大锻件热态在线尺寸测量关键技术研究

摘 要：根据大锻件制造工艺要求，开发出一套新型的大锻件尺寸测量系统，实现对高温热态发光锻件在线或离线情况下的长度和直径（或高度）尺寸测量、轮廓测量，并可在锻件不旋转的情况下获得锻件在轴向或径向截面内的完整几何轮廓，同锻件工艺尺寸图对比；还能实现锻造过程中的到位尺寸预警功能。提出一种新的用比色温度传感器进行尺寸测量的边缘检测法。

关键词：大锻件；尺寸测量；测距传感器；比色温度传感器

中图分类号：TG316 文献标识码：A

大锻件是制造重大技术装备大型关键零部件的基础，如大型舰船的曲轴、舵系，核电站的压力容器、蒸发器壳体，发电机组的低压转子，能源石化行业的加氢反应器，各种重型机械和军工装备的核心部件等。我国目前用锻造水压机生产的最长轴类锻件的长度已达17m，最大筒类锻件的直径已近7m。大锻件的尺寸精度是保证重大技术装备制造质量的一个重要因素。大锻件在线尺寸测量是指在锻造过程中高温状态下，测量锻件的主要尺寸，以判断其是否达到工艺文件的要求。由于测量环境恶劣，以前靠人工卡钳、‘量杆’以及悬线方法测量的锻件误差大，余量多，时间长，锻件平均损耗率高达15%左右，越来越不能满足现代制造工艺的要求，因此研发大锻件热态在线尺寸测量方法势在必行。

美国、韩国、欧洲等国家都相继开发了机械式和光学式的锻件尺寸测量系统，实现了锻件的直径或长度的尺寸测量。美国国立标准与技术研究院（NIST）等联合研究开发了锻件三维外形测量系统，该系统实现了锻件表面的三维测量，但其测量范围过小，无法测量大型锻件的三维尺寸外形。韩国斗山重工研究开发了利用激光指示器配合伺服电机的方法测量大锻件的直径和长度，但此方法没法测量大型筒节的壁厚尺寸。德国利用激光测距原理测量锻件的尺寸，研究开发出LaCam-forge系统，但该系统只能得到锻件的二维图形。国内上海交通大学高峰等利用激光测距传感器配合球面二自由度并联机构对锻件外形尺寸进行扫描，通过计算机还原出机构的三维外形。大连理工大学的贾振元等采用短波通滤光片结合结构光投影方式的图像采集技术对大锻件的图像进行处理，最终得到鍛件的外形尺寸。燕山大学的聂绍珉教授等研究了CCD测量大锻件直径的方法 ，该方法采用图像灰度识别锻件边界并计算出锻件的直径。

本文以比色温度传感器、激光指示器和激光测距传感器为基础，提出一套大型自由锻件热态在线尺寸测量系统，实现对高温热态发光锻件在线或离线情况下的长度和直径（或高度）尺寸测量、轮廓测量，并可在锻件不旋转的情况下获得锻件在轴向或径向截面内的完整几何轮廓，同锻件工艺尺寸图对比；还能实现锻造过程中的到位尺寸预警功能。

1 大锻件热态在线尺寸测量系统原理

本系统采用三种方法对大锻件进行热态在线尺寸测量，下面分别对三种方法进行介绍。

1.1 对射法

对射法测量主要是利用两个激光测距传感器分别从锻件的两边对锻件中间直径部分上下进行扫描测量，并对测量的数据结果进行处理，最终得到如图1中所示的尺寸L1和L2，由此可得锻件的直径为：

d=L-L1-L2 （1）

此测量方法的优点是测量速度快，测量精度高，并可以克服激光测距传感器遇到锻件边缘要么没有数据反馈，要么数据反馈非常慢，甚至无法测量。

1.2 边缘检测法

边缘检测法测量如图2所示，主要是利用比色温度传感器准确探测锻件边缘，利用伺服电机配绝对值编码器适时记录移动距离，并对记录数据进行后处理，最终得到锻件的直径尺寸。

任何物质在一定温度下都有热辐射，黑体是一种理想体，它在任何温度下都能全部地吸收投射到其表面上的任何波长的辐射能量。普朗克定律准确地描述出黑体的辐射能量与波长以及温度之间的关系。

