互界面設(shè)計

人機交互界面也是工業(yè)CT系統(tǒng)里的一個重要組成部分。為了增加界面的可操作性和簡化顯示界面，本文不再使用傳統(tǒng)的Windows軟件界面設(shè)計風(fēng)格，而是針對檢測流程進行優(yōu)化設(shè)計，只保留常用的功能，使用戶交互體驗更友好。具體界面效果如圖4所示，左側(cè)為歷史圖像與模式選擇，中間為大面積的實時圖像顯示，右側(cè)為曝光參數(shù)調(diào)節(jié)，圖像處理功能。

圖4 圖像工作站軟件主界面

3.3 重建算法

圖像重建算法往往及其耗費算力資源，為了減輕控制系統(tǒng)的運算負擔(dān)，增加系統(tǒng)的圖像處理能力，設(shè)備配有專門的GPU的圖像工作站。將最耗時的二維圖像處理與三維CT重建等算法都移植到GPU運行，不僅增加了圖像數(shù)據(jù)的并行處理能力，還加快了圖像處理的速度。

為了實現(xiàn)更好的重建效果，團隊對CT重建算法基于傳統(tǒng)的FDK算法[10]進行了擴展和優(yōu)化，新增擴展掃描、螺旋掃描等新的重建算法。另外額外增加一些專門針對圖像優(yōu)化的模塊，如：金屬偽影優(yōu)化模塊[11]、射線硬化修正模塊[12]、環(huán)狀偽影消除模塊、機械偏差自動校準(zhǔn)模塊等?？梢詫Υ蟛糠值膫斡斑M行矯正，獲得清晰的重建圖像。

3.4 軟件處理流程

正常使用時的大致流程如下：啟動軟件系統(tǒng)，初始化硬軟件，選擇需要的掃描模式，設(shè)置合適的曝光參數(shù)，開始CT采集，完成CT重建，進行CT數(shù)據(jù)瀏覽與分析，輸出報告。

4 應(yīng)用案例分析

為了驗證設(shè)備的實際使用性能，選擇了一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的汽車鋁合金零件進行掃描。掃描分為兩個部分，第一部分是使用大平板對零件進行粗掃，第二部分則是使用小平板對缺陷位置進行精掃，圖5所示為零件的CT掃描結(jié)果。其中左圖為三維CT圖像，右圖為透明化后的CT圖像，從右圖可以看出，重建結(jié)果除了可以清晰地看到零件的內(nèi)部情況外，系統(tǒng)還增加了零件缺陷的識別，使用不同顏色表示缺陷體積大小，同時輸出零件內(nèi)部尺寸的測量數(shù)據(jù)。

圖5 汽車鋁合金零件的CT掃描結(jié)果

除了圖5的輸出結(jié)果外，軟件還能在上述零件的CT掃描結(jié)果上實施進一步地分析，分析結(jié)果如圖6所示，左側(cè)為不同位置的切面圖，右側(cè)為其中某個位置的切面圖方法，可以看到部分氣孔缺陷存在。系統(tǒng)還會自動標(biāo)記缺陷的三維空間位置與尺寸大小，并以表格的形式匯總到顯示界面的下方。表1所示為圖6中相關(guān)缺陷檢測數(shù)據(jù)的匯總表。

圖6 切面圖及缺陷檢測數(shù)據(jù)匯總

表1 相關(guān)缺陷檢測數(shù)據(jù)的匯總

5 結(jié)束語

本文研制了一款具有雙探測器的新型工業(yè)CT機，集成多種成像模式。采用雙檢測器的成像裝置設(shè)計方案，可同時滿足無損檢測的實時性和對合成模型細節(jié)的要求。使用雙探測器可以提高掃描效率，并可以針對結(jié)構(gòu)差異較大的被檢測物體與復(fù)雜的檢測場景更加靈活地實施檢測方案。設(shè)備采用模塊化設(shè)計，包含X射線發(fā)生裝置、X射線成像裝置、圖像處理單元、機械及電氣控制單元等，便于更換各模塊，對機器的維護維修更便捷。通過對復(fù)雜鑄造結(jié)構(gòu)件的檢測，結(jié)果表明，該工業(yè)CT能夠很好地滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部尺寸的測量需求與缺陷檢測需求，內(nèi)置的圖像優(yōu)化算法使其輸出三維重建模型精確且清晰，具有較廣闊的應(yīng)用前景。