CN108375351A - 高温锻件双激光器测量设备 - Google Patents

Abstract

一种高温锻件双激光器测量设备，在高温锻件的周围设置若干测站点，测站点之间的相互位置关系是确定的；每一测站点上布置一台测量装置，每台测量装置具有基座、水平回转平台、支架、竖轴以及主观测装置和副观测装置，主观测装置和副观测装置均为激光器，主观测线和副观测线处于同一平面，主观测装置对准高温锻件上某点，之后驱动副观测装置，当CCD数字相机上只观测到一个绿色激光点，说明主观测装置发出的绿色激光和副观测装置发出的绿色激光射向同一点，此时，主观测线和副观测线交会于该点；本发明结构相对简单，测量精确、操作方便，外界环境对于电子系统的不利影响大大减少。测量时，无需再测量温度、气压、湿度等大气情况。

Description

高温锻件双激光器测量设备

本发明申请是专利申请号为201510523388.8、申请日为2015年8月24日、名称为“高温锻件测量设备”的发明专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及高温锻件测量设备。

背景技术

锻件，一般指在10MN液压机或者50kN锻锤上用钢锭锻造的大锻件，轴类零件一般在5吨以上，盘类零件一般在2吨以上，采用自由锻工艺，是制造重大装备的核心部件。大锻件锻造时，材料和能源消耗巨大，控制锻件尺寸对于控制质量、降低成本有重大意义。高温锻件的测量难点在于其大尺寸、1000℃左右的高温、发光强烈、锻压车间环境极其恶劣等。

目前，国内外的锻压厂，普遍采用接触式测量。就是大锻件在高温状态离开锻压机，转移至测量工位，工人操作卡钳、量杆等直接接触高温锻件，肉眼读数。在高温状态下，如此测量，劳动条件已经不是恶劣，而是危险。而且测量数据太少，测量效率低、精度差。显然，接触式测量，对于高温锻件，并不适宜。

高温锻件的非接触式测量，是发展重点。 包括激光束投射法（需要一个高精度的长导轨引导激光测量大锻件）、CCD图像测量法、激光扫描法。目前主要发展后两者。CCD图像检测，信息量大，测量效率高，但是容易被干扰，受CCD相机景深限制，图像匹配困难，需要现场标定。激光测距，则存在电子系统对环境要求较高，锻件高温直接影响测距精度等问题。有些公开报道的外国商品，其技术指标、环境适应性尚不明确，国内没有采用的报道。而且价格太高。根据聂绍珉、李树奎发表在《金属加工·热加工》2008年11期的《大锻件热态在线尺寸测量研究综述》，各企业基本采用人工方法测量，我国的大锻件测量基本处于空白，企业急需，愿意付出。上述技术问题，可见2013年华南理工大学李哲林博士论文《基于CCD的长轴类高温大锻件的三维尺寸测量的研究》，2010年上海交通大学田志松博士论文《大锻件在线检测系统的关键技术研究》，2011年大连理工大学王邦国博士论文《锻件热态几何参数视觉测量系统研究》。

测距在工业中具有重要作用。按照测距原理，可以分为三角法、脉冲法、相位法。三角法是一束激光照射到物体上，部分漫反射激光经过棱镜在光电探测设备上成像。三角法在应用上有很多定位参数要求，在测量设备标定上非常繁琐而且费时，实测时若系统中某项参数无法准确得到，将使得测量数据产生误差。当测量设备有微小变动时，系统中每项参数都必须重新标定。见许智钦 孙长库编著，《3D逆向工程》（中国计量出版社2002年4月第1版）p16。

