氣瓶制造公差三維數字圖像分析方法

李曉玲

摘 要：基于光學三坐標測量系統開發了一套適合氣瓶制造公差測量和評價方法。該方法基于光學三維掃描儀、6軸測量臂、計算機輔助測量軟件，實現了氣瓶制造公差的精確測量。現定于設備條件，目前該方法適用于直徑小于1.8 m，長度小于5.4 m的特種設備產品測量，測量精度小于0.08 mm。

關鍵詞：三坐標測量系統 ?氣瓶制造公差 ?三維數字圖像分析方法

中圖分類號：TG801 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0001-05

Three Dimensional Digital Image Analysis Methods About Cylinder Manufacturing Tolerance

Li XiaoLing

（Shenyang Institute of Special Equipment Inspection and Research，shenyang Liaoning，100035，china）

Abstract：Based on the three coordinate measuring system developed a set of suitable for gas cylinder manufacturing tolerance measurement and evaluation method. This method is based on the optical 3 d scanner， 6 axis measuring arm， computer aided measurement software， realizes the accurate measurement of gas cylinders manufacturing tolerance. The method is applicable to diameter less than 1.8 meters， length less than 5.4 meters of cylinder， measurement accuracy is less than 0.08 mm.

Key Word：Three coordinate measuring system;Cylinder manufacturing tolerance;Three dimensional digital image analysis methods

氣瓶是與人民生民財產安全密切相關的特種設備。氣瓶制造公差是影響氣瓶安全性能的一項重要指標。氣瓶制造公差是否符合設計要求，是判斷氣瓶能否安全運行前提條件。

氣瓶制造公差檢測也是氣瓶型式試驗中一項重要內容。在TSG R7002-2009 《氣瓶型式試驗規則》中將氣瓶制造公差列入氣瓶型式試驗項目。根據GB 5099-94、GB/T 11640-2001等氣瓶標準，均要求對氣瓶的制造公差進行測量。

從20世紀50年代第一臺坐標測量機的誕生到今天各類坐標測量設備的廣泛使用，坐標測量已經成為當今工業無可替代的一個重要組成部分。在過去近一個世紀的歷程中，工業和實驗用坐標測量機經歷了多個突破性的飛躍。在已經進入信息時代的今天，三坐標測量技術更是飛速地向前發展著，為工業制造和科學研究提供著巨大的支持。

基于三坐標測量技術的三維數字圖像分析技術是三坐標測量技術與CAD/CAE結合的產物，是目前制造公差測量的先進測量方法。

該文，簡要介紹了基于三座坐標測量技術的氣瓶制造三維數字圖像分析方法。

1 制造公差對氣瓶性能的影響

作為承壓設備，氣瓶的制造公差對氣瓶的性能有著重要影響。

由于制造工藝因素造成的氣瓶筒體圓度偏差呈橢圓狀，對于氣瓶的應力狀體的影響是較大的，因為氣瓶在內壓作用下，氣瓶的筒體將由不同趨向變圓，在此變化過程中，其橢圓的長軸部位曲率將減小，由此產生的附加彎曲應力，在氣瓶外表面為拉應力，而在其內表面為壓應力。也就是說，當氣瓶筒體為橢圓時，筒體各處的應力，除了薄膜應力外，還存在附加彎曲應力。這種應力，隨著氣瓶長度的增加和橢圓度的增加而增大。通過ansys軟件，用有限元的方法對其進行計算，個別甚至達到薄膜應力的50%，這足以使氣瓶提前達到屈服。

氣瓶筒體的圓度偏差還會對氣瓶容積殘余變形率的測定加過造成干擾。氣瓶無論在外測法還是內側法進行容積變形量測定的過程中，存在圓度偏差的氣瓶受壓逐漸變圓，氣瓶容積會變大，產生附加變形量，影響測定結果測準確性。

按照GB 5099-94等標準，氣瓶制造公差測量通常檢測直線度、垂直度、圓度等。直線度檢測通常采用光隙法，常用工具為直尺和塞尺。用直尺逼住氣瓶，觀察直尺與氣瓶筒體縱向間隙，用塞尺測量間隙大小。圓度檢測是用卡尺對氣瓶橫向同意截面從不同角度做直徑測量，在計算氣瓶外徑變動情況，來表征氣瓶筒體圓度偏差情況。垂直度主要是對凹形底氣瓶筒體與瓶底平面垂直情況的檢測，通常方法是將氣瓶放在測量平臺上用垂直于地面的直角尺接觸氣瓶筒體，測量筒體與其之間的縫隙。

