大鍛件熱態在線尺寸測量關鍵技術研究

葛　浩　劉仁強　周文戰（一重集團大連設計研究院有限公司，遼寧　大連　116600）

大鍛件熱態在線尺寸測量關鍵技術研究

葛浩劉仁強周文戰
（一重集團大連設計研究院有限公司，遼寧大連116600）

根據大鍛件制造工藝要求，開發出一套新型的大鍛件尺寸測量系統，實現對高溫熱態發光鍛件在線或離線情況下的長度和直徑（或高度）尺寸測量、輪廓測量，并可在鍛件不旋轉的情況下獲得鍛件在軸向或徑向截面內的完整幾何輪廓，同鍛件工藝尺寸圖對比；還能實現鍛造過程中的到位尺寸預警功能。提出一種新的用比色溫度傳感器進行尺寸測量的邊緣檢測法。

大鍛件；尺寸測量；測距傳感器；比色溫度傳感器

大鍛件是制造重大技術裝備大型關鍵零部件的基礎，如大型艦船的曲軸、舵系，核電站的壓力容器、蒸發器殼體，發電機組的低壓轉子，能源石化行業的加氫反應器，各種重型機械和軍工裝備的核心部件等。我國目前用鍛造水壓機生產的最長軸類鍛件的長度已達17m，最大筒類鍛件的直徑已近7m。大鍛件的尺寸精度是保證重大技術裝備制造質量的一個重要因素。大鍛件在線尺寸測量是指在鍛造過程中高溫狀態下，測量鍛件的主要尺寸，以判斷其是否達到工藝文件的要求。由于測量環境惡劣，以前靠人工卡鉗、‘量桿’以及懸線方法測量的鍛件誤差大，余量多，時間長，鍛件平均損耗率高達15%左右，越來越不能滿足現代制造工藝的要求，因此研發大鍛件熱態在線尺寸測量方法勢在必行。

美國、韓國、歐洲等國家都相繼開發了機械式和光學式的鍛件尺寸測量系統，實現了鍛件的直徑或長度的尺寸測量。美國國立標準與技術研究院（NIST）等聯合研究開發了鍛件三維外形測量系統，該系統實現了鍛件表面的三維測量，但其測量范圍過小，無法測量大型鍛件的三維尺寸外形。韓國斗山重工研究開發了利用激光指示器配合伺服電機的方法測量大鍛件的直徑和長度，但此方法沒法測量大型筒節的壁厚尺寸。德國利用激光測距原理測量鍛件的尺寸，研究開發出LaCam－forge系統，但該系統只能得到鍛件的二維圖形。國內上海交通大學高峰等利用激光測距傳感器配合球面二自由度并聯機構對鍛件外形尺寸進行掃描，通過計算機還原出機構的三維外形。大連理工大學的賈振元等采用短波通濾光片結合結構光投影方式的圖像采集技術對大鍛件的圖像進行處理，最終得到鍛件的外形尺寸。燕山大學的聶紹珉教授等研究了CCD測量大鍛件直徑的方法，該方法采用圖像灰度識別鍛件邊界并計算出鍛件的直徑。

本文以比色溫度傳感器、激光指示器和激光測距傳感器為基礎，提出一套大型自由鍛件熱態在線尺寸測量系統，實現對高溫熱態發光鍛件在線或離線情況下的長度和直徑（或高度）尺寸測量、輪廓測量，并可在鍛件不旋轉的情況下獲得鍛件在軸向或徑向截面內的完整幾何輪廓，同鍛件工藝尺寸圖對比；還能實現鍛造過程中的到位尺寸預警功能。

1　大鍛件熱態在線尺寸測量系統原理

本系統采用三種方法對大鍛件進行熱態在線尺寸測量，下面分別對三種方法進行介紹。

1.1對射法

對射法測量主要是利用兩個激光測距傳感器分別從鍛件的兩邊對鍛件中間直徑部分上下進行掃描測量，并對測量的數據結果進行處理，最終得到如圖1中所示的尺寸L1和L2，由此可得鍛件的直徑為：

