大型锻件外形尺寸在线测量
大型环件热态几何参数在线检测方法综述
2019年1月第48卷第1期机械设 造工程M achine D esign an d M an ufacturin g E ngineeringJan . 2019Vol . 48 No . 1DOI ： 10. 3969/j . issn . 2095 - 509X . 2019.01.023大型环件热态几何参数在线检测方法综述高浩波1，王保升1，左健民1，洪磊2，刘波3(1.南京工程学院智能制造装备研究院，江苏南京211167)(2.江苏省智能制造装备工程实验室，江苏南京211167)(3.无锡派克新材料科技股份有限公司，江苏无锡214161$摘要:从大型环件在线热态尺寸高精度检测的需求出发，讨论了大型环件检测高精度化的意义，了目前关于 径、高及内径检测方法的现状，总结分析了各类 的优缺点，并对大型进行了展望，指出与机器可能是的解决思路之一。
关键词：大型环件； $ #何参数中图分类号:T -19 文献标识码:A文章编号:2095 -509X (2019)01 -0093 -04工业的、进步使得各领域（诸如轨：、重机械、航航天领域等）对大型环件的应用需求日 加，同时对精度的要求也日 ：高。
用造成形和焊接成形工艺制造的($大环件 满足重载、高 、 等恶工作环境的性能需求，成（又称、扩$种转塑性成 日渐成为（超）大环件的主要 方式'1(。
目前，（$大环件的直 大可至12>。
是毛坯件，但随着环件直的进一步增大，加 工 加， 加 工 加 ， 得大型环件加工的废进一步增大，增加企业的加工成本， 企业的效率。
在 程中，会出现几何尺精确、 、端面凹陷、高 及环件等状况，从而会影响环件的成，影响的精加工，严重时会造成环件的报废，影响加工效率及加工 。
，在大型环件的 程中，有要对环件的热态几 进行在线检测，用 速、 确地获取环件的几何尺寸， 大型环件的尺寸规律，并判断环件 是否 ， 环件工艺 整或停止 考， 高加工及加工效 。
基于视觉的热态大型环件外径在线检测
及层次感ꎬ而 ＨＳＶ( ｈｕｅ － ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ － ｖａｌｕｅ) 则描述
了颜色的直观特性ꎮ Ｈ( ｈｕｅ) 代表色调ꎬ用角度来
衡量ꎬ角度范围为 ０ ~ ３６０°ꎬ按逆时针方向计算ꎬ红
色为 ０°ꎬ绿色为 １２０°ꎬ蓝色为 ２４０°ꎻＳ( ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ) 代
７５
２０１９ 年第 ４８ 卷 机械设计与制造工程
因素影响呈现的红色色光对相机成像造成不利影
响 [４] ꎬ而对热态环件而言ꎬ高温辐射是影响成像质
量的主要因素ꎮ 为消除高温辐射对 ＣＣＤ 相机成像
制器、计算机等部件构成ꎮ 其中ꎬＣＣＤ 相机采用德
国 Ｂａｕｍｅｒ 公司生产的 ＴＸＧ５０Ｃ 相机ꎬ镜头选用日
本 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ 公司的 Ｍ１６２０ － ＭＰＷ２ 的 ５００ 万级像
素光学镜头ꎮ 激光器选用功率为 ０ ~ １ Ｗ 可调的
小型固体绿激光器 ＬＷＧＬ５３２ － １Ｗ － Ｌꎬ并调至 ４００
２０１９ 年 １０ 月 机械设计与制造工程 Ｏｃｔ. ２０１９
第 ４８ 卷 第 １０ 期 Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ. ４８ Ｎｏ. １０
友快速并行算法等ꎬ实现了激光条纹的细化ꎬ并采用直线拟合ꎬ提出了抑制干扰的特征点提取方
法ꎮ 基于特征点坐标变换和最小二乘法ꎬ建立了环件外径测量模型ꎬ并进行了碾环测量试验ꎬ结
果表明ꎬ直径为 ４ ０００ ｍｍ 的热态环件检测误差在 ５ ｍｍ 内ꎬ满足企业的要求ꎮ
