引言

为了实现在线测量大型锻件自由锻造过程中的外形尺寸和温度，我们设计了一种大型锻件锻造过程中外形尺寸和温度的在线检测装置，可实现锻件外径、长度、台阶轴高度以及温度的测量，通过激光扫描仪、绿激光指示装置、监视装置以及测温装置的协同工作，真正实现了实时测量和远程监控的大型锻件自由锻造过程中外形尺寸和温度的测量。

国内外测量方法

大型锻件在航天、石油、化工、船舶、军工等领域有着重要的地位。在大型锻件自由锻造过程中，锻件的外形尺寸是合理决定压下量、锻打力、锻打次数等工艺参数的主要依据之一。大型锻件自由锻造过程中外形尺寸和温度测量的研究，可以提高生产效率和锻造精度，减少锻件加工余量和材料能源损耗，保证锻工工作环境的安全性，对于锻造企业的自动化、智能化发展有着积极的推动作用。

国内外对于大型锻件锻造过程中外形尺寸的测量方法有：德国研制的LaCam-Forge 系统，激光扫描仪连续扫描锻件表面，对点云数据进行处理并构建三维模型，动态的反映锻件截面和三维形状尺寸的变化；意大利Tecnogamma 公司研制的双二维激光扫描仪测量系统，在锻件两侧各安装一个激光扫描仪，扫描锻件同一个截面的点云数据信息，经数据处理后重构锻件的截面，实现锻件外径测量；上海交通大学徐要刚提出了一种通过两自由度的并联机构带动激光测距传感器运动，获取锻件表面点云信息，经坐标变换处理建立三维外形模型，进行锻件的尺寸测量；燕山大学聂绍珉等人提出了一种基于CCD 的大型锻件尺寸测量的方法，通过拍摄获得锻件的灰度分布曲线，根据温度的变化认为灰度曲线突变处即为锻件边缘，经过数据统计软件和数学模型处理得到测量结果；大连理工大学王邦国等研制出了一种大型锻件热态几何参数在线测量的系统，通过对光谱选择性图像采集方法的双目视觉系统和特征投影设备的综合应用，重构锻件的三维外形，进而测量锻件的外形尺寸信息。

测量系统

我们通过借鉴国内外关于热态锻件的尺寸测量方法，研发了一种大型锻件锻造过程中外形尺寸和温度在线检测装备，结合软件实现锻件各种参数的测量。通过移动装置改变激光扫描仪、绿激光指示装置、监视装置以及测温装置的位置，可以实现锻件长度方向上任意位置截面外径尺寸、外径轮廓、台阶轴高度尺寸以及实时温度的检测。绿激光指示装置告知测量者当前测量的位置，激光扫描装置用来获取点云数据信息，监视装置可以实现在控制室对整个测量过程的远程监视，彩色CCD 基于比色测温原理测量实时温度。由于激光容易受到温度的影响，而大型锻件锻造过程中的温度范围一般为：850 ～ 1200℃，因此利用保护罩对激光扫描装置、绿激光指示装置和监视装置采取了保护措施。测量系统如图1 所示。

激光扫描仪根据工作原理可以分为相位激光扫描仪和脉冲激光扫描仪两类，本文提到的装置采用了德国SICK 公司的脉冲激光扫描仪，其测量原理是基于飞行时间法，取激光光束发射到接收之间时间的一半，乘以光传播速度即可得到距离信息。结合软件算法通过坐标转换、滤波光滑、点云数据拟合等措施实现锻件尺寸测量。经试验，该系统具有实时性好、功能齐全、自动化程度高的优点。

测量原理

外径尺寸测量

测量装置在移动过程中测量锻件某一位置的外径尺寸，由图2 外径测量示意图可知，该系统只能获取锻件截面的一段点云数据，由于锻件的截面为圆形，因此利用最小二乘法拟合圆，找出圆心和半径参数，经过旋转和平移得到完整的锻件截面的二维点云结构图，如图3 所示。

