CN110261415A - 测量用x射线ct设备以及批量生产工件测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测量用X射线CT设备以及批量生产工件测量方法。在使用被配置为在使被布置在转动台上的工件转动的同时发射X射线、并且重构所述工件的投影图像以生成所述工件的体数据的测量用X摄像CT设备测量批量生产工件时，本发明向预定工件的体数据分配值，并将所述体数据存储为与主数据相同；在与所述预定工件相同的条件下获得批量生产工件的体数据；测量该体数据并且获得所述批量生产工件的X射线CT测量值；以及使用所述主数据来校正所述批量生产工件的X射线CT测量值。

Description

测量用X射线CT设备以及批量生产工件测量方法
技术领域
本发明涉及测量用X射线CT设备以及批量生产工件测量方法。特别地，本发明涉及能够以高精度测量批量生产工件的体数据的测量用X射线CT设备以及批量生产工件测量方法。
背景技术
医疗用X射线CT设备在20世纪70年代投入实际使用，并且基于该技术，工业产品的X射线CT设备大约在20世纪80年代初期出现。从那时起，工业用X射线CT设备已被用于从外观难以确认的铸造金属组件中的孔、焊接组件的焊接问题、以及电子电路组件的电路图案缺陷等的观察和检查。另一方面，随着近来3D打印机的普及，不仅对于3D打印机所产生的工件的内部的观察和检查的需求不断增长，而且对于工件的内部结构的3D尺寸测量以及这种测量的精度的需求也不断增长。
针对上述技术趋势，测量用X射线CT设备已开始在以德国为中心的区域内普及(参见日本特开2002-071345和2004-012407)。在测量用X射线CT设备中，将测量对象放置在转动台的中心，并且在使测量对象转动的同时进行X射线照射。
图1中示出用于测量的一般X射线CT设备1的结构。X射线CT设备1配置有用于屏蔽X射线的外壳10、控制器20、以及控制PC 22等。外壳10中包括：发射X射线13(形状为锥形束)的X射线源12、检测X射线13的X射线检测装置14、放置有工件W并且使工件W转动以供CT摄像用的转动台16、以及用于调整投影到X射线检测装置14上的工件W的位置或倍率的XYZ移动机构18。控制器20控制上述装置，并且控制PC 22根据用户操作向控制器20发出指示。
除了控制各装置之外，控制PC 22还包括用以显示被投影到X射线检测装置14上的工件W的投影图像的功能、以及用以根据工件W的多个投影图像来重构断层图像的功能。
如图2所示，从X射线源12发射或激发的X射线13通过穿过转动台16上的工件W而到达X射线检测装置14。通过在使工件W转动的同时利用X射线检测装置14获得工件W在各个方向上的透过图像(投影图像)、并且通过使用诸如反向投影法和逐次逼近法等的重构算法重构图像，来生成工件W的断层图像。
通过控制XYZ移动机构18的XYZ轴和转动台16的θ轴，可以使工件W的位置偏移，并且可以调整工件W的摄像范围(位置、倍率)或摄像角度。
为了获取作为X射线CT设备1的最终目的的工件W的断层图像或体数据(立体图像或者Z轴方向上的断层图像的集合)，对工件W进行CT扫描。
CT扫描包括两个处理：获取工件W的投影图像以及CT重构。在投影图像获取处理中，工件W在X射线照射期间所在的转动台16以固定速度连续地或者以固定步宽间歇性地转动，并且在整个圆周方向(固定间隔)上获取工件W的投影图像。所得到的整个圆周方向(固定间隔)的投影图像使用诸如反向投影法或逐次逼近法等的CT重构算法进行CT重构，从而如图3中所例示地获得工件(图3中的标准球)的断层图像或体数据。
使用所得到的体数据，可以进行各种测量，诸如尺寸测量或缺陷分析等。
可以使用所生成的体数据来进行工件内部的各种测量(尺寸测量或缺陷分析等)，但是这样的测量可能包括由于各种条件(工件材料或透过长度等)或误差因素而引起的各种不可靠测量。各种条件或误差因素与测量的不可靠性之间存在复杂的相关性，并且难以针对由多种材料组成且具有复杂结构的工件建立明确的条件，同时以高精度校正各种测量误差是非常成问题的。
