王丙陽(yáng)，劉曉彤，戴 寧，李懷學(xué)，李嘉文，晏峰峰

(1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南京 210016；3.北京國(guó)測(cè)通標(biāo)檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 101399)

金屬點(diǎn)陣材料有著質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、密度小等優(yōu)秀的力學(xué)特性以及隔熱、吸能、消聲降噪等物理特性，被認(rèn)為是最有前景的新一代輕質(zhì)、超強(qiáng)韌多功能材料[1]。其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)間連接桿件的單元，按一定規(guī)則周期性排列構(gòu)成的三維有序多孔結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)單胞的構(gòu)型和幾何尺寸設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其功能性的調(diào)控[2]。

金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的多孔特性和可設(shè)計(jì)性，已成為結(jié)構(gòu)、功能一體化的優(yōu)良載體。多項(xiàng)研究表明[3-5]，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)連接桿的尺寸、長(zhǎng)徑比、夾角以及單元數(shù)目與規(guī)格等，決定了其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。由于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)直接影響著結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，因此需針對(duì)制備完成的構(gòu)件開(kāi)發(fā)適用的無(wú)損檢測(cè)方法，以驗(yàn)證構(gòu)件制備與設(shè)計(jì)的符合性，確保構(gòu)件在使用過(guò)程中滿足相關(guān)性能要求。

金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)具有以下特點(diǎn)：① 內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間結(jié)構(gòu)形狀各異、尺寸小、單元周期密集排列，檢測(cè)的可達(dá)性差；② 材料范圍廣，包括鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼等，不同材料對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響不同；③ 高精度尺寸定量檢測(cè)，需要量化評(píng)估尺寸精度、表面質(zhì)量和連接桿斷裂缺陷，在確保結(jié)構(gòu)精度和安全性的前提下，降低制造成本?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，文章開(kāi)展了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)檢測(cè)方法的研究。

1 研究對(duì)象

文章以BCC(body-centered cells，體心立方)型金屬點(diǎn)陣為對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。金屬點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

高能束選區(qū)熔化金屬點(diǎn)陣采用M810型大型激光選區(qū)熔化精密快速成型設(shè)備以及TC4合金粉末進(jìn)行成型，其成形工藝參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1 金屬點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)

圖2 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖

表1 金屬三維點(diǎn)陣成型工藝參數(shù)

2 金屬點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測(cè)原理

2.1 檢測(cè)方案

工業(yè)CT技術(shù)是在被檢物體非破壞的情況下獲取其二維或三維圖像的射線檢測(cè)方法，其基本原理為：射線束穿過(guò)被測(cè)物體時(shí)產(chǎn)生衰減，探測(cè)器采集到衰減后的射線信號(hào)，并通過(guò)重建算法“還原”物體的二維或三維結(jié)構(gòu)信息。其成像原理如圖3所示[6]。

圖3 工業(yè)CT成像原理示意

由圖3可知，對(duì)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行工業(yè)CT檢測(cè)，如同一個(gè)平面橫插入到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中。點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)的連接桿截面均呈橢圓狀，其中，短軸為桿徑。金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的工業(yè)CT檢測(cè)圖像如圖4所示(圖中l(wèi)為短軸，L為長(zhǎng)軸)。

圖4 金屬點(diǎn)陣工業(yè)CT檢測(cè)圖像

對(duì)圖4中的圖像進(jìn)行邊緣提取、橢圓擬合識(shí)別處理，通過(guò)對(duì)橢圓長(zhǎng)軸、短軸及傾斜角(點(diǎn)陣連接桿與CT切片平面的夾角)等參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)檢測(cè)。圖5為金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的檢測(cè)流程。

圖5 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的檢測(cè)流程

2.2 檢測(cè)原理[7-8]

在xOy平面上，橢圓上任意兩點(diǎn)間的最大幾何距離為長(zhǎng)軸(L)，L可計(jì)算為

(1)

若已知長(zhǎng)軸的2個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)分別為(xi,yi),(xj,yj)，則中心坐標(biāo)x0,y0分別為

x0=(xi+xj)/2

(2)

y0=(yi+yj)/2

(3)

利用式(4)計(jì)算橢圓上任意一點(diǎn)(xk,yk)與中心坐標(biāo)點(diǎn)的最短距離l。

(4)

