[发明专利]大型自由锻件尺寸在线测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型自由锻件尺寸在线测量装置及方法。

背景技术

大型热态发光锻件尺寸的在线测量是国内外长期以来没有很好解决的一个技术难题。国内外目前锻件尺寸测量装置的缺点是在线测量功能不强，测量精度和效率较低，自动化水平不高，不能输出整个锻件轮廓并与锻造工艺尺寸图对比。

目前国内外测量锻件尺寸的主要方法有直接测量法、激光束投线法、光学测量法、激光扫描法、CCD图像测量法以及结构光测量法等（参见聂绍珉、李树奎2008年发表在《金属加工(热加工) 》第11期的论文《大锻件热态在线尺寸测量研究综述》），其中已应用在锻造工业现场的是激光束投线法，其采用手动操作方式，只能在锻造的间歇过程中或将锻件移出锻压机外才能测量，适合于精度要求不高的锻件长度和直径尺寸的离线测量要求，而且不能输出锻件在水平截面内的二维轮廓，锻件同轴度和直线度也无法测量；除激光束投线法外，其他方法都存在难以解决的技术问题，尚不能应用于锻造工业现场。

例如虽然用于三维形貌重建的算法已经非常成熟，但三维激光扫描法并不适合测量锻件尺寸，主要原因是虽然对局部弧段测量很准确，但对直径尺寸无法准确测量，三维激光扫描只能获得锻件前表面，但对于不规则形状锻件，通常采用椭圆拟合或圆拟合，以锻件局部弧段推算整体直径的尺寸误差将非常大；若采用操作机旋转锻件后再测锻件后表面，由于操作机夹钳夹持锻件的部分与锻件理论轴线通常有几十毫米的偏心量，且锻件是不规则形状，无法判断偏心量大小，而且锻件难以调整水平，轴线会有倾斜，因此当锻件旋转180°后，通过锻件两侧轮廓拼接而得到锻件的直径就会很不准确，而一般锻件直径检测精度要求达到±3mm；另一个原因是若采用三维激光扫描的方法必须同时安装两台以上的三维激光扫描测距仪，但仍存在视角的问题，即锻件的台肩、凸起或周围物体会遮挡光路，使某些表面测不到，而且在数据处理时区分锻件和锻砧之间的边界非常困难，还不能设定固定边界，因为不同锻件对应不同锻砧，更换锻砧后边界也要改变；另外，由于反射角及锻件发光的原因，锻件边缘的数据返回较少，需要花费大量时间采集边缘数据，这样三维激光扫描法的测量效率就很低，扫描五米长的锻件也得至少需要两到三分钟，因此不适合用于大型自由锻件的在线尺寸测量。

另外单纯依靠目测的激光束投线法测量精度不高，可发射窄线宽激光束的激光器价格昂贵，其线宽最窄只能做到10米远处5mm左右，激光线的边缘部分还存在明暗的过渡区域，不利于对准锻件的待测边界，当激光束在倾斜表面上投射时激光线边缘更不清晰，目测观察激光线是否对准锻件上下边缘较困难，而且锻件一般距离锻造操作室较远。

CCD图像测量法存在的问题是受环境光和水雾的影响测量不稳定，还不能测长度以及处理凹陷、存在氧化皮的情况，另外CCD受像素数的限制，其整体锻件尺寸测量精度不够。

结构光测量法本质上是一种图像处理的方法，通过对投射到锻件表面的栅格或条纹曲率的计算实现三维形貌重建，但这种方法受锻件自身发光的影响很大，栅格光强不够；另外同三维激光扫描法一样，同样存在局部弧段测量很准确，但对直径尺寸无法准确测量的问题。

其他的一些测量方法比如利用全站仪的光学测量法，有合作目标的靶球坐标跟踪法，使用卡钳、量杆和测量夹具的直接测量法等，都存在效率低，测量位置有限，劳动条件差，不够安全的问题。

综上所述，现有的锻件尺寸测量装置和方法大多存在实时性差、测量效率低、可靠性差、操作复杂、精度低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型自由锻件尺寸在线测量装置及方法，本装置可实现锻件长度、直径及轮廓尺寸的测量，克服了传统测量装置不能实时在线测量锻件尺寸、测量精度和效率低、测量功能单一的缺陷；本方法可在线和离线测量锻件尺寸，提高了测量数据精度及测量效率。

为解决上述技术问题，本发明大型自由锻件尺寸在线测量装置安装于自由锻造车间的锻压机、带夹钳的操作机两侧，所述锻压机包括四根立柱、活动横梁、锻锤、走台和锻砧，所述活动横梁设于所述四个立柱并沿四根立柱升降，所述锻锤设于所述活动横梁底面，所述锻砧设于所述走台上并位于所述锻锤下方，所述操作机位于所述锻压机一端并沿轨道通过夹钳向所述锻压机进给锻件，所述锻件包括轴类、筒类、盘类、台阶类、中空阀体类锻件，长度从1米到25米，直径或高度从0.5米到7.5米，所述锻压机和操作机由操作室内的操作人员控制，所述操作室位于所述锻压机一侧；