测量中的不可靠性的来源可以例如包括：(1)硬件原因，诸如X射线源(光谱、聚焦特性、稳定性)和X射线检测装置(稳定性/热漂移、动态特性、散射、对比灵敏度、像素变化、噪声、横向分辨率、机械轴(几何误差、机械稳定性))等；(2)软件/数据处理原因，诸如3D重构、确定阈值、数据间隔剔除(表面)、以及数据校正(比例误差)等；(3)测量对象(工件)原因，诸如表面粗糙度、透过长度(衰减)、尺寸和结构、材料成分、射束硬化以及散射辐射等；(4)操作员设置原因，诸如提前处理、X射线源电流、加速电压、放大率、测量对象的取向、视野数、空间分辨率(辐射源、测量对象和X射线检测装置之间的相对距离)、以及X射线检测装置的曝光时间量等；以及(5)环境原因，诸如温度、振动和湿度等。
本发明是有鉴于上述传统情况而构思的，并且被配置为使得例如通过使用给定批量生产工件的体数据作为主数据，可以校正其它批量生产工件的测量值，并且可以以高精度进行体数据的测量。
X射线CT测量的不可靠性极大地受工件的材料和透过长度的影响，并且例如与诸如三维(坐标)测量机(CMM)等的高精度测量装置所进行的测量的不可靠性相比是显著的。另一方面，在比较相同的形状/材料的情况下，这些情况下的X射线CT测量在不可靠性方面展现出极少的差异(因为工件的材料和透过长度是相同的)。
例如，在使用CMM和X射线CT这两者来如图4所示对由材料A和B组成的工件进行尺寸测量的情况下，X射线CT测量值(尺寸)与CMM测量值相比具有更大程度的测量不可靠性，并且测量不可靠性根据材料而变化。然而，在例如使用单个批量生产工件作为基准工件、并且使用X射线CT来测量该基准工件和其它批量生产工件的情况下，由于材料和形状相同，因此两者具有相同程度的测量不可靠性。
在CMM测量值和X射线CT测量值之间的差异量表示为Δα、并且基准工件和批量生产工件的测量值之间的差异量表示为Δβ的情况下，Δα和Δβ分别包括诸如以下等的误差。
Δα...由于X射线CT测量中的形状或材料而引起的误差
Δβ...工件形状的个体差异
通过使用Δα和Δβ作为批量生产工件的X射线CT测量值的主数据，可以将批量生产工件校正为与CMM测量值等同的程度。
发明内容
鉴于这些信息，构思了本发明。
本发明通过配备如下的测量用X射线CT设备来解决这种挑战，其中所述测量用X射线CT设备在使被布置在转动台上的工件转动的同时发射X射线、并且重构所述工件的投影图像以生成所述工件的体数据，所述测量用X射线CT设备具有：用于将预定工件的体数据存储为主数据的存储器，其中该预定工件的体数据的值是提前分配的；用于在与所述预定工件相同的条件下获得批量生产工件的体数据的机构；用于测量该体数据并且获得批量生产工件的X射线CT测量值的机构；以及用于使用所述主数据来校正批量生产工件的X射线CT测量值的校正器。
这里，所述预定工件可以是批量生产工件其中之一。
同样地，本发明通过如下的操作来解决上述的挑战：在使用被配置为在使被布置在转动台上的工件转动的同时发射X射线、并且重构所述工件的投影图像以生成所述工件的体数据的测量用X摄像CT设备测量批量生产工件时，向预定工件的体数据分配值并将所述体数据存储为主数据；在与所述预定工件相同的条件下获得批量生产工件的体数据；测量该体数据并且获得批量生产工件的X射线CT测量值；以及使用所述主数据来校正批量生产工件的X射线CT测量值。
根据本发明，在利用X射线CT来测量批量生产工件时，向包括特定的批量生产工件的各种误差的体数据分配值，采用该体数据作为主数据，并且在无需考虑各种误差因素的情况下统一校正各批量生产工件的体数据，从而可以以高精度校正各批量生产工件的测量值。例如，在使用CMM来向主数据分配值的情况下，可以获得具有与CMM同等高的精度的测量值。
另外，即使对于X射线CT通常不是特别成功的由多种材料组成的工件，也可以简单地应用本发明。
附图说明
在以下的详细描述中，利用本发明的典型实施例的非限制性示例的方式参考所述多个附图来进一步地描述本发明，其中，在附图的若干视图中，相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：
图1示出用于测量的通用X射线CT设备的整体结构的截面图；
图2示出用于测量的通用X射线CT设备的主要部分的布置的立体图；
图3示出CT重构的概要；
图4示出本发明的原理；
图5示出本发明的实施例中的处理流程；
图6是示出实施例中的用于向主数据分配值的典型CMM的立体图；