关键词:热态大型环件ꎻ外径ꎻ在线检测ꎻ视觉
中图分类号:ＴＮ２４７ 文献标识码:Ａ 文章编号:２０９５ － ５０９Ｘ(２０１９)１０ － ００７５ － ０４
大锻件热态在线尺寸测量关键技术研究
大锻件热态在线尺寸测量关键技术研究作者：葛浩刘仁强周文战来源：《中国新技术新产品》2015年第19期摘要：根据大锻件制造工艺要求，开发出一套新型的大锻件尺寸测量系统，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，并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，同锻件工艺尺寸图对比；还能实现锻造过程中的到位尺寸预警功能。
提出一种新的用比色温度传感器进行尺寸测量的边缘检测法。
关键词：大锻件；尺寸测量；测距传感器；比色温度传感器中图分类号：TG316 文献标识码：A大锻件是制造重大技术装备大型关键零部件的基础，如大型舰船的曲轴、舵系，核电站的压力容器、蒸发器壳体，发电机组的低压转子，能源石化行业的加氢反应器，各种重型机械和军工装备的核心部件等。
我国目前用锻造水压机生产的最长轴类锻件的长度已达17m，最大筒类锻件的直径已近7m。
大锻件的尺寸精度是保证重大技术装备制造质量的一个重要因素。
大锻件在线尺寸测量是指在锻造过程中高温状态下，测量锻件的主要尺寸，以判断其是否达到工艺文件的要求。
由于测量环境恶劣，以前靠人工卡钳、‘量杆’以及悬线方法测量的锻件误差大，余量多，时间长，锻件平均损耗率高达15%左右，越来越不能满足现代制造工艺的要求，因此研发大锻件热态在线尺寸测量方法势在必行。
美国、韩国、欧洲等国家都相继开发了机械式和光学式的锻件尺寸测量系统，实现了锻件的直径或长度的尺寸测量。
美国国立标准与技术研究院（NIST）等联合研究开发了锻件三维外形测量系统，该系统实现了锻件表面的三维测量，但其测量范围过小，无法测量大型锻件的三维尺寸外形。
韩国斗山重工研究开发了利用激光指示器配合伺服电机的方法测量大锻件的直径和长度，但此方法没法测量大型筒节的壁厚尺寸。
德国利用激光测距原理测量锻件的尺寸，研究开发出LaCam-forge系统，但该系统只能得到锻件的二维图形。
国内上海交通大学高峰等利用激光测距传感器配合球面二自由度并联机构对锻件外形尺寸进行扫描，通过计算机还原出机构的三维外形。
基于绿激光图像识别的热态大型锻件长度尺寸测量
基于绿激光图像识别的热态大型锻件长度尺寸测量王颖;张玉存【摘要】设计了一种热态大锻件长度尺寸测量系统,通过对绿激光扫描锻件过程中各时刻图像进行分析,确定锻件的边缘进而测量锻件的尺寸.首先,由伺服电机带动CCD相机和绿激光器在导轨上移动并实时获得锻件的图像和绿激光线的位置信息,运用图像处理判断绿激光线是否在锻件边缘,确定绿激光线移动到锻件两侧边缘的时刻.然后,记录锻件两侧边缘的位置信息,通过两侧的位置信息得出锻件的尺寸.实验结果表明:该系统最大测量误差小于±2 mm,可以满足锻件尺寸测量的需求.%A length dimension measurement system for large hot forgings is designed.The images of each moment in the process of green laser scanning forgings are analyzed in this system.The dimension of the forging is measured according to the edge informations of forgings.First of all,the CCD camera and the green laser are driven by the motor,the real-time