引言

為了實現(xiàn)在線測量大型鍛件自由鍛造過程中的外形尺寸和溫度，我們設計了一種大型鍛件鍛造過程中外形尺寸和溫度的在線檢測裝置，可實現(xiàn)鍛件外徑、長度、臺階軸高度以及溫度的測量，通過激光掃描儀、綠激光指示裝置、監(jiān)視裝置以及測溫裝置的協(xié)同工作，真正實現(xiàn)了實時測量和遠程監(jiān)控的大型鍛件自由鍛造過程中外形尺寸和溫度的測量。

國內(nèi)外測量方法

大型鍛件在航天、石油、化工、船舶、軍工等領域有著重要的地位。在大型鍛件自由鍛造過程中，鍛件的外形尺寸是合理決定壓下量、鍛打力、鍛打次數(shù)等工藝參數(shù)的主要依據(jù)之一。大型鍛件自由鍛造過程中外形尺寸和溫度測量的研究，可以提高生產(chǎn)效率和鍛造精度，減少鍛件加工余量和材料能源損耗，保證鍛工工作環(huán)境的安全性，對于鍛造企業(yè)的自動化、智能化發(fā)展有著積極的推動作用。

國內(nèi)外對于大型鍛件鍛造過程中外形尺寸的測量方法有：德國研制的LaCam-Forge 系統(tǒng)，激光掃描儀連續(xù)掃描鍛件表面，對點云數(shù)據(jù)進行處理并構建三維模型，動態(tài)的反映鍛件截面和三維形狀尺寸的變化；意大利Tecnogamma 公司研制的雙二維激光掃描儀測量系統(tǒng)，在鍛件兩側各安裝一個激光掃描儀，掃描鍛件同一個截面的點云數(shù)據(jù)信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后重構鍛件的截面，實現(xiàn)鍛件外徑測量；上海交通大學徐要剛提出了一種通過兩自由度的并聯(lián)機構帶動激光測距傳感器運動，獲取鍛件表面點云信息，經(jīng)坐標變換處理建立三維外形模型，進行鍛件的尺寸測量；燕山大學聶紹珉等人提出了一種基于CCD 的大型鍛件尺寸測量的方法，通過拍攝獲得鍛件的灰度分布曲線，根據(jù)溫度的變化認為灰度曲線突變處即為鍛件邊緣，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件和數(shù)學模型處理得到測量結果；大連理工大學王邦國等研制出了一種大型鍛件熱態(tài)幾何參數(shù)在線測量的系統(tǒng)，通過對光譜選擇性圖像采集方法的雙目視覺系統(tǒng)和特征投影設備的綜合應用，重構鍛件的三維外形，進而測量鍛件的外形尺寸信息。

測量系統(tǒng)

我們通過借鑒國內(nèi)外關于熱態(tài)鍛件的尺寸測量方法，研發(fā)了一種大型鍛件鍛造過程中外形尺寸和溫度在線檢測裝備，結合軟件實現(xiàn)鍛件各種參數(shù)的測量。通過移動裝置改變激光掃描儀、綠激光指示裝置、監(jiān)視裝置以及測溫裝置的位置，可以實現(xiàn)鍛件長度方向上任意位置截面外徑尺寸、外徑輪廓、臺階軸高度尺寸以及實時溫度的檢測。綠激光指示裝置告知測量者當前測量的位置，激光掃描裝置用來獲取點云數(shù)據(jù)信息，監(jiān)視裝置可以實現(xiàn)在控制室對整個測量過程的遠程監(jiān)視，彩色CCD 基于比色測溫原理測量實時溫度。由于激光容易受到溫度的影響，而大型鍛件鍛造過程中的溫度范圍一般為：850 ～ 1200℃，因此利用保護罩對激光掃描裝置、綠激光指示裝置和監(jiān)視裝置采取了保護措施。測量系統(tǒng)如圖1 所示。

激光掃描儀根據(jù)工作原理可以分為相位激光掃描儀和脈沖激光掃描儀兩類，本文提到的裝置采用了德國SICK 公司的脈沖激光掃描儀，其測量原理是基于飛行時間法，取激光光束發(fā)射到接收之間時間的一半，乘以光傳播速度即可得到距離信息。結合軟件算法通過坐標轉換、濾波光滑、點云數(shù)據(jù)擬合等措施實現(xiàn)鍛件尺寸測量。經(jīng)試驗，該系統(tǒng)具有實時性好、功能齊全、自動化程度高的優(yōu)點。

測量原理

外徑尺寸測量

測量裝置在移動過程中測量鍛件某一位置的外徑尺寸，由圖2 外徑測量示意圖可知，該系統(tǒng)只能獲取鍛件截面的一段點云數(shù)據(jù)，由于鍛件的截面為圓形，因此利用最小二乘法擬合圓，找出圓心和半徑參數(shù)，經(jīng)過旋轉和平移得到完整的鍛件截面的二維點云結構圖，如圖3 所示。