通過介紹，我們可以發現這些方法，在測量過程中存在如下問題：（1）由于主要依靠檢測人員，偶然性較大;（2）數據代表性差，無法全面表征氣瓶制造公差;（3）對于氣瓶肩、瓶口等部位無法有效給出測量結果。

2 基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術原理

坐標測量技術是指通過特定的測量設備和方法，將物體的表面轉換成離散的幾何點坐標數據。由于其測量的數據位被測物的表面三維數據，因此又被稱為三坐標測量技術。

數據測量可根據獲取物體表面三維數據的方式分為接觸式和非接觸式，接觸式的測量設備常用的有龍門式三坐標測量機、手持式關節臂，非接觸式的測量設備常用的有二維影像儀、激光掃描儀、三維光學掃描儀。

三維光學掃描儀是目前三維形狀測量中最好的方法之一，主要優點有測量范圍大、速度快、成本低、攜帶方便、易于操作。

三維光學掃描儀的基本原理是把結構光柵投影到物體表面，物體表面形狀不同讓投射過來的光柵影線發生不同的變形，再利用兩個工業相機獲取相應圖像，通過解析變形影線，就可獲得圖像上像素的三維坐標，形成密集的三維點云。其原理如圖1所示。

三坐標測量技術在檢測領域應用經歷了兩個階段。三坐標測量技術早起應用是基于接觸式測量技術對物體表面特征直接測量，獲得特征點的三維空間數據。其典型應用為機加工部件的幾何形位公差測量。該應用代表軟件DELCAM公司的PowerINSPECT軟件。PowerINSPECT軟件與CMM（三坐標測量機）集成的數據采集分析系統，主要用于精密零件的測量及誤差分析（圖2，圖3）。

20世紀隨著計算機技術的發展，CAD、CAE技術廣泛應用于工業生產與科學研究。技術人員可以通過CAD系統獲取設計工件的數字模型，可以通過CAE軟件工件的數字模型進行分析。三維數字圖像分析技術是三坐標測量技術基于CAD、CAE技術在質量檢測領域的最新應用方式。

基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術的原理就是通過三坐標測量系統獲取被測物的表面三維數據點云，然后導入通過CAD系統構建的三維數字模型，將二者進行比對，找出偏差，最后再利用數字圖像技術將這種偏差以不同顏色表示出來。

圖4為發動機蓋與儀表臺焊接總成。圖5為該總成的型面精度三維檢測分析圖，從圖5中我們看見左右顏色存在明顯的區別，據此我們可以確定該焊件存在超差并準確的確定超差部位。

基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術具有檢測全面、結果精確、表述直觀的特點。因此被廣泛應用于航空、汽車、模具制造等多個領域。

3 三維數字圖像分析工作流程及系統的組成

圖6為制造公差三維數字圖像分析工作流程圖。從圖中我們可以看出用于三維數字圖像分析技術的三坐標測量系統主要包括：CAD系統、三坐標測量機、數模比對軟件。

CAD系統軟件為AutoCAD2008、UG 7.0。AutoCAD軟件負責進行產品設計圖修改完善。UG軟件負責制作產品的三維數字模型。

三坐標測量機為Faro光學掃描測量系統，主要包括：Faro Fusion測量臂、Faro V3激光掃描頭、Dell便攜式計算機。Faro Fusion測量臂結構形式為7軸6寸，單點精度0.046 mm，空間長度精度0.064 mm，重量為9.5 kg。Faro V3光學掃描頭精確度為50 μm，數據重復性為±50 μm，激光波長為660 nm，掃描速度為19200點/s。如圖7所示。

點云處理和檢測用的軟件為Geomagic 公司的Qualify12軟件（圖7為其界面）。Qualify12軟件是Geomagic公司開發的一套功能強大完整的框架開放的檢測平臺。由于自身獨特的算法優勢，在在制造業有廣泛的應用，受到廣大用戶的一致好評。可實現對三維掃描數據的提取和處理、三維掃描數據的最佳擬合對位處理和制造公差的檢測分析。Qualify12軟件可以方便的與主流的CAD系統和CAE系統協同工作。Qualify12軟件能夠與常用CAD軟件集成，實現“設計—檢測—驗證分析—再設計”的功能。Qualify 12軟件科技直接導入CAD數據，自動擬合對位三維掃描數據，檢測變形量并生成檢測報告。