但由于测量现场振动等外界因素的影响，锻造过程中有可能出现失稳现象，测量装置或被测锻件可能存在倾斜现象，此时测量装置获取的点云信息并非锻件的圆截面。在几何上，对于一个柱体进行斜切割，所形成的截面形状为椭圆，椭圆截面向底面投影恰好与底面圆重合，此时椭圆截面的短轴即为柱体的直径。计算方法如图4 所示。通过椭圆拟合的方法求取锻件的外径尺寸，解决了在大型锻件在测量过程中由于激光扫描仪或被测锻件存在倾斜的问题。

CCD 温度测量

CCD 测温技术主要用于800 ℃ 以上的高温测量，由于大型锻件锻造过程中的温度范围一般为：850 ～ 1200℃，采用CCD 测量温度比较合适。图5为CCD 测温示意图，光学镜头把来自锻件筒节表面的热辐射能转换为电子视频信号，经CCD 后转换成电信号，然后图像采集卡采集电信号后输入到电脑中，经电脑处理后在显示器上显示相应的温度信息。

测量系统中的光学镜头和CCD 安装在锻件筒节的截面对应的方向。温度的测量主要是依据彩色CCD的比色测温原理，利用同一被测物体在两个不同波长下的单色辐射亮度之比随温度变化的特性进行测温。计算方法如图6 所示，利用公式(8) 得到锻件外径表面的实时温度。

长度尺寸测量

利用该检测装置测量锻件的长度，如图7 所示即要测量锻件CD 两端之间的距离，首先利用计算机控制伺服电机根据绿激光的指示将测量装备移至A 处，此时测量位置恰好是锻件的C 端，位移传感器记录此时的位置信息，测量装备继续向前移动，直到绿激光指示在锻件的D 端时停止，此时测量装备位置在B处，位移传感器记录此时的位置信息，通过运算获取AB 之间的距离，也即是锻件尺寸CD 之间的距离值。需要注意的是在长度测量过程中，当绿激光指示接近锻件D 端时，需及时降低测量装备的移动速度，保证锻件的长度可以准确无误的一次性完成测量。

三阶轴尺寸测量

运用该测量装备在实验室（图8、图9）和生产车间（图10、图11）中分别进行应用，对一个三阶轴锻件进行测量，主要测量三阶轴锻件轴向截面形线及轴向各台阶的高度，径向截面外径轮廓及外径尺寸。在实验室中将三阶轴锻件固定在旋转频率可调的三爪卡盘上，测量过程中三阶轴锻件一直处于旋转状态。将激光扫描仪获取的数据读入软件显示三阶轴锻件轴向外形轮廓点云，经过滤波光滑处理，提取三阶轴锻锻件光学镜头CCD 图像采集卡电脑端件特征部位点云信息，进而求出三阶轴锻件各台阶的高度，经试验测量精度≤ 2mm。

试验验证

为了验证本文提出的在线检测装备在工业锻造中的可行性，本节测量对象标准外径为6000mm，标准锻造温度为1050℃。在锻件不同的位置分别对外径尺寸和温度进行了十组数据的测量，测量数据如表1所示。

表1 数据直观地表示了在测量过程中外径尺寸以及所测位置的实时温度，发现根据本文提出的检测装备测得的外径尺寸数据相对误差在4mm 以内，温度的相对误差在5℃以内，满足锻件生产的要求，实现了锻件外形尺寸及温度的在线测量，说明该检测装备具有很好的准确性和实时性。

结论

本文通过将激光扫描装置、绿激光指示装置、监测装置、温度测量装置以及移动装置相结合的方法，创新性的提出了一种综合指示、测量、监控于一体的大型锻件锻造过程中外形尺寸和温度在线检测装备，实现了大型锻件锻造过程中外径、长度、台阶高度等尺寸和温度的测量。通过试验验证了此检测装备的可行性，并解决了一般测量系统测量误差大、功能单一的问题。