CN103411530A - 大型自由锻件尺寸在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型自由锻件尺寸在线测量装置及方法，本装置在锻压机两侧设置水平和垂直运动单元、激光投线法长度测量单元、测温寻边法直径在线测量单元、激光对射测距法直径在线测量单元、激光对射测距法直径离线测量单元、激光束投线法直径目测及预警单元，以及安装于操作机上的操作机位置测量单元，各测量单元安装于水平或垂直运动单元上，可水平或上下运动，本方法分别采用投射激光束法、红外测温自动寻边法和激光对射测距法得到锻件直径、长度尺寸及水平截面内的锻件轮廓；本装置和方法实现了锻件在线和离线尺寸测量，增强了测量功能，提高了测量的实时性、精度和效率。

Description

大型自由锻件尺寸在线测量装置及方法

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；

本大型自由锻件尺寸在线测量装置包括两处支撑钢架、水平运动单元、第一垂直运动单元、第二垂直运动单元、第三垂直运动单元、第四垂直运动单元、激光投线法长度测量单元、测温寻边法直径在线测量单元、激光对射测距法直径在线测量单元、激光对射测距法直径离线测量单元、激光束投线法直径目测及预警单元和操作机位置测量单元，所述两处支撑钢架分别设于所述操作室两侧，所述水平运动单元架设于所述两处支撑钢架顶端并位于所述操作室上方或前上方，所述第一垂直运动单元和第二垂直运动单元分别相向设于所述锻压机两侧并正对锻压机靠近操作机侧的立柱和锻砧之间的空隙，所述第三垂直运动单元和第四垂直运动单元分别相向设于所述锻压机和操作机两侧并靠近操作机一侧；

其中，所述激光投线法长度测量单元包括第一安装箱、第二安装箱、两台激光束投线器和两台带有电动变倍变焦镜头的工业摄像机，所述两台激光束投线器和两台带有电动变倍变焦镜头的工业摄像机分别设于所述第一安装箱和第二安装箱内，所述第一安装箱和第二安装箱分别间隔设于所述水平运动单元并沿水平运动单元移动，所述两台激光束投线器向锻件表面投射激光线并由工业摄像机放大成像；

所述测温寻边法直径在线测量单元包括第三安装箱、第四安装箱、第五安装箱、第六安装箱和四个带电动转台的高温红外测温传感器，所述四个带电动转台的高温红外测温传感器分别设于所述第三安装箱、第四安装箱、第五安装箱和第六安装箱内，所述第三安装箱和第四安装箱分别间隔设于所述第一垂直运动单元并沿第一垂直运动单元上下运动，所述第五安装箱和第六安装箱分别间隔设于所述第三垂直运动单元并沿第三垂直运动单元上下运动，所述设于第三安装箱和第四安装箱内的高温红外测温传感器自动测温并在线寻找锻砧和锻压机立柱之间空隙处的锻件上下边缘，所述设于第五安装箱和第六安装箱内的高温红外测温传感器斜向自动测温并在线寻找在锻砧内正在锻造处的锻件上下边缘，所述四个高温红外测温传感器通过电动转台调整水平转角；

所述激光对射测距法直径在线测量单元包括第三安装箱、第七安装箱和两个带电动转台的高温激光测距传感器，所述第七安装箱设于所述第二垂直运动单元并沿第二垂直运动单元上下移动，所述两个带电动转台的高温激光测距传感器分别设于所述第三安装箱和第七安装箱内，所述两个高温激光测距传感器自动对向测量到锻件的距离并在线测量锻件直径，所述两个高温激光测距传感器通过电动转台调整水平转角指向锻件需要测量的截面，获得该截面位置处的锻件直径；

所述激光对射测距法直径离线测量单元包括第五安装箱、第八安装箱和两个高温激光测距传感器，所述第八安装箱设于所述第四垂直运动单元并沿第四垂直运动单元上下移动，所述两个高温激光测距传感器分别设于所述第五安装箱和第八安装箱内，所述两个高温激光测距传感器自动对向测量到锻件的距离并离线测量锻件直径；

所述激光束投线法直径目测及预警单元包括四台一字激光束发射器和四台带电动变倍变焦镜头的工业摄像机，所述四台一字激光束发射器和四台带电动变倍变焦镜头的工业摄像机分别设于所述第三安装箱、第四安装箱、第五安装箱和第六安装箱内，所述四台一字激光束发射器分别向锻件投射激光线,对准锻件上下边缘并由工业摄像机成像，或将激光线移动到最终锻造的直径尺寸位置，得到锻造工艺尺寸预警线；

所述操作机位置测量单元包括第九安装箱和激光测距传感器，所述第九安装箱设于所述操作机上并随同操作机移动，所述激光测距传感器设于所述第九安装箱内并实时检测操作机与锻压机之间的距离。

进一步，上述水平运动单元、第一垂直运动单元、第二垂直运动单元、第三垂直运动单元和第四垂直运动单元分别包括导轨、电机编码器以及依据电机编码器信息驱动相应安装箱沿导轨运动的伺服电机。

本发明还涉及一种大型自由锻件尺寸在线测量的方法，本方法包括激光束投线测量法、测温寻边直径测量法、激光对射直径测量法、激光对射轮廓测量法； 

所述激光束投线测量法适用于手动测量，锻件待测端面或直径上下边缘没有被锻砧或其他物体遮挡的情况，其包括以下步骤：

步骤一、采用设置于垂直运动单元的激光束发射器向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车调整锻件至水平位置；