图7是实施例中的直到获取到主数据为止的处理流程的流程图；
图8A和8B示出实施例中的典型工件和测量特征；
图9A和9B示出实施例中的工件上的测量位置；
图10A和10B示出实施例中的CMM所用的测量位置；以及
图11是示出实施例中的用于校正批量生产工件的X射线CT测量值的过程的流程图。
具体实施方式
这里所示的细节是举例，并且仅用于例示性地论述本发明的实施例的目的，并且是为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的说明而呈现的。在这方面，没有尝试以比本发明的基本理解所需的细节更详细的方式示出本发明的结构细节，其中利用附图所进行的说明使得在实践中如何能够实现本发明的各种形式对于本领域技术人员而言是明显的。
以下参考附图来详细描述本发明的典型实施例。此外，本发明不受以下的实施例和示例中所描述的内容的限制。另外，本领域技术人员可容易想到的元件以及实质上等同或以其它方式在范围上相同的元件包括在以下的示例和实施例的构成要素中。此外，可以适当地组合或选择性地采用在以下记载的实施例和示例中公开的构成要素。
图5示出本发明的实施例中的处理流程。
在步骤101中求出基准工件的X射线CT测量值，另外，使用诸如图6中例示等的三维(坐标)测量机(CMM)60，在步骤102中求出基准工件的CMM测量值，并且使用这些测量值在步骤103中求出主数据。
CMM 60包括：平板62(基准面)；门型框架64，其具有可沿前后方向(Y轴方向)在平板62上移动的一对支柱64a和64b、以及桥接在支柱64a和64b上的梁64c；可移动支柱66，其沿左右方向(X轴方向)在门型框架64的梁64c上移动；可移动滑动件68，其沿上下方向(Z轴方向)在支柱66上移动；探测器70，其固定至滑动件68的下端；以及触针72a和例如固定至探测器70的尖端(图中的下端)的球状触针头72b。
另一方面，在步骤104中求出批量生产工件的X射线CT测量值，在步骤105中将该X射线CT测量值与主数据103进行比较并校正该X射线CT测量值，从而可以在步骤106中获得校正后的X射线CT测量值。
因此，可以在不对批量生产工件进行CMM测量的情况下获得具有与CMM测量值同等高的精度的测量值。
主数据以及用于计算主数据的测量值可以是工件的预定部分的尺寸，或者可以是用于标识任意期望标准基准的坐标值。
X射线CT测量值中依赖于特定工件材料或形状的误差也可以通过利用比较的本发明的原理来抵消，并且即使对于例如X射线CT并非特别成功的由多种材料组成的工件，也可以进行与单一材料的工件的校正相同的校正。
这在以下进行详细描述。
直到在步骤103中获得主数据为止的过程如图7所示。
首先，在步骤201中，从批量生产工件中选择用作标准基准的工件(基准工件)，并且确定测量特征。例如，在如图8A所示铸造金属组件在其内部具有中空空间(在该示例中为汽车发动机的中空阀)的情况下，选择如图8B所示的工件的轴部的外径和内径(中空部分的直径)作为测量特征。
接着，处理进入步骤202，其中对基准工件进行CT扫描，并且获得基准工件的体数据。
在该示例中，以包括测量特征或为了测量测量特征而进行坐标对准等所需的基准位置的方式进行CT扫描，并且生成基准工件的体数据。另外，此时的CT扫描条件(X射线设置、X射线检测装置设置和扫描范围等)是批量生产工件的CT扫描所必需的，因此被存储以供后续使用。
接着，处理进入步骤203，其中测量体数据，并且获得基准工件的X射线CT测量值(图5中的步骤101)。
例如，将中空阀的轴方向上的两个位置指定为测量位置，并且对所获取到的体数据中的相同测量位置的截面进行轴部的外径和内径的边界检测(检测空的空间和材料之间的边界)。
基于如上所述测量的边界检测点的集合，如图9A和9B所示分别针对外径和内径创建最佳拟合圆筒，并且计算各个圆筒的直径。这里，外径被标记为Rxo，并且内径被标记为Rxi。
接着，处理进入步骤204，其中利用图6所示的CMM 60来测量基准工件的外部/内部形状，并且获得基准工件的实际CMM测量值(图5中的步骤102)。
在测量内部形状的情况下，可能分解/破坏基准工件，并且测量各工件的内部形状。
