Giải pháp đo CT X-Ray: Đo kiểm chính xác và có thể truy xuất bằng công nghệ chụp cắt lớp

Author
Sự kết hợp CT với thiết kế và các bộ phận của máy CMM công nghiệp tạo thành một hệ thống tổ hợp có độ chính xác cao, cho phép tính khả dụng của CT trong đo lường công nghiệp.

Việc sử dụng CT với CMM đa cảm biến tạo ra nhiều lợi thế mới, đặc biệt là khả năng đo các chi tiết làm từ composite với độ chính xác cao. Sự kết hợp này cho ra độ chính xác với các thông số đạt chuẩn DIN EN ISO 10360. Dung sai đo của CMM, có hoặc không sử dụng hệ thống đa cảm biến đều như CT với kết quả đo thông thường.

Bằng việc sử dụng CMM đa cảm biến, đo kiểm chính xác cao với hầu hết các ứng dụng khác nhau không còn là xa vời. Tuy nhiên, khi đo kiểm toàn bộ bề mặt chi tiết với mật độ điểm dày đặc, kể cả khi quét liên tục, việc lấy các điểm cũng tốn nhiều thời gian. Đối với các ứng dụng này,việc sử dụng CT sẽ trở thành lợi thế.

Ban đầu, hệ thống CT đo lường công nghiệp được dựa trên thiết kế cho việc kiểm tra không phá hủy và vật liệu chứ không phải để đo lường. Do thiết kế cơ khí của hệ thống máy, các bộ phận X-ray được sử dụng không có phền mềm đo chuyên dụng và cân bằng nhiệt độ hỗ trợ, nên độ chính xác trong khoảng 10 μm hoặc hơn sẽ không thể đạt được. Do giới hạn về độ chính xác và hiệu năng, chỉ có một vài ứng dụng có thể thực hiện được. Có thể nói chụp cắt lớp điện toán là một công cụ tiềm năng để phát triển ra loại CMM thế hệ mới, dành cho đi kiểm liên tục và hoàn toàn biên dạng của nhiều loại vật mẫu khác nhau.



Hình 1. Mẫu cho thấy 3 đặc điểm kích thước khác nhau, và cho ra kết quả so sánh giữa đo kiểm CT và đo kiểm bằng đầu đo tiếp xúc (Nguồn: Werth)

Chụp cắt lớp điện toán / X-ray
Bằng sự kết hợp giữa nguyên lý CT với công nghệ CMM, một hệ thống máy CMM tốc độ cao và chính xác mới được tạo ra. Các hệ thống được tối ưu cho các ứng dụng khác nhau yêu cầu các bộ phận X-ray khác nhai, ví dụ như nguồn X-ray hoặc detector. Sử dụng nguồn X-ray với điện áp thấp, ví dụ như 130 kilovon (kV), kết hợp với detector có độ phân giải cao với kích thước điểm ảnh là 50μm, sẽ phù hợp để đo kiểm các chi tiết nhựa có kích thước khoảng 200 mm. Bằng cách sử dụng nguồn X-ray công suất lớn và detector lớn hơn sẽ mở rộng phạm vi đo kiểm của hệ thống CMM và khả năng đo kiểm các chi tiết kim loại.

Khi đo kiểm các bộ phận lớn hơn detector, cần dùng đến phương pháp chụp CT ghép ảnh (raster). Với phương pháp này, hệ thống sẽ chụp lại nhiều ảnh trên từng phần của chi tiết sau đó ghép chúng lại và được thuật toán tạo dựng lại thành hình ảnh hoàn chỉnh. Cũng với phương pháp này, các vật mẫu nhỏ cũng có thể được đo dưới mức phóng đại lớn hơn với độ phân giải và độ chính xác được cải thiện.

Kết hợp CMM đa cảm biến và CT
Việc sử dụng CT với máy CMM đa cảm biến cải thiện khả năng vốn có của CT. Dễ dàng đo kiểm các bộ phận cấu thành từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Thêm vào đó, việc kết hợp CT với nhiều loại cảm biến sẽ đạt được độ chính xác cao dễ dàng hơn.