步骤二、采用设置于垂直运动单元或水平运动单元的激光束发射器向锻件表面投射两条水平激光束投线或两条垂直激光束投线，通过控制水平或垂直运动单元上相应的两台安装箱的移动，并结合工业摄像机获得的激光束投线在锻件上放大的局部图像，人工判断并操作控制激光束发射器将两条激光束投线分别对准锻件的直径或高度的上下边缘、台肩或端面边缘；

步骤三、通过两台激光束发射器安装箱间距信息计算两条激光束投线间的距离，得到锻件直径值或长度值。

所述测温寻边直径测量法适用于沿垂直方向的锻件直径自动测量，测量锻件在锻砧和锻压机立柱之间空隙处的直径或锻砧内正在锻压位置处的直径，可沿垂直于锻件轴线的方向测量锻件直径，或当锻件被锻砧遮挡时沿斜向测量锻件直径，其包括以下步骤：

步骤一、采用设置于垂直运动单元的激光束发射器向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车调整锻件至水平位置；

步骤二、控制设置于垂直运动单元上安装有高温红外测温传感器的两个安装箱上下移动位置，采集两台高温红外测温传感器对锻件和背景的测温数据，结合实时的相应两个安装箱的间距信息，计算得到高温红外测温传感器位置与温度的梯度变化关系，据此自动搜索并判断锻件边缘，最终将两个高温红外测温传感器分别自动对准锻件的直径或高度的上下边缘；

步骤三、根据两个高温红外测温传感器最终的定位位置，计算得到两台高温红外测温传感器之间的距离，即锻件直径值或高度值。

所述激光对射直径测量法适用于在线或离线自动测量沿水平方向的锻件直径，并且当在线测量锻砧内正在锻造位置处的锻件直径时，锻件被锻砧遮挡应不超过二分之一，其包括以下步骤：

步骤一、通过操作机夹钳或天车调整锻件轴线相对于相向设置的两个高温激光测距传感器的连线垂直；

步骤二、控制相向设置的两个高温激光测距传感器在相应垂直运动单元上的位置，使安装有两个高温激光测距传感器的安装箱在锻件高度中心位置附近上下移动，采集并记录两个高温激光测距传感器到锻件表面的距离数据；

 步骤三、对距离数据滤波处理并拟合计算得到两个高温激光测距传感器测得的距离最小值                                               、

，若两个高温激光测距传感器的水平初始距离为，

是锻件待测位置处的直径，

、

分别是两个高温测距传感器的连线同两个高温测距传感器激光束间的夹角，则

，得到锻件待测位置处的直径；

所述激光对射轮廓测量法适用于水平截面内的锻件轮廓离线自动测量，其包括以下步骤：

步骤一、通过操作机夹钳将锻件拉出锻压机外，向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车控制锻件处于水平位置；

步骤二、通过测温寻边法直径在线测量单元测得锻件中心高度，同时控制相向安装的设有高温红外测温传感器的两个安装箱在相应垂直运动单元上上下运动，将两个高温激光测距传感器调整至与锻件轴线位于同一水平面内； 

步骤三、操作机夹钳带动锻件单方向移动，采集并记录两个高温激光测距传感器到锻件的距离数据，并通过操作机位置测量单元实时采集操作机位置数据，同两个高温激光测距传感器的测量数据一一对应；

步骤四、以操作机位置数据作为横坐标，以两个高温激光测距传感器测量数据经滤波处理并拟合后的数据为纵坐标，绘制在同一幅坐标图中，即得到锻件在水平截面内的轮廓，并可同锻造工艺尺寸图放在同一张坐标图中对比。

上述大型自由锻件尺寸测量方法，当用于锻件在锻压机内锻造进行过程中测量时，是锻件尺寸的在线测量方法，当用于锻造间歇过程中，将锻件拉出锻压机外进行锻件直径、高度、长度、轮廓、同轴度、直线度测量时，是锻件尺寸的离线测量方法。实际锻造时结合测量内容、测量位置和锻件被锻砧等物体遮挡的情况按需确定采用一种或几种测量方法进行测量，也可按本方法的顺序依次进行。    

本发明的测量原理是基于测温法的高温锻件边缘自动检测原理及激光对射距离测量的原理，并结合激光束投线与工业摄像机图像放大显示技术，实现对高温热态发光锻件在线或离线情况下的长度、直径或高度尺寸测量、轮廓测量。与现有技术相比，本发明可实现锻件在线自动尺寸测量，具有可在锻件不旋转的情况下获得锻件在轴向或径向截面内的完整几何轮廓，并同锻件工艺尺寸图对比的功能，还能实现锻造过程中的到位尺寸预警功能。综上所述，现有的锻件尺寸测量装置和技术方法存在实时性差、测量效率和测量精度低、自动化水平低、功能单一的问题。本发明所述的大型自由锻件在线尺寸测量装置及方法具有实时性好，自动化程度高，重复测量精度高，测量时间短，可输出锻件二维轮廓的优点，适合在实际锻造工业现场中应用。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明大型自由锻件尺寸在线测量装置的示意图；

