李曉玲

摘 要：基于光學三坐標測量系統(tǒng)開發(fā)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(xiàn)了氣瓶制造公差的精確測量?，F(xiàn)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(chǎn)品測量，測量精度小于0.08 mm。

關鍵詞：三坐標測量系統(tǒng) ?氣瓶制造公差 ?三維數(shù)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(chǎn)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(nèi)容。在TSG R7002-2009 《氣瓶型式試驗規(guī)則》中將氣瓶制造公差列入氣瓶型式試驗項目。根據(jù)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(jīng)成為當今工業(yè)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(yè)和實驗用坐標測量機經(jīng)歷了多個突破性的飛躍。在已經(jīng)進入信息時代的今天，三坐標測量技術(shù)更是飛速地向前發(fā)展著，為工業(yè)制造和科學研究提供著巨大的支持。

基于三坐標測量技術(shù)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)是三坐標測量技術(shù)與CAD/CAE結(jié)合的產(chǎn)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(shù)的氣瓶制造三維數(shù)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(nèi)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(chǎn)生的附加彎曲應力，在氣瓶外表面為拉應力，而在其內(nèi)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(nèi)側(cè)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(chǎn)生附加變形量，影響測定結(jié)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jié)果。

2 基于三坐標測量系統(tǒng)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)原理

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

數(shù)據(jù)測量可根據(jù)獲取物體表面三維數(shù)據(jù)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(jié)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(fā)生不同的變形，再利用兩個工業(yè)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(shù)在檢測領域應用經(jīng)歷了兩個階段。三坐標測量技術(shù)早起應用是基于接觸式測量技術(shù)對物體表面特征直接測量，獲得特征點的三維空間數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，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(shù)的發(fā)展，CAD、CAE技術(shù)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)與科學研究。技術(shù)人員可以通過CAD系統(tǒng)獲取設計工件的數(shù)字模型，可以通過CAE軟件工件的數(shù)字模型進行分析。三維數(shù)字圖像分析技術(shù)是三坐標測量技術(shù)基于CAD、CAE技術(shù)在質(zhì)量檢測領域的最新應用方式。

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

圖4為發(fā)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(qū)別，據(jù)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(tǒng)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)具有檢測全面、結(jié)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(shù)字圖像分析工作流程及系統(tǒng)的組成

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

CAD系統(tǒng)軟件為AutoCAD2008、UG 7.0。AutoCAD軟件負責進行產(chǎn)品設計圖修改完善。UG軟件負責制作產(chǎn)品的三維數(shù)字模型。

三坐標測量機為Faro光學掃描測量系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(fā)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(yōu)勢，在在制造業(yè)有廣泛的應用，受到廣大用戶的一致好評?？蓪崿F(xiàn)對三維掃描數(shù)據(jù)的提取和處理、三維掃描數(shù)據(jù)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(tǒng)和CAE系統(tǒng)協(xié)同工作。Qualify12軟件能夠與常用CAD軟件集成，實現(xiàn)“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(shù)據(jù)，自動擬合對位三維掃描數(shù)據(jù)，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(tǒng)按照制造公差三維數(shù)字圖像分析工作流程對氣瓶樣瓶的各方面數(shù)據(jù)進行精確的全面采集，將數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)進行全面的比對，找出產(chǎn)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(tǒng)對受試氣瓶進行掃描，得到氣瓶的點云數(shù)據(jù)（圖9）。點云數(shù)據(jù)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(shù)模

該過程是進行產(chǎn)品數(shù)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(jù)氣瓶設計圖紙（CAD圖紙），利用UG軟件制作氣瓶的三維數(shù)字模型。并將其導入到Qualify12軟件中（圖10）。

4.3 點云與數(shù)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(shù)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(jié)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(jù)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(chǎn)氣瓶制造公差檢測報告（圖14）。

5 氣瓶檢測結(jié)果分析

5.1 3維掃描結(jié)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(jié)果較為理想。肩部出現(xiàn)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(cè)，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(qū)間的點數(shù)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(qū)間。各個區(qū)間偏差點的比例見圖16。

