《增材制造結(jié)構(gòu)成型尺寸工業(yè)CT測量方法》

編制說明

1、工作簡況

（1）任務(wù)來源

本項目任務(wù)來源于《中國材料與試驗團體標準制修訂項目》，項目名稱《增

材制造結(jié)構(gòu)成型尺寸工業(yè)CT測量方法》。

（2）主要參加單位

中國航發(fā)北京航空材料研究院，南昌航空大學(xué)。

（3）工作組成員

史亦韋、陳子木、敖波、王倩妮、高祥熙、胡正偉。

2、標準化對象簡要情況及制修訂標準的原則

2.1標準化對象簡要情況

本標準是方法標準，用于根據(jù)被測增材制造結(jié)構(gòu)的CT圖像測量幾何尺寸的

標準。增材制造零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有儀器設(shè)備由于測量可達性限制難以對零件進

行尺寸測量以保證驗收質(zhì)量。工業(yè)CT尺寸測量技術(shù)具有不受材料及表面限制的

優(yōu)點，可對目標幾何結(jié)構(gòu)進行直觀成像而不受周圍細節(jié)遮擋。工業(yè)CT雖然已應(yīng)

用于各種復(fù)雜零件的尺寸測量，但由于增材制造零件通常具有薄壁結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的

半高寬圖像測量方法容易引入較大的測量誤差，另一方面高密度點陣結(jié)構(gòu)等特殊

結(jié)構(gòu)會在圖像中形成較為嚴重的散射偽像從而影響表面的確定，加之增材制造工

件由于制造工藝不同會導(dǎo)致材料致密性及均勻性產(chǎn)生偏差，因此會產(chǎn)生較大的測

量不確定度。在試驗設(shè)備方面，目前用于產(chǎn)品幾何尺寸測量的工業(yè)CT設(shè)備包括

以線陣列探測器為基礎(chǔ)的扇束工業(yè)CT檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有散射線影響小的技

術(shù)優(yōu)勢，通常用于高密度金屬或復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的檢測，但由于單次掃描零件范圍

為mm級別，成像效率較低。另一種工業(yè)CT設(shè)備是以面陣列探測器為基礎(chǔ)的錐

束工業(yè)CT檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接實現(xiàn)零件內(nèi)外部三維成像，檢測效率高，但散

射線對結(jié)構(gòu)表面識別和坐標定位具有較大影響。

在ASTM、ISO、國標、國軍標中沒有增材制造零件結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸工業(yè)CT

尺寸測量方法的相關(guān)標準。

2.2制修訂標準的原則

本標準的編制廣泛調(diào)研了國內(nèi)外工業(yè)CT檢測技術(shù)、圖像測量技術(shù)、產(chǎn)品幾

何技術(shù)規(guī)范（GPS）和坐標測量技術(shù)等相關(guān)標準。國外相關(guān)標準有：ISO15530

《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）坐標測量機（CMM）確定測量不確定度的技術(shù)》、

VDI/VDE2630《工業(yè)CT尺寸測量》、美國空軍MAI計劃《航空航天鑄件扇束

工業(yè)CT尺寸測量方法指南》。國內(nèi)標準有：GJB5312《工業(yè)射線層析成象（CT）

檢測》、GB/T29067《無損檢測工業(yè)射線層析成像（CT）圖像測量方法》。在廣

泛調(diào)研、分析國內(nèi)外相關(guān)標準及資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的工業(yè)CT系統(tǒng)的技術(shù)

性能，編制具有先進性、適用性的標準，滿足增材制造結(jié)構(gòu)成型尺寸工業(yè)CT測

量的要求。

3、采用國際標準和國外先進標準情況

本標準沒有直接采用國際標準和國外先進標準，但參照借鑒了以下國外先

進標準及文件：

（1）《VDI/VDE2630工業(yè)CT尺寸測量》；

（2）《美國空軍MAI計劃航空航天鑄件扇束工業(yè)CT尺寸測量方法指南》。

本標準關(guān)于測量不確定度、測量過程符合性、自動測量主要參考了

VDI/VDE2630工業(yè)CT尺寸測量。關(guān)于標準試件、檢測工裝、數(shù)據(jù)存儲主要參

考了美國空軍MAI計劃的相關(guān)工藝方法和應(yīng)用經(jīng)驗。

4、標準主要內(nèi)容確定依據(jù)