图2为图1的右视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本装置中锻件长度尺寸测量示意图；

图5为图4的右视图；

图6为本装置中锻件直径尺寸测温寻边法及对射测量法相关单元示意图；

图7为图6的A-A向剖视图；

图8为本装置中锻件直径尺寸测温寻边法斜向测量的示意图；

图9为图8的左视图；

图10为本装置中锻件直径尺寸对射测量法测量的示意图；

图11为图10的俯视图；

图12为本装置中锻件轮廓激光对射测量法测量的示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，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18、带夹钳3的操作机1两侧，自由锻造车间安装有锻压机18、带夹钳3的操作机1和操作室9，所述锻压机18包括四根立柱6a、6b、6c、6d、活动横梁17、锻锤19、走台8和锻砧7，所述活动横梁17设于所述四根立柱6a、6b、6c、6d并沿四根立柱升降，所述锻锤19设于所述活动横梁17底面，所述锻砧7设于所述走台8上并位于所述锻锤19下方，所述操作机1位于所述锻压机18一端并沿轨道2通过夹钳3向所述锻压机18进给锻件5，所述锻件5为轴类、筒类、盘类、台阶类、中空阀体类锻件，所述操作室9位于所述锻压机18一侧并由操作人员控制所述锻压机18和操作机1；本大型自由锻件尺寸在线测量装置包括两处支撑钢架11a、11b、水平运动单元12、第一垂直运动单元20、第二垂直运动单元22、第三垂直运动单元16、第四垂直运动单元24、激光投线法长度测量单元、测温寻边法直径在线测量单元、激光对射测距法直径在线测量单元、激光对射测距法直径离线测量单元、激光束投线法直径目测及预警单元和操作机位置测量单元，所述两处支撑钢架11a、11b分别设于所述操作室9两侧，所述水平运动单元12架设于所述两处支撑钢架11a、11b顶端并位于所述操作室9上方或前上方，所述第一垂直运动单元20和第二垂直运动单元22分别相向设于所述锻压机18两侧并正对锻压机18靠近操作机1侧的立柱6a和锻砧7之间的空隙，所述第三垂直运动单元16和第四垂直运动单元24分别相向设于所述锻压机18和操作机1两侧并靠近操作机1侧；

其中，所述激光投线法长度测量单元包括第一安装箱13a、第二安装箱13b、两台激光束投线器15a、15b和两个带有电动变倍变焦镜头的工业摄像机14a、14b，所述两台激光束投线器15a、15b和两个带有电动变倍变焦镜头的工业摄像机14a、14b分别设于所述两个第一安装箱13a和第二安装箱13b内，所述第一安装箱13a、第二安装箱13b分别间隔设于所述水平运动单元12并沿水平运动单元12移动，所述两台激光束投线器15a、15b向锻件5表面投射激光线并由工业摄像机14a、14b成像；

激光投线法长度测量单元用于锻件5各台肩、端面之间长度尺寸的测量，该单元的激光束投线器15a、15b由输出光功率为200mW～600mW，波长为532nm的固态激光器、固态激光器专用电源和扇角在10°到18°之间的鲍威尔棱镜构成，可发射一字绿色激光束，工业摄像机14a、14b由彩色工业摄像机和电动变倍变焦镜头构成，分别安装在相应的安装箱内，并可沿锻造操作室同侧上方或前上方的水平运动单元12的导轨水平运动，激光束投线器15a、15b投射到锻件表面形成两条竖直明亮的绿色激光线，由工业摄像机14a、14b成像后传输至操作室9的数据采集与控制显示单元27、28。

所述测温寻边法直径在线测量单元包括第三安装箱21a、第四安装箱21b、第五安装箱4a、第六安装箱4b和四个带电动转台的高温红外测温传感器，所述四个带电动转台的高温红外测温传感器分别设于所述第三安装箱21a、第四安装箱21b、第五安装箱4a和第六安装箱4b内，所述第三安装箱21a和第四安装箱21b分别间隔设于所述第一垂直运动单元20并沿第一垂直运动单元20上下运动，所述第五安装箱4a和第六安装箱4b分别间隔设于所述第三垂直运动单元16并沿第三垂直运动单元16上下运动，所述设于第三安装箱21a和第四安装箱21b内的高温红外测温传感器沿垂直于锻件5轴线的方向自动测温并在线寻找锻件5上下边缘，所述设于第五安装箱4a和第六安装箱4b内的高温红外测温传感器沿斜向自动测温并在线寻找锻件5在锻砧上方被锻砧7或锻锤19遮挡部分的上下边缘，所述四个高温红外测温传感器通过电动转台调整水平转角；

测温寻边法直径在线测量单元用于锻件5在锻压机18内锻造进行过程中的铅垂方向的锻件5直径或高度测量，该单元主要由非接触式的高温红外测温传感器组成，可测温范围为300℃～1400℃，距离系数为250：1，采样频率优于20Hz，高温红外测温传感器设于安装箱内，安装箱设于相应的垂直运动单元并沿导轨上下运动，其共有二组，其中一组测量锻砧7和锻压机18立柱之间处的锻件5直径，另外一组可沿斜向方向测量在锻压机18内位于锻砧7上正在锻造位置处的锻件5直径。

   所述激光对射测距法直径在线测量单元包括第三安装箱21a、第七安装箱23和两个带电动转台的高温激光测距传感器，所述第七安装箱23设于所述第二垂直运动单元22并沿第二垂直运动单元22上下移动，所述两个带电动转台的高温激光测距传感器分别设于所述第三安装箱21a和第七安装箱23内，所述两个高温激光测距传感器自动对向测量到锻件5的距离并在线测量锻件5直径，所述两个高温激光测距传感器通过电动转台调整水平转角指向锻件5需要测量的截面，获得该截面位置处的锻件5直径；