例如，如图10A和10B所示，切割中空阀的轴部，并且使用CMM 60的触针头72b对中空阀的截面进行CMM测量。测量位置被设置为与X射线CT测量期间相同的位置(两个场所)，并且针对各测量位置(截面)测量轴部的外径和内径。
基于如上所述测量的测量点的集合(其中针对该集合，触针头直径校正完成)，分别针对外径和内径创建最佳拟合圆筒，并且计算各个圆筒的直径。这里，外径被标记为Rco，并且内径被标记为Rci。
接着，处理进入步骤205，其中根据基准工件的X射线CT测量值以及基准工件的实际CMM测量值来创建主数据(图5中的步骤103)。
例如，这里，将根据X射线CT测量值和实际CMM测量值计算出的外径Rxo和Rco之间的差ΔRo以及内径Rxi和Rci之间的ΔRi分别设置为主数据。
ΔRo＝Rco-Rxo…(1)
ΔRi＝Rci-Rxi…(2)
使用图7中所获得的主数据，如图11所示校正批量生产工件的X射线CT测量值。
首先，在步骤401中，批量生产工件在与基准工件相同的条件下进行CT扫描，并且获得批量生产工件的体数据。
接着，处理进入步骤402，其中测量体数据，并且获得批量生产工件的X射线CT测量值(图5中的步骤104)。
具体地，使用相同的方法来测量与基准工件的体数据相同的测量位置，并且计算外径和内径的圆筒直径。这里，外径被标记为Rwo，并且内径被标记为Rwi。
接着，处理进入步骤403，其中使用主数据ΔRo和ΔRi来获得校正后的X射线CT测量值(图5中的步骤106)。
具体地，在外径被标记为R′wo并且内径被标记为R′wi的情况下(其中外径R′wo和内径R′wi是校正后的X射线CT测量值)，这些值的计算公式可以表示如下：
R′wo＝Rwo+ΔRo…(3)
R′wi＝Rwi+ΔRi…(4)
在上述的实施例中，将一个批量生产工件视为基准工件，因此无需专门制造基准工件。基准工件还可以与批量生产工件分开制造，以专门获取主数据。
用于向主数据分配值的机构不限于坐标测量机。
另外，测量对象不限于中空的发动机阀。
如图1所示，控制PC 22可以包括至少一个处理器。处理器是有形的且非暂时性的。如这里使用的，术语“非暂时性”不应被理解为永久的状态特性，而应被理解为将会持续一段时间的状态特性。术语“非暂时性”明确否认了诸如特定载波或信号或者仅暂时存在于任何时间任何位置的其它形式的特性等的短暂特性。处理器是制品和/或机器组件。处理器被配置为执行软件指令以进行如这里的各个实施例中所描述的功能。例如，处理器被配置为执行指令，使得处理器作为以下各项而工作：用于在与预定工件相同的条件下获得批量生产工件的体数据的系统；用于测量体数据并且获得批量生产工件的X射线CT测量值的系统；以及用于使用主数据来校正批量生产工件的X射线CT测量值的校正器。
处理器可以是通用处理器，或者可以是专用集成电路(ASIC)的一部分。处理器还可以是微处理器、微计算机、处理器芯片、控制器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、状态机或可编程逻辑器件。处理器还可以是包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)等的可编程门阵列(PGA)的逻辑电路、或者包括离散门和/或晶体管逻辑的其它类型的电路。处理器可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者。另外，这里描述的任何处理器可以包括多个处理器、并行处理器或两者。多个处理器可以被包括在或者连接至单个装置或多个装置。
控制PC 22还可以包括一个或多个计算机存储器。计算机存储可以包括处于通信中的静态存储器、动态存储器、或者两者。这里描述的存储器是可以存储数据和可执行指令的有形存储介质，并且在存储有指令期间是非暂时性的。再次，如这里使用的，术语“非暂时性”不应被理解为永久的状态特性，而应被理解为将会持续一段时间的状态特性。术语“非暂时性”明确否认了诸如特定载波或信号或者仅暂时存在于任何时间任何位置的其它形式的特性等的短暂特性。存储器是制品和/或机器组件。这里描述的存储器是计算机可以读取数据和可执行指令的计算机可读介质。如这里描述的存储器可以是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、高速缓存、可移除盘、磁带、紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用光盘(DVD)、软盘、蓝光盘或者本领域已知的任何其它形式的存储介质。存储器可以是易失性的或非易失性的、安全的和/或加密的、不安全的和/或未加密的。当然，计算机存储器可以包括存储器的任意组合或单个存储器。