images of forgings and the positional information of laser line is acquired.Then whether the laser line locates on the edge of forgings is judged by image recognition.Secondly,the length dimension of forgings is obtained from recording the position information of both sides of the forging edges.The experimental results show that the maximum measurement error is less than 2 mm.So the method proposed can meet the needs of forging dimension measurement.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2018(039)003【总页数】5页(P316-320)【关键词】计量学;尺寸测量;大型锻件;绿激光;图像识别【作者】王颖;张玉存【作者单位】燕山大学,河北秦皇岛066004;燕山大学,河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】TB921 引言伴随着装备制造业的不断发展，大型锻件的需求规模将不断扩大。
基于绿激光器的大型锻件外形尺寸在线测量
还 用装 在 同一 导轨 上 的两 只激光 器投 射光 束测 量
长度 ； 大利 、 士 、 国采 用 脉 冲 扫描 的方 法 测 意 瑞 美
量 直径 ｊ 。燕 山大 学 和上 海 交通 大学 在 锻 件尺
１ １ 锻件 热态 尺 寸ｉ 量 系 统 ． 贝 ０ 该 测量 系统 主要 由绿激 光器 ， 平移 动装 置 ， 水
我 国的 重型 机械 制 造业 ， 常 把 在 １ 通 ０ ＭＮ以
钳 、 杆 以钢板 尺 为准 测 量 锻 件 尺 寸 。落 后 的在 量
线 热态 坯料 和锻 件 的尺 寸 测 量 ， 已严 重 影 响 和制 约 了我 国大锻件 生 产 的发展 。
上 锻 造液 压 机 上 自由锻 造 的 重 型 锻 件 成 为 大 锻 件 。在锻 造 过程 中对 热 态坯料 和 锻件 尺寸 的测 量
中图分类号 ：Ｂ２ Ｔ ９ 文献标识 码： Ａ
Ｔｈ ｌ ｅ Ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｏ ｒ ｅ Ｆ ｒ ｉ ｇ ｅ Ｏｎ ｉ ａ ｕ ｅ ｎ ｆＬａ ｇ ｏ ｇ ｎ ｓ ｎ
Ｃｏ ｔｕ ｉｅ Ｂａ ｅ ｎ Ｇｒ ｅ ａ ｅ ｎ ｏ ｒＳｚ ｓ ｄ ｏ ｅ ｎ Ｌ ｓ ｒ
寸测量 方面进行 了大量 的研究 ， 曾进行 过用激 光测
量 长度和 用 Ｃ Ｄ测 量 直径 的研 究 Ｃ ， 但是 环 境
大型高温锻件在线视觉测量图像匹配方法
大型高温锻件在线视觉测量图像匹配方法刘巍;王亮;樊超楠;杨景豪;徐鹏涛;贾振元【摘要】提出了一种大型锻件在线视觉测量图像匹配方法。
本方法建立在外极线约束的基础上，根据锻件现场测量视场大实效性要求高的特点，利用双向极线的距离的方法，建立了基于极线约束的匹配判断条件。
在实验室和锻造现场的实验证明本匹配方法精度高，耗时少，符合大型高温锻件在线视觉测量的要求。
