Industrial X-ray computed tomography: accuracy enhancement and errors evaluation towards traceability of coordinate measurements

In the recent years, X-ray computed tomography (CT) has been increasingly used in the field of coordinate metrology for performing dimensional verifications on industrial parts. X-ray CT provides significant advantages compared to traditional coordinate measuring machines, which have made this technology one of the most promising and innovative non-contact measuring techniques in the field of dimensional metrology. With a CT scan of the component to be inspected, it is possible to obtain, in a relatively short time and in a non-contact way, its volumetric model fully describing its internal and external geometries. On this three-dimensional model a multitude of measuring tasks can be performed, which often are not possible with conventional measuring technologies; these include the measurement of inner and non-accessible complex geometrical features without any need to cut or destroy the part. CT, therefore, has acquired a primary role in the field of dimensional metrology, enabling also the inspection and analysis of new and innovative products. However, despite the advantages that X-ray CT provides there are some current challenges that need to be addressed in order for CT systems to be widely accepted in the field of coordinate metrology. As for all coordinate measuring systems, CT measurements must be traceable to the unit of length, the meter, and CT measurement uncertainty must be adequate for the measuring tasks performed. The establishment of measurements traceability and the study and enhancement of CT measurement accuracy however are complex tasks, mainly due to the several influence factors that affect CT measurement chain. At the state of the art, no internationally accepted standards are available for testing CT metrological performances and for determining the uncertainty of CT measurements – which is a fundamental requirement for establishing metrological traceability. This PhD thesis contributes with research on these topics. The effects of relevant influence factors affecting CT measurements are studied and modelled with the aims of characterizing the measurement errors produced by each influence factor and to determine the sensitivity of measurement results to these error sources. This is a primary fundamental step for the establishment of measurement traceability and for the enhancement of CT measurement accuracy. The effects of CT system geometrical errors are studied and quantitatively determined. Different experimental campaigns were designed in order to determine the measurement errors caused by geometric errors of the X-ray detector and of the rotary table. The sensitivity of the measurement results to each of the investigated geometrical errors is provided, moreover the influence of the measurement direction and object positioning in the CT volume is determined. The analysis and mapping of geometrical errors is fundamental in coordinate metrology, and the system geometry influences the whole measurement chain. A thorough experimental description of the effects produced by CT system geometrical errors still lacks in literature. Measurement errors due to the cone-beam artifact – which is an inherent influence factor in circular cone-beam trajectories – are studied and mapped by means of experimental investigations. An advanced solution in the field of CT metrology, the use of helical scanning trajectories, is studied in order to exploit all the benefits that CT can offer in terms of measurement accuracy, scan resolution and image quality. CT helical scanning metrological performances are investigated, as well as the effects of the main helical scanning parameters on the measurement accuracy. Being a multi-purpose measuring technique, X-ray CT offers the possibility to scan a wide variety of industrial parts, which in some cases are characterized by high surface roughness. It is thus of significant importance to quantify the effects of the workpiece surface roughness on CT dimensional measurements. For this purpose, different reference objects were designed in order to experimentally map the effects of surface roughness on CT dimensional measurements performed on periodic roughness profiles. Numerical simulation campaigns were also designed and performed in order to analyze difficult to produce profiles. The measurement errors caused by surface roughness with respect to conventional tactile coordinate measurements are reported and a model for roughness error correction is provided. Measurement uncertainty is calculated according to the substitution method and it is demonstrated how the correction of roughness effects is fundamental for a proper determination of CT measurement uncertainty and for a significant enhancement of measurement accuracy.