為滿足射線防護要求并提供合適的檢測現(xiàn)場環(huán)境，本標準參照了GJB5312

中對環(huán)境條件的相關(guān)要求。

在檢測設(shè)備與器材方面，為兼顧多種類型的工業(yè)CT設(shè)備，本標準的檢測設(shè)

備要求引用GJB5312相關(guān)規(guī)定，并增加“A/D采樣分辨率不低于16位”的規(guī)定，

該要求為大部分設(shè)備和新型設(shè)備所能接受，同時能夠滿足采樣精度的要求。

CT系統(tǒng)性能如空間分辨率、密度分辨率等指標參照GJB5312進行核查。

檢測工藝主要參考了GJB5312中的相關(guān)要求，并根據(jù)增材制造幾何尺寸測

量做出了特殊規(guī)定。

掃描方式推薦三代掃描，根據(jù)目前增材制造零件尺寸的檢測需求，三代掃

描方式在檢測效率、測量方法、圖像質(zhì)量等方面相比于其他掃描方式具有更大優(yōu)

勢。

人工測量兼容圖像測量和坐標測量軟件，直接引用GB/T29067；半自動測

量兼容圖像測量和坐標測量軟件，以致不屏蔽國內(nèi)部分廠商的軟件；自動測量從

坐標測量技術(shù)出發(fā)，主要參考了VDI/VDE2630對任務(wù)C分類的流程介紹并作

出適當修改，提出了自動測量的推薦流程方法。

通過分析散射線校準前后工業(yè)CT圖像質(zhì)量和尺寸測量數(shù)據(jù)，確定錐束CT

掃描中散射線的影響程度，并將其列為一項工藝選擇的具體要求。

以校準過的不同厚度薄片作為對比試塊進行工業(yè)CT尺寸測量，結(jié)合理論分

析確定同一工業(yè)CT系統(tǒng)在相同測量工藝及環(huán)境下具有尺寸測量極限，該極限值

與此時工業(yè)CT成像系統(tǒng)的線擴散函數(shù)相關(guān)。同時，通過對比試驗分析了結(jié)構(gòu)表

面位置確定方法的誤差，確定了不同尺寸范圍的結(jié)構(gòu)表面確定方法的選擇依據(jù)。

5、主要試驗（或驗證）結(jié)果的分析

為驗證本項目研究的工業(yè)CT尺寸測量精度，制作了工業(yè)CT尺寸測量標準

試件，如圖1所示。采用本項目確定的檢測方法，進行工業(yè)CT成像試驗和幾何

尺寸測量。

圖1尺寸測量標準試件

試驗器材包括：工業(yè)CT檢測系統(tǒng)GEPhoenixv|tome|xC450，CT圖像處

理軟件VGStudioMax，工業(yè)CT尺寸測量標準試件。

尺寸測量標準試件經(jīng)航空304所通過多功能坐標測量機（編號1-706-04）進

行校準，該測量機測量范圍為400mm*400mm*250mm，最大允許誤差1.9um，測

試標準為《GB/T1958-2017產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）幾何公差檢測與驗證》。

尺寸校準結(jié)果見表1。

表1試樣幾何尺寸校準值

編號幾何量校準值

11#試樣支點間距39.96mm

21#試樣板厚0.41mm

32#試樣厚度4.13mm

采用450kV工業(yè)CT檢測系統(tǒng)對尺寸測量標準樣件進行掃描成像，工藝參

數(shù)如下：管電壓400kV，管電流1600uA，積分時間50ms，探測器微動次數(shù)1次，

旋轉(zhuǎn)投影數(shù)量1000，放大比為2，重建像素尺寸1:2。

重建圖像像素尺寸為0.1mm，對重建圖像采用局部最大灰度梯度法進行結(jié)