該氣瓶最大偏差點均出現(xiàn)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(jié)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(fā)現(xiàn)該型氣瓶肩部外形存在嚴重偏差。

綜合上述的檢測，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以斷定該型號氣瓶在試制過程中，肩部的旋壓工藝出現(xiàn)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(jié)語

基于三坐標測量系統(tǒng)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)是目前測量技術(shù)中有效的測量手段。該技術(shù)為生產(chǎn)、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(shù)的內(nèi)涵。數(shù)字化技術(shù)的引入，使三坐標測量技術(shù)從基于幾何轉(zhuǎn)為基于計量，計算機圖像技術(shù)的應用又使三坐標測量技術(shù)變得直觀可見。與傳統(tǒng)測量技術(shù)比較，該技術(shù)應該講這是一種面向同一對象的二種完全不同的技術(shù)體系，同時這二者將一直共存下去，還會經(jīng)常進行測量結(jié)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(tǒng)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)利用到特種設備型式試驗工作中，目前在國內(nèi)尚屬首次。

通過幾年來的應用，我感覺到該技術(shù)相對傳統(tǒng)測量方法，具有以下優(yōu)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(shù)特別適合于對氣瓶產(chǎn)品進行設計驗證和型式試驗;其次檢測結(jié)果準確、重復性好;最后該技術(shù)使用受環(huán)境條件限制小。

該技術(shù)在我院的特種設備型式試驗中已經(jīng)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(yè)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(shù)應用用技術(shù)體系。

三座標測量技術(shù)的在工業(yè)生產(chǎn)的應用，給航空、汽車、電子等行業(yè)技術(shù)進步提供了巨大的助益。沒有該項技術(shù)，大直徑航空渦輪發(fā)動機、外形流暢的汽車、造型新穎的電子產(chǎn)品根本就不會出現(xiàn)人們眼前。我相信隨著這項技術(shù)的推廣用，更多的特種設備檢測行業(yè)同仁，必將加入到該技術(shù)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(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

參考文獻

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，氣瓶型式試驗規(guī)則[S].

[2] GB 5099-94 鋼質(zhì)無縫氣瓶[S].

[3] GB/T 11640-2001 鋁合金無縫氣瓶[S].

[4] 巴格依.無縫氣瓶定期檢測中不能忽視形位誤差的檢測[J].工業(yè)技術(shù)，2009（27）：86.

[5] 石照耀，張斌，林家春，等.坐標測量技術(shù)半世紀—演變與趨勢[J].北京工業(yè)大學學報，2011，37（5）：648-654.

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

[7] 金濤，童水光.逆向工程技術(shù)[M].北京機械工業(yè)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(fā)現(xiàn)該型氣瓶肩部外形存在嚴重偏差。

綜合上述的檢測，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以斷定該型號氣瓶在試制過程中，肩部的旋壓工藝出現(xiàn)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(jié)語

基于三坐標測量系統(tǒng)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)是目前測量技術(shù)中有效的測量手段。該技術(shù)為生產(chǎn)、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(shù)的內(nèi)涵。數(shù)字化技術(shù)的引入，使三坐標測量技術(shù)從基于幾何轉(zhuǎn)為基于計量，計算機圖像技術(shù)的應用又使三坐標測量技術(shù)變得直觀可見。與傳統(tǒng)測量技術(shù)比較，該技術(shù)應該講這是一種面向同一對象的二種完全不同的技術(shù)體系，同時這二者將一直共存下去，還會經(jīng)常進行測量結(jié)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(tǒng)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)利用到特種設備型式試驗工作中，目前在國內(nèi)尚屬首次。

通過幾年來的應用，我感覺到該技術(shù)相對傳統(tǒng)測量方法，具有以下優(yōu)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(shù)特別適合于對氣瓶產(chǎn)品進行設計驗證和型式試驗;其次檢測結(jié)果準確、重復性好;最后該技術(shù)使用受環(huán)境條件限制小。