何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章第二节，介绍了目前全站仪的测距原理，主要是脉冲法、相位法测距，都需要对应的复杂的电子系统。脉冲法测距，直接测定测距仪发出的脉冲往返被测距离的时间。根据叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p8，用于计时的时钟频率即便有极微小的误差，也会导致很大的测量误差。比如时钟频率为100MHz，即便有±1Hz的频率误差，测距误差也将达到±1.5m。所以脉冲法测量精度低，主要用于远程低精度测量。相位法测距，其原理是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得传播距离。相位法测距，涉及复杂的控制和运算，比如测尺转换和控制、光路转换控制，减光自动控制，测相节奏（时序控制）、相位距离换算、粗精尺距离衔接运算等等（见叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p15）。测量的电子系统远比脉冲法复杂。由此会导致很多问题。叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p42第3章进行了分析，比如电路中的同频光电窜扰信号导致的周期误差，内部石英晶体振荡器受温度影响导致的误差。李广云、李宗春主编，测绘出版社2011年1月出版之《工业测量系统原理与应用》p134，也提及实际测距频率和设计频率不一致导致的测距误差问题。

有一个问题对测距精度至关重要，无论脉冲测距或者相位测距，其测距精度都取决于对大气中的光速的精确测量。而实际测量过程中，光速受到大气温度、湿度、气压等情况影响，需要事先测量这些气象参数，并进行相关的气象改正。根据李泽球主编，武汉理工大学出版社2012年7月出版之《全站仪测量技术》p22，全站仪的气象改正还与该全站仪所用测距光波的波长有关。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量精确、操作方便的高温锻件双激光器测量设备。

为达到上述目的，本发明采取技术方案如下：本发明采取在高温锻件的周围设置若干测站点，测站点之间的相互位置关系是确定的；每一测站点上布置一台测量装置，每台测量装置具有基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，支架上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴，主横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成主交点，在主横轴上固定有主观测装置，主观测装置为一激光器，其光轴称为主观测线，主观测线通过主交点且垂直于主横轴的轴心线，在主横轴上设有轴架，轴架上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴，副轴的轴心线与主观测线成空间垂直，且与主横轴的轴心线垂直相交，形成副交点，在副轴上固定有副观测装置，副观测装置为一激光器，其光轴称为副观测线，副观测线通过副交点且垂直于副轴的轴心线，主观测线和副观测线处于同一平面；支架上连接一个CCD数字相机；竖轴与水平回转平台之间安装有水平度盘，在主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，在副轴和轴架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台、主横轴和副轴的旋转均为电动；主观测装置对准高温锻件上某点，之后驱动副观测装置，直至CCD数字相机上只观测到一个绿色激光点，此时，主观测线和副观测线交会于该点。

本发明具有如下积极效果：本发明结构相对简单，采用两激光器作为测量元件，测量精确、操作方便，外界环境对于电子系统的不利影响大大减少。现有的脉冲法、相位法，是根据光的速度和往返时间来测距，而大气中光速会受温度、气压、湿度的影响，本发明的测距过程和光速无关，测量时，就无需再测量温度、气压、湿度等大气情况，不再需要在测量前对仪器进行气象修正，使本高温锻件测量设备的电子系统得到简化，而且其光电测距系统检定，得到简化。

附图说明

图1是本发明的布局示意图

图2是实施例1的测量装置示意图。

图3是图2的简易侧视图。

图4是实施例1测量角度示意图。

具体实施方式

实施例1

见图1至图4，本实施例采取在高温锻件A的周围设置2个测站点B，测站点的数量决定于高温锻件A的形状复杂程度和体积大小。选择其中一个测站点为原点测站点，测站点之间的相互位置关系事先得到确认。

每一测站点上布置一台测量装置，每台测量装置具有基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转。支架4上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5，主横轴5的轴心线5a与竖轴9的轴心线9a相交，形成主交点，在主横轴5上固定有主观测装置6，主观测装置6为一激光器，其光轴称为主观测线6a，主观测线6a通过主交点且垂直于主横轴5的轴心线5a。在主横轴5上设有轴架10，轴架10上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴8，副轴8的轴心线8a与主观测线6a成空间垂直，且与主横轴5的轴心线5a垂直相交，形成副交点；在副轴8上固定有副观测装置7，副观测装置7为一激光器，其光轴称为副观测线7a，副观测线7a通过副交点且垂直于副轴8的轴心线8a，主观测线6a和副观测线7a处于同一平面。支架4上连接一个CCD数字相机14。竖轴9与水平回转平台2之间安装有水平度盘3，在主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，在副轴8和轴架10相应部位之间安装副度盘12。