黑体在波长间隔（λ，λ+dλ）内辐射强度的具体函数形式为：

（2）

其中：

C1—第一辐射常数，C1=3.7418× 1016；

C2—第二辐射常数，C2=1.3488× 10-2；

T—绝对温度；

T—真空中的波长。

考虑到空气折射率，普朗克定律的准确函数形式就变为：

（3）

其中：

n—第一辐射常数，n=1.00029。

对于实际物体，其辐射能力E不仅与温度T有关，还与辐射系数ε有关，因此上式可改为：

（4）

辐射系数ε取决于被测对象的材料和表面条件。当测温环境、测温距离、测温物体发生改变时，ε也随之变化，ε变化直接影响发射能量，这将会产生较大的测量误差。我们采用的比色法测温原理可以很好的消除这个误差。由于许多物体都可以近似的认为是灰体，这样就削弱了ε（λ，T）的影响。同时选用恰当的波长λ1、λ2—窄带高透干涉滤波片，使被测物体在这两个特定的波段内ε1（λ1，T） 、ε2（λ2，T）近似相等。

设物体在波长λ1、λ2下的光谱辐射量的比值为R，即测量到的信号比为：

（5）

由公式（5）可以看出，当选定波长λ1、λ2后，辐射能量之比R（T）仅仅是T的函数，也就是说R（T）取决于物体的表面温度。这就是比色光纤测温传感器的测量原理，即比色测温传感器就是通过测量入射辐射在两个不同波段下的探测器的信号比而求得的。

此方法巧妙的把用来测量热态零件温度的比色温度传感器用作锻件边缘探测器，利用伺服电机带动上下移动，绝对值编码器记录移动距离，从而得到锻件的直径尺寸。

1.3 CCD目测投线法

CCD目测投线测量方法如图3所示，采用激光投射指示线的方法，目测对准锻件端面或台肩，编码器对应移动小车移动的距离，即可获得锻件各部长度尺寸。

对于10多米（从小车到锻件）远处的锻件，通过CCD采集图像，经过电动变倍变焦镜头的放大，操作人员获得对准细节的图像，即可准确控制小车位置，满足长度尺寸测量精度要求。

2 大锻件热态在线尺寸测量装置

本文提出一套新型大锻件热态在线尺寸测量装置，此装置能够实现大锻件在线和离线尺寸测量，如图4所示。

图中小车A和小车B在水平轨道上可以左右移动，小车由伺服电机带动，绝对值编码器可以适时记录小车在轨道上的位置，这样就可以实现在线和离线测量锻件的长度尺寸。

小车C1和小车C2可以在垂直纸面的竖直轨道上移动，小车箱体内安装有激光指示器、比色温度传感器、激光测距传感器、电动旋转台等元器件，可以实现锻件离线不同位置的测量和在线直径及壁厚的测量、自动绘制锻件的二维轮廓、自动计算锻件的同轴度和直线度。

小车D1和D2也可以在垂直纸面的轨道内上下移动，小车箱体内同样安装有激光指示器、比色温度传感器、激光测距传感器、电动旋转台等元器件，可以实现在线锻件的不同位置直径尺寸测量、投射工艺基准线、工艺基准线自动跟踪锻件等。

本装置可以实现锻件最大长度25m，误差±5mm和最大直径φ7m，误差±3mm的测量，小车水平移动速度可以达到0.6m/s～1m/s，垂直移动速度0.2m/s～0.5m/s。

结语

本文提出一种测量热态大锻件尺寸的新方法，本方法可在线和离线测量锻件尺寸，增强了测量功能，提高了测量数据精度及测量效率。并给出大锻件热态在线测量的新装置，本装置可实现锻件长度、直径及轮廓尺寸的测量，克服了传统测量装置不能实时在线测量锻件尺寸、测量精度和效率低、测量功能单一的缺陷。

参考文献

[1]聂绍珉，李树奎.大锻件热态在线尺寸测量研究综述[J].金屬加工（热加工），2008（11）：22-25.

[2]徐要刚，赵现朝，田志松.激光测距法测量大锻件尺寸[J].机械设计与研究，2008.24（06）：94-97.

[3]于鹏，高峰，郭为忠，等.新型大锻件尺寸在线测量系统的关键技术研究[J].机械设计与研究，2008，24（03）：89-92.

[4]刘巍，刘双军，贾振元，等.大型锻件尺寸在线测量系统研究[J].压电与声光，2011，10（05）：831-836.

[5]聂绍珉，张庆，李树奎，等.大型锻件尺寸CCD测量的数学模型研究[J].塑性工程学报，2006（12）：110-113.

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