環形鍛件熱態在線尺寸測量關鍵技術研究
2019.02.28
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長軸類鍛件的長度已達17m，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，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，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：
d=L-L1-L2 （1）
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，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。