激光对射测距法直径在线测量单元用于锻件5在锻压机18内锻造进行过程中的水平方向的锻件5直径或宽度测量，该单元主要由高温激光测距传感器构成，可测到表面温度从常温到1400℃的发光锻件的距离，测量精度±1mm，具有模拟量输出，采样频率100Hz，安装在相应的安装箱内，安装箱设于相应的垂直运动单元上并沿导轨上下运动，两台高温激光测距传感器分别从正向和反向测量到锻件5的距离，同时，两台高温激光测距传感器在电动转台的带动下可在水平面内有0~4°角的转动，两台传感器测量点的连线在测量过程中满足同锻件5轴线垂直的关系，在锻造进行过程中，即锻件5在锻压机18内时，对锻件5形成在线对射尺寸测量。

所述激光对射测距法直径离线测量单元包括第五安装箱4a、第八安装箱25和两个高温激光测距传感器，所述第八安装箱25设于所述第四垂直运动单元24上并沿第四垂直运动单元24上下移动，所述两个高温激光测距传感器分别设于所述第五安装箱4a和第八安装箱25内，所述两个高温激光测距传感器自动对向测量到锻件5的距离并离线测量锻件5直径；

激光对射测距法直径离线测量单元用于锻造间歇过程中，将锻件5拉出锻压机18外进行的水平方向的锻件5直径或宽度测量，该单元主要由高温激光测距传感器构成，可测到表面温度从常温到1400℃的发光锻件的距离，测量精度±1mm，具有模拟量输出，采样频率100Hz，传感器设于相应的安装箱内，安装箱沿相应垂直运动单元的导轨上下运动，两个传感器从正向和反向测量到锻件5的距离，同时，两台高温激光测距传感器两个测量点的连线在测量过程中满足同锻件5轴线垂直的关系，在锻造间歇过程中，即锻件5在锻压机18外时，对锻件5形成离线对射尺寸测量。

所述激光束投线法直径目测及预警单元包括四台一字激光束发射器和四台带电动变倍变焦镜头的彩色工业摄像机，所述四台一字激光束发射器和四台带电动变倍变焦镜头的工业摄像机分别设于所述第三安装箱21a、第四安装箱21b、第五安装箱4a和第六安装箱4b内，所述四台一字激光束发射器分别向锻件5前表面投射激光线，对准锻件5上下边缘并由工业摄像机成像，或将激光线移动到最终锻造的直径尺寸位置，得到锻造工艺尺寸预警线；

激光束投线法直径目测与预警单元用于锻造过程中将一字激光束发射器发出的绿色线状激光束同锻件5直径或高度边缘对准，或用于锻件5最终直径或高度尺寸位置的激光束位置指示，结合工业摄像机的成像和一字激光束发射器的位置信息，实现对锻造工艺尺寸的目测获取，或者将激光线移动到最终锻造的直径尺寸位置，为锻造操作人员提供可观测的激光预警线，在接近或达到最终锻造工艺尺寸预警线时停止锻造。该单元主要由一字激光束发射器和工业摄像机构成；一字激光束发射器是由输出光功率为200mW～600mW，波长为532nm的固态激光器、固态激光器专用电源和扇角在18°到30°之间的鲍威尔棱镜构成，一字激光束发射器和工业摄像机设于相应的安装箱内，安装箱设于相应的垂直运动单元上并沿导轨上下移动。

所述操作机位置测量单元包括第九安装箱29和一台激光测距传感器，所述第九安装箱29设于所述操作机1上并随同操作机1移动，所述激光测距传感器具有无线通讯功能，设于所述第九安装箱29内并实时检测操作机1与锻压机18之间的距离。

操作机位置测量单元用于操作机1在轨道2上运动中和运动后的实时位置检测，该单元主要由具有无线通讯功能的激光测距传感器组成，测量精度±1mm，采样频率50Hz，该传感器安装于操作机1上，可测量从操作机1到锻压机18的一根立柱6d表面的距离，实时得到操作机1的位置信息。

进一步，上述水平运动单元12、第一垂直运动单元20、第二垂直运动单元22、第三垂直运动单元16和第四垂直运动单元24分别包括导轨、电机编码器以及依据电机编码器信息驱动相应安装箱沿导轨运动的伺服电机。

 本测量装置可由设于操作室9及其对侧控制柜26的控制系统实施控制，控制系统包括数据采集与控制显示单元，该单元包括无线路由器、数据采集卡、工业控制计算机、显示器，其中无线路由器、数据采集卡、工业控制计算机可安装于操作室9对侧的控制柜26内一套，另一套数据采集卡、工业控制计算机以及显示器安装于操作室9内的控制柜27及操作台28上，实现测量数据的有线和无线通讯、数据采集、分析计算、运动控制、人机交互以及显示。

本测量装置中，各水平运动单元和垂直运动单元为各测量单元的安装箱提供移动平台，其主要有导轨、伺服电机、电机编码器、减速器、基础梁、调整块、导轨基座、拖链、溜板、滑块、限位开关、挡块等构成，通过伺服电机精确驱动安装箱移动，通过电机编码器得到安装箱的位置信息，从而为锻件尺寸测量提供相应的基准。本测量装置中各测量单元可由位于操作室的控制单元实施驱动控制，测量信息和成像信息可通过有线或无线传输至数据采集与控制显示单元，该单元依据采集的信息，经预设的处理软件分析计算，得到锻件尺寸数据，同时各类信息可实时在控制系统的人机交互界面显示，便于操作人员通过控制系统对本装置实施操作，实现锻件尺寸的测量。本装置可实现对大型自由锻件长度、直径及轮廓尺寸、同轴度、直线度的测量，包括锻件的在线测量和离线测量两种测量方式，当锻件在连续锻造过程中且在锻压机内的测量为在线测量，当锻件在锻造间歇过程中且移至锻压机以外的测量为离线测量。