此測量方法的優點是測量速度快，測量精度高，并可以克服激光測距傳感器遇到鍛件邊緣要么沒有數據反饋，要么數據反饋非常慢，甚至無法測量。

1.2邊緣檢測法

邊緣檢測法測量如圖2所示，主要是利用比色溫度傳感器準確探測鍛件邊緣，利用伺服電機配絕對值編碼器適時記錄移動距離，并對記錄數據進行后處理，最終得到鍛件的直徑尺寸。

任何物質在一定溫度下都有熱輻射，黑體是一種理想體，它在任何溫度下都能全部地吸收投射到其表面上的任何波長的輻射能量。普朗克定律準確地描述出黑體的輻射能量與波長以及溫度之間的關系。

黑體在波長間隔（λ，λ+dλ）內輻射強度的具體函數形式為：

其中：

C1—第一輻射常數，C1=3.7418× 1016；

C2—第二輻射常數，C2=1.3488× 10-2；

T—絕對溫度；

T—真空中的波長。

考慮到空氣折射率，普朗克定律的準確函數形式就變為：

其中：

n—第一輻射常數，n=1.00029。

對于實際物體，其輻射能力E不僅與溫度T有關，還與輻射系數ε有關，因此上式可改為：

輻射系數ε取決于被測對象的材料和表面條件。當測溫環境、測溫距離、測溫物體發生改變時，ε也隨之變化，ε變化直接影響發射能量，這將會產生較大的測量誤差。我們采用的比色法測溫原理可以很好的消除這個誤差。由于許多物體都可以近似的認為是灰體，這樣就削弱了ε（λ，T）的影響。同時選用恰當的波長λ1、λ2—窄帶高透干涉濾波片，使被測物體在這兩個特定的波段內ε1（λ1，T）、ε2（λ2，T）近似相等。

設物體在波長λ1、λ2下的光譜輻射量的比值為R，即測量到的信號比為：

由公式（5）可以看出，當選定波長λ1、λ2后，輻射能量之比R（T）僅僅是T的函數，也就是說R（T）取決于物體的表面溫度。這就是比色光纖測溫傳感器的測量原理，即比色測溫傳感器就是通過測量入射輻射在兩個不同波段下的探測器的信號比而求得的。

此方法巧妙的把用來測量熱態零件溫度的比色溫度傳感器用作鍛件邊緣探測器，利用伺服電機帶動上下移動，絕對值編碼器記錄移動距離，從而得到鍛件的直徑尺寸。

1.3CCD目測投線法

CCD目測投線測量方法如圖3所示，采用激光投射指示線的方法，目測對準鍛件端面或臺肩，編碼器對應移動小車移動的距離，即可獲得鍛件各部長度尺寸。

對于10多米（從小車到鍛件）遠處的鍛件，通過CCD采集圖像，經過電動變倍變焦鏡頭的放大，操作人員獲得對準細節的圖像，即可準確控制小車位置，滿足長度尺寸測量精度要求。

2　大鍛件熱態在線尺寸測量裝置

本文提出一套新型大鍛件熱態在線尺寸測量裝置，此裝置能夠實現大鍛件在線和離線尺寸測量，如圖4所示。

圖中小車A和小車B在水平軌道上可以左右移動，小車由伺服電機帶動，絕對值編碼器可以適時記錄小車在軌道上的位置，這樣就可以實現在線和離線測量鍛件的長度尺寸。

小車C1和小車C2可以在垂直紙面的豎直軌道上移動，小車箱體內安裝有激光指示器、比色溫度傳感器、激光測距傳感器、電動旋轉臺等元器件，可以實現鍛件離線不同位置的測量和在線直徑及壁厚的測量、自動繪制鍛件的二維輪廓、自動計算鍛件的同軸度和直線度。

小車D1和D2也可以在垂直紙面的軌道內上下移動，小車箱體內同樣安裝有激光指示器、比色溫度傳感器、激光測距傳感器、電動旋轉臺等元器件，可以實現在線鍛件的不同位置直徑尺寸測量、投射工藝基準線、工藝基準線自動跟蹤鍛件等。

本裝置可以實現鍛件最大長度25m，誤差±5mm和最大直徑φ7m，誤差±3mm的測量，小車水平移動速度可以達到0.6m/s～1m/s，垂直移動速度0.2m/s～0.5m/s。

結語

本文提出一種測量熱態大鍛件尺寸的新方法，本方法可在線和離線測量鍛件尺寸，增強了測量功能，提高了測量數據精度及測量效率。并給出大鍛件熱態在線測量的新裝置，本裝置可實現鍛件長度、直徑及輪廓尺寸的測量，克服了傳統測量裝置不能實時在線測量鍛件尺寸、測量精度和效率低、測量功能單一的缺陷。

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