Способ определения линейных размеров металлических деталей методом рентгеновской компьютерной томографии Российский патент 2025 года по МПК G01B15/02 G01N23/46 

Изобретение относится к рентгеновской компьютерной томографии (РКТ), а именно к методам определения линейных размеров заготовок деталей из металлических сплавов, в том числе полученных селективным лазерным сплавлением (СЛС), и может быть использовано в авиационной, космической, атомной промышленности, в отраслях машиностроения.

Основной проблемой при внедрении технологий изготовления заготовок деталей сложной формы в промышленное производство, в том числе полученных методом СЛС, является обеспечение и подтверждение качества изготовленной продукции. Для деталей, спроектированных непосредственно для технологий аддитивного производства, характерно применение оптимизации и агрегации в конструкции, и, как следствие, наличие конструктивных особенностей, недостижимых для традиционных технологий производства и традиционных методов неразрушающего контроля, поскольку детали имеют сложные геометрические параметры внутренних каналов и переменные толщины стенок. Для обеспечения качества такой продукции в части контроля геометрических параметров и внутренних дефектов структуры деталей на соответствие конструкторской документации необходимо применение передовых технологий неразрушающего контроля, таких как рентгеновская компьютерная томография.

Из уровня техники известны различные технологии, позволяющие контролировать размеры изделий с помощью рентгеновского излучения. Известны также системы проверки багажа, которые не предназначены для измерения размеров известных изделий, а предназначены для обнаружения запрещенных изделий или количественной оценки запрещенных материалов, имеющих почти случайное расположение, форму и количество.

Кроме того, известны системы с осевым вращением исследуемого объекта контроля или рентгеновская компьютерная томография. Традиционный способ РКТ описан в статье "Computed tomography for dimensional metrology" by J.P.Kruth(1) & all, in CIRP Annals Volume 60, Issue 2, 2011, Pages 821-842 и может быть реализован, например, с помощью томографических устройств, реализуемых на рынке компаниями NSI или General Electric.

Известен способ рентгеновской томографии (RU2505800C2, 27.01.2014), заключающийся в том, что исследуемый объект облучают и воспринимают массив изображения энергетического спектра рентгеновского излучения, проходящего через объект, при этом восстанавливают изображение по теневым проекциям объекта, затем формируют, сравнивают и анализируют текущие и эталонные интегральные характеристики изображения объекта, определяют дефекты объекта и отображают результаты анализа объекта.

К недостаткам этого способа можно отнести неизвестную точность и неопределенность результатов измерений, невозможность установления степени влияния артефактов (искажений) на точность результатов томографии.

Известен способ автоматизированного рентгеновского контроля объектов (US 20100220910 А1, 02.09.2010), включающий создание эталонной 3D-модели, описывающей идеальное изделие, получение 2D-изображения реального изделия и сравнение его с 2D-изображением эталонной модели для выявления отклонений в размерах.

К недостаткам описанного способа относится невозможность проведения точных измерений изготавливаемого изделия, поскольку в результате рентгеновского контроля получают 2D-изображение, не позволяющее точно оценить размеры изделия по всему объему, при этом изделие контролируется только на основе 2D-изображений, полученных, соответственно, только в направлениях, ортогональных направлениям проекции изделия на цифровой детектор.

Известен способ автоматизированного измерения линейных размеров промышленных изделий одной партии (RU 2768110 С2, 23.03.2022), включающий сбор данных с использованием датчиков изображения, для каждого изделия во время его перемещения по меньшей мере трех радиографических изображений области, подлежащей проверке, причем радиографические изображения получены по меньшей мере из трех радиографических проекций области, подлежащей проверке, и направления проекции отличаются друг от друга; предоставление компьютерной системе априорной геометрической модели области, подлежащей проверке, для партии изделий; определение, с использованием компьютерной системы с учетом постоянного коэффициента ослабления, на основе указанной априорной геометрической модели и по меньшей мере трех радиографических изображений проверяемой области, цифровой геометрической модели проверяемой области; для каждого изделия из партии, определение, из цифровой геометрической модели проверяемой области по меньшей мере одного значения линейного размера проверяемой области.

Недостатком этого способа является невозможность измерения фактической толщины стенок в любом сечении изделия, и, как следствие, невозможность достоверного подтверждения соответствия требованию конструкторской документации в связи с тем, что, несмотря на получение 3D-модели изделия, неясно, насколько оно соответствует реальному изделию.

