大鍛件熱態(tài)在線尺寸測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

葛　浩　劉仁強(qiáng)　周文戰(zhàn)（一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧　大連　116600）

大鍛件熱態(tài)在線尺寸測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

葛浩劉仁強(qiáng)周文戰(zhàn)
（一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連116600）

根據(jù)大鍛件制造工藝要求，開發(fā)出一套新型的大鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫?zé)釕B(tài)發(fā)光鍛件在線或離線情況下的長(zhǎng)度和直徑（或高度）尺寸測(cè)量、輪廓測(cè)量，并可在鍛件不旋轉(zhuǎn)的情況下獲得鍛件在軸向或徑向截面內(nèi)的完整幾何輪廓，同鍛件工藝尺寸圖對(duì)比；還能實(shí)現(xiàn)鍛造過(guò)程中的到位尺寸預(yù)警功能。提出一種新的用比色溫度傳感器進(jìn)行尺寸測(cè)量的邊緣檢測(cè)法。

大鍛件；尺寸測(cè)量；測(cè)距傳感器；比色溫度傳感器

大鍛件是制造重大技術(shù)裝備大型關(guān)鍵零部件的基礎(chǔ)，如大型艦船的曲軸、舵系，核電站的壓力容器、蒸發(fā)器殼體，發(fā)電機(jī)組的低壓轉(zhuǎn)子，能源石化行業(yè)的加氫反應(yīng)器，各種重型機(jī)械和軍工裝備的核心部件等。我國(guó)目前用鍛造水壓機(jī)生產(chǎn)的最長(zhǎng)軸類鍛件的長(zhǎng)度已達(dá)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(shù)裝備制造質(zhì)量的一個(gè)重要因素。大鍛件在線尺寸測(cè)量是指在鍛造過(guò)程中高溫狀態(tài)下，測(cè)量鍛件的主要尺寸，以判斷其是否達(dá)到工藝文件的要求。由于測(cè)量環(huán)境惡劣，以前靠人工卡鉗、‘量桿’以及懸線方法測(cè)量的鍛件誤差大，余量多，時(shí)間長(zhǎng)，鍛件平均損耗率高達(dá)15%左右，越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代制造工藝的要求，因此研發(fā)大鍛件熱態(tài)在線尺寸測(cè)量方法勢(shì)在必行。

美國(guó)、韓國(guó)、歐洲等國(guó)家都相繼開發(fā)了機(jī)械式和光學(xué)式的鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鍛件的直徑或長(zhǎng)度的尺寸測(cè)量。美國(guó)國(guó)立標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）等聯(lián)合研究開發(fā)了鍛件三維外形測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍛件表面的三維測(cè)量，但其測(cè)量范圍過(guò)小，無(wú)法測(cè)量大型鍛件的三維尺寸外形。韓國(guó)斗山重工研究開發(fā)了利用激光指示器配合伺服電機(jī)的方法測(cè)量大鍛件的直徑和長(zhǎng)度，但此方法沒法測(cè)量大型筒節(jié)的壁厚尺寸。德國(guó)利用激光測(cè)距原理測(cè)量鍛件的尺寸，研究開發(fā)出LaCam－forge系統(tǒng)，但該系統(tǒng)只能得到鍛件的二維圖形。國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)高峰等利用激光測(cè)距傳感器配合球面二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)鍛件外形尺寸進(jìn)行掃描，通過(guò)計(jì)算機(jī)還原出機(jī)構(gòu)的三維外形。大連理工大學(xué)的賈振元等采用短波通濾光片結(jié)合結(jié)構(gòu)光投影方式的圖像采集技術(shù)對(duì)大鍛件的圖像進(jìn)行處理，最終得到鍛件的外形尺寸。燕山大學(xué)的聶紹珉教授等研究了CCD測(cè)量大鍛件直徑的方法，該方法采用圖像灰度識(shí)別鍛件邊界并計(jì)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(cè)距傳感器為基礎(chǔ)，提出一套大型自由鍛件熱態(tài)在線尺寸測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫?zé)釕B(tài)發(fā)光鍛件在線或離線情況下的長(zhǎng)度和直徑（或高度）尺寸測(cè)量、輪廓測(cè)量，并可在鍛件不旋轉(zhuǎn)的情況下獲得鍛件在軸向或徑向截面內(nèi)的完整幾何輪廓，同鍛件工藝尺寸圖對(duì)比；還能實(shí)現(xiàn)鍛造過(guò)程中的到位尺寸預(yù)警功能。

1　大鍛件熱態(tài)在線尺寸測(cè)量系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)采用三種方法對(duì)大鍛件進(jìn)行熱態(tài)在線尺寸測(cè)量，下面分別對(duì)三種方法進(jìn)行介紹。

1.1對(duì)射法

對(duì)射法測(cè)量主要是利用兩個(gè)激光測(cè)距傳感器分別從鍛件的兩邊對(duì)鍛件中間直徑部分上下進(jìn)行掃描測(cè)量，并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)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(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，并可以克服激光測(cè)距傳感器遇到鍛件邊緣要么沒有數(shù)據(jù)反饋，要么數(shù)據(jù)反饋非常慢，甚至無(wú)法測(cè)量。

