1、為了實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量大型鍛件自由鍛造過(guò)程中的外形尺寸和溫度，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種大型鍛件鍛造過(guò)程中外形尺寸和溫度的在線(xiàn)檢測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)鍛件外徑、長(zhǎng)度、 臺(tái)階軸高度以及溫度的測(cè)量， 通過(guò)激光掃描儀、綠激光指示裝置、監(jiān)視裝置以及測(cè)溫裝置的協(xié)同工作，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控的大型鍛件自由鍛造過(guò)程中外形尺寸和溫度的測(cè)量。國(guó)內(nèi)外測(cè)量方法大型鍛件在航天、石油、化工、船舶、軍工等領(lǐng)域有著重要的地位。在大型鍛件自由鍛造過(guò)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(guò)程中外形尺寸和溫度測(cè)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

2、作環(huán)境的安全性，對(duì)于鍛造企業(yè)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展有著積極的推動(dòng)作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)于大型鍛件鍛造過(guò)程中外形尺寸的測(cè)量方法有：德國(guó)研制的LaCam-Forge系統(tǒng)，激光掃描儀連續(xù)掃描鍛件表面，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并構(gòu)建三維模型，動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)，在鍛件兩側(cè)各安裝一個(gè)激光掃描儀，掃描鍛件同一個(gè)截面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后重構(gòu)鍛件的截面，實(shí)現(xiàn)鍛件外徑測(cè)量；上海交通大學(xué)徐要?jiǎng)偺岢隽艘环N通過(guò)兩自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)激光測(cè)距傳感器運(yùn)動(dòng)，獲取鍛件表面點(diǎn)云信息，經(jīng)坐標(biāo)變換處理建立三維外形模型，進(jìn)行鍛件的尺寸測(cè)量；燕山大學(xué)聶紹珉等

3、人提出了一種基于CCD 的大型鍛件尺寸測(cè)量的方法，通過(guò)拍攝獲得鍛件的灰度分布曲線(xiàn)，根據(jù)溫度的變化認(rèn)為灰度曲線(xiàn)突變處即為鍛件邊緣，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件和數(shù)學(xué)模型處理得到測(cè)量結(jié)果；大連理工大學(xué)王邦國(guó)等研制出了一種大型鍛件熱態(tài)幾何參數(shù)在線(xiàn)測(cè)量的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)光譜選擇性圖像采集方法的雙目視覺(jué)系統(tǒng)和特征投影設(shè)備的綜合應(yīng)用，重構(gòu)鍛件的三維外形，進(jìn)而測(cè)量鍛件的外形尺寸信息。測(cè)量系統(tǒng)我們通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱態(tài)鍛件的尺寸測(cè)量方法，研發(fā)了一種大型鍛件鍛造過(guò)程中外形尺寸和溫度在線(xiàn)檢測(cè)裝備，結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)鍛件各種參數(shù)的測(cè)量。通過(guò)移動(dòng)裝置改變激光掃描儀、綠激光指示裝置、 監(jiān)視裝置以及測(cè)溫裝置的位置，可以實(shí)現(xiàn)鍛件長(zhǎng)度方向上任意位

4、置截面外徑尺寸、外徑輪廓、臺(tái)階軸高度尺寸以及實(shí)時(shí)溫度的檢測(cè)。綠激光指示裝置告知測(cè)量者當(dāng)前測(cè)量的位置，激光掃描裝置用來(lái)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，監(jiān)視裝置可以實(shí)現(xiàn)在控制室對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)視，彩色CCD基于比色測(cè)溫原理測(cè)量實(shí)時(shí)溫度。由于激光容易受到溫度的影響，而大型鍛件鍛造過(guò)程中的溫度范圍一般為：8501200C,因此利用保護(hù)罩對(duì)激光掃描裝置、綠激光指示裝置和監(jiān)視裝置采取了保護(hù)措施。測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。圖1測(cè)量系統(tǒng)示意圖圖1測(cè)量系統(tǒng)示意圖激光掃描儀根據(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(lèi)，本文提到的裝置采用了德國(guó) SICK公司的脈沖激光掃描儀，其測(cè)量原理是基于飛行時(shí)間法，取激光光束 發(fā)射

5、到接收之間時(shí)間的一半，乘以光傳播速度即可得到距離信息。結(jié)合軟件算法通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、濾波光滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合等措施實(shí)現(xiàn)鍛件尺寸測(cè)量。經(jīng)試驗(yàn)，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、功 能齊全、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量原理外徑尺寸測(cè)量測(cè)量裝置在移動(dòng)過(guò)程中測(cè)量鍛件某一位置的外徑尺寸,由圖2外徑測(cè)量示意圖可知， 該系統(tǒng)只能獲取鍛件截面的一段點(diǎn)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(guò)旋轉(zhuǎn)和平移得到完整的鍛件截面的二維點(diǎn)云結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。移動(dòng)轉(zhuǎn)并圖2yM空測(cè)量示意圖圖3外徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果但由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)等外界因素的影響，鍛造過(guò)程中有可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，測(cè)量裝置或被測(cè)鍛件可能存在傾斜現(xiàn)象