Negli ultimi anni, la tomografia computerizzata a raggi X (X-ray computed tomography, CT) è sempre più utilizzata nel campo della metrologia a coordinate per effettuare verifiche dimensionali di componenti industriali. La tomografia computerizzata a raggi X fornisce vantaggi significativi rispetto alle tradizionali macchine di misura a coordinate, i quali hanno reso questa tecnologia una delle tecniche di misura non a contatto più promettenti ed innovative nel campo della metrologia dimensionale. Dalla scansione tomografica del componente da ispezionare è possibile ottenere, in un tempo relativamente ridotto e senza alcuna forma di contatto, il suo modello volumetrico il quale descrive le geometrie interne ed esterne di tale componente. Su questo modello tridimensionale è possibile eseguire una moltitudine di task di misura, spesso non possibili con le tecniche di misura tradizionali, come ad esempio la misurazione di caratteristiche geometriche interne e non accessibili ed estremamente complesse, senza alcuna esigenza di sezionare o alterare il componente. La tomografia a raggi X pertanto ha acquisito un ruolo primario nel campo della metrologia dimensionale, consentendo inoltre l’ispezione e l’analisi di prodotti nuovi ed innovativi. Tuttavia, nonostante i vantaggi che la tomografia computerizzata consente, ci sono varie sfide che devono essere indirizzate per far sì che i sistemi CT vengano ampiamente accettati nel campo della metrologia a coordinate. Come per tutti i sistemi di misura a coordinate, le misure CT devono essere riferibili all’unità di misura di lunghezza, il metro, e l’incertezza di misura deve essere adeguata per il task di misura da effettuare. L’ottenimento della riferibilità metrologica e lo studio ed il miglioramento dell’accuratezza di misura CT tuttavia sono compiti molto complessi, principalmente a causa dei numerosi fattori di influenza che intervengono nella catena di misura tomografica. Allo stato dell’arte non sono disponibili norme accettate a livello internazionale per la caratterizzazione delle prestazioni metrologiche dei sistemi CT e per la determinazione dell’incertezza di misura – che è un requisito fondamentale per stabilire la riferibilità metrologica. Questa tesi di dottorato contribuisce alla ricerca su questi argomenti. Gli effetti di rilevanti fattori di influenza che affliggono la catena di misura CT sono studiati e modellati, con gli obiettivi di caratterizzare gli errori di misura prodotti da ogni fattore di influenza e di determinare la sensitività dei risultati di misura rispetto a queste fonti di errore. Questo è un passo fondamentale per stabilire la riferibilità metrologica delle misure CT e per il miglioramento dell’accuratezza di misura. In questa tesi, gli effetti degli errori geometrici di un sistema CT sono studiati e determinati quantitativamente. Diverse campagne sperimentali sono state progettate e condotte allo scopo di determinare gli errori di misura causati dagli errori geometrici del detector e della tavola rotante. La sensitività dei risultati di misura rispetto agli errori geometrici investigati è analizzata e discussa, inoltre l’influenza della direzione di misura e del posizionamento del campione nel volume CT è determinata. L’analisi e la determinazione degli errori geometrici è fondamentale nella metrologia a coordinate, e la geometria del sistema influenza tutta la catena di misura. Una descrizione sperimentale dettagliata degli effetti prodotti dagli errori geometrici di un sistema CT non è ancora presente in letteratura. Gli errori di misura causati dal cone-beam artifact – un fattore di influenza inerente alle scansioni con traiettoria circolare a fascio conico – sono studiati e mappati tramite investigazioni sperimentali. Una soluzione avanzata nel campo della tomografia per la metrologia, l’utilizzo di traiettorie di scansione elicoidali, è studiata in questa tesi allo scopo di sfruttare tutti i benefici che la tomografia può offrire in termini di accuratezza di misura, risoluzione e qualità di immagine. Le prestazioni metrologiche delle scansioni elicoidali sono investigate, ed anche gli effetti dei principali parametri di scansione elicoidali sull’accuratezza di misura. Essendo una tecnica di misura estremamente polivalente, la tomografia computerizzata a raggi X offre la possibilità di scansionare una grande vastità di componenti industriali, i quali in alcuni casi sono caratterizzati da un’alta rugosità superficiale. È quindi di fondamentale importanza quantificare gli effetti della rugosità superficiale del componente scansionato sulle misure tomografiche dimensionali. A questo fine, diversi campioni di riferimento sono stati sviluppati in questo lavoro con lo scopo di mappare sperimentalmente gli effetti della rugosità sulle misure dimensionali tomografiche effettuate su profili di rugosità periodici. Delle campagne di simulazione numeriche sono inoltre state progettate ed eseguite per analizzare profili complessi da produrre sperimentalmente. Gli errori di misura causati dalla rugosità superficiale rispetto alle tradizionali misure a coordinate a contatto sono riportati e discussi, ed è presentato il modello sviluppato per la correzione degli errori causati dalla rugosità superficiale. L’incertezza di misura è calcolata secondo il metodo di sostituzione, e viene dimostrato come la correzione degli errori dovuti alla rugosità superficiale è fondamentale per una determinazione appropriata dell’incertezza di misura e per un significativo miglioramento dell’accuratezza di misura.