1.2邊緣檢測(cè)法

邊緣檢測(cè)法測(cè)量如圖2所示，主要是利用比色溫度傳感器準(zhǔn)確探測(cè)鍛件邊緣，利用伺服電機(jī)配絕對(duì)值編碼器適時(shí)記錄移動(dòng)距離，并對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，最終得到鍛件的直徑尺寸。

任何物質(zhì)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(zhǎng)的輻射能量。普朗克定律準(zhǔn)確地描述出黑體的輻射能量與波長(zhǎng)以及溫度之間的關(guān)系。

黑體在波長(zhǎng)間隔（λ，λ+dλ）內(nèi)輻射強(qiáng)度的具體函數(shù)形式為：

其中：

C1—第一輻射常數(shù)，C1=3.7418× 1016；

C2—第二輻射常數(shù)，C2=1.3488× 10-2；

T—絕對(duì)溫度；

T—真空中的波長(zhǎng)。

考慮到空氣折射率，普朗克定律的準(zhǔn)確函數(shù)形式就變?yōu)椋?/p>

其中：

n—第一輻射常數(shù)，n=1.00029。

對(duì)于實(shí)際物體，其輻射能力E不僅與溫度T有關(guān)，還與輻射系數(shù)ε有關(guān)，因此上式可改為：

輻射系數(shù)ε取決于被測(cè)對(duì)象的材料和表面條件。當(dāng)測(cè)溫環(huán)境、測(cè)溫距離、測(cè)溫物體發(fā)生改變時(shí)，ε也隨之變化，ε變化直接影響發(fā)射能量，這將會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。我們采用的比色法測(cè)溫原理可以很好的消除這個(gè)誤差。由于許多物體都可以近似的認(rèn)為是灰體，這樣就削弱了ε（λ，T）的影響。同時(shí)選用恰當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)λ1、λ2—窄帶高透干涉濾波片，使被測(cè)物體在這兩個(gè)特定的波段內(nèi)ε1（λ1，T）、ε2（λ2，T）近似相等。

設(shè)物體在波長(zhǎng)λ1、λ2下的光譜輻射量的比值為R，即測(cè)量到的信號(hào)比為：

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

此方法巧妙的把用來(lái)測(cè)量熱態(tài)零件溫度的比色溫度傳感器用作鍛件邊緣探測(cè)器，利用伺服電機(jī)帶動(dòng)上下移動(dòng)，絕對(duì)值編碼器記錄移動(dòng)距離，從而得到鍛件的直徑尺寸。

1.3CCD目測(cè)投線法

CCD目測(cè)投線測(cè)量方法如圖3所示，采用激光投射指示線的方法，目測(cè)對(duì)準(zhǔn)鍛件端面或臺(tái)肩，編碼器對(duì)應(yīng)移動(dòng)小車移動(dòng)的距離，即可獲得鍛件各部長(zhǎng)度尺寸。

對(duì)于10多米（從小車到鍛件）遠(yuǎn)處的鍛件，通過(guò)CCD采集圖像，經(jīng)過(guò)電動(dòng)變倍變焦鏡頭的放大，操作人員獲得對(duì)準(zhǔn)細(xì)節(jié)的圖像，即可準(zhǔn)確控制小車位置，滿足長(zhǎng)度尺寸測(cè)量精度要求。

2　大鍛件熱態(tài)在線尺寸測(cè)量裝置

本文提出一套新型大鍛件熱態(tài)在線尺寸測(cè)量裝置，此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)大鍛件在線和離線尺寸測(cè)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(dòng)，小車由伺服電機(jī)帶動(dòng)，絕對(duì)值編碼器可以適時(shí)記錄小車在軌道上的位置，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在線和離線測(cè)量鍛件的長(zhǎng)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(dòng)，小車箱體內(nèi)安裝有激光指示器、比色溫度傳感器、激光測(cè)距傳感器、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)等元器件，可以實(shí)現(xiàn)鍛件離線不同位置的測(cè)量和在線直徑及壁厚的測(cè)量、自動(dòng)繪制鍛件的二維輪廓、自動(dòng)計(jì)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(nèi)上下移動(dòng)，小車箱體內(nèi)同樣安裝有激光指示器、比色溫度傳感器、激光測(cè)距傳感器、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)等元器件，可以實(shí)現(xiàn)在線鍛件的不同位置直徑尺寸測(cè)量、投射工藝基準(zhǔn)線、工藝基準(zhǔn)線自動(dòng)跟蹤鍛件等。

本裝置可以實(shí)現(xiàn)鍛件最大長(zhǎng)度25m，誤差±5mm和最大直徑φ7m，誤差±3mm的測(cè)量，小車水平移動(dòng)速度可以達(dá)到0.6m/s～1m/s，垂直移動(dòng)速度0.2m/s～0.5m/s。

結(jié)語(yǔ)

本文提出一種測(cè)量熱態(tài)大鍛件尺寸的新方法，本方法可在線和離線測(cè)量鍛件尺寸，增強(qiáng)了測(cè)量功能，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)精度及測(cè)量效率。并給出大鍛件熱態(tài)在線測(cè)量的新裝置，本裝置可實(shí)現(xiàn)鍛件長(zhǎng)度、直徑及輪廓尺寸的測(cè)量，克服了傳統(tǒng)測(cè)量裝置不能實(shí)時(shí)在線測(cè)量鍛件尺寸、測(cè)量精度和效率低、測(cè)量功能單一的缺陷。

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