气瓶制造公差三维数字图像分析方法

摘 要：基于光学三坐标测量系统开发了一套适合气瓶制造公差测量和评价方法。该方法基于光学三维扫描仪、6轴测量臂、计算机辅助测量软件，实现了气瓶制造公差的精确测量。现定于设备条件，目前该方法适用于直径小于1.8 m，长度小于5.4 m的特种设备产品测量，测量精度小于0.08 mm。

关键词：三坐标测量系统  气瓶制造公差  三维数字图像分析方法

中图分类号：TG801 文献标识码：A 文章编号：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

气瓶是与人民生民财产安全密切相关的特种设备。气瓶制造公差是影响气瓶安全性能的一项重要指标。气瓶制造公差是否符合设计要求，是判断气瓶能否安全运行前提条件。

气瓶制造公差检测也是气瓶型式试验中一项重要内容。在TSG R7002-2009 《气瓶型式试验规则》中将气瓶制造公差列入气瓶型式试验项目。根据GB 5099-94、GB/T 11640-2001等气瓶标准，均要求对气瓶的制造公差进行测量。

从20世纪50年代第一台坐标测量机的诞生到今天各类坐标测量设备的广泛使用，坐标测量已经成为当今工业无可替代的一个重要组成部分。在过去近一个世纪的历程中，工业和实验用坐标测量机经历了多个突破性的飞跃。在已经进入信息时代的今天，三坐标测量技术更是飞速地向前发展着，为工业制造和科学研究提供着巨大的支持。

基于三坐标测量技术的三维数字图像分析技术是三坐标测量技术与CAD/CAE结合的产物，是目前制造公差测量的先进测量方法。

该文，简要介绍了基于三座坐标测量技术的气瓶制造三维数字图像分析方法。

1 制造公差对气瓶性能的影响

作为承压设备，气瓶的制造公差对气瓶的性能有着重要影响。

由于制造工艺因素造成的气瓶筒体圆度偏差呈椭圆状，对于气瓶的应力状体的影响是较大的，因为气瓶在内压作用下，气瓶的筒体将由不同趋向变圆，在此变化过程中，其椭圆的长轴部位曲率将减小，由此产生的附加弯曲应力，在气瓶外表面为拉应力，而在其内表面为压应力。也就是说，当气瓶筒体为椭圆时，筒体各处的应力，除了薄膜应力外，还存在附加弯曲应力。这种应力，随着气瓶长度的增加和椭圆度的增加而增大。通过ansys软件，用有限元的方法对其进行计算，个别甚至达到薄膜应力的50%，这足以使气瓶提前达到屈服。

气瓶筒体的圆度偏差还会对气瓶容积残余变形率的测定加过造成干扰。气瓶无论在外测法还是内侧法进行容积变形量测定的过程中，存在圆度偏差的气瓶受压逐渐变圆，气瓶容积会变大，产生附加变形量，影响测定结果测准确性。

按照GB 5099-94等标准，气瓶制造公差测量通常检测直线度、垂直度、圆度等。直线度检测通常采用光隙法，常用工具为直尺和塞尺。用直尺逼住气瓶，观察直尺与气瓶筒体纵向间隙，用塞尺测量间隙大小。圆度检测是用卡尺对气瓶横向同意截面从不同角度做直径测量，在计算气瓶外径变动情况，来表征气瓶筒体圆度偏差情况。垂直度主要是对凹形底气瓶筒体与瓶底平面垂直情况的检测，通常方法是将气瓶放在测量平台上用垂直于地面的直角尺接触气瓶筒体，测量筒体与其之间的缝隙。

通过介绍，我们可以发现这些方法，在测量过程中存在如下问题：（1）由于主要依靠检测人员，偶然性较大;（2）数据代表性差，无法全面表征气瓶制造公差;（3）对于气瓶肩、瓶口等部位无法有效给出测量结果。

