CN114781096B - 一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其步骤为：扫描获取叶片的DR扫描数据集；将DR扫描数据集重建为叶片的二维CT断层数据集及叶片的三维体素模型；通过高斯最佳拟合对齐方法，将叶片三维体素模型与CAD模型进行自动最佳拟合对齐；指定叶片的三维体素模型为实际对象，指定叶片的CAD模型为标称对象，自动进行叶片的标称对象与实际对象的比较分析，输出分析结果；以颜色编码的方式显示比较分析结果。其几何结构比较能在工件的三维体素/CT模型上直接进行，避免将三维数据转换为点云或STL数据，减小测量的不确定度和有效信息的损失，效率更高，颜色编码显示比较分析结果，更立体直观。

Description

一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法
技术领域
本发明属于涡轮叶片设计技术领域，具体涉及一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法。
背景技术
涡轮叶片被称为航空发动机核心构件，在航空、航天、兵器等领域得到了广泛的应用。在在叶片成型过程中，内部可能产生夹杂、裂纹、孔洞等缺陷，X射线探伤受工件复杂结构影响较大无法有效检测出内部缺陷，工业CT可有效检测出叶片内部的夹杂、裂纹、孔洞等缺陷，而对于大尺寸涡轮叶片，需要采用加速器作为射线源进行CT检测。加速器CT技术早在上世纪80年代就应用于航天飞行器装药质量检测和固体发动机内部脱粘、气孔等缺陷的检测，主要偏向于加速器CT设备研制及应用，缺少基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法方面的研究。发明人在实际使用过程中发现，这些现有技术至少存在以下技术问题：
现有的加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法基本是将获取到的三维模型装换为点云模型或STL数据，中间数据的转换存在增加了测量的不确定度和有效信息的损失的问题，使得比较结果存在较大误差，效率较低的问题，对于现在的高精度设计需求已经不能满足使用需求。
发明内容
为克服上述存在之不足，本发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出了一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其几何结构比较可直接在工件的三维体素/CT模型上进行，不需要将三维数据转换为点云或STL数据，从而避免增加了测量的不确定度和有效信息的损失，设计与实物比较方法允许直接对工件的三维体素/CT模型与工件的CAD模型进行比较，与常规方法相较效率更高，颜色编码显示比较分析结果，更立体直观，可查看二维/三维任意一处的比较分析结果。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法。其包括以下步骤：
步骤1：将2MeV加速器预热和老练后，对CT成像系统进行明/暗场校正，叶片固定于旋转控制台上，根据扫描参数，锥束扫描获取叶片的DR扫描数据集；
步骤2：利用图像重建系统将工件的DR扫描数据集重建为叶片的二维CT断层数据集及叶片的三维体素模型；几何结构比较可直接在叶片的三维体素/CT模型上进行，不需要将三维数据转换为点云或STL数据，从而避免增加了测量的不确定度和有效信息的损失；
步骤3：导入叶片的CAD模型，通过高斯最佳拟合对齐方法，将叶片的三维体素模型与CAD模型进行自动最佳拟合对齐；设计与实物比较方法允许直接对叶片的三维体素/CT模型与叶片的CAD模型进行比较，与常规方法相较效率更高；
步骤4：指定叶片的三维体素模型为实际对象，指定叶片的CAD模型为标称对象，自动进行叶片的标称对象与实际对象的比较分析，输出分析结果；
步骤5：以颜色编码的方式显示比较分析结果，更立体直观。
根据本发明所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其进一步的优选技术方案是：所述CT成像系统呈立式、分立结构，由射线源立柱、探测器立柱及转台立柱组成，转台立柱位于射线源立柱、探测器立柱中间。
根据本发明所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其进一步的优选技术方案是：采用X波段2MeV小焦斑加速器作为X射线源，焦点尺寸为0.7mm*0.7mm。
根据本发明所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其进一步的优选技术方案是：在步骤1中，搭配机械扫描装置，动态平板探测器以及数据处理和图像重建系统，提高现有CT成像装置的穿透能力和分辨率。
根据本发明所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其进一步的优选技术方案是：在步骤1中，具体操作为将叶片固定于转台上，利用加速器工业CT系统对叶片进行360°锥束扫描完全成像，获得1440幅叶片不同方向的投影图像。
根据本发明所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其进一步的优选技术方案是：进行360°锥束扫描的旋转速度为0.25°/次。
根据本发明所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其进一步的优选技术方案是：在步骤2中，所述图像重建系统具体为利用三维重建软件和滤波反投影算法(FBP)将叶片的投影图像重构为三维体数据模型。
根据本发明所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其进一步的优选技术方案是：步骤5中分析结果包括二维/三维任意一处的比较分析结果。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：
1、几何结构比较可直接在工件的三维体素/CT模型上进行，不需要将三维数据转换为点云或STL数据，从而避免增加了测量的不确定度和有效信息的损失，设计与实物比较方法允许直接对工件的三维体素/CT模型与工件的CAD模型进行比较，与常规方法相较效率更高。