該技術(shù)在我院的特種設備型式試驗中已經(jīng)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(yè)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(shù)應用用技術(shù)體系。

三座標測量技術(shù)的在工業(yè)生產(chǎn)的應用，給航空、汽車、電子等行業(yè)技術(shù)進步提供了巨大的助益。沒有該項技術(shù)，大直徑航空渦輪發(fā)動機、外形流暢的汽車、造型新穎的電子產(chǎn)品根本就不會出現(xiàn)人們眼前。我相信隨著這項技術(shù)的推廣用，更多的特種設備檢測行業(yè)同仁，必將加入到該技術(shù)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(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

參考文獻

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，氣瓶型式試驗規(guī)則[S].

[2] GB 5099-94 鋼質(zhì)無縫氣瓶[S].

[3] GB/T 11640-2001 鋁合金無縫氣瓶[S].

[4] 巴格依.無縫氣瓶定期檢測中不能忽視形位誤差的檢測[J].工業(yè)技術(shù)，2009（27）：86.

[5] 石照耀，張斌，林家春，等.坐標測量技術(shù)半世紀—演變與趨勢[J].北京工業(yè)大學學報，2011，37（5）：648-654.

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

[7] 金濤，童水光.逆向工程技術(shù)[M].北京機械工業(yè)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(fā)現(xiàn)該型氣瓶肩部外形存在嚴重偏差。

綜合上述的檢測，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以斷定該型號氣瓶在試制過程中，肩部的旋壓工藝出現(xiàn)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(jié)語

基于三坐標測量系統(tǒng)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)是目前測量技術(shù)中有效的測量手段。該技術(shù)為生產(chǎn)、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(shù)的內(nèi)涵。數(shù)字化技術(shù)的引入，使三坐標測量技術(shù)從基于幾何轉(zhuǎn)為基于計量，計算機圖像技術(shù)的應用又使三坐標測量技術(shù)變得直觀可見。與傳統(tǒng)測量技術(shù)比較，該技術(shù)應該講這是一種面向同一對象的二種完全不同的技術(shù)體系，同時這二者將一直共存下去，還會經(jīng)常進行測量結(jié)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(tǒng)的三維數(shù)字圖像分析技術(shù)利用到特種設備型式試驗工作中，目前在國內(nèi)尚屬首次。

通過幾年來的應用，我感覺到該技術(shù)相對傳統(tǒng)測量方法，具有以下優(yōu)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(shù)特別適合于對氣瓶產(chǎn)品進行設計驗證和型式試驗;其次檢測結(jié)果準確、重復性好;最后該技術(shù)使用受環(huán)境條件限制小。

該技術(shù)在我院的特種設備型式試驗中已經(jīng)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(yè)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(shù)應用用技術(shù)體系。

三座標測量技術(shù)的在工業(yè)生產(chǎn)的應用，給航空、汽車、電子等行業(yè)技術(shù)進步提供了巨大的助益。沒有該項技術(shù)，大直徑航空渦輪發(fā)動機、外形流暢的汽車、造型新穎的電子產(chǎn)品根本就不會出現(xiàn)人們眼前。我相信隨著這項技術(shù)的推廣用，更多的特種設備檢測行業(yè)同仁，必將加入到該技術(shù)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(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

參考文獻

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，氣瓶型式試驗規(guī)則[S].

[2] GB 5099-94 鋼質(zhì)無縫氣瓶[S].

[3] GB/T 11640-2001 鋁合金無縫氣瓶[S].

[4] 巴格依.無縫氣瓶定期檢測中不能忽視形位誤差的檢測[J].工業(yè)技術(shù)，2009（27）：86.

[5] 石照耀，張斌，林家春，等.坐標測量技術(shù)半世紀—演變與趨勢[J].北京工業(yè)大學學報，2011，37（5）：648-654.

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

[7] 金濤，童水光.逆向工程技術(shù)[M].北京機械工業(yè)出版社，2003.