2 基于三坐标测量系统的三维数字图像分析技术原理

坐标测量技术是指通过特定的测量设备和方法，将物体的表面转换成离散的几何点坐标数据。由于其测量的数据位被测物的表面三维数据，因此又被称为三坐标测量技术。

数据测量可根据获取物体表面三维数据的方式分为接触式和非接触式，接触式的测量设备常用的有龙门式三坐标测量机、手持式关节臂，非接触式的测量设备常用的有二维影像仪、激光扫描仪、三维光学扫描仪。

三维光学扫描仪是目前三维形状测量中最好的方法之一，主要优点有测量范围大、速度快、成本低、携带方便、易于操作。

三维光学扫描仪的基本原理是把结构光栅投影到物体表面，物体表面形状不同让投射过来的光栅影线发生不同的变形，再利用两个工业相机获取相应图像，通过解析变形影线，就可获得图像上像素的三维坐标，形成密集的三维点云。其原理如图1所示。

三坐标测量技术在检测领域应用经历了两个阶段。三坐标测量技术早起应用是基于接触式测量技术对物体表面特征直接测量，获得特征点的三维空间数据。其典型应用为机加工部件的几何形位公差测量。该应用代表软件DELCAM公司的PowerINSPECT软件。PowerINSPECT软件与CMM（三坐标测量机）集成的数据采集分析系统，主要用于精密零件的测量及误差分析（图2，图3）。

20世纪随着计算机技术的发展，CAD、CAE技术广泛应用于工业生产与科学研究。技术人员可以通过CAD系统获取设计工件的数字模型，可以通过CAE软件工件的数字模型进行分析。三维数字图像分析技术是三坐标测量技术基于CAD、CAE技术在质量检测领域的最新应用方式。

基于三坐标测量系统的三维数字图像分析技术的原理就是通过三坐标测量系统获取被测物的表面三维数据点云，然后导入通过CAD系统构建的三维数字模型，将二者进行比对，找出偏差，最后再利用数字图像技术将这种偏差以不同颜色表示出来。

图4为发动机盖与仪表台焊接总成。图5为该总成的型面精度三维检测分析图，从图5中我们看见左右颜色存在明显的区别，据此我们可以确定该焊件存在超差并准确的确定超差部位。

基于三坐标测量系统的三维数字图像分析技术具有检测全面、结果精确、表述直观的特点。因此被广泛应用于航空、汽车、模具制造等多个领域。

3 三维数字图像分析工作流程及系统的组成

图6为制造公差三维数字图像分析工作流程图。从图中我们可以看出用于三维数字图像分析技术的三坐标测量系统主要包括：CAD系统、三坐标测量机、数模比对软件。

CAD系统软件为AutoCAD2008、UG 7.0。AutoCAD软件负责进行产品设计图修改完善。UG软件负责制作产品的三维数字模型。

三坐标测量机为Faro光学扫描测量系统，主要包括：Faro Fusion测量臂、Faro V3激光扫描头、Dell便携式计算机。Faro Fusion测量臂结构形式为7轴6寸，单点精度0.046 mm，空间长度精度0.064 mm，重量为9.5 kg。Faro V3光学扫描头精确度为50 μm，数据重复性为±50 μm，激光波长为660 nm，扫描速度为19200点/s。如图7所示。

点云处理和检测用的软件为Geomagic 公司的Qualify12软件（图7为其界面）。Qualify12软件是Geomagic公司开发的一套功能强大完整的框架开放的检测平台。由于自身独特的算法优势，在在制造业有广泛的应用，受到广大用户的一致好评。可实现对三维扫描数据的提取和处理、三维扫描数据的最佳拟合对位处理和制造公差的检测分析。Qualify12软件可以方便的与主流的CAD系统和CAE系统协同工作。Qualify12软件能够与常用CAD软件集成，实现“设计—检测—验证分析—再设计”的功能。Qualify 12软件科技直接导入CAD数据，自动拟合对位三维扫描数据，检测变形量并生成检测报告。