如图4、图5所示，激光束投线测量法测量锻件长度尺寸时，由水平导轨30、伺服电机及编码器31、减速器32、溜板33、滑块34、齿轮35、齿条36、导轨基座37、调整块38、基础梁39（其他附件还包括拖链、限位开关、挡块等，图中未示出）组成水平运动单元12，第一安装箱13a和第二安装箱13b可沿水平导轨30左右移动，安装于第一安装箱13a和第二安装箱13b内的两台激光束投线器15a、15b向锻件5表面投射两条铅垂的绿色激光线40a、40b，通过两台带有电动变倍变焦镜头的彩色工业摄像机14a和14b得到两条激光线40a、40b的放大图像，传送至操作室9的数据采集与控制显示单元，控制安装在水平运动单元12上的第一安装箱13a和第二安装箱13b水平左右移动，目测并将两条激光线40a、40b对准锻件5待测的两个端面或台肩，根据此时伺服电机及编码器31及另一台伺服电机及编码器的码盘信号得到两台激光束投线器15a、15b的间距L，即为待测的锻件5上的两个端面或台肩间的长度尺寸。

激光束投线法直径目测及预警的测量原理，与锻件长度尺寸的激光束投线测量法原理相同，分别采用第三安装箱21a、第四安装箱21b以及第五安装箱4a、第六安装箱4b内的一对投射水平激光线的激光束投线器，例如图6、图7中第三安装箱21a中由固态激光器专用电源44供电的一只激光束投线器45，将激光线通过目测对准锻件5的直径边缘，进行直径测量，结合相应的工业摄像机，如图6、图7中第三安装箱21a中的一台工业摄像机43的放大成像和相应电机编码器的信息，实现对锻件5直径尺寸的目测获取，或将激光线指向锻件5的直径或高度尺寸最终位置，用于锻造终点的位置指示，实现锻造工艺尺寸的监视预警。

如图2、图6和图7所示，测温寻边直径测量法测量锻件直径尺寸时，以操作室9同侧前方的测量单元为例，第一垂直运动单元20由伺服电机及编码器49、减速器50、垂直导轨55、溜板51、滑块56、齿轮53、齿条54、导轨基座57、链条58、链轮59、配重块60、隔热挡板47、压缩空气吹扫接口48（其他还包括调整块、基础梁以及拖链、限位开关、挡块等附件，图中未示出）组成，第三安装箱21a和第四安装箱21b沿第一垂直运动单元20上下移动，两个高温红外测温传感器42分别安装在第三安装箱21a和第四安装箱21b内，通过锻压机18的立柱和锻砧7之间的空隙，自动测温并在线寻找锻件5上下边缘，也可根据需要检测的锻件5直径所在位置，通过高温红外测温传感器42下面安装的电动转台52b微调水平方向的转角，使测温传感器指向需要测量的锻件5直径截面，获得相应位置处的锻件5直径；同样，对于安装在第五安装箱4a、第六安装箱4b处的高温红外测温传感器，其直径测量原理相同，只是测量方向不同，参见图3、图8、图9，因为有时会采用V型的锻砧7，由于视角原因，用第三和第四安装箱21a、21b内的两个高温红外测温传感器42测量时，V型的锻砧7会遮挡锻件5下边缘，产生不能测量锻砧7内正在锻造处的锻件5直径d的问题，因此这种情况下采用第五安装箱4a、第六安装箱4b内的高温红外测温传感器61、62沿斜向方向测量，即同锻件5轴线成30~40°夹角的方向测温并寻找锻件5的边缘，见图8，图9，在高温红外测温传感器61、62下面分别安装有电动转台63、64，根据锻砧7的位置和宽度调整高温红外测温传感器水平方向的转角，使高温红外测温传感器62指向锻砧7的V型槽槽底和锻件5之间，高温红外测温传感器61转过相同转角

，指向锻锤19和锻件5之间，在此位置附近分别由第六安装箱4b、第五安装箱4a沿第三垂直运动单元16的导轨上下移动自动寻找锻件5的边缘，在线测量锻砧内正在锻造处的锻件5直径d。

如图6、图7、图10和图11所示，激光对射直径测量法测量锻件直径尺寸时，以操作室同侧前方的测量单元为例，安装于第一垂直运动单元20上的第三安装箱21a内的激光测距传感器41，同操作室对侧第二垂直运动单元22上的第七安装箱23内的激光测距传感器65在同一条直线上，形成对射测量关系，分别由第一垂直运动单元20和第二垂直运动单元22带动上下运动，测量到锻件5表面的距离，得到距锻件5左右两侧的距离最小值

和

，若两个激光测距传感器41和65之间的初始距离为

，则当激光测距传感器41和65的测量轴线垂直于锻件5轴线时，锻件5的直径d的大小为：

；为避免遮挡操作者视线，激光测距传感器41和65要偏离锻压机18中心线位置安装，而且有时锻件5直径过小，会被锻砧7的V型槽遮挡住一半以上，因此为了能测量正在锻砧7内锻造的部分并找到距离的极小值，当需要避免激光测距传感器的光路被遮挡时，通过激光测距传感器41、65下面的电动转台52a、66做微小的水平角度调整，转动角度分别是