Наиболее близким аналогом является способ измерения размеров с помощью рентгеновской компьютерной томографии, при котором контролируемый объект облучают (сканируют) немонохроматическим рентгеновским излучением, измеряют интенсивность рентгеновского излучения позади контролируемого объекта с помощью плоского детектора со множеством пикселей, рассчитывают размеры объекта с использованием данных об интенсивности излучения, зависящих от количества пикселей, и корректируют указанные данные на основании изменения эффективной глубины проникновения на плоскопанельном детекторе, обусловленной ослаблением и увеличением жесткости пучка излучения, и/или дрейфом фокусного пятна на мишени (US 10983072 В2, 20.04.2021).

Недостатками способа-прототипа являются проведение коррекции результатов измерений только по одному параметру, представляющему собой артефакт (искажение), вызванный неравномерным ослаблением (ужесточением) пучка излучения из-за его полихроматичности, что приводит к невозможности установления величины неопределенности измерений при проведении рентгеновской компьютерной томографии, а также неизвестная точность и информативность результатов измерений.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа неразрушающего контроля деталей из металлических материалов, позволяющего определить соответствие продукции конструкторской и технической документации в части контроля геометрических параметров.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности и информативности неразрушающего контроля заготовок деталей, в том числе сложнопрофильных и полученных с применением технологии аддитивного производства, за счет возможности оценить весь размерный спектр в любом сечении детали.

Технический результат достигается предложенным способом измерения линейных размеров металлических деталей, включающим бесконтактное сканирование исследуемой металлической детали с использованием рентгеновского компьютерного томографа, реконструкцию трехмерной модели детали при помощи результатов сканирования и определение линейных размеров детали с использованием компьютерной обработки полученной трехмерной модели, при этом перед сканированием на поверхности исследуемой детали размещают по меньшей мере один контрольный образец, выполненный из материала детали и имеющий изменяющуюся толщину, причем толщина измеряемой части детали (например, стенки) входит в диапазон изменяющейся толщины контрольного образца, а длина контрольного образца составляет не более 10% от максимальной длины исследуемой детали.

Толщина контрольного образца может изменяться дискретно или плавно.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1-6. На фигуре 1 изображена схема проведения рентгеновской компьютерной томографии объекта. На фигуре 2 изображена исследуемая деталь с размещенными на ее поверхности контрольными образцами. На фигурах 3-5 изображены поперечные сечения А-А, Б-Б, В-В исследуемой детали с размещенными на ее поверхности контрольными образцами. На фигуре 6 изображено продольное сечение Г-Г контрольного образца со ступенчато изменяющейся толщиной.

На фигурах отмечены следующие элементы:

1 - рентгеновская трубка;

2 - пучок фотонов, генерируемый рентгеновской трубкой;

3 - ось вращения исследуемой детали (объекта);

4 - исследуемая деталь (объект);

5 - детектор фотонов;

6 - контрольные образцы;

7 - модуль обработки, рассчитывающий 3D томографическое изображение исследуемой детали и контрольных образцов на основе полученных изображений;

х, у, t - номинальные толщины измеряемых частей детали,

(t-0,1), t, (t+0,1), (t+0,2) - толщины различных сечений контрольного образца, имеющего ступенчатую форму.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Рентгеновская трубка 1 излучает поток фотонов 2 поперек оси вращения 3 исследуемого объекта 4 в направлении указанного объекта 4 и детектора 5. Поток фотонов 2 проходит сквозь вращающийся вокруг оси вращения 3 объект исследования 4 с установленными на нем контрольными метрологически аттестованными образцами 6. За счет вращения объекта 4 детектор 5 может снимать изображения данного объекта с уставленными на нем образцами под разными углами обзора, и модуль обработки 7 может рассчитывать 3D томографическое изображение объекта и образцов.

На детекторе фотонов 5 формируется по меньшей мере одно изображение для каждого угла из множества углов поворота объекта 4 с установленными на нем образцами 6. Количество сформированных по результатам сканирования изображений может составлять порядка 1700±200. Изображения снимают в течение времени продолжительностью не менее часа для анализа всего объема. Предполагается, что состояние объекта не меняется в процессе всего сканирования.

Изображения представляют радиографические проекции объекта с установленными на нем образцами, и томографическое устройство сохраняет все изображения для модуля обработки 7.