%An image matching method for online vision measurement of large forgings is presented. The method is based on the epipolar line constraint. According to the characteristics of the wide field and the high efficiency require-ments in forging field measurement,a matching criterion is established by using the distance between the two direction polar lines. The experimental results in the laboratory and the forging field prove that this matching method is of high accuracy and less time consuming,which can meet the requirements of the online vision measurement for large high temperature forgings.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2016(046)011【总页数】5页(P1414-1418)【关键词】视觉测量;特征点匹配;外极线约束【作者】刘巍;王亮;樊超楠;杨景豪;徐鹏涛;贾振元【作者单位】大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】TP391近年来,视觉测量方法凭借其非接触、实时性强、柔性好以及精度高的优势被广泛应用于交通、医疗、逆向工程以及太空深海恶劣工况测量等领域[1-3]。
ASTM A388 大型钢锻件超声检测标准操作方法-中文
ASTM A 388-05大型钢锻件超声检测标准操作方法1 适用范围1.1 本操作方法包括用直射波和斜射波技术对大型钢锻件作接触式脉冲回波式超声波检测规程。
直声波法包括DGS（距离-增益-当量）法。
见附录X31.2 凡因询价，合同，订货或技术条件的规定要求按照ASTM A388/A388M 进行超声检测时，均用采用本操作方法。
1.3 以英制或SI 制单位表示的数值均为标准数值，两种单位表示的数值不准确相等，因此每种单位必须单独使用。
两种单位组合使用产生的结果可能和本方法不一致。
1.4 本方法和材料规范均用英制和SI 制表示。
但除了订货规范采用规范符号M（SI）外，应使用英制加工材料。
1.5 本标准不是关于与使用有关的安全问题，使用本标准的用户有责任在使用前建立适当的安全健康操作方法并确定这种方法的可行性。
2.引用文件2.1ASTM 标准A469/A 469M 发电机用钢锻件真空熔炼技术规范A745/A745M 奥氏体钢锻件的超声检测操作方法E317 无电子测量设备的脉冲回波式超声检测系统性能评定操作方法。
E428 超声检测用参考试块的制作和质量控制操作方法。
E 1065 超声检测探头的性能评定指南。
2.2 ANSI 标准（美国国家标准）B 46.1 表面结构2.3 其它文件推荐的无损检测人员资格鉴定和认证的操作方法SNT-TC-1A（1988 版或其后的）3．术语单个指示—指当探头沿任何方向移动时波幅从最高点下降至一定波高的一个指示，由于太小被认为非平面型指示或游动指示。
密集型指示—指在锻件边长2in(50mm)的立方体内或更小体积内有五个或更多的指示平面型指示—指指示的最大长度大于1in[25mm]或大于探头主要尺寸两倍的指示，但无论哪种都不是游动的指示。
游动指示—指探头在锻件表面移动时波的前沿在工件深度方向上移动1in[25mm]或更多距离的指示。
4.订货信息4.1 当本方法用于询价签合同，订货时，订货单位应当声明，并提供如下信息：4.1.1 标准数据（包括日期）4.1.2 按照8.2.2 和8.3.3 确定探伤灵敏度的方法。