該文將運用該套光學三坐標測量系統按照制造公差三維數字圖像分析工作流程對氣瓶樣瓶的各方面數據進行精確的全面采集，將數據與設計數據進行全面的比對，找出產品制造偏差。

4 檢測過程

4.1 三維光學掃描

用Faro激光測量系統對受試氣瓶進行掃描，得到氣瓶的點云數據（圖9）。點云數據要進行處理，消除明顯的噪音點和孤立點。

4.2 制作并導入數模

該過程是進行產品數字化檢測的關鍵步驟。首先要通過AutoCAS軟件對CAD設計圖進行仔細檢查，修正其中差錯。根據氣瓶設計圖紙（CAD圖紙），利用UG軟件制作氣瓶的三維數字模型。并將其導入到Qualify12軟件中（圖10）。

4.3 點云與數模擬合

利用Qualify12中得自動擬合命令將二者擬合在一起。

首先通過專用的算法，軟件分析出數模與點云的特征點（圖11）。

然后，通過反復計算，軟件找出二者之間最佳的擬合對齊方式（圖12）。

4.4 檢測結果分析

運用3D比較命令和2D比較命令對氣瓶制造公差進行檢測。不同顏色根據旁邊的色條，代表不同的偏差水平（圖13）。

4.5 生成報告

運用報告生成器自動生產氣瓶制造公差檢測報告（圖14）。

5 氣瓶檢測結果分析

5.1 3維掃描結果分析

從圖15中不難看出該型號氣瓶筒體部分偏差基本控制在-0.832～0.832 mm之間，結果較為理想。肩部出現了大面積的正向偏差，大部分偏差位于1.465～2.730 mm之間，明顯偏大。氣瓶瓶嘴的表面偏差均指向一側，使其存在一定程度偏離筒體軸線問題。

檢測過程中共掃描到910694個點。點偏差介于-3.995～2.730 mm之間。具體各個區間的點數量，可參見表1。

從表1中可以看出約80%的點偏差位于-0.832～0.2 mm的區間。各個區間偏差點的比例見圖16。

該氣瓶最大偏差點均出現在肩部，利用Qualify12軟件我們制作了針對氣瓶肩部的偏差圖（圖17）。我們看到肩部視圖大部分成黃色，屬于偏差比較大的部分。

5.2 2維剖面結果分析

我們還利用2D分析方法，利用通過氣瓶軸向的截面制作了氣瓶軸向的剖面視圖（圖18）。在這張圖上我們也發現該型氣瓶肩部外形存在嚴重偏差。

綜合上述的檢測，我們現在已經可以斷定該型號氣瓶在試制過程中，肩部的旋壓工藝出現了問題，造成肩部造型與設計圖紙不符，瓶嘴與瓶體軸線偏離。

6 結語

基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術是目前測量技術中有效的測量手段。該技術為生產、科研實際工作提供了一種全新的檢測方法，它徹底改變了檢測技術的內涵。數字化技術的引入，使三坐標測量技術從基于幾何轉為基于計量，計算機圖像技術的應用又使三坐標測量技術變得直觀可見。與傳統測量技術比較，該技術應該講這是一種面向同一對象的二種完全不同的技術體系，同時這二者將一直共存下去，還會經常進行測量結果的比對工作，因此有必要對二者間的差異和關系做一個比較全面的了解（見表2）。

將基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術利用到特種設備型式試驗工作中，目前在國內尚屬首次。

通過幾年來的應用，我感覺到該技術相對傳統測量方法，具有以下優勢。

首先三座測量能夠全面準確的反映氣瓶整體制造公差水平。因此該項技術特別適合于對氣瓶產品進行設計驗證和型式試驗;其次檢測結果準確、重復性好;最后該技術使用受環境條件限制小。

該技術在我院的特種設備型式試驗中已經得到大力推廣。通過多年應用努力，我院完善了相關設備、軟件，編制了相關測量工作的作業指導文件，形成了滿足特種設備試驗檢驗工作具有一定特色的三坐標測量技術應用用技術體系。

三座標測量技術的在工業生產的應用，給航空、汽車、電子等行業技術進步提供了巨大的助益。沒有該項技術，大直徑航空渦輪發動機、外形流暢的汽車、造型新穎的電子產品根本就不會出現人們眼前。我相信隨著這項技術的推廣用，更多的特種設備檢測行業同仁，必將加入到該技術的應用行列中來，希望我們之間擴大交流，共同促進特種設備檢測技術的發展和創新。

參考文獻

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局，氣瓶型式試驗規則[S].

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[6] Geomagic Inc.Geomagic Qualify 12 培訓手冊.2011.