但由于測量現(xiàn)場振動等外界因素的影響，鍛造過程中有可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，測量裝置或被測鍛件可能存在傾斜現(xiàn)象，此時測量裝置獲取的點云信息并非鍛件的圓截面。在幾何上，對于一個柱體進行斜切割，所形成的截面形狀為橢圓，橢圓截面向底面投影恰好與底面圓重合，此時橢圓截面的短軸即為柱體的直徑。計算方法如圖4 所示。通過橢圓擬合的方法求取鍛件的外徑尺寸，解決了在大型鍛件在測量過程中由于激光掃描儀或被測鍛件存在傾斜的問題。

CCD 溫度測量

CCD 測溫技術主要用于800 ℃ 以上的高溫測量，由于大型鍛件鍛造過程中的溫度范圍一般為：850 ～ 1200℃，采用CCD 測量溫度比較合適。圖5為CCD 測溫示意圖，光學鏡頭把來自鍛件筒節(jié)表面的熱輻射能轉換為電子視頻信號，經(jīng)CCD 后轉換成電信號，然后圖像采集卡采集電信號后輸入到電腦中，經(jīng)電腦處理后在顯示器上顯示相應的溫度信息。

測量系統(tǒng)中的光學鏡頭和CCD 安裝在鍛件筒節(jié)的截面對應的方向。溫度的測量主要是依據(jù)彩色CCD的比色測溫原理，利用同一被測物體在兩個不同波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化的特性進行測溫。計算方法如圖6 所示，利用公式(8) 得到鍛件外徑表面的實時溫度。

長度尺寸測量

利用該檢測裝置測量鍛件的長度，如圖7 所示即要測量鍛件CD 兩端之間的距離，首先利用計算機控制伺服電機根據(jù)綠激光的指示將測量裝備移至A 處，此時測量位置恰好是鍛件的C 端，位移傳感器記錄此時的位置信息，測量裝備繼續(xù)向前移動，直到綠激光指示在鍛件的D 端時停止，此時測量裝備位置在B處，位移傳感器記錄此時的位置信息，通過運算獲取AB 之間的距離，也即是鍛件尺寸CD 之間的距離值。需要注意的是在長度測量過程中，當綠激光指示接近鍛件D 端時，需及時降低測量裝備的移動速度，保證鍛件的長度可以準確無誤的一次性完成測量。

三階軸尺寸測量

運用該測量裝備在實驗室（圖8、圖9）和生產(chǎn)車間（圖10、圖11）中分別進行應用，對一個三階軸鍛件進行測量，主要測量三階軸鍛件軸向截面形線及軸向各臺階的高度，徑向截面外徑輪廓及外徑尺寸。在實驗室中將三階軸鍛件固定在旋轉頻率可調(diào)的三爪卡盤上，測量過程中三階軸鍛件一直處于旋轉狀態(tài)。將激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)讀入軟件顯示三階軸鍛件軸向外形輪廓點云，經(jīng)過濾波光滑處理，提取三階軸鍛鍛件光學鏡頭CCD 圖像采集卡電腦端件特征部位點云信息，進而求出三階軸鍛件各臺階的高度，經(jīng)試驗測量精度≤ 2mm。

試驗驗證

為了驗證本文提出的在線檢測裝備在工業(yè)鍛造中的可行性，本節(jié)測量對象標準外徑為6000mm，標準鍛造溫度為1050℃。在鍛件不同的位置分別對外徑尺寸和溫度進行了十組數(shù)據(jù)的測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)直觀地表示了在測量過程中外徑尺寸以及所測位置的實時溫度，發(fā)現(xiàn)根據(jù)本文提出的檢測裝備測得的外徑尺寸數(shù)據(jù)相對誤差在4mm 以內(nèi)，溫度的相對誤差在5℃以內(nèi)，滿足鍛件生產(chǎn)的要求，實現(xiàn)了鍛件外形尺寸及溫度的在線測量，說明該檢測裝備具有很好的準確性和實時性。

結論

本文通過將激光掃描裝置、綠激光指示裝置、監(jiān)測裝置、溫度測量裝置以及移動裝置相結合的方法，創(chuàng)新性的提出了一種綜合指示、測量、監(jiān)控于一體的大型鍛件鍛造過程中外形尺寸和溫度在線檢測裝備，實現(xiàn)了大型鍛件鍛造過程中外徑、長度、臺階高度等尺寸和溫度的測量。通過試驗驗證了此檢測裝備的可行性，并解決了一般測量系統(tǒng)測量誤差大、功能單一的問題。