6、，此時(shí)測(cè)量裝置獲取的點(diǎn)云信息并非鍛件的圓截面。在幾何上，對(duì)于一個(gè)柱體進(jìn)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(shí)橢圓截面的短軸即為柱體的直徑。計(jì)算方法如圖4所示。通過(guò)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(cè)量過(guò)程中由于激光掃描儀或被測(cè)鍛件存在傾斜 的問(wèn)題。圖4外徑尺寸計(jì)算方法CCD溫度測(cè)量CCD測(cè)溫技術(shù)主要用于800 c以上的高溫測(cè)量，由于大型鍛件鍛造過(guò)程中的溫度范圍一 般為：8501200C,采用CCD測(cè)量溫度比較合適。圖 5為CCD測(cè)溫示意圖，光學(xué)鏡頭把來(lái) 自鍛件筒節(jié)表面的熱輻射能轉(zhuǎn)換為電子視頻信號(hào)，經(jīng)CCD后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后圖像采集卡采集

7、電信號(hào)后輸入到電腦中，經(jīng)電腦處理后在顯示器上顯示相應(yīng)的溫度信息。贊仲 光學(xué)鯉頭|斗藪嘈弋ccd 國(guó)值4 001a榮集卡 f 電塔海圖5 CUD測(cè);呈骷構(gòu)圖測(cè)量系統(tǒng)中的光學(xué)鏡頭和CCD安裝在鍛件筒節(jié)的截面對(duì)應(yīng)的方向。溫度的測(cè)量主要是依據(jù)彩色CCD的比色測(cè)溫原理，利用同一被測(cè)物體在兩個(gè)不同波長(zhǎng)下的單色輻射亮度之比 隨溫度變化的特性進(jìn)行測(cè)溫。計(jì)算方法如圖6所示，利用公式（8）得到鍛件外徑表面的實(shí)時(shí)溫度。圖6溫度計(jì)算方法長(zhǎng)度尺寸測(cè)量利用該檢測(cè)裝置測(cè)量鍛件的長(zhǎng)度，如圖7所示即要測(cè)量鍛件 CD兩端之間的距離，首先A處，此時(shí)測(cè)量位置恰好是鍛利用計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)根據(jù)綠激光的指示將測(cè)量裝備移至件的C端，位移傳

8、感器記錄此時(shí)的位置信息，測(cè)量裝備繼續(xù)向前移動(dòng)，直到綠激光指示在鍛件的D端時(shí)停止，此時(shí)測(cè)量裝備位置在B處，位移傳感器記錄此時(shí)的位置信息，通過(guò)運(yùn)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(zhǎng)度測(cè)量過(guò)程中， 當(dāng)綠激光指示接近鍛件 D端時(shí)，需及時(shí)降低測(cè)量裝備的移動(dòng)速度，保證鍛件的長(zhǎng)度可以準(zhǔn) 確無(wú)誤的一次性完成測(cè)量。移動(dòng)福圖7長(zhǎng)度測(cè)量示意圖三階軸尺寸測(cè)量運(yùn)用該測(cè)量裝備在實(shí)驗(yàn)室（圖8、圖9）和生產(chǎn)車(chē)間（圖10、圖11）中分別進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)一個(gè)三階軸鍛件進(jìn)行測(cè)量， 主要測(cè)量三階軸鍛件軸向截面形線(xiàn)及軸向各臺(tái)階的高度，徑向截面外徑輪廓及外徑尺寸。在實(shí)驗(yàn)室中將三階軸鍛件固定在旋轉(zhuǎn)頻率可調(diào)的

9、三爪卡盤(pán)上，測(cè)量過(guò)程中三階軸鍛件一直處于旋轉(zhuǎn)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(diǎn)云，經(jīng)過(guò)濾波光滑處理，提取三階軸鍛鍛件光學(xué)鏡頭CCD圖像采集卡電腦端件特征部位點(diǎn)云信息，進(jìn)而求出三階軸鍛件各臺(tái)階的高度，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量精度w2mm。圖8實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用圖9數(shù)據(jù)處理1圖10現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖11數(shù)據(jù)處理2試驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證本文提出的在線(xiàn)檢測(cè)裝備在工業(yè)鍛造中的可行性，本節(jié)測(cè)量對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)外徑為 6000mm,標(biāo)準(zhǔn)鍛造溫度為1050C。在鍛件不同的位置分別對(duì)外徑尺寸和溫度進(jìn)行了十組數(shù) 據(jù)的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)外役酒量外役/tm相對(duì)誤差/mi標(biāo)準(zhǔn)追篁/苒實(shí)時(shí)港潼Xrc16000+3.91

10、05010545+4.5X-60005期3+2 51050105S.8-3.4360006001.8+ 1 S10501035,1*3.1|4600060024+2410501052 fl十”36000頌1 5+1.6105014532725+3.51050105J.1760006C01S+2.S105。1055+3.6Sw)oo6003 6+3.610501052 7-2.7y6000W017+1.710301051.6旬,610做29+2.910JO105第1表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1數(shù)據(jù)直觀地表示了在測(cè)量過(guò)程中外徑尺寸以及所測(cè)位置的實(shí)時(shí)溫度，發(fā)現(xiàn)根據(jù)本文提出的檢測(cè)裝備測(cè)得的外徑尺寸數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在4mm以?xún)?nèi)，溫度的相對(duì)誤差在 5c以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足鍛件生產(chǎn)的要求，實(shí)現(xiàn)了鍛件外形尺寸及溫度的在線(xiàn)測(cè)量，說(shuō)明該檢測(cè)裝備具有很好的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。結(jié)論本文通