CT切片插入金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖6所示(圖中A為點(diǎn)陣連接點(diǎn),1,2,3,4為連接桿所在位置)，傾斜角φ計(jì)算為

φ=arcsin-1(l/L)+π/2

(5)

圖6 CT切片插入金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意

設(shè)切片為xOy平面，由圖6可知，可認(rèn)為其連接桿與切片平面的交點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1,0)，而點(diǎn)陣連接點(diǎn)A的坐標(biāo)為(0,0,z1)。該連接桿的向量為S={x1,y1,-z1}。

由數(shù)學(xué)知識(shí)可得該連接桿所在直線的方程為

(6)

xOy平面的法向量為{0,0,1},由直線與平面相交公式可得

(7)

(8)

將(x1,y1)，傾斜角φ代入式(8)可計(jì)算出z1的數(shù)值，即可得到點(diǎn)陣連接點(diǎn)A的坐標(biāo)。

將連接桿上兩根桿的空間向量V1和V2進(jìn)行點(diǎn)乘，得到兩根桿的空間夾角θ。

(9)

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

金屬點(diǎn)陣CT及其邊緣提取圖像如圖7所示。工業(yè)CT檢測(cè)過(guò)程中受探測(cè)器校正、檢測(cè)參數(shù)設(shè)置等影響，掃描圖像存在較重的偽影，偽影疊加在點(diǎn)陣掃描圖像中造成端角灰度值遠(yuǎn)高于其他區(qū)域的影像灰度，以致在邊緣提取過(guò)程產(chǎn)生了多余的弧線[見(jiàn)圖7(b)四個(gè)角的圓圈處]，端角處的干擾弧線增加了圖像的連通區(qū)域數(shù)量，加大了橢圓識(shí)別的難度。為準(zhǔn)確對(duì)圖像邊緣進(jìn)行提取，識(shí)別有效連通區(qū)域，在金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)工業(yè)CT檢測(cè)中，應(yīng)及時(shí)校正探測(cè)器，優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)，減少偽影及其他干擾影像。

圖7 金屬點(diǎn)陣CT及其邊緣提取圖像

圖8所示為截取有效圖像的邊緣識(shí)別圖。對(duì)未發(fā)現(xiàn)偽影的部位進(jìn)行了邊緣提取，得到8個(gè)橢圓圖形。

圖8 截取有效圖像的邊緣識(shí)別圖

對(duì)圖8中截取圖像進(jìn)行識(shí)別，得到橢圓的位置參數(shù)(x0,y0)及形狀參數(shù)(a,b,φ)如表2所示。

表2 截取有效圖像中的橢圓信息

由表2數(shù)據(jù)計(jì)算得到連接桿的直徑為1.872.13 mm；兩單元點(diǎn)陣間水平方向的距離為14.8 mm(見(jiàn)圖9)。兩單元點(diǎn)陣間高度方向距離的計(jì)算方法亦如此。表3為單元點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)兩連接桿間夾角的計(jì)算結(jié)果。

金屬單元點(diǎn)陣連接桿直徑設(shè)計(jì)值為2 mm，檢測(cè)結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)值。受激光選區(qū)熔化成型工藝的影響，金屬點(diǎn)陣試件較實(shí)際模型存在一定的翹曲(見(jiàn)圖10)，同時(shí)由于連接桿表面較大的粗糙度增加了CT圖像的邊緣噪聲，因此檢測(cè)結(jié)果與理論模型存在一定的差距。

圖9 兩單元點(diǎn)陣間距示意

表3 單元點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)兩連接桿間夾角的計(jì)算結(jié)果

圖10 金屬點(diǎn)陣三維重建與CATIA數(shù)模比對(duì)偏差圖

4 結(jié)論

(1) 對(duì)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)工業(yè)CT圖像進(jìn)行橢圓擬合識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)金屬點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測(cè)。

(2) 橢圓擬合識(shí)別的準(zhǔn)確度與CT圖像質(zhì)量相關(guān)，在CT檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)盡量消除不相關(guān)的偽影圖像。

(3) 針對(duì)金屬點(diǎn)陣CT影像橢圓識(shí)別進(jìn)行了初步研究，后續(xù)還需針對(duì)高精度邊緣提取、圖像擬合等進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)工作，以提高檢測(cè)精度。