控制PC 22还可以包括被配置为从这里所述的任意存储器读取任意的一个或多个指令集(例如，软件)的介质读取器。指令在由处理器执行时可以用于进行如这里所描述的方法和处理中的一个或多个。在特定实施例中，指令可以完全或至少部分地存在于存储器、介质读取器、以及/或者在控制PC 22执行期间的处理器内。
控制PC 22在图1中被示出为个人计算机。然而，本领域技术人员应当理解，在本申请的可选实施例中，控制PC 22可以是膝上型计算机、平板PC、个人数字助理、移动装置、掌上型计算机、台式计算机、通信装置、无线电话、个人信任装置、web设备、服务器、安全照相机、或者能够依次或以其它方式执行用于指定装置所要采取的动作的指令集的任何其它装置。当然，本领域技术人员应当理解，以上列出的装置仅仅是典型装置，并且控制PC 22可以是在不偏离本申请的范围的情况下本领域公知和理解的任何附加装置或设备。此外，本领域技术人员同样应当理解，装置可以是装置和设备的任意组合。
当然，本领域技术人员应当理解，控制PC 22的以上列出的组件仅意在是典型的，而并非旨在是详尽的和/或包含性的。此外，以上列出的组件的示例也意在是典型的，并且同样不意在是详尽的和/或包含性的。
根据本发明的各个实施例，这里描述的方法可以使用执行软件程序的硬件计算机系统来实现。此外，在典型的非限制性实施例中，实现可以包括分布式处理、组件/对象分布式处理和并行处理。可以将虚拟计算机系统处理构造为实现这里描述的方法或功能中的一个或多个，并且可以使用这里描述的处理器来支持虚拟处理环境。
注意，已提供的上述示例仅用于说明的目的，并且决没有被构造成对本发明的限制。尽管已参考典型实施例说明了本发明，但应当理解，这里已使用的词语是用于描述和说明的词语，而不是用于进行限制的词语。在没有背离本发明的各方面的精神和范围的情况下，可以在如当前陈述和修改的权利要求书的界限内进行改变。尽管这里已参考特定结构、材料和实施例说明了本发明，但本发明并不意图局限于这里所公开的细节；相反，本发明扩展至诸如处于所附权利要求书的范围内等的在功能上等同的所有结构、方法和用途。
本发明不限于上述实施例，并且可以在没有背离本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2018年3月12日的日本申请2018-044787的优先权，上述文献的公开内容明确地通过引用而全文并入于此。

Claims (3)

1.一种测量用X射线CT设备，其被配置为在使被布置在转动台上的工件转动的同时发射X射线、并且重构所述工件的投影图像以生成所述工件的体数据，所述测量用X射线CT设备包括：
一个或多个存储器，用于存储：
可执行指令集，以及
作为主数据的预定工件的体数据，其值是提前分配的；以及
处理器，其在执行所述可执行指令集时被配置为用作：
用于在与所述预定工件相同的条件下获得批量生产工件的体数据的系统；
用于测量该体数据并且获得批量生产工件的X射线CT测量值的系统；以及
用于使用所述主数据来校正批量生产工件的X射线CT测量值的校正器。
2.根据权利要求1所述的测量用X射线CT设备，其中，所述预定工件是所述批量生产工件。
3.一种测量用X射线CT设备的批量生产工件测量方法，其中在测量批量生产工件时，所述测量用X射线CT设备在使被布置在转动台上的工件转动的同时发射X射线、并且重构所述工件的投影图像以生成所述工件的体数据，所述批量生产工件测量方法包括：
向预定工件的体数据分配值，并将所述体数据存储为主数据；
在与所述预定工件相同的条件下获得批量生产工件的体数据；
测量该体数据并且获得批量生产工件的X射线CT测量值；以及
使用所述主数据来校正批量生产工件的X射线CT测量值。
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