構(gòu)表面位置確定，梯度搜索距離為8像素。對經(jīng)表面確定的體素進行尺寸測量，

結(jié)果如圖2所示。

圖2工業(yè)CT尺寸測量結(jié)果

其中1#試樣支點間距采用支點高斯擬合圓的圓心距進行測量，1#試樣板厚

采用最小壁厚值的平均值進行測量，2#試樣厚度采用材料兩側(cè)平面間距進行測

量。測量結(jié)果見表2。

表2工業(yè)CT尺寸測量結(jié)果及誤差

編號幾何量校準值測量值測量誤差

11#試樣支點間距39.96mm40.04mm0.08mm

21#試樣板厚0.41mm0.46mm0.05mm

32#試樣厚度4.13mm4.06mm-0.07mm

上述試驗結(jié)果表明，采用本研究設(shè)計的檢測方案，在工業(yè)CT尺寸測量標準

試件上，最大尺寸測量誤差為0.08mm。

在尺寸測量極限方面，對厚度經(jīng)校準的薄壁結(jié)構(gòu)進行工業(yè)CT掃描成像，選

用GEPhoenixv|tome|xC450工業(yè)CT成像系統(tǒng)，試驗過程中選用參數(shù)為：管電

壓400kV，管電流1500uA，積分時間100ms，放大比2，探測器一次微動，像

素尺寸0.1mm，不使用濾波片，探測器通過空氣進行校準，試樣旋轉(zhuǎn)一周采集

1000幅圖像。選擇厚度分別為4.00mm、3.50mm、3.00mm、2.50mm、2.00mm、

1.50mm、1.00mm、0.75mm、0.50mm的薄壁結(jié)構(gòu)，相同厚度的試樣數(shù)量為3個，

±μ

其校準厚度偏差小于0.35m。對于厚度小于0.50mm的薄壁結(jié)構(gòu)，則選擇厚度

分別為0.40mm、0.30mm、0.20mm的塞尺進行工業(yè)CT掃描成像并測量厚度。

對薄壁結(jié)構(gòu)進行工業(yè)CT掃描成像，結(jié)果如圖3所示。

圖3薄壁結(jié)構(gòu)工業(yè)CT成像

對每個薄壁結(jié)構(gòu)沿壁厚方向做灰度分布分析，不同厚度的薄壁結(jié)構(gòu)灰度分

布經(jīng)幅值歸一化后如圖4所示。容易看出，無論是半高寬法還是最大灰度梯度法，

對于厚度小于0.50mm的薄壁結(jié)構(gòu)灰度分布都接近于厚度為0.50mm的薄壁結(jié)構(gòu)。

因此0.50mm可作為該工業(yè)CT系統(tǒng)的測量分辨率。

圖4不同厚度薄壁結(jié)構(gòu)圖像試驗測量灰度分布

為了進一步驗證半高寬法和最大灰度梯度法對不同厚度薄壁結(jié)構(gòu)的測量誤

差，分別通過理論計算以及試驗測量的圖像灰度分布進行尺寸分析，得到的壁厚

測量結(jié)果如表3和圖5所示。容易看出對于理論計算的薄壁結(jié)構(gòu)灰度分布，當壁

厚尺寸大于線擴散函數(shù)擴展寬度時，半高寬法和最大梯度法的測量誤差均小于

±0.01mm，當壁厚尺寸小于線擴散函數(shù)擴展寬度但大于壁厚測量極限值時，最

大灰度梯度法具有更小的測量誤差，當小于壁厚測量極限時，測量誤差顯著增大，

隨著薄壁結(jié)構(gòu)厚度減小，半高寬法和最大梯度法的壁厚測量值均趨近于壁厚測量

極限，這也與前述的解析分析相一致。但對于試驗測量的壁厚尺寸，當實際壁厚

大于壁厚測量極限值時，半高寬法相比最大灰度梯度法一直具有更小的測量誤差，

對于本項目采用的工業(yè)CT成像系統(tǒng)，半高寬法尺寸測量誤差小于±0.04mm，

最大灰度梯度法尺寸測量誤差小于±0.08mm，這主要是由于灰度梯度的計算較

灰度極值更為靈敏，因此受系統(tǒng)噪聲影響明顯。隨著薄壁結(jié)構(gòu)尺寸減小至小于壁

厚測量極限，半高寬法和最大灰度梯度法尺寸試驗測量結(jié)果依然呈單調(diào)下降的趨

勢，測量誤差顯著增大，但此時最大灰度梯度法的測量誤差相比半高寬法較小。

隨著薄壁結(jié)構(gòu)厚度減小，成像調(diào)制度下降因此受系統(tǒng)噪聲的影響程度大幅增加，

采用半高寬法和最大灰度梯度法計算壁厚均會產(chǎn)生嚴重的誤差，因此與理論推導(dǎo)