该文将运用该套光学三坐标测量系统按照制造公差三维数字图像分析工作流程对气瓶样瓶的各方面数据进行精确的全面采集，将数据与设计数据进行全面的比对，找出产品制造偏差。

4 检测过程

4.1 三维光学扫描

用Faro激光测量系统对受试气瓶进行扫描，得到气瓶的点云数据（图9）。点云数据要进行处理，消除明显的噪音点和孤立点。

4.2 制作并导入数模

该过程是进行产品数字化检测的关键步骤。首先要通过AutoCAS软件对CAD设计图进行仔细检查，修正其中差错。根据气瓶设计图纸（CAD图纸），利用UG软件制作气瓶的三维数字模型。并将其导入到Qualify12软件中（图10）。

4.3 点云与数模拟合

利用Qualify12中得自动拟合命令将二者拟合在一起。

首先通过专用的算法，软件分析出数模与点云的特征点（图11）。

然后，通过反复计算，软件找出二者之间最佳的拟合对齐方式（图12）。

4.4 检测结果分析

运用3D比较命令和2D比较命令对气瓶制造公差进行检测。不同颜色根据旁边的色条，代表不同的偏差水平（图13）。

4.5 生成报告

运用报告生成器自动生产气瓶制造公差检测报告（图14）。

5 气瓶检测结果分析

5.1 3维扫描结果分析

从图15中不难看出该型号气瓶筒体部分偏差基本控制在-0.832～0.832 mm之间，结果较为理想。肩部出现了大面积的正向偏差，大部分偏差位于1.465～2.730 mm之间，明显偏大。气瓶瓶嘴的表面偏差均指向一侧，使其存在一定程度偏离筒体轴线问题。

检测过程中共扫描到910694个点。点偏差介于-3.995～2.730 mm之间。具体各个区间的点数量，可参见表1。

从表1中可以看出约80%的点偏差位于-0.832～0.2 mm的区间。各个区间偏差点的比例见图16。

该气瓶最大偏差点均出现在肩部，利用Qualify12软件我们制作了针对气瓶肩部的偏差图（图17）。我们看到肩部视图大部分成黄色，属于偏差比较大的部分。

5.2 2维剖面结果分析

我们还利用2D分析方法，利用通过气瓶轴向的截面制作了气瓶轴向的剖面视图（图18）。在这张图上我们也发现该型气瓶肩部外形存在严重偏差。

综合上述的检测，我们现在已经可以断定该型号气瓶在试制过程中，肩部的旋压工艺出现了问题，造成肩部造型与设计图纸不符，瓶嘴与瓶体轴线偏离。

6 结语

基于三坐标测量系统的三维数字图像分析技术是目前测量技术中有效的测量手段。该技术为生产、科研实际工作提供了一种全新的检测方法，它彻底改变了检测技术的内涵。数字化技术的引入，使三坐标测量技术从基于几何转为基于计量，计算机图像技术的应用又使三坐标测量技术变得直观可见。与传统测量技术比较，该技术应该讲这是一种面向同一对象的二种完全不同的技术体系，同时这二者将一直共存下去，还会经常进行测量结果的比对工作，因此有必要对二者间的差异和关系做一个比较全面的了解（见表2）。

将基于三坐标测量系统的三维数字图像分析技术利用到特种设备型式试验工作中，目前在国内尚属首次。

通过几年来的应用，我感觉到该技术相对传统测量方法，具有以下优势。

首先三座测量能够全面准确的反映气瓶整体制造公差水平。因此该项技术特别适合于对气瓶产品进行设计验证和型式试验;其次检测结果准确、重复性好;最后该技术使用受环境条件限制小。

该技术在我院的特种设备型式试验中已经得到大力推广。通过多年应用努力，我院完善了相关设备、软件，编制了相关测量工作的作业指导文件，形成了满足特种设备试验检验工作具有一定特色的三坐标测量技术应用用技术体系。

三座标测量技术的在工业生产的应用，给航空、汽车、电子等行业技术进步提供了巨大的助益。没有该项技术，大直径航空涡轮发动机、外形流畅的汽车、造型新颖的电子产品根本就不会出现人们眼前。我相信随着这项技术的推广用，更多的特种设备检测行业同仁，必将加入到该技术的应用行列中来，希望我们之间扩大交流，共同促进特种设备检测技术的发展和创新。

参考文献

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