水平度盘3用于测量水平回转平台2的回转角度。主度盘11用于测量主观测线6a与竖轴9的轴心线9a之间的夹角即垂直角α的大小。副度盘12用于测量副观测线7a与主横轴5的轴心线5a之间的夹角即摆角β的大小。

在水平回转平台2的作用下，主观测装置6和副观测装置7能同步水平回转。主横轴5的旋转能带动主观测装置6和副观测装置7作同步俯仰，副轴8的旋转使副观测装置7转动，主观测线6a和副观测线7a是处于同一平面的，副观测线7a在上述平面内转动，所以主观测线6a和副观测线7a能交会于一点。

上述水平回转平台2、主横轴5和副横轴8的旋转各由电机驱动，电机是伺服电机或超声电机。

本测量装置还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等。

本实施例的使用方法和测量过程如下：在每个测站点上设置一个水平的隔震平台，所述测量装置放置在隔震平台上对中整平，各测量装置的水平角度测量，均以正北方向为零位，顺时针增加。

原点测站点的的测量装置按照事先给定的范围，水平回转平台2由电机驱动，主横轴5由电机驱动，使得主观测装置6处于初始的水平回转位置和俯仰位置，对准高温锻件上某点，水平度盘3给出水平回转平台2的回转角度，主度盘11给出垂直角α的值。之后电机驱动副观测装置7，直至CCD数字相机14上只观测到一个绿色激光点，说明主观测装置6发出的绿色激光和副观测装置7发出的绿色激光射向同一点，此时，主观测线6a和副观测线7a交会于该点，副度盘12给出摆角β的值，完成该点测量。根据摆角β的值、已知的主交点与副交点之间的距离h的值，通过数据处理部分获得该点与该测量装置主交点之间的距离S的值，再结合水平回转平台2的回转角度以及垂直角α，即可确定该点相对主交点即原点测站点的坐标。然后水平回转平台2由电机驱动转动一个角度，主横轴5由电机驱动转动一个角度，重复上述操作，对高温锻件上另外一点进行测量，确定另外一点相对原点测站点的坐标。

对各测站点的测量装置重复上述操作，获得高温锻件上若干点相对各测站点的坐标。经数据处理，获得高温锻件上若干点相对原点测站点的坐标，从而确定高温锻件的外观尺寸。

Claims (1)

1.一种高温锻件双激光器测量设备，其特征在于：在高温锻件的周围设置若干测站点，测站点之间的相互位置关系是确定的；每一测站点上布置一台测量装置，每台测量装置具有基座（1）、水平回转平台（2）、支架（4）和竖轴（9），支架（4）固定在水平回转平台（2）上，竖轴（9）与基座（1）固定连接，水平回转平台（2）处于基座（1）上且围绕竖轴（9）的轴心线（9a）旋转，支架（4）上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴（5）,主横轴（5）的轴心线（5a）与竖轴（9）的轴心线（9a）相交，形成主交点，在主横轴（5）上固定有主观测装置（6），主观测装置（6）为一激光器，其光轴称为主观测线（6a），主观测线（6a）通过主交点且垂直于主横轴（5）的轴心线（5a），在主横轴（5）上设有轴架（10），轴架（10）上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴（8），副轴（8）的轴心线（8a）与主观测线（6a）成空间垂直，且与主横轴（5）的轴心线（5a）垂直相交，形成副交点，在副轴（8）上固定有副观测装置（7），副观测装置（7）为一激光器，其光轴称为副观测线（7a），副观测线（7a）通过副交点且垂直于副轴（8）的轴心线（8a），主观测线（6a）和副观测线（7a）处于同一平面；支架（4）上连接一个CCD数字相机（14）；竖轴（9）与水平回转平台（2）之间安装有水平度盘（3），在主横轴（5）和支架（4）相应部位之间安装主度盘（11），在副轴（8）和轴架（10）相应部位之间安装副度盘（12）；上述水平回转平台（2）、主横轴（5）和副轴（8）的旋转均为电动；主观测装置（6）对准高温锻件上某点，之后驱动副观测装置（7），直至CCD数字相机（14）上只观测到一个绿色激光点，此时，主观测线（6a）和副观测线（7a）交会于该点。