的結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。對比試驗測量結(jié)果和理論計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當薄壁結(jié)構(gòu)尺寸

大于壁厚測量極限時，兩者具有較好的一致性，當薄壁結(jié)構(gòu)尺寸小于壁厚測量極

限時，理論計算結(jié)果趨近于某個固定值。雖然試驗測量結(jié)果依然能夠保持尺寸減

小的趨勢，但是測量誤差逐漸增大。

表3薄壁結(jié)構(gòu)壁厚圖像測量結(jié)果（單位：mm）

試驗結(jié)果仿真結(jié)果

標稱值

半高寬法最大梯度法半高寬法最大梯度法

14.004.003.994.004.00

23.503.483.453.503.50

33.002.982.963.003.00

42.502.482.442.502.50

52.001.971.932.002.00

61.501.461.421.501.50

71.000.960.951.011.00

80.750.720.690.770.76

90.500.510.460.570.53

100.400.480.400.530.49

110.300.430.360.490.46

120.200.410.340.470.44

圖5薄壁結(jié)構(gòu)壁厚測量結(jié)果對比

綜上所述，當結(jié)構(gòu)尺寸大于0.5mm時，半高寬法和最大灰度梯度法引入的

測量誤差均小于±0.1mm。當結(jié)構(gòu)尺寸小于0.5mm時，半高寬法和最大灰度梯

度法引入的測量誤差不超過±0.3mm。

U=?+kub22

通過MPp可計算測量不確定度。而在經(jīng)過系統(tǒng)誤差修正后，測

量不確定度就可作為尺寸測量精度的評價參量。

u

根據(jù)表4可以計算出點陣鏤空結(jié)構(gòu)周期間距的測量不確定度，其中p為

U=2?0.0322+0.0224=0.075

0.0224mm，經(jīng)過上述公式計算MPmm。

表4點陣周期間距測量不確定度計算

序號測試者X間距1X間距2Y間距1Y間距2Z間距1Z間距2

1A5.005.044.984.965.024.99

2A4.955.025.014.925.024.97

3A4.984.964.954.965.015.02

4A4.965.014.964.985.034.96

5A5.015.024.994.974.984.97

6B4.974.974.965.025.005.03

7B4.974.984.985.014.995.00

8B5.034.984.974.985.005.02

9B4.994.985.005.015.014.99

10B4.955.004.975.014.984.99

11A5.004.984.974.975.025.01

12A4.984.994.964.975.025.03

13A5.034.984.994.975.004.97

14A4.945.015.025.004.974.98

15A4.975.004.934.974.994.97

16B4.965.014.964.995.024.99

17B4.994.985.004.985.015.00

18B5.014.994.954.974.994.97

19B4.984.984.985.025.024.99

20B5.025.024.974.965.014.99

平均值4.9854.9954.9754.9815.0554.992

標準不確定度0.02670.02060.02210.02490.01670.0212

測量不確定度0.0224

6、與有關(guān)的現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)和強制性標準的關(guān)系

本標準與現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)無抵觸，與相關(guān)強制性標準無沖

突。

7、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)