Trước đó, đo kiểm tự động với CT bị giới hạn bởi chi tiết làm từ một vật liệu hoặc các loại vật liệu có hệ số hấp thụ tương đồng, Quét các chi tiết từ nhiều loại vật liệu khác biệt về độ hấp thụ sẽ cho ra các dữ liệu mà bề mặt của các vật liệu có độ hấp thụ nhỏ hơn sẽ không thể trích xuất tự động.

Đo kiểm CT trên chi tiết đa vật liệu, ví dụ như các đầu cắm và cổng nối lắp ráp với chân kim loại trong vỏ nhựa chỉ có thể được thực hiện trên bộ phận kim loại. Bề mạt ngoài của vỏ nhựa sẽ không thể nhìn được trong dữ liệu quét. Do đó, đo kiểm các chi tiết đa vật liệu một cách hoàn toàn đòi hỏi phải đo kiểm với nhiều loại CMM khác nhau và sắp xếp lại chi tiết cho phù hợp với từng cài đặt khác nhau.

Một cách để khắc phục vấn đề này chính là kết hợp cảm biến CT với các cảm biến khác nhau trên hệ thống máy CMM đa cảm biến.



Hình 2. Hai loại máy CMM với cảm biến CT. Máy bên trái được thiết kế chuyên dụng cho việc đo kiểm chính xác cao các chi tiết nhựa, được trang bị với bệ vòng bi khi và thủy tinh có độ phân giải cao cho các trục. Máy bên phải được thiết kế cho việc đo kiểm các chi tiết lớn với nhiều loại vật liệu khác nhau (Nguồn: Werth)

Tùy thuộc vào từng ứng dụng, việc kết hợp các cảm biến sẽ rất hữu dụng. Ví dụ như nếu quét toàn bộ thân vỏ và so sánh với mô hình CAD, sự kết hợp của CT với cảm biến laser đường thẳng, với khả năng quét dữ liệu bề mặt nhanh chóng với độ chính xác ổn định là hữu dụng nhất. Nếu một vài đặc điểm cần đo ở mức chính xác cao hơn thì có thể kết hợp cảm biến CT với đầu đo tiếp xúc, cảm biến khoảng cách laser hoặc cảm biến xử lý hình ảnh. Các tác vụ đo khác trên chi tiết siêu nhỏ có thể đòi hỏi kết hợp giữa cảm biến CT với đầu dò sợi quang.

Để có được độ linh hoạt tốt nhất với cảm biến nhận CT, các cảm biến khác nên được lắp trên các trục riêng biệt. Nhờ vậy, các cảm biến sẽ di chuyển độc lập mà không va chạm với nhau. Hơn nữa, trục xoay sẽ rất hữu dụng cho việc đo kiểm nhiều hướng khác nhau.

Tăng tối đa độ chính xác
Hệ thống đa cảm biến cũng có thể sử dụng để nâng cao độ chính xác của CT bằng cách chỉnh sửa các biến lỗi hệ thống của dữ liệu CT ảnh hưởng từ các tác động vật lý, ví dụ như tác động từ việc tia X tiếp xúc với vật đo. Phương pháp này có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác cho các đặc điểm cần dung sai thấp trong khi vẫn có thể đo kiểm các kích thước khác mà không cần mức tối ưu cao như vậy, để tối giản thời gian đo.

Quá trình sửa lỗi được chia thành 2 bước:
- Tính toán dữ liệu chỉnh sửa cho từng loại chi tiết
- Ứng dụng của dữ liệu chỉnh sửa cho tác vụ đo tiếp theo. Thông thường, việc chỉnh sửa đám mấy điểm CT có thể thực hiện với bất kỳ cảm biến nào có khả năng đo điểm trên bề mặt với MPE tốt hơn cảm biến CT

Chức năng hiệu chỉnh dữ liệu thường bao gồm 4 bước:
- Đo điểm tham chiếu với cảm biến chính xác - Chỉ với chi tiết đầu
- Tạo đám mây điểm CT từ chi tiết đầu tiên ở trên
- Tính toán biến thiên giữ điểm tham chiếu và đám mây điểm CT
- Tạo và lưu trữ dữ liệu chỉnh sửa (Tự động)

Sau khi dữ liệu chỉnh sửa được tạo, nó sẽ được áp dụng tự động cho từng tác vụ đo CT của các chi tiết với hình dạng định danh tương tự . Theo cách này, các biến thiên hệ thống ảnh hưởng từ bất kỳ yếu tố nào, bao gồm làm cứng tia, tán xạ và hiệu ứng Feldkamp sẽ được tối giản.