、，将激光测距传感器41、65分别指向锻件5的待测直径所在截面，形成略有偏斜的对射测量关系，然后分别沿第一垂直运动单元20和第二垂直运动单元22导轨上下运动，测量到锻件5表面的距离，得到锻件5左右两侧的距离最小值

和

，若激光测距传感器41和65之间的初始距离为，则锻件5的直径d的大小为：；对于采用激光对射直径测量法的离线直径测量，其测量原理与在线激光对射直径测量法相同，区别是相应的安装于第五安装箱4a、第六安装箱4b内的激光测距传感器下面没有转台，测量轴线始终垂直于锻件5轴线。

如图12所示，激光对射轮廓测量法测量锻件直径尺寸时，安装在操作室9同侧旁边的激光对射测量单元用于锻件5离线直径和轮廓测量，通过操作机1的夹钳3将锻件5拉出锻压机外，首先将锻件5调平到一定的范围内，再通过测温寻边直径测量法测得锻件5的整体几何中心高度，然后控制相向安装的第三垂直运动单元16、第四垂直运动单元24上的相应第五安装箱4a、第八安装箱25上下运动，将其内的两台激光测距传感器67、68调整至与锻件5的轴线位于同一水平面内，然后操作机1带动锻件5单方向移动，采集并记录两台激光测距传感器67、68到锻件5的距离数据

和

；并通过安装在操作机1上的第九安装箱29内的具有无线通讯功能的激光测距传感器69实时测量到距锻压机立柱6d的距离，即操作机1的位置数据，同两台激光测距传感器67、68的测量数据和一一对应；已知两台激光测距传感器67、68之间的初始距离

，以操作机1的位置数据作为横坐标，以两台激光测距传感器67、68经滤波处理并拟合后的数据为纵坐标，绘制在同一幅坐标图中，即得到锻件5的轮廓。

本发明一种大型自由锻件尺寸在线测量的方法是基于激光束投线测量法、测温寻边直径测量法、激光对射直径测量法、激光对射轮廓测量法实施的锻件尺寸测量，在实际锻造过程中，根据测量内容、测量位置以及锻件被锻砧、锻压机立柱遮挡的情况决定采用其中一种或几种方法，若在一次锻造过程中采用全部方法，则本方法将依次采用所有步骤。

本发明大型自由锻件尺寸在线测量的方法包括激光束投线测量法、测温寻边直径测量法、激光对射直径测量法、激光对射轮廓测量法； 

所述激光束投线测量法适用于手动测量，锻件待测端面或直径上下边缘没有被锻砧或其他物体遮挡的情况，其包括以下步骤：

步骤一、采用设置于垂直运动单元的激光束发射器向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车调整锻件至水平位置；

步骤二、采用设置于垂直运动单元或水平运动单元的激光束发射器向锻件表面投射两条水平激光束投线或两条垂直激光束投线，通过控制水平或垂直运动单元上相应的两台安装箱的移动，并结合工业摄像机获得的激光束投线在锻件上放大的局部图像，人工判断并操作控制激光束发射器将两条激光束投线分别对准锻件的直径或高度的上下边缘、台肩或端面边缘；

步骤三、通过两台激光束发射器安装箱间距信息计算两条激光束投线间的距离，得到锻件直径值或长度值。

所述测温寻边直径测量法适用于沿垂直方向的锻件直径自动测量，测量锻件在锻砧和锻压机立柱之间空隙处的直径或锻砧内正在锻压位置处的直径，可沿垂直于锻件轴线的方向测量锻件直径，或当锻件被锻砧遮挡时沿斜向测量锻件直径，其包括以下步骤：

步骤一、采用设置于垂直运动单元的激光束发射器向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车调整锻件至水平位置；

步骤二、控制设置于垂直运动单元上安装有高温红外测温传感器的两个安装箱上下移动位置，采集两台高温红外测温传感器对锻件和背景的测温数据，结合实时的相应两个安装箱的间距信息，计算得到高温红外测温传感器位置与温度的梯度变化关系，据此自动搜索并判断锻件边缘，最终将两个高温红外测温传感器分别自动对准锻件的直径或高度的上下边缘；

步骤三、根据两个高温红外测温传感器最终的定位位置，计算得到两台高温红外测温传感器之间的距离，即锻件直径值或高度值。

所述激光对射直径测量法适用于在线或离线自动测量沿水平方向的锻件直径，并且当在线测量锻砧内正在锻造位置处的锻件直径时，锻件被锻砧遮挡应不超过二分之一，其包括以下步骤：

步骤一、通过操作机夹钳或天车调整锻件轴线相对于相向设置的两个高温激光测距传感器的连线垂直；

步骤二、控制相向设置的两个高温激光测距传感器在相应垂直运动单元上的位置，使安装有两个高温激光测距传感器的安装箱在锻件高度中心位置附近上下移动，采集并记录两个高温激光测距传感器到锻件表面的距离数据；

 步骤三、对距离数据滤波处理并拟合计算得到两个高温激光测距传感器测得的距离最小值、，若两个高温激光测距传感器的水平初始距离为

，是锻件待测位置处的直径，

、

分别是两个高温测距传感器的连线同两个高温测距传感器激光束间的夹角，则

，得到锻件待测位置处的直径；

所述激光对射轮廓测量法适用于水平截面内的锻件轮廓离线自动测量，其包括以下步骤：

步骤一、通过操作机夹钳将锻件拉出锻压机外，向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车控制锻件处于水平位置；