Точность полученных измерений подтверждается при помощи одновременного получения томографического изображения метрологически аттестованного эталонного образца и объекта исследования, толщина измеряемой части которого входит в диапазон изменяющейся толщины образца.

Использование контрольных образцов из того же материала, что исследуемая деталь, обеспечивает исключение появления дополнительной неопределенности по результатам измерений, в связи с тем, что коэффициент ослабления рентгеновского излучения материалом образца полностью аналогичен данному коэффициенту материала исследуемой детали.

Использование контрольных образцов значительно меньших размеров, нежели объект исследования (длина образца составляет не более 10% от максимальной длины объекта) исключает влияние артефактов (искажений) на результаты измерений геометрических параметров объекта.

Во избежание возникновения дополнительных артефактов при проведении томографии объекта контрольный образец с дискретно изменяющейся толщиной должен содержать одну ступень высотой t, равной номинальной толщине t контролируемого объекта.

При измерении размеров сложнопрофильных металлических деталей, части которого отличаются по диапазонам линейных размеров, следует использовать несколько метрологически аттестованных эталонных (контрольных) образцов с различными толщинами, соответствующими номинальным толщинам измеряемых частей детали.

Пример осуществления изобретения.

В качестве объекта контроля была выбрана сложнопрофильная заготовка детали патрубка переменного сечения, изготовленная по технологии СЛС из металлопорошковой композиции мартенситно-стареющей стали, длиной 300 мм.

Номинальная толщина стенок объекта составляла 2,1 мм, 3,5 мм и 1,8 мм в верхней, средней и нижней его частей, исходя из чего было выбрано три контрольных образца. В нижней части объекта был прикреплен образец в виде ступенчатого прямоугольного параллелепипеда (ступенчатого клина) с четырьмя ступенями (фигура 6) толщиной 1,7/1,8/1,9/2,0 мм, длина образца составляла 20,0 мм; в средней и верхней части объекта был прикреплен образец в виде усеченного прямоугольного параллелепипеда (клина), толщины которых изменялась в диапазонах 3,4-3,9 мм и 2,0-2,5 мм соответственно, а длины образцов составили 30,0 мм.

Неопределенность результатов измерения по результатам РКТ не превышала 0,1 мм, что соответствует требованию технологической документации по точности измерения фактической толщины стенок.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает автоматизированное получение трехмерной модели объема объекта, в том числе с незамкнутым контуром, и позволяет с высокой точностью определять линейные размеры сложнопрофильных металлических деталей, изготовленных в том числе методом селективного лазерного сплавления, за счет возможности оценить весь размерный спектр в любом сечении детали.

Изобретение относится к рентгеновской компьютерной томографии. Предложен способ измерения линейных размеров металлических деталей, включающий бесконтактное сканирование исследуемой металлической детали с использованием рентгеновского компьютерного томографа, реконструкцию трехмерной модели детали при помощи результатов сканирования и определение линейных размеров детали с использованием компьютерной обработки полученной трехмерной модели, при этом перед сканированием на поверхности исследуемой детали размещают по меньшей мере один контрольный образец, выполненный из материала детали и имеющий толщину, изменяющуюся дискретно или плавно, причём толщина измеряемой части детали входит в диапазон изменяющейся толщины контрольного образца, а длина контрольного образца составляет не более 10% от максимальной длины исследуемой детали. Техническим результатом является повышение точности и информативности неразрушающего контроля заготовок деталей, в том числе сложнопрофильных и полученных с применением технологии аддитивного производства, за счет возможности оценить весь размерный спектр в любом сечении детали. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 пр.

1. Способ измерения линейных размеров металлических деталей, включающий бесконтактное сканирование исследуемой металлической детали с использованием рентгеновского компьютерного томографа, реконструкцию трехмерной модели детали при помощи результатов сканирования и определение линейных размеров детали с использованием компьютерной обработки полученной трехмерной модели, отличающийся тем, что перед сканированием на поверхности исследуемой детали размещают по меньшей мере один контрольный образец, выполненный из материала детали и имеющий толщину, изменяющуюся дискретно или плавно, причём толщина измеряемой части детали входит в диапазон изменяющейся толщины контрольного образца, а длина контрольного образца составляет не более 10 % от максимальной длины исследуемой детали.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контрольный образец имеет толщину, изменяющуюся дискретно или плавно.