Ngược lại, với cách tiếp cận cho việc chỉnh sửa biến thiên hệ thống, chức năng auto-correction trực tiếp sử dụng các biến số giữa tác vụ đo CT và tác vụ đo tham chiếu trên cùng một chi tiết, ví dụ, lỗi biến thiên do CT, bao gồm ảnh hưởng của biên dạng và vật liệu mấu sẽ được chỉnh sửa. Các chi tiết có cấu trúc đặc biệt làm từ loại vật liệu như vật mẫu không cần phải chèn vào khối đo cùng như là mô hình CAD với biến dạng lý tưởng, đòi hỏi các công cụ mô phỏng.

Trong đo lường tọa độ, có sự khác biệt rõ rệt giữa thông số và dung sai đo. Thông số là định nghĩa cho các đặc tính của máy CMM nhằm nêu rõ hiệu suất máy. Dung sai đo liên quan đến các chu trình xác định sai số của kết quả đo khi đo kiểm chi tiết, bao gồm tất cả các yếu tố ảnh hưởng.



Hình 3. Hình bên trái thể hiện tùy chọn đa cảm biến bao gồm X-ray detector, đầu đo tiếp xúc, cảm biến hình ảnh, cảm biến khoảng cách laser và adapter cho đầu đo tiếp xúc. Hình bên phải cho thấy tùy chọn đa cảm biến bảo gồm đầu đo laser đường thẳng trên trục xoay với X-ray detector cỡ lớn, độ phân giải cao (Nguồn: Werth)
Thông số
Cho tới giờ, vẫn chưa có thông số cụ thể nào cho hệ thống CMM với cảm biến CT. Có một cách tiếp cận đó là sử dụng các thông số cơ bản và tiêu chuẩn như: MPEE, MPEPS và MPEPE - Được xác định theo DIN EN ISO 10360 [ISO 1] và tích hợp vào công nghệ CT. Cách tiếp cận thực tiến này cho thấy các thông số và tiêu chuẩn có thể rất hữu dụng để áp thông số tham chiếu cho hệ thống CMM với cảm biến CT. Điều này đảm bảo thiết bị đáp ứng được thông số nhà sản xuất đưa ra.

Việc xác thực thông số được thực hiện với khối cầu MPEPF và MPEPS và một khối cầu được thiết kế đặc biệt với khoảng cách không gian được hiệu chuẩn MPEE cho mỗi mức phóng đại. Và những thông số đó phải đạt chuẩn như nhà sản xuất đưa ra mà không có can thiệp của autocorrection.

Thông số theo như mô tả của DIN EN ISO 10360 thể hiện hiệu suất chung của máy trong điều kiện lý tưởng, như sử dụng vật liệu và chi tiết có biên dạng đơn giản. Trái ngược với cảm biến CMM thông thường, kết quả đo hầu như phụ thuộc vào biên dạng và vật liệu của mẫu. Do vậy, khả năng truy xuất tác vụ đo của mẫu thực không được đảm bảo khi chỉ đo kiểm biên dạng tiêu chuẩn. Sử dụng các tiêu chuẩn phức tạp hơn có thể giải quyết vấn đề này nhưng vẫn sẽ không thể thu được kết quả truy xuất tốt nhất của mẫu thực.

Hiện tại, phương pháp duy nhất đó là kiểm tra sai số đo cho một chi tiết cụ thể hoặc thực hiện đo kiểm bổ sung với cảm biến truy xuất. Tác vụ này có thể được thực hiện hiệu quả nhất bằng máy CMM đa cảm biến tích hợp CT. Với mô hình này, việc đo kiểm có thể được thực hiện trong một lần cài đặt trên máy mà không phải tháo dỡ mẫu đo.