2、颜色编码显示比较分析结果，更立体直观，可查看二维/三维任意一处的比较分析结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法的叶片设计与实物比较分析流程示意图；
图2是本发明一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法的2MeV加速器CT成像系统示意图；
图3是本发明一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法的基于2MeV加速器CT成像系统的叶片DR示意图；
图4是常规450kV与2MeV加速器CT的叶片CT对比示意图；
图5是本发明一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法的叶片的三维体素模型与CAD模型最佳对齐过程；
图6是本发明一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法叶片高斯最佳拟合对齐；
图7是本发明一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法叶片三维体素模型与CAD模型比较结果示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。
实施例：
如图1所示，一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法。其包括以下步骤：
步骤1：将2MeV加速器预热和老练后，对CT成像系统进行明/暗场校正，叶片固定于旋转控制台上，根据扫描参数，锥束扫描获取叶片的DR扫描数据集，如图2、图3所示；
具体地，将叶片固定于转台上，利用加速器工业CT系统对叶片进行360°锥束扫描完全成像，获得1440幅叶片不同方向的投影图像；并且进行360°锥束扫描的旋转速度为0.25°/次；
扫描时，应搭配机械扫描装置，动态平板探测器以及数据处理和图像重建系统，提高现有CT成像装置的穿透能力和分辨率；
步骤2：利用图像重建系统将工件的DR扫描数据集重建为叶片的二维CT断层数据集及叶片的三维体素模型；几何结构比较可直接在叶片的三维体素/CT模型上进行，不需要将三维数据转换为点云或STL数据，从而避免增加了测量的不确定度和有效信息的损失，如图4中2MeV加速器CT图像所示为叶片的某一二维CT断层数据，作为对比，图4中是常规的450kv的工业CT图像，明显可以看出，本发明得到的CT图像清晰度更高，边缘更加清晰明显，轮廓完整，因此最终得到的三维体素模型也会更加的清晰完整精确，与实际工件的数据基本一致，在后续的将叶片的三维体素模型与CAD模型进行自动最佳拟合对齐时可以得到更好的结果对比；
需要说明的是，所述图像重建系统具体为利用三维重建软件和滤波反投影算法(FBP)将叶片的投影图像重构为三维体数据模型；
步骤3：导入叶片的CAD模型，通过高斯最佳拟合对齐方法，将叶片的三维体素模型与CAD模型进行自动最佳拟合对齐，如图5所示，是在软件中对叶片的三维体素模型与CAD模型进行自动最佳拟合对齐的过程示意图，首先将叶片的三维体素模型与CAD模型进行位置的调整使其一致，再对其中一个模型进行移动，使其与另一个模型进行重合，得到最佳拟合对齐的结果；设计与实物比较方法允许直接对叶片的三维体素/CT模型与叶片的CAD模型进行比较，与常规方法相较效率更高；如图6所示，图中浅色为三维体素模型，深色为CAD模型，CAD模型指的是设计时的模型，其作为的是标准参照模型。
步骤4：指定叶片的三维体素模型为实际对象，指定叶片的CAD模型为标称对象，自动进行叶片的标称对象与实际对象的比较分析，输出分析结果；
步骤5：以颜色编码的方式显示比较分析结果，更立体直观，显示效果如图7所示，灰色部分(也可认为浅色)部分为符合程度高，深色部分为符合程度低；
并且，步骤5中分析结果包括二维/三维任意一处的比较分析结果，支持切换查看。
本实施例中，如图1所示，所述CT成像系统呈立式、分立结构，由射线源立柱、探测器立柱及转台立柱组成，转台立柱位于射线源立柱、探测器立柱中间。
进一步地，CT成像系统采用X波段2MeV小焦斑加速器作为X射线源，焦点尺寸为0.7mm*0.7mm，小焦斑加速器可以得到更好的CT成像结果。
名词解释：
体素模型：采用大量规则体素(如立方体)的有序组合来表示三维物体的模型。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1：将2MeV加速器预热和老练后，固定好叶片后，锥束扫描获取叶片的DR扫描数据集；
步骤2：利用图像重建系统将工件的DR扫描数据集重建为叶片的二维CT断层数据集及叶片的三维体素模型；所述图像重建系统具体为利用三维重建软件和滤波反投影算法(FBP)将叶片的投影图像重构为三维体数据模型；
步骤3：导入叶片的CAD模型，通过高斯最佳拟合对齐方法，将叶片的三维体素模型与CAD模型进行自动最佳拟合对齐；
步骤4：指定叶片的三维体素模型为实际对象，指定叶片的CAD模型为标称对象，自动进行叶片的标称对象与实际对象的比较分析，输出分析结果；
步骤5：以颜色编码的方式显示比较分析结果；
所述CT成像系统呈立式、分立结构，由射线源立柱、探测器立柱及转台立柱组成，转台立柱位于射线源立柱、探测器立柱中间；
所述CT成像系统采用X波段2MeV小焦斑加速器作为X射线源，焦点尺寸为0.7mm*0.7mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其特征在于，在步骤1中，搭配机械扫描装置，动态平板探测器以及数据处理和图像重建系统，提高现有CT成像装置的穿透能力和分辨率。
3.根据权利要求2所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其特征在于，在步骤1中，具体操作为将叶片固定于转台上，利用加速器工业CT系统对叶片进行360°锥束扫描完全成像，获得1440幅叶片不同方向的投影图像。
4.根据权利要求3所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其特征在于，在步骤S1中，进行360°锥束扫描的旋转速度为0.25°/次。
5.根据权利要求1所述的一种基于2MeV加速器CT成像系统的叶片设计与实物比较方法，其特征在于，步骤5中分析结果包括二维/三维任意一处的比较分析结果。
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