大型锻件锻造过程中外形尺寸和温度在线检测装备与测量方法
为了实现在线测量大型锻件自由锻造过程中的外形尺寸和温度，我们设计了一种大型锻件锻造过程中外形尺寸和温度的在线检测装置，可实现锻件外径、长度、台阶轴高度以及温度的测量，通过激光扫描仪、绿激光指示装置、监视装置以及测温装置的协同工作，真正实现了实时测量和远程监控的大型锻件自由锻造过程中外形尺寸和温度的测量。
国内外测量方法大型锻件在航天、石油、化工、船舶、军工等领域有着重要的地位。
在大型锻件自由锻造过程中，锻件的外形尺寸是合理决定压下量、锻打力、锻打次数等工艺参数的主要依据之一。
大型锻件自由锻造过程中外形尺寸和温度测量的研究，可以提高生产效率和锻造精度，减少锻件加工余量和材料能源损耗，保证锻工工作环境的安全性，对于锻造企业的自动化、智能化发展有着积极的推动作用。
国内外对于大型锻件锻造过程中外形尺寸的测量方法有：德国研制的LaCam-Forge系统，激光扫描仪连续扫描锻件表面，对点云数据进行处理并构建三维模型，动态的反映锻件截面和三维形状尺寸的变化；意大利Tecnogamma公司研制的双二维激光扫描仪测量系统，在锻件两侧各安装一个激光扫描仪，扫描锻件同一个截面的点云数据信息，经数据处理后重构锻件的截面，实现锻件外径测量；上海交通大学徐要刚提出了一种通过两自由度的并联机构带动激光测距传感器运动，获取锻件表面点云信息，经坐标变换处理建立三维外形模型，进行锻件的尺寸测量；燕山大学聂绍珉等人提出了一种基于CCD的大型锻件尺寸测量的方法，通过拍摄获得锻件的灰度分布曲线，根据温度的变化认为灰度曲线突变处即为锻件边缘，经过数据统计软件和数学模型处理得到测量结果；大连理工大学王邦国等研制出了一种大型锻件热态几何参数在线测量的系统，通过对光谱选择性图像采集方法的双目视觉系统和特征投影设备的综合应用，重构锻件的三维外形，进而测量锻件的外形尺寸信息。
测量系统我们通过借鉴国内外关于热态锻件的尺寸测量方法，研发了一种大型锻件锻造过程中外形尺寸和温度在线检测装备，结合软件实现锻件各种参数的测量。
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值通过公式 （ ２ １就可以计算 出被测物体表 面上任
一
点的三维坐标信息 ，在这里 以激光器为中心 ，
图 １ 激光三角测距原理图
轴和 轴均在横向扫描面内，且 戈 轴与 ， ， 轴垂直 ， 轴与横 向扫描 面垂直并 与 、Ｙ轴正 交 （ 图 ３ 。 见 ）
维坐标信息， 所以要把距离信息转化为三维坐标信息。
曲面重构 （ 图 ４ 。 见 ）
图 ５ 锻件截面 图
表 １ 实验 数 据 （ ） ｍｍ
加 量
测 量 新 方 法 ，通过 试 验 证 明 是 可行 的 。该 方 法 能
图 ４ 三 维 重 构 后 的锻 件 模 型
够改善工人的工作条件 ，减少资源浪费 ，并且该 方法可以明显提高测量速度 ，从而提高生产效率。
锻件尺寸信息的在线测量 ，同时该系统也可以和压 机联动实现 自动化操作。
Ｎ ＲＳ Ｕ Ｂ 进行 曲面插值 时分 两个 步骤进行 。首先 ， 沿 ｕ向 （ 这里是在切 片方 向）将每个切 片上 的数 据 ，换算成带权的型值点 ，再按照 Ｂ样条 曲线 的
生 １ 第 ＿ ｌ３ ） 期 － … ＾ ３
ｖｊ ＠ ｔ． ｍ ｚｓ ｃ ／ｏ ｈｃ
．
边界条件及反算公式 ，求 出控制点 ，然后再把这 些控制点看作 向的型值点 ，再 沿 向按照 Ｂ样 条曲线的边界条件及反算公式进行反算 ，求得 ， 构成控制 网格 ；在反算过程 中 ，应用重节点端点 条件 ，使特征多边形 的首、末顶点满足型值点首 、 末端点的插值条件 ，边界条件取为 自由端点条件 ， 节点矢量按照 累计弦长法计算 。在得到控制网格 后 ，进行曲面重构。 利用 Ｎ Ｒ Ｓ Ｕ Ｂ 方法可对锻件表面进行高质量的