Độ lệch phép đo
Bên cạnh các ảnh hưởng thường thấy trên kết quả đo như môi trường, người vận hành, chiến lược đo, đặc tính mẫu và quy trình hiệu chuẩn, sai số đo của Ct bị ảnh hưởng bởi nhiều cảm biến X-ray như mức phóng đại, cường độ anode, điện áp và bộ lọc, cấu thành phần mềm (thuật toán tái tạo, xử lý hình ảnh chiến, hiệu chỉnh), tương tác giữa mẫu đo và nguồn xạ.

Các ảnh hưởng tương tự cũng xảy ra trên cảm biến tiếp xúc và quang học. Khi so sánh với CT, các ảnh hưởng từ vật liệu và biên dạng thường không đáng kể so với các loại cảm biến khác.

Tuy nhiên, thí nghiệm đã chứng minh rằng sai số trong đo kiểm CT có thể được cải thiện trong khoảng 5 μm tới 20 μm bằng việc tối ưu và ổn định các thiết lập. Những điều này dựa trên nguyên lý của CMM với CAA và bù trừ ảnh hưởng nhiệt khi kết hợp các thiết bị X-ray và các thuật toán tiên tiến. Khi so kết quả giữa của đo kiểm CT với đầu đo tiếp xúc, sự khác biệt giữa hai phương pháp nhỏ hơn 10 μm. Và kết quả CT được thu lại bằng cách sử dụng toàn bộ điểm CT có thể khả dụng trên đặc điểm đo.

Việc chọn trước điểm CT sẽ hỗ trợ cho kết quả được tính toán và tạo tính tương quan tốt hơn giữa kết quả đo tiếp xúc của CT. Với mục đích này, chỉ các điểm nằm thuộc đám mây điểm CT và ở gần với điểm đo của đầu tiếp xúc mới được lựa chọn và dùng để tính toán. Từ đó, hầu hết các điểm Ct sẽ tạo thành phạm vi bề mặt lớn nhất, nên lợi thế chính của công nghệ CT vẫn chưa được tận dụng tối đa.

Các cải thiện khác cho độ chính xác yêu cầu sự chính xác của biến thiên hệ thống trong quá trình CT. Việc này có thể giải quyết hiệu quả nhất bằng tính năng autocorrection.

CT là một thiết bị mạnh mẽ, hữu dụng cho nhiều loại ứng dụng và có thể kết hợp rất tốt với máy CMM công nghiệp. Bằng tính năng CT ghép ảnh, các ứng dụng của đo lường CT có thể cải tiến để đo kiểm các chi tiết mẫu lớn với độ phân giải cao và áp dụng hiệu quả cho việc đo kiểm chính xác cao các chi tiết siêu nhỏ. Giải pháp để có kết quả đo với khả năng truy xuất bằng đa cảm biến và autocorrection cho thấy sự nâng cấp đáng kể. Kết quả đo của mẫu thực thể hiện rằng sai số đo nhỏ hơn 10 μm có thể đạt được mà không cần tới đa cảm biến. Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, sai số có thể được giảm thiểu tối đa xuống dưới 5 μm với tính năng autocorrection.

Xem thêm bài viết
Khi Các Phương Pháp Đo Lường Thông Thường Không Thể Đáp Ứng
Đo Kiểm Đa Hướng Với Công Nghệ Multi-Sensor
Phân tách đám mây điểm chỉ với một nút bấm
-------------------------------------------------------
CÔNG TY TNHH CÔNG NGHỆ VÀ DỊCH VỤ TÂN MINH
Phone: +84 24 32055016
Email: marketing@nitech.com.vn
Website: https://nitech.com.vn/
 
Bài viết này rất hay Mình không biết giải pháp đo lường bằng Tia X CT có thể giúp giảm chi phí trong ngành sản xuất như thế nào? Mong bạn ra bài viết mới
 
Bạn có thể chia sẻ thêm về những chiến lược nào có thể được sử dụng để đảm bảo độ chính xác khi sử dụng công nghệ này? Mong bạn giải đáp
 
Top