步骤二、通过测温寻边法直径在线测量单元测得锻件中心高度，同时控制相向安装的设有高温红外测温传感器的两个安装箱在相应垂直运动单元上上下运动，将两个高温激光测距传感器调整至与锻件轴线位于同一水平面内； 

步骤三、操作机夹钳带动锻件单方向移动，采集并记录两个高温激光测距传感器到锻件的距离数据，并通过操作机位置测量单元实时采集操作机位置数据，同两个高温激光测距传感器的测量数据一一对应；

步骤四、以操作机位置数据作为横坐标，以两个高温激光测距传感器测量数据经滤波处理并拟合后的数据为纵坐标，绘制在同一幅坐标图中，即得到锻件在水平截面内的轮廓，并可同锻造工艺尺寸图放在同一张坐标图中对比。

本方法当用于锻件在锻压机内进行锻造时，是锻件尺寸的在线测量方法；当用于锻造间歇过程中，将锻件拉出锻压机外进行直径（或高度）、长度、轮廓测量时，是锻件尺寸的离线测量方法。

本测量装置和方法是基于测温法的高温锻件边缘自动检测原理及激光对射距离测量的原理，并结合激光束投线与CCD图像放大显示技术，实现对高温热态发光锻件在线或离线情况下的长度和直径（或高度）尺寸测量、轮廓测量。与现有技术相比，本发明可实现锻件在线自动尺寸测量，具有可在锻件不旋转的情况下获得锻件在轴向或径向截面内的完整几何轮廓，并同锻件工艺尺寸图对比的功能，还能实现锻造过程中的到位尺寸预警功能。综上所述，现有的锻件尺寸测量装置和方法存在实时性差、测量效率和测量精度低、自动化水平低、功能单一的问题。本发明具有实时性好，自动化程度高，重复测量精度高，测量时间短，可输出锻件二维轮廓的优点，适合在实际锻造工业现场中应用。本发明同原有的国内外大型自由锻件在线尺寸测量装置相比，其测量原理和测量方法不同，本发明采用测温寻边直径测量、激光对射直径测量、激光对射轮廓测量以及激光束投线放大测量的方法，而不是采用传统的激光扫描、CCD图像测量等方法，解决了现有锻件尺寸测量方法不能准确地在线自动测量锻件直径、测量效率低、不能通过测量得到如锻件工艺图那样的锻件二维轮廓的技术问题。

Claims (3)

1.一种大型自由锻件尺寸在线测量装置，本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，所述自由锻造车间配有操作室，所述操作室位于所述锻压机一侧并控制所述锻压机和操作机；其特征在于：本装置包括两处支撑钢架、水平运动单元、第一垂直运动单元、第二垂直运动单元、第三垂直运动单元、第四垂直运动单元、激光投线法长度测量单元、测温寻边法直径在线测量单元、激光对射测距法直径在线测量单元、激光对射测距法直径离线测量单元、激光束投线法直径目测及预警单元和操作机位置测量单元，所述两处支撑钢架分别设于所述操作室两侧，所述水平运动单元架设于所述两处支撑钢架顶端并位于所述操作室上方或前上方，所述第一垂直运动单元和第二垂直运动单元分别相向设于所述锻压机两侧并正对锻压机靠近操作机侧的立柱和锻砧之间的空隙，所述第三垂直运动单元和第四垂直运动单元分别相向设于所述锻压机和操作机两侧并靠近操作机一侧；

其中，所述激光投线法长度测量单元包括第一安装箱、第二安装箱、两台激光束投线器和两台带有电动变倍变焦镜头的工业摄像机，所述两台激光束投线器和两台带有电动变倍变焦镜头的工业摄像机分别设于所述第一安装箱和第二安装箱内，所述第一安装箱和第二安装箱分别间隔设于所述水平运动单元并沿水平运动单元移动，所述两台激光束投线器向锻件表面投射激光线并由工业摄像机成像；

所述测温寻边法直径在线测量单元包括第三安装箱、第四安装箱、第五安装箱、第六安装箱和四个带电动转台的高温红外测温传感器，所述四个带电动转台的高温红外测温传感器分别设于所述第三安装箱、第四安装箱、第五安装箱和第六安装箱内，所述第三安装箱和第四安装箱分别间隔设于所述第一垂直运动单元并沿第一垂直运动单元上下运动，所述第五安装箱和第六安装箱分别间隔设于所述第三垂直运动单元并沿第三垂直运动单元上下运动，所述设于第三安装箱和第四安装箱内的高温红外测温传感器自动测温并在线寻找锻砧和锻压机立柱之间空隙处的锻件上下边缘，所述设于第五安装箱和第六安装箱内的高温红外测温传感器斜向自动测温并在线寻找在锻砧内正在锻造处的锻件上下边缘，所述四个高温红外测温传感器通过电动转台调整水平转角；

所述激光对射测距法直径在线测量单元包括第三安装箱、第七安装箱和两个带电动转台的高温激光测距传感器，所述第七安装箱设于所述第二垂直运动单元并沿第二垂直运动单元上下移动，所述两个带电动转台的高温激光测距传感器分别设于所述第三安装箱和第七安装箱内，所述两个高温激光测距传感器自动对向测量到锻件的距离并在线测量锻件直径，所述两个高温激光测距传感器通过电动转台调整水平转角指向锻件需要测量的截面，获得该截面位置处的锻件直径；