寸 的在 线测量 。
∑ ∑ （ （ ） ）
Ｓ （， Ｕ ）＝ Ｖ —— ——— 一 … （ ３ ）
∑ ∑ （ Ｍ（） ）ｌ
ｉ０ ） ｏ ＝ － －
式中，
（ ０１ ｍ； ＝，， 凡） （ ＋ （＋ ｉ ，， ＝ …， ｊｏ１ …， 一 ｍ １）ｎ １）
列 阵 ，构 成 一 张 控制 网络 ；Ｗ 与 控制 顶 厂 点 相联 系 的权 因 子 ；Ｍ 厂分 别 是定 、
２ 测 量过 程
在本 方法 中采用 国外某公 司生产 的三维 激光 扫 描 仪来实 现对热 态锻件 外形尺 寸 的在 线测量 。该扫
ｙ
描仪可以进行水平 ３０和垂直 ８。 ６。 ０的旋转 ，从而可 以获得锻件外形的完整点云数据 （ 见图 ２ 。 ）
锻件
图３ 激光扫描三维测量原理
ｆ＝ｃ ００ Ｓｏ ｃ ｓ
Ｔ ｏ Ｌｎ ｉ ｄｎ ｌＭｏ ｅ Ｊ ．Ｓ Ｉ，２ ２ ｕｙ ９９ ｅｖｒ ｗ ｏｇｔ ｉａ ｄｓ【 】 ｕ ＰＥ １－ ３ Ｊｌ１ ９ ，Ｄ ｕ 件 进 行 了试 验 研 究 。在 对 系统 测 量 获 得 的 点 云 数 据进 行配 准 、精 简 、重 构 以后 ，将 三 维模 型 导
图 ２ 测 量 系 统 示意 图
曲面 重构是采 用 Ｎ Ｒ Ｓ曲面插值算 法进行 ＵＢ
的 。对 于 Ｍ向 ｋ次 ， 向 Ｚ 的 Ｎ Ｒ Ｓ曲面定 义 次 ＵＢ
为：
在设定扫描仪与锻件最近点的距离后 ， 首先由 计算机控制驱动装置驱动激光扫描仪扫描锻件表 面 ，根据激光三角测距原理测得扫描仪到锻件表面
一
■技市
锻件表面
曰
３ 数据采集
数据 采集就是要采集锻件表面的三维 坐标信 息， 本文所用三维信息的获取是在激光测距的基础
．
一
Ｄ ＿
上通过计算机处理得 出的。该方法是在激光器发出 激光的同时 ，测量激光线 的水平方 向角度值 和
垂直 角度值 ，然后 利 用激光 三 角原 理测 出的距 离
［２ Ｙｎ ｈ ｉ ａ，Ｑｎ ｍｉｇ ｈｎ ｉ ｃｎ Ｐ ｇ “３ Ｄ ｔ 】 ｉｇ ｕ Ｘｉ ｏ ｉｇ ｎ Ｚ ａ ，Ｑａ ｏ ｇ ａ ， ｎ ｎ Ｄ ａａ
Ａｃ ｕｓｔｏ ｙＴｅｒｓｒａ ａｅ ａ ｎｎ ｒＰ ｏｅ ｔｏ ｆＨｉｔｒ ａ ｑ ｉｉ ｎ ｂ ｒｅ ｔ ｌＬ ｓ ｒ ｉ ｉ Ｓｃｎ ｉｇｆ ｒｔｃｉｎｏ ｓｏ ｃ ｏ ｉｌ
的距离信息 ，然后 由数据采集卡采集距离信息并把
数据传给计算机 ，经计算机处理后把距离信息转化 为空间坐标信息 ，接着经过数据处理 ，构建锻件的 三维模型，测量其外形尺寸信息 ，最后判断不符合 要求的部位 ，传给压机进行加工处理 ，加工后再进 行测量，直到符合要求为止，从而实现锻件外形尺
义 在 节 点 矢 量 Ｕ＝【 ｕ ， ， ， Ｖ＝ 一ｕ 】 ＋
［。 …， ， ］ 的 Ｂ样 条基 函数 。 上 重 构 曲 线 采 用 双 三 次 Ｎ Ｒ Ｓ曲面 。 在 利 用 Ｕ Ｂ
由于现场工作环境温度高 ，系统中加入了冷却
装置保证激光扫描仪正常工作。该系统不仅实现了
｛＝ ｃｓｓ ￣ ｙ Ｓｏ ｉ ……… …… …………… ｌ ｏ Ｏｎ （ ２ ）
ｉ Ｓ ｎ ｚ ｓＯ ｐ ｉ ＝
式 中， 光 扫 描 仪 到被 测 物 体 表 面 的 距 离 （ｍ ； 、Ｙ、 － ｍ） ｐ 分别为物体表面上被测点 Ｐ的三维坐标值 （ ｍ 。 ｍ ）
翥 ４ 警 三维 模型曲 构 面重
参 考文 献
【］Ｚ ａｆｉ ｈ ｕＴ ｏＺ ａｇ Ａｐｅｉｉ ａ ｇｒ ａｅ ｅＬｓｒ ｉ １ ｈ ｏｅＺ ｏ ， ａ ｈｎ ． ｒｃ ｏ Ｒ ｎｅ ｓｄｏ ｔ ａｅ ｔ ｓｎ Ｂ ｎｈ ｗ ｈ
５ 试 验验 证
为 了验 证 本 文 提 出 的方 法 的 可 行 性 ，对 大 型
人到三维建模软件中。从三维模型 中提取锻件的 截面图，根据建模的比例得到测量面的详细尺寸 。 采用激光测量法得到的尺寸是整个锻件外 轮廓界