[7] 金濤，童水光.逆向工程技術[M].北京機械工業出版社，2003.

我們還利用2D分析方法，利用通過氣瓶軸向的截面制作了氣瓶軸向的剖面視圖（圖18）。在這張圖上我們也發現該型氣瓶肩部外形存在嚴重偏差。

綜合上述的檢測，我們現在已經可以斷定該型號氣瓶在試制過程中，肩部的旋壓工藝出現了問題，造成肩部造型與設計圖紙不符，瓶嘴與瓶體軸線偏離。

6 結語

基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術是目前測量技術中有效的測量手段。該技術為生產、科研實際工作提供了一種全新的檢測方法，它徹底改變了檢測技術的內涵。數字化技術的引入，使三坐標測量技術從基于幾何轉為基于計量，計算機圖像技術的應用又使三坐標測量技術變得直觀可見。與傳統測量技術比較，該技術應該講這是一種面向同一對象的二種完全不同的技術體系，同時這二者將一直共存下去，還會經常進行測量結果的比對工作，因此有必要對二者間的差異和關系做一個比較全面的了解（見表2）。

將基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術利用到特種設備型式試驗工作中，目前在國內尚屬首次。

通過幾年來的應用，我感覺到該技術相對傳統測量方法，具有以下優勢。

首先三座測量能夠全面準確的反映氣瓶整體制造公差水平。因此該項技術特別適合于對氣瓶產品進行設計驗證和型式試驗;其次檢測結果準確、重復性好;最后該技術使用受環境條件限制小。

該技術在我院的特種設備型式試驗中已經得到大力推廣。通過多年應用努力，我院完善了相關設備、軟件，編制了相關測量工作的作業指導文件，形成了滿足特種設備試驗檢驗工作具有一定特色的三坐標測量技術應用用技術體系。

三座標測量技術的在工業生產的應用，給航空、汽車、電子等行業技術進步提供了巨大的助益。沒有該項技術，大直徑航空渦輪發動機、外形流暢的汽車、造型新穎的電子產品根本就不會出現人們眼前。我相信隨著這項技術的推廣用，更多的特種設備檢測行業同仁，必將加入到該技術的應用行列中來，希望我們之間擴大交流，共同促進特種設備檢測技術的發展和創新。

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[7] 金濤，童水光.逆向工程技術[M].北京機械工業出版社，2003.

我們還利用2D分析方法，利用通過氣瓶軸向的截面制作了氣瓶軸向的剖面視圖（圖18）。在這張圖上我們也發現該型氣瓶肩部外形存在嚴重偏差。

綜合上述的檢測，我們現在已經可以斷定該型號氣瓶在試制過程中，肩部的旋壓工藝出現了問題，造成肩部造型與設計圖紙不符，瓶嘴與瓶體軸線偏離。

6 結語

基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術是目前測量技術中有效的測量手段。該技術為生產、科研實際工作提供了一種全新的檢測方法，它徹底改變了檢測技術的內涵。數字化技術的引入，使三坐標測量技術從基于幾何轉為基于計量，計算機圖像技術的應用又使三坐標測量技術變得直觀可見。與傳統測量技術比較，該技術應該講這是一種面向同一對象的二種完全不同的技術體系，同時這二者將一直共存下去，還會經常進行測量結果的比對工作，因此有必要對二者間的差異和關系做一個比較全面的了解（見表2）。

將基于三坐標測量系統的三維數字圖像分析技術利用到特種設備型式試驗工作中，目前在國內尚屬首次。

通過幾年來的應用，我感覺到該技術相對傳統測量方法，具有以下優勢。

首先三座測量能夠全面準確的反映氣瓶整體制造公差水平。因此該項技術特別適合于對氣瓶產品進行設計驗證和型式試驗;其次檢測結果準確、重復性好;最后該技術使用受環境條件限制小。

該技術在我院的特種設備型式試驗中已經得到大力推廣。通過多年應用努力，我院完善了相關設備、軟件，編制了相關測量工作的作業指導文件，形成了滿足特種設備試驗檢驗工作具有一定特色的三坐標測量技術應用用技術體系。

三座標測量技術的在工業生產的應用，給航空、汽車、電子等行業技術進步提供了巨大的助益。沒有該項技術，大直徑航空渦輪發動機、外形流暢的汽車、造型新穎的電子產品根本就不會出現人們眼前。我相信隨著這項技術的推廣用，更多的特種設備檢測行業同仁，必將加入到該技術的應用行列中來，希望我們之間擴大交流，共同促進特種設備檢測技術的發展和創新。

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