無。

8、預(yù)期的社會、經(jīng)濟效果

該標準的制定和發(fā)行，可用于增材制造零件工業(yè)CT尺寸測量方法實施過程

中的質(zhì)量控制，縮短生產(chǎn)制造周期，降低制造成本，指導(dǎo)生產(chǎn)部門編制增材制造

零件的工業(yè)CT尺寸測量規(guī)程，也可用作相關(guān)質(zhì)控要求的依據(jù)文件及軍工產(chǎn)品訂

貨的參考文件，在提高產(chǎn)品的競爭力等方面都具有十分重要的意義。

9、貫徹標準的要求和措施建議

建議標準發(fā)布后能盡快開展新標準的宣貫工作，使增材制造領(lǐng)域的相關(guān)從

業(yè)人員能充分了解標準的內(nèi)容，加深對標準內(nèi)容的理解，以便更好地使用標準。

10、廢止有關(guān)標準的建議

無。

11、標準涉及專利情況說明

無。

12、重要需要說明的事項

無。

CSTM團體標準

編制說明

標準名稱增材制造結(jié)構(gòu)成型尺寸工業(yè)CT測量方法

主編單位中國航發(fā)北京航空材料研究院

計劃編號

填報時間2019年9月12日

《增材制造結(jié)構(gòu)成型尺寸工業(yè)CT測量方法》

編制說明

1、工作簡況

（1）任務(wù)來源

本項目任務(wù)來源于《中國材料與試驗團體標準制修訂項目》，項目名稱《增

材制造結(jié)構(gòu)成型尺寸工業(yè)CT測量方法》。

（2）主要參加單位

中國航發(fā)北京航空材料研究院，南昌航空大學(xué)。

（3）工作組成員

史亦韋、陳子木、敖波、王倩妮、高祥熙、胡正偉。

2、標準化對象簡要情況及制修訂標準的原則

2.1標準化對象簡要情況

本標準是方法標準，用于根據(jù)被測增材制造結(jié)構(gòu)的CT圖像測量幾何尺寸的

標準。增材制造零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有儀器設(shè)備由于測量可達性限制難以對零件進

行尺寸測量以保證驗收質(zhì)量。工業(yè)CT尺寸測量技術(shù)具有不受材料及表面限制的

優(yōu)點，可對目標幾何結(jié)構(gòu)進行直觀成像而不受周圍細節(jié)遮擋。工業(yè)CT雖然已應(yīng)

用于各種復(fù)雜零件的尺寸測量，但由于增材制造零件通常具有薄壁結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的

半高寬圖像測量方法容易引入較大的測量誤差，另一方面高密度點陣結(jié)構(gòu)等特殊

結(jié)構(gòu)會在圖像中形成較為嚴重的散射偽像從而影響表面的確定，加之增材制造工

件由于制造工藝不同會導(dǎo)致材料致密性及均勻性產(chǎn)生偏差，因此會產(chǎn)生較大的測

量不確定度。在試驗設(shè)備方面，目前用于產(chǎn)品幾何尺寸測量的工業(yè)CT設(shè)備包括

以線陣列探測器為基礎(chǔ)的扇束工業(yè)CT檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有散射線影響小的技

術(shù)優(yōu)勢，通常用于高密度金屬或復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的檢測，但由于單次掃描零件范圍

為mm級別，成像效率較低。另一種工業(yè)CT設(shè)備是以面陣列探測器為基礎(chǔ)的錐

束工業(yè)CT檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接實現(xiàn)零件內(nèi)外部三維成像，檢測效率高，但散

射線對結(jié)構(gòu)表面識別和坐標定位具有較大影響。

在ASTM、ISO、國標、國軍標中沒有增材制造零件結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸工業(yè)CT

尺寸測量方法的相關(guān)標準。

2.2制修訂標準的原則

本標準的編制廣泛調(diào)研了國內(nèi)外工業(yè)CT檢測技術(shù)、圖像測量技術(shù)、產(chǎn)品幾

何技術(shù)規(guī)范（GPS）和坐標測量技術(shù)等相關(guān)標準。國外相關(guān)標準有：ISO15530

《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）坐標測量機（CMM）確定測量不確定度的技術(shù)》、

VDI/VDE2630《工業(yè)CT尺寸測量》、美國空軍MAI計劃《航空航天鑄件扇束

工業(yè)CT尺寸測量方法指南》。國內(nèi)標準有：GJB5312《工業(yè)射線層析成象（CT）

檢測》、GB/T29067《無損檢測工業(yè)射線