所述激光对射测距法直径离线测量单元包括第五安装箱、第八安装箱和两个高温激光测距传感器，所述第八安装箱设于所述第四垂直运动单元并沿第四垂直运动单元上下移动，所述两个高温激光测距传感器分别设于所述第五安装箱和第八安装箱内，所述两个高温激光测距传感器自动对向测量到锻件的距离并离线测量锻件直径；

所述激光束投线法直径目测及预警单元包括四台一字激光束发射器和四台带电动变倍变焦镜头的工业摄像机，所述四台一字激光束发射器和四台带电动变倍变焦镜头的工业摄像机分别设于所述第三安装箱、第四安装箱、第五安装箱和第六安装箱内，所述四台一字激光束发射器分别向锻件投射激光线,对准锻件上下边缘并由工业摄像机成像，或将激光线移动到最终锻造的直径尺寸位置，得到锻造工艺尺寸预警线；

所述操作机位置测量单元包括第九安装箱和激光测距传感器，所述第九安装箱设于所述操作机上并随同操作机移动，所述激光测距传感器设于所述第九安装箱内并实时检测操作机与锻压机之间的距离。

2.根据权利要求1所述的大型自由锻件尺寸在线测量装置，其特征在于：所述水平运动单元、第一垂直运动单元、第二垂直运动单元、第三垂直运动单元和第四垂直运动单元分别包括导轨、电机编码器以及依据电机编码器信息驱动相应安装箱沿导轨运动的伺服电机。

3.一种大型自由锻件尺寸在线测量的方法，其特征在于：本方法包括激光束投线测量法、测温寻边直径测量法、激光对射直径测量法、激光对射轮廓测量法， 

所述激光束投线测量法适用于手动测量的情况，其包括以下步骤：

步骤一、采用设置于垂直运动单元的激光束发射器向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车调整锻件至水平位置；

步骤二、采用设置于垂直运动单元或水平运动单元的激光束发射器向锻件表面投射两条水平激光束投线或两条垂直激光束投线，通过控制水平或垂直运动单元上相应的两台安装箱的移动，并结合工业摄像机获得的激光束投线在锻件上放大的局部图像，人工判断并操作控制激光束发射器将两条激光束投线分别对准锻件的直径或高度的上下边缘、台肩或端面边缘；

步骤三、通过两台激光束发射器安装箱间距信息计算两条激光束投线间的距离，得到锻件直径值、高度值或长度值；

所述测温寻边直径测量法适用于沿垂直方向从锻砧和锻压机立柱间的空隙自动测量锻件直径，或沿斜向自动测量锻件在锻砧内正在锻压位置处的直径，其包括以下步骤：

步骤一、采用设置于垂直运动单元的激光束发射器向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车调整锻件至水平位置；

步骤二、控制设置于垂直运动单元上安装有高温红外测温传感器的两个安装箱上下移动位置，采集两台高温红外测温传感器对锻件和背景的测温数据，结合实时的相应两个安装箱的间距信息，计算得到高温红外测温传感器位置与温度的梯度变化关系，据此自动搜索并判断锻件边缘，最终将两个高温红外测温传感器分别自动对准锻件的直径或高度的上下边缘；

步骤三、根据两个高温红外测温传感器最终的定位位置，计算得到两台高温红外测温传感器之间的距离，即锻件直径值或高度值；

所述激光对射直径测量法适用于在线或离线自动测量沿水平方向的锻件直径，并且当在线测量锻砧内正在锻造位置处的锻件直径时，锻件被锻砧遮挡应不超过二分之一，其包括以下步骤：

步骤一、通过操作机夹钳或天车调整锻件轴线相对于相向设置的两个高温激光测距传感器的连线垂直；

步骤二、控制相向设置的两个高温激光测距传感器在相应垂直运动单元上的位置，使安装有两个高温激光测距传感器的安装箱在锻件高度中心位置附近上下移动，采集并记录两个高温激光测距传感器到锻件表面的距离数据；

 步骤三、对距离数据滤波处理并拟合计算得到两个高温激光测距传感器测得的距离最小值                                               

、

，若两个高温激光测距传感器的水平初始距离为

，

是锻件待测位置处的直径，

、分别是两个高温测距传感器的连线同两个高温测距传感器激光束间的夹角，则，得到锻件待测位置处的直径；

所述激光对射轮廓测量法适用于水平截面内的锻件轮廓离线自动测量，其包括以下步骤：

步骤一、通过操作机夹钳将锻件拉出锻压机外，向锻件表面投射水平激光束投线，通过操作机夹钳或天车控制锻件处于水平位置；

步骤二、通过测温寻边法直径在线测量单元测得锻件中心高度，同时控制相向安装的设有高温红外测温传感器的两个安装箱在相应垂直运动单元上上下运动，将两个高温激光测距传感器调整至与锻件轴线位于同一水平面内； 

步骤三、操作机夹钳带动锻件单方向移动，采集并记录两个高温激光测距传感器到锻件的距离数据，并通过操作机位置测量单元实时采集操作机位置数据，同两个高温激光测距传感器的测量数据一一对应；

步骤四、以操作机位置数据作为横坐标，以两个高温激光测距传感器测量数据经滤波处理并拟合后的数据为纵坐标，绘制在同一幅坐标图中，即得到锻件在水平截面内的轮廓，并同锻造工艺尺寸图放在同一张坐标图中对比。

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